深孔微差擠壓爆破技術(shù)在獅子坪水電站中的應(yīng)用

肖海濤，龐 杰，王再強(qiáng)

(水電七局成都工程有限公司，四川成都 610225)

隨著水利水電資源的加速開發(fā)，在山區(qū)河谷地帶選用堆石壩擋水的方案被越來越多地采用。水利水電工程中用于填筑堆石壩的石料、生產(chǎn)混凝土骨料的毛料及圍堰用石渣料等大多采用露天深孔臺階爆破進(jìn)行開采，并且要求將爆后石料粒徑控制在一定塊度范圍內(nèi)，一般大粒徑要求不超過800mm，以利于開挖、鏟裝、運(yùn)輸、破碎機(jī)破碎和填筑等，尤其是用于填筑堆石壩的石料，因?yàn)閴误w不同填筑部位所需石料具有不同粒徑范圍和級配要求，故爆破獲得的石料粒徑要求級配良好，不均勻系數(shù)大，有一定細(xì)粒含量，超徑率要很低。

實(shí)踐證明，在石方開挖工程中，采用微差擠壓爆破技術(shù)，能夠改善巖石的破碎質(zhì)量、提高鏟裝強(qiáng)度，從而能夠加快施工進(jìn)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。施工中將微差擠壓爆破技術(shù)與預(yù)裂爆破技術(shù)相結(jié)合，對保護(hù)邊坡穩(wěn)定和巖面完整有良好的效果。

1 工程概況

獅子坪水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣境內(nèi)岷江右岸一級支流雜谷腦河上，為雜谷腦河梯級水電開發(fā)的龍頭水庫電站，裝機(jī)3臺，單機(jī)容量65MW，總裝機(jī)容量195MW。水庫總庫容 1.33 億 m3，調(diào)節(jié)庫容 1.19 億 m3，為年調(diào)節(jié)水庫。電站設(shè)計水頭390m，引用流量57m3/s，總裝機(jī)容量195MW(3×65MW)，保證出力59.9 MW，多年平均發(fā)電量8.76億kW·h。

牌坊溝料場為獅子坪水電站大壩堆石料主料場，位于壩址區(qū)上游雜谷腦河左岸牌坊溝溝口，距壩址5.5km，料場正下方有317國道通過，交通較方便。料場自然坡度為50°～55°，場地長約600m，寬約150～250m，分 布 高 程 2460～2650m，主要用于獅子坪水電站大壩堆石料開采。

料場巖性為雜谷腦組(T2Z)的厚～巨厚層變質(zhì)細(xì)砂巖夾砂質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀 N0°～30°E/SE(NW)∠80°～90°，層面陡傾下游，局部傾上游，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有四組，(1)N0°～30°E/SE(NW)∠80°～90°，層面;(2)N50°～75°W/SW∠25°～45°，延伸長度大于5m，面微起伏粗糙，間距30～60cm;(3)N45°～65°W/SW∠70°～75°，延伸長度1～3m，面微起伏粗糙，間距20～40cm;(4)N50°～80°E/NW∠10°～25°，延伸長度大于5m，面微起伏粗糙，間距60～100cm。以上四組裂隙將巖石切割成0.3～0.8m的塊體，有利于開采。

據(jù)料場勘探平硐揭示，料場基巖裸露，強(qiáng)卸荷深一般為30～50m，弱風(fēng)化、弱卸荷深一般為70～90m。以牌坊溝為界，把料場分為兩個區(qū)，溝下游為Ⅰ區(qū)，溝上游為Ⅱ區(qū)。

變質(zhì)砂巖的干密度為 2.66 ～2.72g/cm3，濕抗壓強(qiáng)度為60～160MPa，全部為堅硬巖石，巖塊質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

2 微差擠壓爆破原理

當(dāng)炸藥在巖體中爆炸時，炮孔四周會形成一個復(fù)雜的應(yīng)力場，在爆炸沖擊波發(fā)展的瞬間，未受到破壞的巖體處于緊張狀態(tài);當(dāng)爆炸沖擊波抵達(dá)自由面后，巖石表面在反射拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂縫。之后，因爆炸而產(chǎn)生的氣體生成物迅速充填裂隙使裂隙急劇發(fā)展(即“氣刃效應(yīng)”)，這時爆炸氣體壓力雖然降低了，但巖石卻獲得了向自由方向移動的強(qiáng)大動能。

利用上述炸藥爆炸和巖石破碎機(jī)理闡述微差擠壓爆破技術(shù)改善爆破質(zhì)量和減震的原理:

(1)當(dāng)毫秒分段和前組藥包爆破的巖石向前移時，其原來位置為即將起爆的后組藥包巖體提供了新的自由面，加上前組巖體爆破形成的破壞裂隙為后組巖體爆破增加了輔助自由面，在此急速擴(kuò)張的輔助自由面上，爆破沖擊波的反射得到了加強(qiáng)，此時，后組藥包在前組藥包爆破反射波的作用時間內(nèi)起爆，可以引起壓縮波與反射波的疊加，使爆轟波得到加強(qiáng)，同時延長了巖體震動時間。

(2)爆炸的總能量及其對巖石作用時間的長短決定巖石的破碎程度。微差擠壓爆破需在臺段前堆放一定厚度的石渣(圖1)，它能阻礙巖石破壞裂隙的向前擴(kuò)張，從而延長了巖石的應(yīng)力狀態(tài)。這就在時間上延長和提高了炸藥能量的利用率;另外，因多段爆破巖石分批移動的距離短，爆塊的高速沖擊和互相碰撞勢必會形成相互擠壓，因此而產(chǎn)生的動能使巖石得到進(jìn)一步破碎，從而改善爆破質(zhì)量。

圖1 微差擠壓爆破示意圖

(3)微差擠壓爆破的炸藥包分散于各排炮孔之中，并按照一定順序的分段間隔時間起爆，在介質(zhì)中形成了很多有時間差的震源點(diǎn)，增加了輔助自由面及巖塊的相互碰撞和擠壓，從而獲得了良好的爆破效果和減震效應(yīng)。

3 微差擠壓爆破技術(shù)的應(yīng)用

3.1 堆石料技術(shù)及質(zhì)量要求

設(shè)計方對壩殼堆石料的要求:石質(zhì)堅硬，不易軟化破碎，石料飽和抗壓強(qiáng)度≥40MPa，壩殼堆石料顆粒級配滿足以下要求:粒徑小于5mm的顆粒含量≤15%，最大粒徑≤800mm，粒徑小于0.075mm土粒含量≤2%，顆粒級配連續(xù)。壓實(shí)后堆石孔隙率宜≤24%，滲透系數(shù)≥1×10－2cm/s。

3.2 牌坊溝料場的爆破設(shè)計

根據(jù)牌坊溝料場的實(shí)際地質(zhì)情況，采用微差擠壓爆破方案，邊坡采用預(yù)裂爆破。主爆孔采用CM－351高風(fēng)壓鉆機(jī)造孔，邊坡預(yù)裂孔采用湯姆洛克700型液壓鉆造孔。

3.2.1 總體方案

(1)留渣厚度:為提高經(jīng)濟(jì)及技術(shù)效果，采用在爆破臺階正面壓渣方案，借鑒以往的工程經(jīng)驗(yàn)確定壓渣厚度為10m，并根據(jù)爆破效果不斷調(diào)整。

(2)一次爆破的排數(shù):一次爆破的排數(shù)一般以不少于3～4排、不多于7排為宜。實(shí)踐證明:排數(shù)過多，勢必增大炸藥單耗，從而使爆破效果變壞，飛石居多。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及牌坊溝實(shí)際地形，一次爆破排數(shù)選用7排。

(3)微差間隔時間:擠壓爆破的微差間隔時間比自由空間爆破微差間隔時間要長。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，選用非電雷管1段、3段、5段、7段、9段、11段、13段進(jìn)行延時微差，以達(dá)到更好的微差擠壓效果。

(4)主爆孔各排孔藥量遞增系數(shù):根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，中間孔裝藥量不變，將第一排孔和最后一排孔藥量相應(yīng)加大30%～40%。

3.2.2 預(yù)裂孔參數(shù)

為保證料場開采后永久邊坡的完整、穩(wěn)定，需要采用預(yù)裂爆破。

鉆孔直徑D:使用湯姆洛克700型液壓鉆，鉆孔直徑D=90mm;

裝藥直徑d:使用φ32管裝炸藥，d=32mm;

不耦合系數(shù)β=70÷32=2.2;

鉆孔傾角 α:按 1∶0.4 放坡，鉆孔深度 L=12.9 m;

鉆孔間距a:a=0.8m;

線裝藥密度Q線:取Q線=0.2kg/m;

堵塞長度L0:根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取L0=1.0m;

裝藥長度L1:L1=10.4m;加強(qiáng)裝藥長度L2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，底部加強(qiáng)裝藥長度L2取2.5m;

底部加強(qiáng)裝藥量Q加，底部加強(qiáng)裝藥量一般增加2～3倍的線裝藥密度，此處取增加2倍。

3.2.3 緩沖孔參數(shù)

為避免主爆孔對預(yù)裂面產(chǎn)生破壞作用，保證預(yù)裂面的平整，與預(yù)裂面相鄰的一排孔必須減少藥量，裝藥量為主爆孔的0.6倍。

鉆孔直徑D:使用CM－351型鉆機(jī)，D=100 mm;

裝藥直徑d:使用φ70藥卷炸藥;

鉆孔深度L:L=12.9m;

鉆孔傾角α:與預(yù)裂孔平行;

鉆孔間距a:a=2.0m;

與預(yù)裂孔距離b:b=1.5m;

與主爆孔距離c:c=2.6m;

單孔裝藥量 Q:Q=22.5kg。

3.2.4 主爆孔爆破(表1)

鉆孔直徑D:使用CM－351型高風(fēng)壓鉆機(jī)，D=100mm;

底盤抵抗線W1:取W1=3.5m;

梯段高度H:取H=10m;

以S.aureus、E.coli、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida為供試菌。對冬凌草發(fā)酵前后的抑菌活性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，冬凌草發(fā)酵后的醇提物對S.aureus、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida、E.coli的抑制作用表現(xiàn)出增強(qiáng)作用。

鉆孔間距a:取a=2.6m;

鉆孔排距b:取b=3.0m;

鉆孔角度α:垂直孔。

(1)計算第一排孔單孔裝藥量Q1:

由于前面留渣的存在，爆炸應(yīng)力波入射后將有一部分波能被渣堆吸收而損耗，因此，第一排孔必須用增加藥量加以彌補(bǔ)，故第一排孔要加大超鉆深度以加大裝藥量，取h=3m，則鉆孔深度L=13m。

結(jié)合料場巖石、地質(zhì)情況，考慮實(shí)際爆破情況(如孔徑、炸藥密度等)并參考相關(guān)資料，取單耗q1=0.6kg/m3。

單孔裝藥量 Q1:Q1=q1·a·W1·H=0.6 ×2.6 ×3.5 ×10=54.6(kg)

(2)計算中間孔裝藥量Q2:

中間孔的藥量比第一排孔的藥量適當(dāng)減少，取單耗q2=0.45kg/m3，裝藥結(jié)構(gòu)為:

中間孔裝藥量Q2:Q2=K· q2· a·b·H=1.2 ×0.45 ×2.6 ×3.0 ×10=42.12(kg)

式中 K為考慮受前面各排孔的礦巖阻力作用的增加系數(shù)，一般取1.1 ～1.2，此處取 1.2。

裝藥結(jié)構(gòu):用改性銨油炸藥，耦合連續(xù)裝藥，裝藥長度9m，裝藥42.12kg;堵塞長度3m。

(3)計算最后一排孔裝藥量Q3:

最后一排孔要比中間孔裝藥量增加20%，故:Q3=1.1Q2=1.2 ×42.12=55.60(kg)。

裝藥結(jié)構(gòu):用改性銨油炸藥，耦合連續(xù)裝藥，裝藥長度9m，裝藥50.54kg;堵塞長度3m。

單耗:q3=Q3/(K·a·b·H)=50.54/(1.2×2.6 ×3.0 ×10)=0.54(kg/m3)

表1 主爆孔各排孔相關(guān)參數(shù)匯總表

(4)堵塞長度及堵塞物的選擇。

堵塞長度:為控制飛石，必須堵塞炮孔口裂隙，要求裝完藥后將余孔全部堵塞，堵塞物選用粘土。

3.2.5 炮孔布置

所有炮孔均按設(shè)計間排距梅花形布置(圖2)，預(yù)裂孔沿邊線布置，且預(yù)裂孔要控制孔的角度，保持最后形成1∶0.4的坡度。爆孔布置根據(jù)巖石具體情況進(jìn)行調(diào)整，但要確保最小抵抗線的值并對其拋擲方向進(jìn)行控制。

圖2 炮孔布置示意圖

3.2.6 爆破網(wǎng)絡(luò)

采用多排孔內(nèi)、外微差擠壓爆破“V”型網(wǎng)絡(luò)?？變?nèi)用非電雷管，孔外用導(dǎo)爆索聯(lián)接，逐孔起爆以達(dá)到微差效果。起爆網(wǎng)絡(luò)見圖3。

3.3 實(shí)施效果

采用深孔微差爆破技術(shù)和邊坡預(yù)裂控制措施，一次爆破巖石方量較大，場地平整、邊坡完整，能有效降低費(fèi)用并縮短施工時間，使爆破質(zhì)量得到了改善，爆后巖石破碎塊度小，級配符合設(shè)計要求，鏟裝方便，從而節(jié)約了大塊解體破碎費(fèi)用，能較好地滿足石料需求，并為挖運(yùn)創(chuàng)造了良好條件，鉆具、輪胎、火工材料等資源消耗減少，鑿巖設(shè)備、鏟裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等故障率降低，生產(chǎn)效率提高，總體成本下降，施工進(jìn)度加快，基本上達(dá)到了快速、經(jīng)濟(jì)、合理的目的。

圖3 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

在實(shí)施過程中也出現(xiàn)了一些問題，如牌坊溝料場局部裂隙發(fā)育，大量爆破能被裂隙吸收;能量補(bǔ)償不盡合理，致使產(chǎn)生“硬墻”、“底坎”，不同程度上影響了鏟裝作業(yè)。

4 結(jié)語

總而言之，深孔微差擠壓爆破技術(shù)在獅子坪水電站牌坊溝料場中的應(yīng)用取得了較為理想的效果，爆后巖石破碎塊度合適，級配連續(xù)，顆粒大小符合設(shè)計要求，鏟裝方便，節(jié)約了施工成本，加快了施工進(jìn)度，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時也為類似料場開采積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。