黄筱梦,梁沉,税勋,任聪,黄帝

(四川中鼎爆破工程有限公司, 四川 雅安市 625000)

0 引言

石灰岩简称灰岩,主要成分为碳酸盐岩,按其成因分类归属于沉积岩的一种,是地壳中分布最广泛的矿产之一。伴随着人类文明进步和工业发展,石灰岩被广泛运用于建筑材料和工业材料,是烧制水泥、石灰、电石的主要原料,也是冶金工业不可或缺的熔剂。

在我国,石灰岩分布面积达43.8万k m2,约占国土面积的1/20。2016～2017年,我国石灰石产量达到28.03亿t。2018年起,能耗、环保及产能供应等系列原因,造成水泥价格强势走高,充分体现了石灰石在国民经济中的重要地位。根据Grand View Research的最新报告,到2027年,全球石灰石市场规模预计将达到1027亿美元,并且从2020年到2027年的复合年增长率将达到4.4%。

目前,我国石灰石原石大多为露天开采方式,开采工艺为穿孔—爆破—铲装—运输—破碎加工。在生产工艺流程中,石灰石矿山因“喀斯特作用”形成的溶洞、溶沟、溶槽对开采的安全、质量和成本都有着严重的影响。因此,本文针对露天台阶爆破开采工艺,分析溶洞对露天灰岩矿山台阶深孔爆破的影响以及处理方法,为矿山生产、爆破工艺管理、施工流程管理、安全管理、施工方案编制等提供可借鉴的经验和结论,以提高矿山精细化开采管理水平。

1 露天灰岩矿山溶洞特性

溶洞多存在于易于“溶蚀”的地层,是在长期受到“溶蚀”作用而形成的空洞。受地表、地下径流影响的石灰石岩层中溶洞分布十分普遍,大型的“溶蚀”活动甚至能产生数公里的溶洞腔体。

当不溶于水的碳酸钙与水和二氧化碳发生化学反应,生成易溶于水的碳酸氢钙,从而将石灰岩矿体中的碳酸钙带走变为“硬水”[Ca(HCO3)2]。经过流水的长期侵蚀作用,石灰岩矿体内的小型充水通道缓慢形成溶沟、溶槽、空洞,空腔体积与溶蚀时间、流量大小、二氧化碳溶解度等密切相关。“硬水”受热或压力减小时,碳酸钙又被搬运重新沉淀形成乳石、石幔等。溶洞空间及伴生发育千姿百态,是大自然的鬼斧神工。按其发育过程有多种形态[1]:

(1)地表水沿灰岩内的节理面或裂隙面等发生溶蚀,形成溶沟(或溶槽),原先成层分布的石灰岩被溶沟分开成石柱或石笋;

(2)地表水沿灰岩裂缝向下渗流和溶蚀,超过100 m深后形成落水洞;

(3)从落水洞下落的地下水到含水层后发生横向流动,形成溶洞;

(4)随地下洞穴的形成地表发生塌陷,塌陷的深度大面积小,称坍陷漏斗,深度小面积大则称陷塘;

(5)地下水的溶蚀与塌陷作用长期相结合地作用,形成坡立谷和天生桥;

(6)地面上升,原溶洞和地下河等被抬出地表成干谷和石林,地下水的溶蚀作用在原有溶洞和地下河之下继续进行。

溶洞的形成离不开水和二氧化碳及“溶蚀”地层,而其形成要素在大气和地表存在普遍性,因此在地表水、地下水、空气的长期作用下,石灰石岩层出现溶蚀现象亦具有普遍性,对于浅藏、出露、裂隙较多的石灰石矿体来说更不可避免。形成大型落水洞、溶洞、干谷、石林等奇观需要一定的条件和时间的累积;溶沟、溶槽、空洞则在石灰石矿体中普遍存在。

因此,溶洞的影响以及处理方法是露天灰岩矿山爆破开采时必须考虑的一个问题,且对矿山的开采设计、施工方案、安全管理、爆破工艺、经济效益、开采进度、综合效率、矿石质量等均有重大影响。

2 溶洞对灰岩矿山开采及爆破的影响分析

在工程地质条件方面,岩溶产生的溶沟、溶槽、空洞会对矿体和围岩的连续性、结构稳定性产生影响,其发育程度和原岩破碎程度直接影响了整个矿山的开采难度,在安全、质量、成本、进度等方面产生不可控的风险因素,因此在石灰石矿山勘察设计时,均需对岩溶、水文等地质条件进行实地勘察,出具相关分析报告,为后续开采设计施工提供参考。针对不同的岩溶发育和地质情况,矿山设备选型及开采关键参数也应适当考虑,主要影响体现在以下4个方面。

2.1 对开采施工安全的影响

溶洞具有隐蔽性和不确定性,隐藏着较大的安全风险,给石灰石矿山钻孔、爆破、清挖、运输等作业活动带来重大安全隐患。当溶洞揭露后,往往伴随着溶洞部位局部矿岩的塌陷。周边原岩稳定性较差,或者溶洞腔体过大时,则塌陷影响范围也随之扩大。陷落高度一般为溶洞顶、底板的高差。当地表和地下塌陷时,会对周边工作面的人员、机械设备、矿山设施、作业活动、工作平台、作业面等带来严重破坏。当边坡与溶洞距离较近时,将影响边坡的稳定性,引起边坡失稳。大规模塌陷还可引发地震效应,诱发滑坡、崩塌等地质灾害。

工作面开拓至溶洞部位时,开采作业面的溶洞将直接影响工作面的推进、作业面布置、台阶高程、台阶平整度,影响矿山生产要素和平台参数。道路方面,大、小溶洞均会破坏基岩连续性,对道路路基、道路平整度、道路维护等带来长期不利影响,威胁运输安全。溶洞的存在使地表水、地下水存在径流通道,使局部水文地质条件发生变化,从而影响局部范围内原岩稳定性以及矿山疏排水安全设施的运行。

2.2 对钻孔的影响

钻孔是整个采剥循环较为耗时的工序,溶洞区域钻孔效率极低,减缓工作进度,并直接和间接影响到开采综合成本。溶洞致使原岩不连续,腔体、裂隙及纹理过多使得“卡钻”时有发生,冲击器、钻头时有掉落、钻杆“卡钎”导致钻具无法取出,造成经济损失并影响成孔速度。穿孔失败或后孔质量较差,或是炮孔内部垮塌,为确保爆破效果需在原孔位附近补孔,使得补孔成本增加。一般情况下溶洞具有连续发生可能性,即溶蚀部位存在水流路径而扩大发育范围,上下台阶、周边位置原岩均较差,且具有隐蔽性,反复补孔返工,严重影响炮孔成孔成本和效率。

溶洞腔体发育的不规则导致成孔后孔深不足、孔径扩大,影响成孔质量。一般情况下,钻孔后均需对成孔进行保护,防止雨水灌入或孔口浮石垮塌。溶洞周边地质环境较差以及凿岩扰动造成孔壁稳定性变差,护孔困难,倾斜钻孔时影响则更大。

对于气动类凿岩机械如潜孔钻,溶洞腔体和裂隙会严重影响空气流动路径,穿孔时严重“漏气”,使吹渣、出渣变得异常困难,钻进困难致使凿岩钻进效率大幅降低。较差岩层比正常岩层的钻进效率低50%以上。

2.3 对台阶深孔爆破的影响

规模化开采露天石灰石矿一般均采用台阶中深孔爆破,爆破作业是矿山开采风险较大的工序,并且爆破效果好坏直接影响清挖装车效率。若爆破时不采取安全技术措施加以应对,则爆破安全风险加剧,容易酿成爆破事故。多发性溶洞矿山台阶爆破施工工序的长期统计和分析表明,溶洞对爆破安全、质量产生影响主要体现在以下4个方面。

(1)施工效率影响。爆破作业现场,溶洞炮孔一般作为异常炮孔单独进行处理,并填报异常处置记录、反复验证。装药爆破前均需对炮孔进行复验,由于溶洞的隐蔽性和不确定性,人为判断时易失误,为准确掌握溶洞内部情况,需采用内部探测等手段,验明溶洞情况耗力费时。溶洞主装药不易装到位,装药时容易发生卡塞,药卷下放时易偏移炮孔,倾斜炮孔则影响更大,相比正常炮孔,溶洞裂隙炮孔装药困难,影响装药效率。

(2)装药结构影响。溶洞腔体的存在改变了装药结构,装药过度集中,孔内装药长度不足,堵塞过长,从而导致炸药集中段过度破碎、堵塞段产生大块,并造成装药浪费,影响爆破质量。为尽量降低残药风险,溶洞装药往往需增加起爆体数量,浪费了起爆器材。同时装药时易因主装药不连续、起爆体安装不到位、滑落造成所装炸药拒爆,残药以及爆破器材遗失风险加大。

(3)爆破安全影响。溶洞改变了最小抵抗线的大小和方向,特别是在边坡自由面方向上,炸药能量集中作用在薄弱岩层部位,个别飞散物数量和飞散距离增加,严重加剧了爆破飞石有害效应的危害程度[2]。溶洞部位炮孔回填困难,增加回填工作量,且易导致回填长度不足、回填质量差,从而诱发飞石,影响生产安全,同时也易影响填塞段爆破效果。当先起爆的集中药包通过溶洞腔体内的薄弱部位对后续起爆的炮孔装药产生破坏时,会导致盲炮。

(4)爆破效果影响。溶洞区域被爆体岩层不连续,爆炸应力波传播到溶洞分界面后发生反射,影响了被爆体内部应力波传播、叠加、拉伸的破碎机理,导致爆破效果变差,局部大块增加,爆堆松散度和抛掷效果均变差,清挖难度加大。爆炸气体和能量向溶洞腔体内释放,或通过裂隙流失,使爆轰压力降低,能量利用率降低,特别是在夹制作用大的部位,如后排孔、底部和超深部位,大块、根底不易控制。同时,爆破后影响爆堆、边坡稳定,增加了爆后处理工作内容,加大处理难度。

2.4 对开采效率的影响

对于影响开采作业的较大溶洞,需对其进行隔离、填充以防止陷落发生事故,处理时耗费人工、机械,填充矿石带来损失。溶洞处理使得工作面推进滞后、拖延甚至搁置,影响工作面出矿效率。另外影响钻孔、爆破、挖装工序作业面在现场的布置及机器设备摆放,威胁周边人员、作业活动和机械设备安全。

在溶洞区域作业时,影响挖装机械清挖装车工作效率,影响运矿道路、运输设备和运输效率。后续处理因溶洞产生的根底、大块、留坎,占用作业面,导致成本增加。另外,溶洞裹挟泥浆杂质等带来贫化损失,对矿石质量品位、配矿带来一定影响。

3 溶洞区域爆破开采处理方法

3.1 预防和判别

基于对溶洞成因和对开采爆破的影响分析,结合工程实际情况,溶洞的预防和判别能有效降低溶洞事故发生的可能性和严重程度,事先查明了解溶洞分布和发育情况对后续开采生产、溶洞处理、安全管理、工艺管理等有事半功倍的作用。

(1)溶洞勘测。勘察、设计、施工有机结合,做实做好技术交底和图纸会审工作。矿山地质勘察工作必须全面细致,提高地质勘察成果的准确性,确保勘察质量,掌握矿区溶洞发育程度,并结合矿床特点、赋存特点、分布规律、临近矿区地质情况、开采工艺,对水文地质、工程地质等影响矿山安全生产的地质问题提出有效应对措施。

(2)施工组织。建立完善溶洞处理响应机制和工作流程,编制溶洞地质情况专项防治措施和方案。管理人员和作业人员熟悉了解地质报告或地勘资料,根据报告分析地层结构,掌握溶洞产状分布特征。在钻孔过程中钻头压力突然失压或无法吹出钻屑,即可判断是否存在溶洞,应及时记录溶洞顶板及底板位置,判别溶洞大小,并及时反馈布孔设计人员。爆破设计人员根据溶洞具体情况,及时调整炮孔位置,或调整爆破设计。

(3)测绘和地质。压实测绘工作,随着逐层开采剥离和工作面的推进,及时对开采现状图和地质图进行更新,准确标注异常地质体。根据矿山整体的溶蚀程度预判溶洞位置、走向、大小,对每一开采平面进行综合评估。临近溶洞位置时进行实地放样,对溶洞区域进行标识、隔离,防止人员设备误入、踩空、踏空。还可采用物探手段探明矿区、平台内溶洞的纵横向分布和埋深、溶洞数量、规模大小,判断溶洞是否对矿山生产构成安全威胁[3]。

(4)信息传递。建立地质、钻孔、设计、爆破工作队伍之间的高效沟通和信息传递机制,地质工作做好溶洞事前预告;钻孔工作及时记录汇报;爆破设计时应根据钻孔情况合理调整,或修改设计孔位并反馈给钻孔人员;装药爆破工作根据前段工序做好预防处置措施;溶洞出露后及时进行回填、封堵或加固处理,跟进处理进度。

3.2 爆破时溶洞处理方法

在溶洞区域进行爆破时,应实施“精细爆破”理念,从细节出发,定量爆破设计,精心施工,精细管理,对炸药爆炸能量释放、被爆岩体破碎、爆堆抛掷等过程的控制,既达到预期的爆破效果,又实现对爆破有害效应的控制,最终实现安全可靠、技术先进、绿色环保、经济合理[4]。但过度处理溶洞又会得不偿失,工程中应结合实际情况,采取适当有效的措施。经实际工程应用总结,较为合理的措施如下。

3.2.1 设计和钻孔

基于溶洞预防和判别取得的成果,在爆破设计前根据现状图纸分析溶洞位置、大小、发育信息,获取第一手设计资料,作为爆破设计的依据,布孔时尽量避免炮孔穿过溶洞。加强钻爆沟通工作,验孔后及时进行现场分析,针对不同情况制定补孔或调整设计的措施。

准确判断成孔情况、溶洞的位置及大小,及时做好验孔记录。验孔时应派遣经验丰富的施工人员用绳垂测孔,绳垂应有足够配重,能够准确预判异常炮孔情况。验孔时特别关注前排孔的倾角、最小抵抗线、溶洞等特殊情况,形成验孔记录资料。采用炮孔标签制度,提前告知装药人员炮孔内溶洞具体情况。

3.2.2 装药和爆破

溶洞炮孔装药应尽量使用粉状铵油炸药,后期可用水处理使其失效。条装炸药应采用吊装,防止药条掉入溶洞腔体内,或发生装药卡塞。可增加起爆药体数量,防止拒爆。加强装药现场监管,单孔药量不应超过设计药量,人工装药时不得擅自增减药量,增减药量情况应汇报现场技术负责人意见。溶洞区域爆破应适当增加警戒范围。

当溶洞出现在前排孔时应认真测量抵抗线,根据炮孔精确测量溶洞情况适当减少药量。若前排孔溶洞位置抵抗线过小或无法准确探明时,则可放弃溶洞部位装药,同时在临近炮孔适当增加药量。

当溶洞位于炮孔底部时,且溶洞较小,抵抗线无较大变化,可不做处理,但在装药过程中应及时复测孔深变化,有异常应立即停止装药并立即报告。底部溶洞较大时,可采用间隔器间隔后回填1～2 m,但应确保间隔质量,防止炸药泄露而拒爆;确保回填质量,防止爆炸气体能量外泄。

当溶洞位于顶部位置时,根据溶洞顶板位置计算填实长度,若填实段小于设计堵塞长度,孔口无法填实,则需减少装药量;当堵塞质量无法保证时,可采取覆盖措施,覆盖面不小于溶洞面积,防止出现冲孔。

当溶洞位于炮孔中部位置时,可分段进行装药,使用间隔器将溶洞段隔离开来不装药,防止能量外泄。当一个炮孔出现多处溶洞,应充分考虑装填的必要性。必须要装药时,可进行多次分段装药。

3.2.3 特殊处理方法

使用炮孔内窥镜验孔[5]可精确观测溶洞和炮孔内部情况,为装药爆破提供可视化依据。使用PVC套管、定制装药袋装药,对孔壁或装药进行保护,确保装药段连续,提高爆破效果[6]。将药条连续捆扎制作成药串,药串制作应配合使用导爆索起爆,以防传爆中断。

4 应用实例

四川某石灰岩矿山的矿石容重约为2.6 t/m3;年采剥总量约1000万t;年炸药消耗量约1400 t;矿山年平均爆破天数约280 d;平均日使用炸药量约为5 t;单次爆破规模根据工作面情况规划,炸药量大约为2～3 t/次;孔径127 mm或150 mm;孔深14.5 m,炮孔倾角75°;单孔药量96 kg或144 kg;单个爆区孔数约20～30个。由于矿山溶洞较为发育,因此处理溶洞是日常爆破中较为棘手的问题,2019年1月至12月,装药记录显示年度溶洞总数为1350个。

在采取系统性溶洞处理措施前,爆破效果、残药及飞石是该矿区爆破的“老大难”问题。通过采用上述研究成果、管理措施后,爆破效果得到巨大改善,爆破飞石得到有效控制,且爆破单耗有效降低,同时残药出现频率已基本为零。工程实例应用表明,相关技术措施在实际工程的应用是切实有效的。

5 结论

溶洞因其隐蔽性和不确定的特性,再加上爆破瞬间能量快速释放,本身具备不可控性质。因此要将爆破的安全风险管控到最低,不仅仅要从技术上制定措施,在施工管理上也应采取科学流程:爆破队伍应加强作业人员的培训教育,使其充分认识溶洞事故的后果,提升人员技能水平;处理溶洞的爆破施工,均应制定措施方案;班前做好技术交底,班后进行技术总结;装药爆破时严禁爆破员盲目装药、私自处理不做汇报;爆破时加强加大警戒,做好人员、设备、构筑物的清场与防护,特别是自由面和泄爆方向。通过一系列规范化、标准化的管理措施,确保爆破施工作业的安全高效开展,筑牢安全根基,严守安全红线。

通过以上管理和技术措施,可有效改善台阶深孔爆破时溶洞带来的不利影响,在保障安全的情况下,尽量提高爆破效果,避免事故发生,做到爆破作业现场的精细化管理。