復(fù)雜巖體回填料爆破技術(shù)

黃 雄，曹進(jìn)軍，周桂松，郝亞飛，朱 寬，冷振東，田水龍，張程嬌

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán) 易普力股份有限公司，重慶 401121)

在露天爆破中，爆破后的大塊率是衡量爆破效果好壞的重要指標(biāo)之一，過(guò)高的大塊率將直接增加二次爆破的成本，特別是在爆破料直接回填的項(xiàng)目中，二次爆破不僅增加爆破成本，同時(shí)也嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，因此，降低爆破大塊率，對(duì)露天爆破具有重要的意義。

針對(duì)降低大塊率，改善爆破效果，國(guó)內(nèi)的學(xué)者主要從爆破參數(shù)、布孔方式、起爆網(wǎng)路這三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。趙強(qiáng)、張樹(shù)偉、牟延波等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分別通過(guò)調(diào)整炮孔布置、延期時(shí)間等優(yōu)化爆破參數(shù)，取得了良好的爆破效果[1-3]。張平等在中深孔爆破中將起爆網(wǎng)路改變?yōu)閂型逐孔起爆網(wǎng)路，達(dá)到改善爆破效果的目的[4]。在布孔方式方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出深淺孔結(jié)合布孔方式，可明顯改善爆破效果。任少峰、曹進(jìn)軍等通過(guò)理論分析、模型實(shí)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了深淺孔結(jié)合布孔方式的可靠性[5-10]，尤其是在“軟硬夾層”的特殊地質(zhì)構(gòu)造中可取得明顯效果，但在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，還需依據(jù)實(shí)際情況而定。

1 工程概況

科威特南穆特拉城基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱科威特項(xiàng)目)于2018年3月開(kāi)始采用爆破施工，由于項(xiàng)目工期短，投建墊層料的破碎加工系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差，因此需要爆破后粒徑盡量滿足回填的要求，粒徑小于0.4 m的爆破料需超過(guò)80%。根據(jù)揭露的巖性與爆破后的塊度分布來(lái)分析，雖然巖體的力學(xué)強(qiáng)度不高，但呈很強(qiáng)的塑性特征，難以形成爆破裂隙，可爆性不好，極易形成大塊。同時(shí)，多數(shù)區(qū)域存在“軟硬夾層”地質(zhì)構(gòu)造(如圖1～圖2所示)，尤其是頂部容易產(chǎn)生大塊。

2 爆破優(yōu)化方案

由于科威特項(xiàng)目多數(shù)區(qū)域存在“軟硬夾層”的地質(zhì)構(gòu)造，采用傳統(tǒng)爆破方式，無(wú)法使爆破料滿足直接回填粒徑要求，仍需進(jìn)行二次爆破，這將帶來(lái)很高的爆破成本壓力，同時(shí)也嚴(yán)重影響土石方爆破進(jìn)度，因此本文結(jié)合國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究成果和科威特項(xiàng)目實(shí)際情況，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖性復(fù)雜、爆破料直接回填等高難度技術(shù)問(wèn)題，圍繞“布孔、網(wǎng)路”等關(guān)鍵工序進(jìn)行系統(tǒng)研究，確定滿足施工要求的布孔方式、起爆網(wǎng)路以及爆破參數(shù)。

2.1 深淺孔結(jié)合的正方形布孔技術(shù)

深淺孔結(jié)合的布孔技術(shù)原理為：深孔藥柱爆炸后，隨著沖擊波能量的消耗，逐漸衰減成應(yīng)力波，并向臺(tái)階頂部周?chē)鷤鞑?，同時(shí)淺孔藥柱起爆的應(yīng)力波在堵塞端進(jìn)行疊加，應(yīng)力加強(qiáng)，使堵塞段裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)在爆生氣體的膨脹擠壓及氣楔作用下堵塞段裂隙繼續(xù)擴(kuò)展和延伸，使堵塞段破裂更厲害，減小堵塞段大塊的產(chǎn)生。深孔解決正常裝藥段巖體破碎問(wèn)題，而淺孔解決堵塞段巖體破碎問(wèn)題，這樣既解決了堵塞過(guò)短造成飛石危害的問(wèn)題，也有利于充分破碎孔頂大塊。

根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，深孔爆破作用減弱區(qū)位于深孔正上方，而采用圖3所示“田字格”布孔方式，深孔周?chē)际堑染嗟臏\孔，淺孔周?chē)际堑染嗟纳羁?，使淺孔正常爆破作用區(qū)域與深孔爆破減弱區(qū)域形成互補(bǔ)，真正實(shí)現(xiàn)了碎破能量的均衡分布，使巖石破碎更均勻，有效改善整個(gè)爆區(qū)爆破效果。

科威特項(xiàng)目采用深淺孔結(jié)合正方形布孔技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：深孔孔深3.5 m，淺孔孔深1.3 m，孔網(wǎng)參數(shù)為2.5 m×2.5 m，炮孔直徑76 mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有效的改善了爆破效果，使爆破后的塊度更均勻，同時(shí)解決了堵塞過(guò)短造成飛石危害的問(wèn)題，提高了現(xiàn)場(chǎng)的安全性，也使炮孔上部的大塊有效減少。

2.2 起爆網(wǎng)路優(yōu)化

2.2.1 孔排間延期時(shí)間優(yōu)化

項(xiàng)目前期采用孔間延期時(shí)間25 ms、排間延期時(shí)間67 ms的雷管進(jìn)行網(wǎng)路連接，由于巖性偏硬、孔網(wǎng)參數(shù)過(guò)小，該延期時(shí)間過(guò)大，不利于應(yīng)力波的疊加和破碎巖體間的二次碰撞擠壓。為研究起爆時(shí)間對(duì)爆破巖石破壞和破碎的影響，采用WipFrag爆破塊度圖像分析系統(tǒng)對(duì)爆破后的爆堆進(jìn)行塊度分析后，如圖4(a)所示，統(tǒng)計(jì)得到爆破平均塊度X50與單位孔距延期時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖4(b)所示，分析得出的最優(yōu)延期時(shí)間約為6.5 ms/m。王志華通過(guò)引進(jìn)澳瑞凱公司高精度導(dǎo)爆管使用逐孔起爆技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[11]，認(rèn)為單位孔距最優(yōu)延期時(shí)間為3～8 ms/m，這與本文試驗(yàn)得到的6.5 ms/m的數(shù)值基本一致。針對(duì)本項(xiàng)目的孔網(wǎng)參數(shù)2.5 m×2.3 m，將孔排間延期時(shí)間優(yōu)化為17 ms、42 ms，顯著改善了爆破效果。

2.2.2 網(wǎng)路優(yōu)化

科威特項(xiàng)目原起爆網(wǎng)路為排間起爆方式，炮孔密集系數(shù)為1，抵抗線為孔間距2.5 m；采用深淺孔結(jié)合正方形布孔技術(shù)后將起爆網(wǎng)路優(yōu)化為如圖5所示的起爆網(wǎng)路(圖中紅色炮孔為深孔，綠色炮孔為淺孔，圖中數(shù)字為深孔地表傳爆時(shí)間)，即深孔起爆方式為如圖5中虛線所示的斜線型起爆方式，該起爆方式將炮孔密集系數(shù)調(diào)整為2，抵抗線為1.76 m，約為孔間距的0.7倍，并使炮孔多增加一個(gè)自由面，最大化利用破碎能量，有效降低爆破單耗；同時(shí)起爆后兩側(cè)同段孔產(chǎn)生相向的拋擲作用，使爆破后的巖體在拋擲過(guò)程中產(chǎn)生碰撞，使巖石發(fā)生二次破碎，達(dá)到改善爆破效果的目的。

針對(duì)臨空面不同的工況下，分別設(shè)計(jì)有利于巖體撞擊和擠壓的中間斜線起爆網(wǎng)路(如圖5所示)，保證爆破時(shí)巖體的充分?jǐn)D壓。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，采用如圖5(a)所示的起爆網(wǎng)路起爆時(shí)，爆堆松散性較差，爆堆拋擲距離短，但爆破效果明顯改善，可產(chǎn)生較好的爆破塊度。采用如圖5(b)所示的起爆網(wǎng)路起爆時(shí)，所需單耗較高，同時(shí)爆后爆堆高度較高，但巖體的充分?jǐn)D壓，產(chǎn)生了良好的巖石塊度，爆破效果明顯改善。

2.3 爆破參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)項(xiàng)目前期2.5 m×2.3 m的孔網(wǎng)參數(shù)，針對(duì)易爆巖體、中等可爆巖體、中等難爆巖體分別制定了2.5×2.5、2.3×2.3、2.1×2.1的個(gè)性化參數(shù)設(shè)計(jì)方案，其中易爆巖體炸藥單耗約0.56 kg/m3；中等巖體炸藥單耗約0.67 kg/m3；難爆巖體炸藥單耗約0.78 kg/m3，炮孔直徑76 mm，同時(shí)為改善邊孔爆破效果和勘探判定地質(zhì)情況，在爆破前沿炮區(qū)輪廓線處設(shè)計(jì)加密孔，根據(jù)不同巖石可爆性制定個(gè)性化爆破設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

為使爆破后粒徑盡量滿足回填的要求，分別在兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域使用上述技術(shù)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，第一試驗(yàn)區(qū)域試驗(yàn)效果如圖6所示，通過(guò)爆后效果可以看出：2.5×2.5的參數(shù)相對(duì)于前期爆破有大幅度改善，但有部分爆破粒徑大于0.4 m，還無(wú)法完全滿足直接回填要求；2.3×2.3的參數(shù)左邊爆破效果較好，由于右邊巖性的變化，導(dǎo)致右邊大塊仍然較多；2.1×2.1的參數(shù)爆破效果要優(yōu)于前兩種參數(shù)，爆堆松散，粒徑均勻。

通過(guò)第二試驗(yàn)區(qū)域鉆孔作業(yè)、爆后效果及后續(xù)挖裝中對(duì)比發(fā)現(xiàn)：一是該區(qū)域上部約有1.5～2.0 m巖層，中部為砂層，下部為巖層；二是因軟弱夾層的存在，堵塞長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，炸藥爆炸時(shí)作用在巖石中的能量較少，爆破后大塊很多；三是減少了堵長(zhǎng)，爆破效果要略優(yōu)于原有爆破效果，但大塊率依然很高，如圖7(a)所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，不斷調(diào)整參數(shù)后，爆破效果如圖7(b)所示，明顯優(yōu)于前期爆破，巖石破碎度較均勻，但表面有部分大塊，仍不滿足回填要求，因此繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，繼續(xù)減少堵塞長(zhǎng)度20 cm后，表面大塊率明顯降低，使粒徑小于0.4 m的爆破料比例超過(guò)90%，爆破料基本上可以滿足回填要求，并得出最優(yōu)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)：炮孔直徑76 mm，孔網(wǎng)參數(shù)2.1 m×2.1 m，深孔孔深3.5 m，淺孔孔深1.3 m，堵塞長(zhǎng)度0.8 m，單耗0.84 kg/m3。

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖性復(fù)雜、爆破料直接回填粒徑要求等高難度技術(shù)問(wèn)題，圍繞“布孔、網(wǎng)路”等關(guān)鍵工序技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究與優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

(1)采用深淺孔結(jié)合正方形布孔技術(shù)，并使深淺孔均勻相間，可最大化的利用破碎能量，并實(shí)現(xiàn)碎破能量的均衡分布，使爆破后的塊度更均勻，改善爆破效果，有效的解決了“軟硬夾層”的地質(zhì)構(gòu)造頂部易產(chǎn)生大塊的問(wèn)題。

(2)根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)將孔排間延期時(shí)間優(yōu)化為17 ms和42 ms，并針對(duì)深淺孔結(jié)合正方形布孔技術(shù)設(shè)計(jì)出最大化利用破碎能量的起爆網(wǎng)路，將深孔起爆方式調(diào)整為斜線型起爆方式，改善爆破自由面，提高爆破擠壓效果，使巖石破碎更為充分。

(3)采用深淺孔結(jié)合正方形布孔技術(shù)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的起爆網(wǎng)路，根據(jù)不同巖石可爆性制定個(gè)性化爆破設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化后，得出滿足回填要求的爆破參數(shù)，可為同類項(xiàng)目提供參考。