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        露天礦臺階爆破根底產(chǎn)生原因分析

        2022-11-04 07:58:02李海超賈誠杰張永兵慕建林曲宏略
        現(xiàn)代礦業(yè) 2022年10期

        李海超 賈誠杰 張永兵 慕建林 曲宏略

        (1.湖南核工業(yè)建設(shè)有限公司;2.西南石油大學地球科學與技術(shù)學院)

        根底問題給露天礦山爆破進程帶來了一定的阻礙,其產(chǎn)生的原因也是非常復雜的,只有厘清根底與各影響因素之間的關(guān)系,才能不斷優(yōu)化工程爆破參數(shù)設(shè)計,改善爆破效果。本研究通過調(diào)研根底產(chǎn)生的原因和消除措施,在此基礎(chǔ)上,使用有限元軟件對某實際工程案例進行模擬研究,結(jié)合有效應(yīng)力曲線對根底產(chǎn)生的各影響因素進行分析。

        1 根底產(chǎn)生原因

        從眾多工程實踐中可以看出,產(chǎn)生根底的原因有很多,普遍存在的原因有超深不合理、孔網(wǎng)參數(shù)過大、填塞過短、底盤抵抗線過大、巖石巖性等。

        1.1 超深不合理

        超深不足是根底產(chǎn)生的一個重要原因,通過查閱文獻了解到超深過大時則會產(chǎn)生超挖問題[1-2],且造成了炸藥成本的虛耗,而且還會因超挖影響下一個臺階的爆破,爆破效果及經(jīng)濟性都將大打折扣;反之超深過小,炮轟波產(chǎn)生能量無法觸及到臺階下部,導致破損范圍無法達到臺階坡底線,造成根底的產(chǎn)

        生[3]。

        1.2 孔網(wǎng)參數(shù)選擇不合理

        經(jīng)過調(diào)研總結(jié)文獻,孔網(wǎng)參數(shù)相對較小時,由于應(yīng)力波疊加,爆破效果相對良好,大塊碎石也相對有所減少,對周圍環(huán)境以及建筑物產(chǎn)生的振動危害也會有所降低[4];但當孔網(wǎng)參數(shù)偏大時,中間部位應(yīng)力波無法到達,巖石受到的破碎作用小,炸藥破壞作用無法到達兩炮孔中間部位,導致爆后此處大塊增多,出現(xiàn)根底的幾率較大。

        1.3 底盤抵抗線過大

        底盤抵抗線過大是導致根底產(chǎn)生的一個重要因素[5]。由于過大的底盤抵抗線導致靠近坡腳處部分區(qū)域爆破作用未觸及,壓縮波不會傳播到自由面,能量未被反射,未能形成拉伸波,而一般硬巖的抗拉強度比抗壓強度小得多,這就導致巖體得不到充足的爆破能量使其破碎,從而形成爆破根底。

        1.4 堵塞長度過短

        炮孔堵塞長度過短將導致爆破能量嚴重損失,容易造成根底現(xiàn)象。

        潿洲島、斜陽島各2座燈樁均建在旅游核心景區(qū)范圍內(nèi),特別是潿洲島正在創(chuàng)建5A級景區(qū),為兼顧打造景區(qū)亮麗名片,北海航標處精心策劃,配合設(shè)計單位優(yōu)化設(shè)計方案,將航標元素與自然風光、旅游資源、當?shù)匚幕c人文精神相結(jié)合,婆印燈樁取材于“海姑望郎”的造型,灣仔角燈樁與天主教堂(潿洲島旅游景點)遙相呼應(yīng),斜陽南燈樁與斜陽島南灣朝陽交相輝映,燕歸嶺燈樁取材于斜陽島“筑巢待燕”的傳說,四座燈樁已成為美麗海島新“地標”,其中婆印石燈樁航拍圖已登上潿洲島天氣預報畫面?zhèn)鞑ァ?、斜陽島4座燈樁的建成,既服務(wù)群眾出行、又促進經(jīng)濟發(fā)展,更是創(chuàng)建5A海島景區(qū)的點睛之筆和難得載體,旅客印象深刻。

        1.5 其它因素

        除了上述提及的因素外,鉆孔的施工質(zhì)量問題以及巖石的可爆性差異都對根底的產(chǎn)生有一定影響。

        1.5.1 施工質(zhì)量問題

        由于各種因素的影響,鉆孔無法達到設(shè)計標準,例如炮孔未在鉛垂方向、與設(shè)計位置有所偏差、其間距和排距均有超限的情況等,這將導致根底產(chǎn)生,從而影響爆破質(zhì)量。

        盲炮也是導致根底產(chǎn)生的一個重要因素[6]。鑒于炸藥本身在制造和保管上的缺陷或者操作有誤導致藥包拒爆,巖石未能受到松動作用,形成根底,還增加了穿爆成本。

        1.5.2 巖體狀況

        在巖體裂隙及節(jié)理發(fā)育的部位,應(yīng)力波將會發(fā)生反射或者透射現(xiàn)象,嚴重阻礙了爆炸能量的均勻分布,發(fā)生能量的衰減損耗,影響巖體爆破塊度,留下根底。

        1.5.3 巖石的可爆性差異

        同一區(qū)域內(nèi)存在的巖石并非完全相同,可能存在著多種不同巖性的巖石,這些巖石也并非均勻分布,可能存在夾層且交互出現(xiàn),故而必然存在可爆性差異。但實際工程為了操作方便,均對巖石的可爆性差異有所忽視,這就導致了部分炮孔布置在巖層交界處,從而巖石爆破時爆破作用不夠均勻充分,巖石未破損,留下根底。

        2 根底消除措施

        在現(xiàn)階段已有的技術(shù)條件下,消除根底的措施有很多,通常工程中可以采取如下措施達到減少或消除爆破根底的目的。

        2.1 做好地質(zhì)勘測

        為了摸清巖石巖性、產(chǎn)狀等要素,在生產(chǎn)實踐前,要做好地質(zhì)勘測分析,將地質(zhì)結(jié)構(gòu)急劇變化的地段盡量標注出來[7]。設(shè)計人員根據(jù)具體巖性情況進行分區(qū)域爆區(qū)設(shè)計,將可爆性差異降到可控范圍內(nèi),保證炮孔能量均勻分布,從而提升破碎效果。

        2.2 科學設(shè)置爆破參數(shù)

        (1)選擇合理超深。超深的取值對于消除根底起著關(guān)鍵性作用[8],可以將裝藥中心的高度進一步降低,在一定程度上克服臺階底部阻力,從而減少根底的產(chǎn)生,甚至是消除根底。

        (2)選擇合理的孔徑。在設(shè)計時,保證鉆機允許條件下,考慮經(jīng)濟效應(yīng)以及方案的可行性,選擇孔徑相對較小的鉆機進行打孔。

        (3)選擇合理的孔網(wǎng)參數(shù)。在爆破工程中,為實現(xiàn)良好的爆破效果,密集系數(shù)(孔距與排距之比)的選擇至關(guān)重要,其能利用應(yīng)力波的疊加作用,充分發(fā)揮炸藥的相對能量,以達到有效改善爆破質(zhì)量、減少根底問題。

        (4)選擇合理底盤抵抗線。設(shè)計時要根據(jù)具體的巖性情況和安全規(guī)程不斷調(diào)整底盤抵抗線;如若爆后出現(xiàn)根底問題時,應(yīng)適當配合孔網(wǎng)參數(shù)對抵抗線采取一定的減小措施。

        2.3 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        在保證炸藥單耗不變的情況下,要控制根底現(xiàn)象,可采用改變裝藥結(jié)構(gòu)的方法,如工程中常用的以空氣間隔裝藥的方式來代替連續(xù)裝藥。該方式能降低藥柱的重心,增大應(yīng)力波傳播的沖量,提高炸藥能量的有效利用率,對爆破根底現(xiàn)象有所改善;或者是將起爆點設(shè)置在藥柱底端[9],反向起爆的方式與正向起爆相比,可以有效地避免臺階根部產(chǎn)生根底,爆破效果更好。

        2.4 施工質(zhì)量控制

        對于因施工質(zhì)量問題產(chǎn)生的爆破根底,采用加強施工質(zhì)量管理的手段進行控制[10]?,F(xiàn)場施工人員應(yīng)嚴格按照爆破設(shè)計規(guī)定或技術(shù)要求進行布孔、鉆孔,及時清孔,保證每個孔深在同一水平上,必要時可報請監(jiān)理工程師進行現(xiàn)場檢查,經(jīng)檢驗合格后方能裝藥。

        3 工程實況分析

        影響臺階開挖爆破根底生成的因素有很多,但對于根底的影響程度仍未理清。所以,以某負挖工程為依托,借助有限元軟件,選取超深、孔徑和孔網(wǎng)參數(shù)3個主要因素,通過有效應(yīng)力曲線的變化情況,分析上述因素對根底產(chǎn)生的影響程度。

        3.1 數(shù)值模型的建立

        經(jīng)現(xiàn)場勘探可知,該工程屬微傾斜戈壁平原地貌,主要地貌形態(tài)由沖洪積第四系地層形成,主要地層為第四系人工回填碎石土(Q4ml)、上更新統(tǒng)沖洪積礫砂夾角礫層(Q3al+pl)和海西中期侵入巖(γδ42)黑云母花崗閃長巖。

        以現(xiàn)場實況為基礎(chǔ),借助ANSYS/LS-DYNA建立不同工況的有限元模型(圖1),模型總高為10.0 m,孔深為7.6 m,其中裝藥4.0 m,填塞長度為3.6 m,數(shù)值模擬采用g-cm-μs單位制。模型由巖石、空氣、炸藥和填塞構(gòu)成,這個模型用實體單元SOILD164建立,巖石和填塞部分均選取MAT_003號材料,炸藥為2#乳化炸藥,起爆點位于孔底。

        通過在合理范圍內(nèi)調(diào)整超深、孔徑、孔網(wǎng)參數(shù),以臺階坡底線中部的某個單元(圖1)為監(jiān)測點,觀察有效應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律,以最大有效應(yīng)力值為判據(jù),判斷不同參數(shù)下爆后根底產(chǎn)生情況。

        3.2 超深對根底的影響

        選取3個不同超深值進行建模試驗,監(jiān)測點有效應(yīng)力時程曲線見圖2。

        從上述3組模擬結(jié)果可以看出,時程曲線增長趨勢、波形基本一致,達到最大有效應(yīng)力所歷經(jīng)的時間也幾乎相同,只有有效應(yīng)力峰值大小不一,這驗證了超深大小對根底具有影響。在其他情況一定的條件下,隨著超深的增大,單元有效應(yīng)力曲線峰值也隨之增大,且無超深時的最大有效應(yīng)力近乎是超深-20 cm時的1.5倍,超深20 cm時的最大有效應(yīng)力為-20 cm的2倍,即超深對根底的影響在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)的趨勢。

        3.2 孔徑對根底的影響

        由于現(xiàn)場已有鉆孔設(shè)備的限制,孔徑變量的取值只能選取為90和110 mm。利用控制變量法以孔徑為實驗因素,保證其他因素不變的前提下,建立2組不同孔徑模型,所得到的單元有效應(yīng)力—時間曲線見圖3。

        結(jié)果表明,與90 mm孔徑相比,110 mm孔徑時的最大有效應(yīng)力大得多,幾乎是前者的2倍。在一定范圍內(nèi),孔徑越大,填充的炸藥越多,爆破單元有效應(yīng)力越大,即巖石破碎效果越好,故相對大的孔徑爆破質(zhì)量較佳。

        3.3 孔距、排距對根底的影響

        依據(jù)工程現(xiàn)場經(jīng)驗提供的數(shù)據(jù),設(shè)置3組實驗進行爆破效果對比。監(jiān)測點單元體有效應(yīng)力時程曲線見圖4。

        在孔徑和超深等爆破參數(shù)不變的條件下,當孔網(wǎng)參數(shù)為3.0 m×2.5 m時,相同位置的單元體峰值有效應(yīng)力均小于孔網(wǎng)參數(shù)較小時的有效應(yīng)力,其中孔距排距為2.5 m×2 m時的有效應(yīng)力峰值最大。孔網(wǎng)參數(shù)變小時,由于應(yīng)力波疊加作用的影響,單元體有效應(yīng)力相應(yīng)增大。所以,在適當范圍內(nèi)縮小孔網(wǎng)參數(shù),可以降低根底率。

        4 結(jié) 論

        (1)經(jīng)調(diào)研文獻,發(fā)現(xiàn)根底產(chǎn)生與巖性、底盤抵抗線、堵塞長度、超深、孔徑和孔網(wǎng)參數(shù)等因素有關(guān),并根據(jù)相應(yīng)因素提出了針對性措施。

        (2)基于現(xiàn)場實況,通過數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)合理設(shè)置超深、適當增大孔徑、適當縮小孔網(wǎng)參數(shù)可以降低根底率。

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