高村鐵礦二期工程開采邊坡穩定性分析

高村開采礦床位于安徽省馬鞍山市東北2公里處。采礦區分布在姚兒山村、陶瓷村和高村。地理座標:東經118°37′00″,北緯31°41′15″。南距馬鋼集團南山礦業有限責任公司的凹山采礦場2km、距東山采礦場4km、西距馬鞍山市區12km。馬鋼高村鐵礦自2003年正式開采以來,目前已形成4個標準臺階,臺階高度為12m,采坑最大深度為48m,邊坡暴露已達4個階段,隨著二期工程的推進,+30m封閉圈以上地形復雜,邊坡不穩,鄰近采場建筑物較多,以采場內水泵房、配電室、降壓站、轉載臺汽車指揮室最近,與邊坡的距離約為30多m。稍近一些有汽運工段、穿爆工段、電鏟工段、綜合工段、調度室等建筑物,這些臨近的建筑物,多為磚石結構,抗震能力差。已靠界的邊坡,地質條件復雜、穩定性差,此前曾發生過大小不等的滑坡。目前,由爆破振動引發的與周邊農民沖突依舊存在,邊坡上大規模滑體仍在形成,并呈愈烈趨勢。所以,解決爆破地震強度顯得迫切重要。1關于爆炸地震的理論1.1爆破質量分析炸藥爆炸后,隨著傳播距離的增加,應力波衰減為地震波。地震波包括表面波和體積波,而造成地震破壞的主要是表面波中的瑞利波,這種波具有低頻、高能、衰減慢等特點,該波帶動質點在垂直面上沿橢圓軌跡作后退式運動。表示爆破地震破壞的強弱程度叫做地震強度。地震強度一般用質點的振動速度、振幅等物理量來描述。質點振動速度具有如下規律:式中,V為質點垂直振動速度,cm/s;Q為同段起爆的最大藥量,kg;R為爆源至計算點間距離,m;K為爆破現場地質條件系數;α為爆破振動隨距離的衰減系數。爆破引起的地震波,向爆源四周擴散。在近爆源周圍,其振幅隨著與爆源距離的增大而增大,但超過一定范圍,振幅迅速下降。1.2降低爆破地震強度決定爆破地震強度的,首先是質點振動速度。從式中可以看出,人為控制的因素只有Q和K。即可以通過降低一段起爆藥量Q,直接降低爆破地震強度;此外可以通過減小爆破夾制等手段來降低K值,也可以減少爆破地震強度。從式中還可以看出,α隨地質條件的改變而改變,也就是說不同的地質條件對爆破地震波的衰減吸收能力不同。因此在建筑物的位置選擇上,成為一個可以利用的因素。爆破地震波的振幅,在爆破地震的傳播過程中,是變化不定的。但存在一定的變化規律,這個規律對于建筑物位置的選擇,也做為一個利用的因素。2爆破質量優化的方法目前,國內外的爆破降振措施,大多以減小一段起爆藥量為主,兼顧對爆破中炸藥能量釋放的正確導引,來實現爆破降振的。主要措施包括:(1)電子雷管延時爆破法。這種方法是利用高精度的電子雷管(延時誤差可控制在1ms之內),將爆破所用炸藥分成足夠多的段組。(從0～999ms之內,可以任意人為設定段別)。減少一次起爆藥量來降低地震。(2)非電毫秒延時爆破法。與電子雷管延時爆破法相似,這種方法也可以降低一段起爆藥量。所不同的是這種延時爆破的延時時間不能隨意設定,其延時功能由裝在雷管內的延時藥和地表網路中的聯結塊補充延時來實現。(3)選擇合理的起爆方案。合理的起爆方案,可消除爆破夾制作用從而降低地震強度,主要措施為清渣爆破,切根拉底以及防止超深過大等。(4)選擇合理的爆破炸藥單耗。在爆破中,炸藥單耗過大會產生強烈的振動和空氣沖擊波;單耗過低,會造成巖石的破碎和松動不良,大部分能量消耗在振動上。合理選擇炸藥單耗,將炸藥的爆炸無用功向有用功方向導引,可降低爆破地震強度。(5)選擇合理的延發時間。爆破延發時間短,促成礦巖爆堆較高,移動小,破碎效果不良,并產生強烈的地震。因此,在深孔爆破時,在條件允許的情況下,較大的延時時間,有利于降低地震效應。但不是無限的,最佳延發時間與巖性有關,在不同地點就有適應于該種巖性的最佳延發時間。(6)間隔裝藥爆破法。間隔裝藥爆破既可降低炸藥單耗,又可提高破碎效果,并能減少一段起爆藥量。其實質是將產生地震波的一部分能量導引到破碎礦巖上來。(7)提高邊坡及建筑物的抗震力。采用預裂、光面爆破等一些爆破技術,加強靠界爆破質量,提高邊坡的抗震能力。此外,在近坑的設施構筑中,盡可能地使用一些輕質堅固的建材或直接使用可移動的房屋,提高自身的抗震力。3爆破質量控制在爆破降振方面,高村鐵礦已采取了包括上述措施在內的多項方案,并取得了一定的效果,現介紹如下。(1)間隔裝藥爆破得到成功的應用。間隔藥柱之間使用導爆索相連,裝藥前將2發400ms非電雷管插入起爆具的2個孔內,采用連續裝藥結構,起爆具放在底部藥柱1/2處,采用上向傳爆方式,增加破碎度的同時降低爆破振動。(2)清渣爆破的實施,減小了爆破夾制,降低了爆破地震。(3)選擇合理的毫秒延期間隔時間。高村鐵礦使用的是目前國內比較先進的Orica系列雷管,達到逐孔起爆的目的。Orica非電起爆網路采用“孔內同段,地表分段”的方法,孔內延期時間400ms,地表雷管段別選取視地質情況和設計要求而定,當爆破設計以拋擲為主要目的時,控制排孔與孔之間的延期時間取大值,以破碎為主要目的時取小值;硬巖爆破分傳爆列孔與孔之間的延期時間可選取42ms或65ms,軟巖爆破分傳爆列孔與孔之間的延期時間可選取65ms或100ms。網絡聯接如圖1所示。需要說明的是對于地表雷管的網絡設計,澳瑞凱公司專門配置了相應的軟件,可在電腦上完成設計和模擬爆破,選擇最佳的設計方案。(4)在靠界爆破中,使用了預裂爆破及光面爆破,降低了一段起爆藥量,一定程度地保持了邊坡原巖的穩定性,加強了抗振能力。(5)爆區有明顯結構面時,選擇合理起爆順序。根據巖體結構面特征,來決定起爆順序,為降低爆破振動。爆破拋擲方向應垂直于結構面走向。如圖2所示。當結構面走向如圖所示時,起爆點應選擇在A點而不是B點。(6)選擇好前排孔抵抗線。根據鉆孔作業的安全條件:式中,W為底盤抵抗線,m;α為臺階坡面角,一般為60°～75°;H為臺階高度,高村采場為12m;B為從鉆孔中心至坡頂線的安全距離,高村采場使用KY250型牙輪鉆機B≥2.5～3.0m,實際取值為3～3.5m。因此,W≤H·cotα+B=12×cot60°+3.5=10.4m,為降低爆破振動,通常取8～10m。(7)控制最后排孔的裝藥高度。多排孔爆破時,從第二排孔起,以后各排孔的裝藥量按下式計算:式中,k為考慮受前排各排孔的礦巖阻力作用的增加系數,高村采場取1.7;q為單位炸藥消耗量,取0.4kg/m3;a為孔距,取7.5～8.5m;b為排距,取5.0～5.5m;H為臺階高度,高村采場為12m。因此后排孔的裝藥量為為降低爆破振動影響,高村采場爆破一般不超過3排,為控制爆堆形狀,后排形成塌落,一般后排孔比前排孔藥量增加系數為1.1,但要保證填塞高度6.5～7m。(8)控制合理的超深和余高。超深的作用是降低裝藥中心的位置,以便有效的克服臺階底部的阻力,避免或減少留根底,以形成平整的底部平盤。超深過大,則爆破振動越大,高村采場設計超深值為2.0～2.5m,后排孔的超深值一般比前排小0.5m。(9)選取與巖石特性相匹配的炸藥。針對高村采場炮孔內一般都存在不同程度的積水的情況,選用乳化炸藥,其優點:爆炸性能好,抗水能力強,安全性能好,環境污染小,爆破效果好。(10)嚴格的施工。①嚴格布孔。根據采場的巖性條件,節理發育,結構面走向,合理安排孔網參數。②嚴格穿孔作業。穿孔作業是爆破的先頭作業,它的好壞直接影響爆破效果,嚴格按照布置的炮孔進行穿孔,孔深要達到設計要求,并及時扒渣護孔,防止掉入石塊、孔渣。③嚴格爆破施工。督促爆破工認真施工,嚴格按照施工程序作業,避免堵孔,填塞時應保證填塞質量。(11)科學的管理。爆破技術和科學的管理是一個有機的整體,前者是基礎,后者是保證。高采車間在爆破管理上實行分層管理,從車間主任、技術員、工段長、班組長、爆破工,逐層考核,責任到人。嚴格執行質量管理體系和質量監控網絡。4對爆破安全性能缺乏足夠的研究盡管做了以上的工作,但還不能滿足現場的需要,存在以下不足:(1)高村鐵礦的礦石礦物主要為磁鐵礦,其次是少量的赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦,微量的鈦鐵礦、黃銅礦、方鉛礦和閃鋅礦等,高村鐵礦的脈石礦物以鈉長石、斜長石為主,其次是陽起石、綠簾石、綠泥石、磷灰石、石英等,對這些巖石的抗振性能沒有進行專門的研究,在實際中,由于毫秒延時雷管段數不夠,一段起爆藥量不能很好的控制。(2)對延時時間和炸藥單耗與爆破地震強度的關系了解不夠,無法確定不同巖性的最佳值、延時時間和炸藥單耗。(3)對采場多種巖石的地震衰減能力了解不夠,致使近坑建筑物在選位時,對爆破振動因素考慮不周。針對上述不足,在今后的爆破降振工作中,應著重從以下幾個方面做工作:(1)應探索使用高精度、施工簡單方便,安全性能高,擁有足夠多段別的毫秒延時雷管,以彌補目前所用雷管段數不足、精度低的缺陷;(2)通過研究,獲取高村鐵礦不同礦巖最有利于爆破降振的延時時間和炸藥單耗,用于指導生產實踐;(3)探索高村鐵礦不同巖種對爆破的衰減吸收能力,將建筑物設計在衰減能力最強的巖種之外,為建筑物選好“防波墻”。5爆破振動對周邊建筑物及居民房的影響降低高村鐵礦通過采取一系列的降振措施,不斷改進爆破技術,提高爆破質量,目前的