鳳凰磯石廠大跨度溶洞頂部爆破拆除

李 勇

（中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮北 235000）

1 溶洞地質(zhì)概況

鳳凰磯石廠大跨度溶洞區(qū)大地構(gòu)造背景屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)沿江拱斷褶帶的安慶凹斷褶皺區(qū)。溶洞外貌及斷面結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。溶洞區(qū)位于桃沖向斜構(gòu)造的西端之核部,呈單斜構(gòu)造,總體走向310°,傾向南西,傾角為45°～60°。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育,在南側(cè)僅有一條斷層(下山鋪—陰邊徐斷層),長約5 km,工區(qū)內(nèi)長度小于1 km,呈弧形分布,斷層面向南傾斜,斷層破碎帶變化較大。近斷層處節(jié)理裂隙較發(fā)育,主要由近東西向(270°～290°)及北東向(30°～50°)兩組節(jié)理。節(jié)理多呈鋸齒狀,常有方解石、泥質(zhì)充填。工區(qū)內(nèi)未見巖漿巖及巖脈分布。溶洞位于山丘上部,頂部覆蓋層厚度為17～48 m。

圖1 溶洞外貌

圖2 溶洞跨度最大的斷面結(jié)構(gòu)

2 溶洞整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)GB 50218—1994《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,石灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度為30 MPa,巖體內(nèi)發(fā)育3 組節(jié)理,石灰?guī)r巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí),洞頂破碎巖體為Ⅴ級(jí)。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值

計(jì)算采用美國Itasca 咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的快速拉格朗日分析軟件(FLAC)進(jìn)行地下洞室穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析,計(jì)算時(shí)巖體采用Mohr-Column 屈服準(zhǔn)則。根據(jù)巖土體物理力學(xué)參數(shù)對(duì)跨度為40 m,厚度為25 m 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,結(jié)果如圖3所示。

圖3 洞頂巖體厚25 m 時(shí)巖體垂直位移等值線圖(左圖為加載,右圖為無外部荷載)

由圖3 可得,洞室內(nèi)部巖體發(fā)生坍塌,地表巖體垂直沉降考慮外力時(shí)為20～30 cm,不考慮外力時(shí)為15～20 cm,表明外部荷載對(duì)地表巖體穩(wěn)定性影響不大,地表巖體基本穩(wěn)定;洞頂巖體的位移值從中間向兩邊遞減,表明中部巖體容易破壞。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)溶洞地形地質(zhì)條件,最穩(wěn)妥的處置方案,是將溶洞頂部一次性爆破拆除,但是,一次性爆破的炸藥用量達(dá)到48 t,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)匾淮涡哉ㄋ幑?yīng)不超過3 t 的藥量限制且塌落振動(dòng)的危害難以控制[1-3]。因此,在綜合考慮后確定總體方案。

根據(jù)溶洞穹頂?shù)牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu),溶洞最危險(xiǎn)的部分是溶洞頂部中間部分的“穹頂區(qū)”,考慮一定的安全余量,不是沿著整個(gè)溶洞的范圍劃分爆區(qū),而是沿著厚度為30 m 的一線進(jìn)行劃分,將溶洞頂部巖體分為兩大部分。中部薄弱的“穹頂區(qū)”(圖4 中藍(lán)色實(shí)線與洞口邊線所包圍的區(qū)域)和周邊厚度較大、比較堅(jiān)實(shí)的部分,溶洞排險(xiǎn)主要處理溶洞頂部中部“穹頂破碎區(qū)”。從洞口方向沿CD 軸線由外向內(nèi)分段進(jìn)行爆破,按照一次爆破消耗炸藥3 t、單耗0.4 kg/m3進(jìn)行設(shè)計(jì),一次爆破的方量約為7 500 m3,只需要進(jìn)行6 次爆破就可以將洞頂薄弱的部分爆破排除,這樣溶洞的險(xiǎn)情也能基本解除。按照平行于洞口邊線的方式向內(nèi)部推進(jìn),采用這種方式保證了爆破有上、前、下3 個(gè)自由面,也方便了人員施工操作。圖4 中藍(lán)色虛線表示爆區(qū)的劃分,第一個(gè)爆區(qū)的巖體平均厚度較小,可推進(jìn)9 m 左右。第二個(gè)爆區(qū)推進(jìn)8 m 左右,第三、四、五、六爆區(qū)每次推進(jìn)6 m 左右。

圖4 溶洞結(jié)構(gòu)劃分

3.2 爆破參數(shù)

爆破時(shí)采用垂直鉆孔、矩形布孔、耦合連續(xù)裝藥,填塞長度原則上不小于前排最小抵抗線[4-7]。采用密度為1 050 kg/m3、爆速為5 000 m/s 的乳化炸藥,巖石介質(zhì)的密度為2.5 g/m3,應(yīng)力波波速為6 000 m/s,泊松比為0.225,巖石抗拉強(qiáng)度為15 MPa。

①孔徑:D=90 mm;

②炮孔深度l:根據(jù)溶洞地形測(cè)量成果和藥孔下部最小抵抗線確定l=h-W底;

③孔距:a=3 m;

④前排抵抗線:W=2.5 m;

⑤孔底部最小抵抗線:W底=2.0～2.5 m;

⑥排距:b=4.0 m;

⑦單耗藥量:q=0.35～0.40 kg/m3;

⑧單孔藥量:單排孔或多排孔爆破的第一排孔每孔藥量按Q=qaWh計(jì)算;多排孔爆破時(shí),從第二排孔起以后各排孔的每孔藥量按Q=Kqabh計(jì)算,其中,K為前面各排孔巖石阻力作用系數(shù),一般取1.1～1.2;

⑨填塞長度:LT=2.5～3.5 m。

3.3 爆破網(wǎng)路

為有效地控制飛石和塌落振動(dòng),采用孔間微差起爆的方法進(jìn)行控制,每排中間部分的炮孔最先起爆,然后向兩側(cè)推進(jìn),采取毫秒延期雷管進(jìn)行延期控制,如圖5 所示,孔間微差時(shí)間為25 ms。為了保證可靠起爆,每個(gè)炮孔在孔底和裝藥上部同時(shí)起爆。同時(shí)為了減少外界雜散電流、感應(yīng)電流、射頻電流等可能引起的早爆或誤爆事故,采用非電復(fù)式導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)爆管與導(dǎo)爆管之間用四通連接件相連[8-10]。

圖5 炮孔起爆順序

4 多孔延時(shí)起爆數(shù)值模擬

主要計(jì)算兩排孔爆破時(shí)的破巖過程,分析前排孔能否完全破壞前面的巖體及后排孔對(duì)下一個(gè)爆區(qū)巖體的影響。

4.1 計(jì)算模型

模擬時(shí)不再考慮裝藥端部的影響,主要模擬裝藥主體部分的爆破效果。根據(jù)評(píng)審方案,孔間距取3 m,排距取4 m,孔徑取9 cm,前排孔距邊線的距離為2.5 m,后排孔和每排孔的邊緣孔各向后延展5 m。

4.2 破壞范圍計(jì)算結(jié)果

圖6 至圖8 為兩排孔同時(shí)起爆開始到爆破空腔形成及裂隙范圍穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。

圖6 第一段裝藥起爆

圖7 第三段裝藥起爆

圖8 最終破壞狀況

由圖可得,直徑為90 mm 的炮孔采用乳化炸藥,在不考慮端部效應(yīng)的前提下,采用設(shè)計(jì)的延時(shí)方案,對(duì)后部巖體的有效破壞范圍在3.2 m 左右,微裂隙的擴(kuò)散范圍可以達(dá)到4.2 m 以上,對(duì)自由面附近的巖體的破壞范圍可以達(dá)到4.6 m,微裂隙的范圍可以達(dá)到5 m 以上,孔間和兩排炮孔之間的巖體能夠充分破碎。

5 爆破效果

通過對(duì)整個(gè)起爆倒塌過程錄像的慢放,可以明顯地看到起爆后中間巖體先下沉,然后兩側(cè)隨之坍塌。圖9 為溶洞爆破后的效果。從圖中白色豎線可以看出巖體基本是沿著炮眼爆破塌落,對(duì)后續(xù)爆破的巖體擾動(dòng)很小。整個(gè)爆破振動(dòng)小,空氣沖擊波強(qiáng)度弱,幾乎無飛石,四周的建筑物和構(gòu)筑物未受到破壞。爆破倒塌的位置、方向、范圍、高度、破碎的塊度及爆破的安全性等,都達(dá)到了預(yù)期的效果,與模擬結(jié)果基本符合。

圖9 溶洞爆破后的效果

6 結(jié)語

1)大跨度洞室地質(zhì)情況復(fù)雜,存在一定的危險(xiǎn)性,在設(shè)計(jì)方案之前先進(jìn)行穩(wěn)定性分析和爆破數(shù)值模擬,科學(xué)地優(yōu)化施工設(shè)計(jì)方案,可以保證爆破方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性和實(shí)效性。

2)通過爆破數(shù)值模擬和爆破效果分析,大跨度溶洞爆破拆除采用孔間微差爆破方法,既可以按照預(yù)定目標(biāo)完成爆破,又降低了對(duì)洞頂巖體的擾動(dòng),大大減少了巖體應(yīng)力場(chǎng)重分布及巖體穩(wěn)定時(shí)間,確保后續(xù)施工安全,加快施工進(jìn)度。