0 引言

白银有色金属公司厂坝铅锌矿二期边坡扩帮工程是国家“八五”重点建设项目。降低东山头剥离标高, 加速一二期工程衔接又是二期边坡工程的关键。为此, 从已有北帮大边坡安全出发, 考虑了东山头爆区下方未来大边坡的稳定, 近邻的Ⅰ^#、Ⅱ^#、Ⅲ^#汽车隧道保护, 附近工业场地与机修厂安全, 经多次反复论证, 在1985年1月25日成功地施爆了工业试验炮基础上, 决定实施厂坝二期边坡控制大爆破。大爆破已于1992年5月27日成功施爆。在国际上, 开创了边坡控制大爆破成功的先例。现就厂坝二期边坡控制大爆破的监测研究予以阐述。

1 边坡控制大爆破概况

厂坝铅锌矿位于甘肃成县黄诸镇, 二期工程是国家计委以工一(1990)1263号文批准的国家“八五”重点建设项目, 矿体向南倾, 露天坑采场上部尺寸1170 m×850 m。东端边坡高276~600m。

厂坝二期边坡控制大爆破, 爆区位于厂坝二期采场东部最终境界附近。分东山削顶大爆破和东端剥离公路大爆破两个爆区。东山头地势陡峻, 比一期采场高320 m, 二期扩帮剥离量80 %集中在这里, 是一二期衔接的控制性工程, 爆区最低标高+ 1598 m, 大爆破降低山头标高79.8 m, 爆区水平投影面积47980 m²。爆区共掘进坑道3002m, 爆破岩石量165.5万m³, 总炸药量1865 t, 平均单耗1.04 kg /m³, 岩石抛掷率达77.3 %。

1.1 爆破场区自然条件

爆区为南宽北窄的南北向山梁, 最高峰标高+ 1677m。东为七架沟废石场, 西北沙硐沟, 自然坡角≥42°。南侧坡角为45°左右。北部为较缓山脊, 两侧为较陡深沟, 坡角为39°~45 °。地表一般有厚30~50 cm的坡积土与残积土。局部基岩出露, 植被发育。

1.2 爆区地质构造与岩性

本区属西秦岭加里东褶皱带。晚古生代以来, 接受了厚层海相沉积, 其中尤以晚古生界和三迭系海相碎屑岩建造和碳酸盐建成最为发育。爆区断层不发育, 较大有F₅₅断层。主要构造弱面为片理、节理、断层滑面及不同岩层接触面。爆区主要岩种有结晶灰岩和方解石黑云母片岩两类。结晶灰岩占爆区70 %以上, 主要分布在南段+ 1677 m山峰周围地段。岩石坚硬、稳固、整体性好, 断层、节理、裂隙不发育, 均质性好。方解石黑云母片岩占爆区22 %, 强度较低, f = 4 ~6, 片理、裂隙、节理发育, 风化后极破碎, 整体性差。岩层总走向NW 60°~ 70°, 倾向SW 20°~30°, 东边坡走向SN, 向西倾, 岩层弱面与边坡组合关系利于边坡稳定。

爆区无岩溶、无矿体, 位于侵蚀基准面以上, 水文地质条件简单。

1.3 爆区与保护对象

爆区属大面积多面临空复杂地形, 北端山下60m处有Ⅰ^#汽车隧道, 南部山下150m处有Ⅱ^#、Ⅲ^#汽车隧道。Ⅰ^#隧道与公路爆区药包最小距离仅13.5m, Ⅱ^#、Ⅲ^#隧道距爆破中心仅150m。此外, 还有四条主要汽车运输公路盘旋环绕。

爆区西侧为一期采场, 其北边坡高320 m, 东侧正冲抛掷方向大约800m处为采矿工业广场与汽车保养维修车间厂房, 北部600 m处有矿山加油站。为爆后从速恢复生产, 在一期采场内距药包500多m处的1346平台贮放汽车10辆及相应备品备件。西南端离药包450 m的6^#公路拐弯处停电铲1台, 潜孔钻机2台, 还有前装机、推土机、变压器若干台。

爆区临近边坡、汽车隧道、公路、采场、油库、设备平台、协业场地.并被它们所包围这此地方比爆破水平低65~300 m, 飞石危害很大。

1.4 大爆破设计与特点

东山头二期边坡工程控制大爆破提出如下工程要求:

a. 要求地形下降64 m, 岩石抛掷率达70 %;

b. 抛到采场境界外的岩石有效抛掷率占抛掷总量的75 %;

c. 控制爆破地震, 允许临界振速:边坡为20 cm/s, 汽车隧道15 cm/s, 建筑物5cm/s;

d. 爆破底板要平整, 大块率控制在5 %。

设计确定爆破类型为:东、南两侧为抛掷爆破, 西侧部分采用标准抛掷、部分应用加强松动爆破, 公路爆破应用减弱抛掷或加强松动爆破。

该次边坡控制大爆破采用三项关键技术:

a. 群条空腔斜分层平面药包毫秒差抛掷爆破技术;

b. 条形药包与集中药包相结合, 实行点线控制防止端部逸散技术;

c. 被保护对象在条形药包轴线延长线, 或在20°以内锐角小影响区内的新型药包布局保护技术。

据此, 东山头削顶大爆破, 药包分三层布置, 分9段毫秒差起爆, 最大段药量不超过250 t, 采用空腔装药结构, 空腔留在靠山体一侧以减少对边坡损害。

削顶大爆破共布药包56个, 组成条形药包21个, 点线控制集中药包22个。组成15个斜分层向外抛掷。公路药包沿公路纵向单排布置, 共110个药包。组成14条条形药包, 加强及点线控制1 1个集中药包。

采用单元抛体弹道理论设计爆破参数与药量。

1.5 大爆破施爆

该次大爆破施爆的关键问题是从防雷角度出发, 由电爆网路改为非电与电雷管混合爆破网路, 在大型硐室爆破中尚属首次。以土质物对线路敷设消除了管道效应; 以双复式线路加联接线方式进行导爆索联接, 确保了施爆成功。

2 监测方案与方法

大爆破的监测工作必须依据大爆破的特点, 围绕该次大爆破的预期目的制订监测方案, 选定相应方法, 以对其爆破质量、减振效果、被保护对象状况作出确切评价, 也为爆破后效的善后措施与决策提供基本根据。

该次炸药量为1865t的边坡工程控制大爆破, 在设计中采用三项关键技术, 在施爆中又有一些独到决策, 其出发点在于达到设计中的四项工程要求.该次大爆破各爆段参量如表 1。

综合上述, 对测试工作基本要求为:

a. 评价该次边坡工程控制大爆破工程效果。对降低标高、控制抛掷方向、有效抛掷率、抛掷单耗、爆底平整度、大块率等作出定量评定。同时探讨在特定条件下采用边坡工程控制大爆破方法来降低剥离标高的适应性与可行性。

b. 测定对北帮大边坡、三条汽车隧道、工业场地与厂房的影响, 评价减振效果, 确定相应对策。

c. 评定采用一系列大爆破关键技术以后对未来东帮大边坡的减振效果与影响, 为确保未来东帮大边坡稳定可能采取善后措施提供科学依据。

为此, 边坡控制大爆破监测方案要求:

a. 有效地对爆区实行整体控制, 突出重点环节;

b. 现存保护对象与未来东帮大边坡保护必须同时监测与兼顾;

c. 采用高速摄影、爆破测振、宏观调查的多途径综合监测体。

具体监测工作布设为:

a. 爆破地震效应与应变量测  监测共布设三条测线, 计28个测点。

测线Ⅰ^#布在爆区下方专门开挖的观测巷、Ⅱ^#汽车隧道、Ⅲ^#汽车隧道中, 共11个测点。有加速度计、地震仪, 监测爆心下方、近区、隧道中的加速度、速度。对汽车隧道还量测混凝土墙与喷锚混凝土墙的动应变。

侧线Ⅱ^#布在一期工程采场边坡、Ⅰ^#汽车隧道, 设7个测点。主要为地震仪, 量测爆破振动速度。

测线Ⅲ^#布在工业场地、汽车修理车间, 观测地基及建筑物振动速度与加速度。

b. 大爆破高速摄影测量观测  建立三个台站, 进行全景及主抛方向观测, 用于评估导炯工程的填塞质量; 定量分析岩体运动过程和岩石抛掷运动特征参数; 分析并确定微差的合理间隔时间; 校核岩石抛掷速度系数kv; 测定质心抛距Sc和前沿抛距Sm, 监测爆破飞石并圈定其抛掷半径.观测研究同时用4台摄影机从两个主抛方向与一个全景控制方向进行观测。后期数据分析借助于MOVIAS100图像分析仪及计算机完成。

c. 爆破及减震效果宏观调查  主要包括爆堆形状与高度的测定与调查; 公路爆破调查; 岩石破碎程度与大块率调查; 药室向下作用深度调查; 边坡影响程度调查; 隧道、汽修厂、工业场地破坏状况调查; 专门开挖的观测巷道清理与破坏状况调查; 爆破基底清理与平整度分析, 抛掷率及有效抛掷率的统计分析等。

3 边坡控制大爆破监测 3.1 高速摄影观测研究

现场观测同时用4台摄影机从三个方向进行。主要摄影参数为: L=350~500 m, N = 50~210 F/S, f = 40~130 m, 时标振频100次/ s。为便于检验爆破网络的微差时间和确定起爆零时, 用导爆索与药室爆破网络中的1、7、9段雷管并接置于导峒口外。

a. 该次爆破岩石移动特征  爆后岩石移动是爆炸冲击波的动态效应与爆炸产物膨胀的准静态效应的综合, 主要是准静态效应。岩石移动过程又可分解为初期岩石移动和后期抛掷运动。高速摄影证实了该次边坡控制大爆破岩石移动过程为:爆后56 ms岩石开始移动, 移动速度最大值在最小抵抗线方向; 爆后160 ms主抛方向开始出现裂隙, 岩石呈鼓包运动; 爆后210 ms左右形成破口, 山体表面与药室完全贯通, 爆炸产物夹带碎石开始逸出; 爆后250 ms后, 岩体鼓包运动结束, 岩块进入外弹道抛掷状态, 起抛角为34°~46°, 抛掷速度小于100 m /s。

质心部位平均速度31.9m /s, 最小抵抗线部位平均速度为36.9 m/s。

b. 初期岩石移动  按最小抵抗线方向的实测速度V与最小抵抗线W、标准药量Q关系, 可写成峒室爆破初期岩石鼓包运动平均速度经验式:

(1)

并满足: 0.07 < (W/Q^0.5) < 0.123, 0 < t < 200 ms

c. 正体质心速度Vc与抛掷速度系数Kv  群药包爆破时, 相邻两个(或四个)药包的联合作用区称为正体。正体质心速度Vc与抛掷速度系数Kv、炸药单耗q、药包间距系数m间关系可表为:

(2)

经实测与分析, 可得关系式为：

式中: r = 0.887, m = 6

所测结果与设计值Kv=21很接近, 相对误差只有5.05 %, 设计选取抛掷系数Kv在合理范围内, 符合最佳比例抵抗线原则。

d. 合理微差时间的评价  观测得到:岩石明显移动时间范围55.6~81.7ms, 平均64.9 ms。由11个药室资料, 岩石开始移动时间t_c范围为28.8~70.6 ms, 平均52.9ms。

合理明显微差间隔时间下限为55.6, 此值与这次大爆破所选取的1~2段雷管的延时(50±10) ms, 是吻合的。

高速摄影图像表明, 爆后岩石鼓包开始破裂时间在210 ms左右, 且无提早泄漏和破坏后段药室现象。可见, 微差时间的上限最大延时为230ms选取是合适。

e. 导峒填塞质量评价  高速摄影图像表明, 这次大爆破填塞长度和填塞质量控制较好。91 %的药室导峒口在鼓包破裂之前(200ms)无提早泄漏现象。Ⅱ-15^#药室发生短暂泄漏, 并非填长不够, 可能是填塞质量欠佳。爆破过程中破裂体又自动止泄而未影响整体效果。

f. 爆破飞石监测  实测飞石抛掷距离比设计采用计算值要小。飞石抛掷主要方向是东南向与西南向, 其分布范围大约在南偏东60°与南偏西65°的扇形区域内。公路离爆区最近距离为210 m, 此处正是3^#、5^#、7^#、8^#正体的主抛区域, 这些正体前沿抛距分别为239.3 m、218.4 m、274.2 m、245.6 m, 这段公路在爆后堵塞。此外, Ⅱ^#、Ⅲ^#汽车隧道出口离爆区最近距离为240 m, 质心抛掷距离分别为258 m与241m, 加上岩块滚落, 已将隧道堵塞50多m。经比较, 正体实测速度比设计速度大20 %, 爆堆堆积位置比设计要远10多m。

3.2 大爆破测振与应变且测

a. 大爆破地震振速衰减规律  东山头边坡控制大爆破, V_丄= 41258R^-1.5cm /s; 公路大爆破, V_丄= 913 R^-0.995 cm /s; 工业试验炮, V_丄= 7489 R^-1517 cm /s; 露天矿生产爆破, V_丄 = 11941.6 R ^-1899 cm /s; 南山头大爆破, V_丄= 221620.3 R ^2.71 cm /s。

b. 主振相频率随距离变化规律  东山头边坡控制大爆破, 沿边坡, 负高差: f_丄= 220 R ^-0.499, f₌= 114.9 R ^-0.41; 公路爆破, 沿硐中及地表, 负高差: f_丄= 4735 R ^-0.97, f₌= 14.37 R ^-0.446; 工业试验炮, 负高差, 沿地表及边坡: f_丄= 289 R^-0.6; 生产爆破, 沿边坡, 正高差: f_丄= 541 R^-0.67, f₌= 202 R^-0.65。

c. 汽车隧道受大爆破振动影响评价  汽车隧道实测振速最大值: l^#为14 cm /s, Ⅱ^#为10.6 cm /s, Ⅲ^#为14 cm /s, 对照我国爆破安全规程对交通隧峒所规定安全振动速度15 cm /s, 隧道从总体上为安全。

东端剥离公路大爆破中, 由第9雷管段起爆的集中药室药量为4204 kg的爆破, 离Ⅰ^#隧道东端洞口仅为13.5m, 与药室的抛掷方向最小抵抗线相等。为此, 采取了增大不偶合系数, 使之为8~9, 并缩短药室长度5m。取得满意减振效果。爆后峒口砌墙有新生小裂隙, 但不影响隧道结构整体安全。在远离洞口24 m处的北帮边坡体附近实测振速为21cm /s。

d. 北帮边坡受大爆破振动影响  该次大爆破北帮边坡实测振速最大值, 水平方向为8cm /s。

爆破振动影响的阑值速度随大边坡稳定程度与局部边坡稳定程度而异。厂坝露天边坡工程研究表明, 对于稳定边坡所要求V_max1= 20 cm/s, 对于较稳定边坡V_max2= 10 cm/s, 对于临界稳定边坡V_max3= 5 cm/s, 该次大爆破没有造成北帮大边坡与局部边坡失稳。爆前边坡均处于较稳定状态与稳定状态。

e. 工业场地与汽修厂影响评价  工业场地与汽修厂距爆区超过800 m, 其间又隔着两条深沟, 爆破地震波影响很小, 振速均小于Icm /s, 远远低于厂房、建筑物所允许振速scm /s, 可不考虑振动影响。

f. 波形平缓, 微差间隔合理  东山头边坡控制大爆破, 同层药室间起爆间隔为50 ~200 ms, 不同层间大于250ms, 延续时间近2s, 波形起伏不大, 表明段药量及间隔时间设置合适。按波的二源学说, 由炸药爆炸引起的震动强度小于炸药爆炸时伴随鼓包运动而传递的震动强度, 与按鼓包运动的加速过程设置分层间隔时间的观点是一致的。因此, 公路爆破的震动强度相对大些。

g. 专门观测酮试验分析  试验观测峒口标高+ 1598 m, 距离最近的爆破蛔室为Ⅱ-11^#, 相应标高为+ 1625m。药室与峒口距离为43 m。观测峒口实测振动速度与加速度如表 2。

爆破后铜室已坍塌, 峒口已堵塞, 至今尚在清理, 已引起结构性破坏.据此, 在分析大爆破对垫层影响基础上, 就未来东帮大边坡稳定作出相应的处理对策。

3.3 宏观调查与分析

a. 爆堆形态与高度  岩石抛掷方位为四个部位:西方向采场侧应落石22.41万m³, 南部废石场侧应落石20.81万m³, 东部Ⅱ号公路应落石53.03万m³, 主爆区留量41.25万m³。主爆堆高度由原地形1677m, 降至1625 m标高。

爆后连续下雨, 雨后测得, 采场落石24.74万m³, 废石场落石22.98万m³, Ⅱ号公路大转弯处落石58.56万m³, 主爆区留量31.20万m³ 。抛掷系数77.30%, 大爆区高度与设计相当, 为+ 1598m。

b. 岩石大块率统计结果  采场内大块率为0.62 %, Ⅱ、Ⅲ号隧道区大块率为0.57 %, 主爆区大块率为0.24 %。破碎块度非常理想, 总大块率相当低, 挖掘机工作方便, 效率高, 台班效率可达1500m³/台班。爆堆下方无根底。

c. 公路采用爆破法, 大大缩短施工工期  总工期由原来所需26个月, 缩短为8个月。

d. 药室向下及向周围作用范围  到目前为止, 由于还未清理完毕, 宏观状况还不能确切确定。从未来东帮大边坡稳定出发, 需考虑爆区垫层处理, 并在边坡开挖过程中密切注意。

4 监测结论

a. 该次厂坝二期边坡工程控制大爆破采用高速摄影、爆破测震、宏观调查相结合的全方位监测体系, 对大爆破效果作出了全面、确切评价;

b. 监测与调查证实, 这次边坡控制大爆破达到了预期目的, 降低标高79.8m, 抛掷率达77.3 %, 爆岩量达165.5万m³, 缩短建设周期3年以上, 满足了国家“八五”重点建设急需;

c. 监测表明, 采用了一系列控制爆破技术与施爆措施, 达到了保护Ⅰ^#、Ⅱ^#、Ⅲ^#、汽车隧道、保护北帮大边坡、保护工业场地及汽修厂的预期目的。开创了边坡控制大爆破成功的先例。

d. 边坡控制大爆破经济效益显著大爆破比机械剥离节省投资432.7万元; 控制爆破避免边坡与隧道破坏, 节省处理及修理费858万元; 缩短建设周期3年, 早产3年获产值1.45亿元.获纯利1174.77万元; 二期基建对一期少干扰3年, 纯收益资金2930.9万元; 减少3年涨价预备金及贷款利息469.6万元。总计纯收益5959.8万元。年效益1490万元。

e. 社会效益显著  在特定生产急需条件下, 该次边坡控制大爆破的关键技术具有推广应用价值。同时也必须强调, 所有边坡控制大爆破必须配以垫层的善后处理与监测, 才能确保未来边坡稳定与安全。

该项研究成果, 已于1993年9月由中国有色金属上业总公司主持, 在厂坝通过鉴定, 具国际先进水平。