郭 坤

(中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心湖南總隊,湖南 株洲 412003)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,各項工程建設不斷涌現(xiàn),爆破技術作為有效的巖土開挖手段,得到廣泛的應用,在水利水電、礦山建設、邊坡施工等工程中已經(jīng)成為不可或缺的重要工程手段,發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。但是由于爆破本身的復雜性以及工程對象的多樣性,目前對于爆破過程及其機理的認識還有很多不足[4-5]。炸藥爆炸后只有一部分能量用于實現(xiàn)工程目的,其他大部分的能量以其他的形式釋放,如飛石的動能、聲能、熱能、振動能等,特別是振動能量直接與巖體的穩(wěn)定性密切相關。因此需要特別關注,如何有效利用炸藥釋放的能量,減小能量的無效使用,引起工程界的關注[6]。為此,人們使用光面爆破技術來減小爆破振動對圍巖產生的不利影響[7]。光面爆破技術是設計輪廓布置較為密集的炮眼,以小藥卷、不耦合的方式裝藥,在掏槽及輔助眼起爆后再起爆的方式減小炸藥能量對周邊圍巖的影響。

采石場是一種常見的地質資源開發(fā)方式,其對于城市建設和基礎設施建設具有重要的作用。光面爆破技術是采石場施工中常用的一種爆破方法,它利用爆炸波在巖石內部傳播產生的破裂效應來破碎巖石[8]。與傳統(tǒng)的機械破碎方式相比,光面爆破技術具有破碎效率高、工期短、成本低等優(yōu)點[9-12]。因此,其在采石場施工中得到了廣泛應用。然而,光面爆破技術也存在一些問題,如爆炸波傳播范圍不易控制、巖石破碎程度不易預測等。針對這些問題,研究人員對光面爆破技術進行了深入的研究,通過改進爆破參數(shù)、優(yōu)化爆破方案等方法,提高了光面爆破技術的破碎效率和可控性。為此,對光面爆破技術在王家橋采石場施工中的應用進行深入研究,分析其存在的問題和不足,并探討如何進一步優(yōu)化光面爆破技術,以滿足王家橋采石場施工的需要,為采石場地質資源開發(fā)提供理論和實踐指導。

1 工程概況

王家橋采石場位于武岡市龍溪鎮(zhèn)石路村,距武岡市區(qū)約6 km。該區(qū)地貌總體上剝蝕溶蝕低山丘陵地貌,海拔510 m,開采終了最低海拔350 m。山坡植被不發(fā)育,較平緩沖溝主要分布水田和村莊。爆破區(qū)域位于王家橋礦區(qū)西側,需要進行爆破的巖體高度12 m,長150 m,寬8～20 m,面積2 250 m2,爆破量約2.7萬m3,地質報告中該處灰?guī)r密度為2.6 t/m3,爆破產生石灰石為7萬t。

2 爆破工藝技術

2.1 光面爆破技術

光面爆炸是一種常見的破巖方法,其原理是通過高溫高壓氣流在巖體上產生細小的裂縫,進而在巖體中產生一股強大的沖擊波,使巖體發(fā)生斷裂,進而實現(xiàn)破巖。其中,在被炸巖層上開洞,并在其上開洞,從而在被炸巖層上開洞。通過向炮眼內噴入高氣壓的氣液2種方式來產生高氣壓波。高壓波動通過巖體的內部傳遞,引起巖體的斷裂,實現(xiàn)了巖體的碎裂。

與常規(guī)的爆破方法相比,光面爆破通過在巖體上產生細小的裂縫,使巖體斷裂,提高了巖體的破壞效率;與常規(guī)的爆炸工藝相比,采用了光滑爆炸工藝,噪聲更低;無炸藥,無毒氣,無廢物,綠色環(huán)保。可見,光面爆破是一種高效、環(huán)境友好的破碎方法,在巖石破碎、隧道開挖和礦山開采等方面有著廣闊的應用前景。

2.2 爆破方案和爆破參數(shù)選取

2.2.1 爆破方案選取

結合王家橋采石場的具體條件,使用了一種新的光控爆破方法,該方法在接近最后一個斜坡的12 m處打孔,為避免單個飛石塊的破壞,在爆破過程中要考慮到實際的地質條件和地質條件的改變,在爆破過程中要考慮爆破的影響。

2.2.2 主要爆破參數(shù)選取

主要爆破參數(shù)見表1。其中,鉆孔直徑D=105 mm,臺階高度H=12.0 m;最小抵抗線W,一般按W=(0.4-1)H或W=(25-30)D計算,根據(jù)巖石情況本工程取W=2.8 m;孔距a,一般孔距a=(1.0-2.0)W,本工程取a=4.5 m;超深h=(0.1-0.35)W,本工程取h=1.0 m;孔深L=H+h=13.0 m;單耗q,根據(jù)周邊巖體爆破情況和實際經(jīng)驗,取q=400 g/m3;單孔裝藥量Q=qabH=0.400×2.8×4.5×12.0=60.48 kg。炸藥采用φ70 mm的乳化炸藥或袋裝改性銨油炸藥,采用連續(xù)裝藥方式,起爆體位于孔底向上1.0 m處,反向起爆方式。如圖1和圖2所示,深孔爆破采用單排孔進行爆破,一次爆破孔控制在8孔以內,一次爆破總藥量控制在500 kg。

圖1 炮孔平面示意Fig.1 Plan diagram of blast hole

圖2 炮孔剖面示意Fig.2 Profile diagram of blast hole

表1 爆破參數(shù)一覽表Table 1 Blasting parameters

2.3 爆破安全驗算

2.3.1 爆破振動驗算

在爆破工程中,當炸藥起爆之后,會有一定的能量通過波的方式向地面?zhèn)鬏?從而導致大地震動,這種情況被稱為“爆破震動”。在爆炸的過程中,會導致地面出現(xiàn)一定的震動,但是當震動的能量沒有超出安全允許的極限時,就不會對被保護的建筑物和設施造成損害,爆破振動安全允許標準見表2。在施工過程中,爆破震動是可以從設計到施工等方面加以控制的,對于各種建筑物及設備,其所能達到的抗震許可要求,參見有關的抗震許可要求。

表2 爆破振動安全允許標準(GB6722—2014)Table 2 Safety permissible standards for blasting vibration(GB6722—2014)

根據(jù)項目的減震要求,為降低爆破震動,對單孔裝藥數(shù)量進行了嚴格的限制,并對一次同時起爆的最大裝藥數(shù)量(最大單孔裝藥數(shù)量為逐孔延遲起爆)及總裝藥數(shù)量進行了控制。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)13.2.4條規(guī)定,爆破振動安全允許速度可按式(1)計算

(1)

式中,R為爆破振動安全允許距離,m;本工程R取50 m、100 m、150 m、200m分別計算;Q為炸藥量,齊發(fā)爆破為總藥量,延時爆破為最大一段藥量,kg。本工程孔內逐孔延時起爆,每孔為一段,最大一段單孔藥量60 kg;V為保護對象所在地質點振動安全速度,cm/s;K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù),本工程屬中硬巖石取中間值K取150(因保護對象在爆破介質上部),α仍取1.5。爆區(qū)不同巖性的K、α值見表3。

表3 爆區(qū)不同巖性的K、α值Table 3 K and α values of different lithology in the blasting area

將上述數(shù)據(jù)代入公式,計算出V值見表4。

表4 V值計算結果Table 4 Calculation results of V values

經(jīng)計算,從距離爆區(qū)100 m以外的各處振動速度均小于1.16 cm/s,低于一般民用建筑物允許的安全振動速度為2.0～2.5 cm/s,計算出爆破區(qū)域東面250 m出的建筑物振動速度小于0.41 cm/s。

本次爆破設計在技術上對周邊建(構)物是安全的。

2.3.2 爆破沖擊波驗算

一次爆破量超過25 kg,依照《爆破安全規(guī)程》GB6722—2014中有關沖擊波的計算公式

(2)

式中,ΔP為空氣沖擊波超壓值,105Pa;Q為毫秒延遲最大總藥量,取480 kg;R為爆源至保護對象的距離,取200 m。

計算得出,ΔP為0.051×105Pa。小于掩體的作業(yè)人員為0.10×105Pa。為了確保安全,起爆點爆破警戒距離不得少于200 m并設置掩體。

2.4 爆破飛散物驗算

本次爆破單耗為400 g/m3,所以只要施工規(guī)范、填塞確實、防護得當,基本不會產生飛石。采用《爆破安全規(guī)程》GB6722—2014中爆破個別飛散物公式進行計算

R飛=20K飛n2W=72.8 m

(3)

式中,R飛為個別飛石安全距離,m;n為藥包的爆破作用指數(shù),取n=1.0;W為最小抵抗線,取W=2.8 m;K飛為與地形、風向、巖石特性及地質條件有關的系數(shù),一般為1～1.5,取K飛=1.3。

計算出個別飛散物的安全距離約為72.8 m;在實際實施爆破時,爆破區(qū)域東面設置起爆點,安全距離不得少于300 m;其他方位的警戒點和起爆點,保持安全距離200 m以上。

3 王家橋采石場爆破方案優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

巖體的內在性質決定了其在不同條件下的爆炸參數(shù)及爆炸效應。爆破步驟高度、炮眼排拒、抵抗線、裝藥量及引爆網(wǎng)絡為其重要爆破參數(shù)。依據(jù)巖體的內在特性,對其進行科學、實用的爆破參數(shù)設計,以達到良好的爆破效果。從提高成孔效果的角度出發(fā),根據(jù)王家橋采石場的具體條件,提出了階梯高11.0 m,孔深11.5 m的設計方案。對裝填方式進行了改進,使用在孔洞中的一個起爆體,兩發(fā)非電導爆管雷管進行引爆,在距離炮孔底部4.0 m的位置上,裝入一袋氨油炸藥或10節(jié)乳化爆炸物后,就可以裝入起爆體,這樣可以降低現(xiàn)場操作的復雜性和難度,這對于確保堵塞不沖出、降低飛石是非常有好處的。與此同時,還降低了施工費用,簡化了施工操作流程,提高了施工的可靠性。調節(jié)炮孔排距及孔距,按照計算式B=L/(A/H),其中,B為每1 m3的巖體所需的鉆頭直徑,m;L為每1 m3的巖體,m;A為指爆破所能承載的區(qū)域,A=a·b,m2;a為爆破間隔,m;b為爆破間隔,m;H為梯級高,m。根據(jù)公式的計算結果,提出了在爆炸時距離a為2.8～3.2 m,距離b為2.5～2.8 m,這樣既能節(jié)約成本,又能減小爆炸塊度。

3.2 起爆網(wǎng)絡

王家橋采石場采用普通毫秒電雷管起爆網(wǎng)路,2～10段雷管孔內延時逐孔起爆方式,為了控制爆破規(guī)模,擬定每次深孔臺階爆破不超過8孔,最大爆破總藥量為480 kg。根據(jù)實際情況,電雷管進行串聯(lián)連接。起爆前進行爆破網(wǎng)絡測試,確保聯(lián)接無誤。爆破連線網(wǎng)絡如圖3所示,各段雷管的網(wǎng)絡延時見表5。

圖3 爆破連線網(wǎng)絡Fig.3 Blast connection network

表5 第二系類毫秒延期電雷管段別與秒量Table 5 Second-level millisecond delay electric detonator segments and seconds

4 光面爆破效果分析

根據(jù)上述爆破方案,對該方案進行了7次爆破,并將實驗數(shù)據(jù)列于表6。試驗結果顯示,在井眼直徑為11.5 m的情況下,鉆眼直徑為13.5 m,鉆眼長度為6 min,井眼傾斜程度有所改善,廢孔率下降30%;有效地改善了爆破品質,降低了20%的碎石率;降低了爆炸時的分散程度,有利于鏟車的裝載;采用光面爆破,半孔率可達85%以上,邊坡平滑,符合用戶的技術指標;無明顯超出范圍,也無周圍單位和住戶的抱怨。

表6 爆破試驗參數(shù)Table 6 Blasting test parameters

5 結語

根據(jù)深圳一座礦山的實際情況,對原爆破方案進行了詳細的考察與分析,并根據(jù)原爆破方案的缺陷,從提高爆破效果,降低爆破震動,提高邊坡光面爆破的效果等方面進行了改進。經(jīng)過現(xiàn)場試驗,不僅使采石場里的爆破工作更加高效,爆破效果也得到了明顯的提升,還能有效地解決群眾的抱怨問題,使各方的關系更加和諧,從而推動了項目的進展,最終達到了按規(guī)劃、按步驟進行的目的,適用于在有相似工程地質條件的其他礦井中進行大規(guī)模的應用。