壓渣爆破技術在路塹邊坡治理中的應用*

汪高龍，王 瀟，李 跟，李 毅

(1.連云港明達工程爆破有限公司，連云港 222021；2.武漢理工大學，武漢 430070)

由于巖石具有碎脹性，爆破后巖塊呈松散狀態(tài)，巖體體積增大。爆破前，通常要在自由面處預留足夠空間，以容納爆破碎脹所增加的那部分巖體體積。這種條件下的爆破稱為自由空間爆破，沒有足夠補償空間的爆破則稱為擠壓爆破[1,2]。實際上，擠壓爆破的補償空間是從松散材料中擠壓出來的，這種松散材料稱為擠壓材料，通常為前一次爆破未清理完的渣堆。所以擠壓爆破又稱為留渣爆破或壓渣爆破[3-6]。1982年張生善等人對渣體在爆破過程中的作用進行詳細闡述[7]，并分析了其產(chǎn)生的經(jīng)濟效果。費鴻祿將壓渣爆破技術應用于路塹石方開挖的施工中[8]，實踐證明該方法爆破效果良好，爆破巖石塊度均勻，大塊率低。尹岳降等人基于礦山臺階爆破技術[9]，合理分析不同爆區(qū)的巖性差別，針對不同爆區(qū)設置了不同爆破參數(shù)。該方法使得爆破后巖石大塊率大大降低。

張元娟等人對壓渣爆破理論進行了詳細說明[10]。壓渣爆破技術是在原有“自由面”齊發(fā)爆破基礎上發(fā)展而來的，因此施工方法基本與“自由面”爆破方法相類似，不同的是按設計預留了“渣體”，采用毫秒延時進行排間爆破，并相應地調(diào)整了孔網(wǎng)參數(shù)[11]。趙春艷等人應用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡模型對臺階壓渣爆破效果進行預測，增強了預測結果的可靠性，為選擇爆破參數(shù)和取得良好的爆破效果提供了依據(jù)[12]。曹茂欣等人在路基石方開挖工程中，將壓渣爆破與微差爆破相結合，取得了較為理想的爆破效果[13]。

1 工程概況

為消除地質(zhì)災害隱患，徹底解決連云港東疏港高速公路通車后的安全問題，連云港港口集團擬對東疏港高速公路中云臺山路塹西側邊坡+84 m以下邊坡崩塌、滑坡地質(zhì)災害進行工程治理。治理方法為將路塹西邊坡+84 m以下邊坡滑坡、崩塌危巖體清除。治理開挖總工程量近1.2×107t。

1.1 爆區(qū)周邊環(huán)境

本工程爆破開采區(qū)域正東側正在運行的東疏港高速公路距爆破區(qū)域最近距離僅為20 m；東南方向有混凝土攪拌站最近距離僅為70 m；南側爆區(qū)距康緣藥廠最近距離為800 m，康源藥廠有國家級生物中藥重點實驗室，實驗室儀器對爆破震動要求極高，根據(jù)藥廠提供儀器能夠承受爆破震動上限值為0.1 cm/s。北側鄰近云門寺村和云門水庫，距云門水庫最近距離僅為25 m，云門寺村大多數(shù)民房都在復雜環(huán)境深孔爆破警戒200 m范圍內(nèi)，爆破作業(yè)環(huán)境十分復雜。

1.2 施工特點

本工程具有如下施工特點：

1)爆破作業(yè)區(qū)域臨近運行中高速公路，爆破環(huán)境復雜，爆破規(guī)模受限。

2)因配套工程影響，石料出運受限，山場石料擠壓影響爆破作業(yè)面形成。

3)爆破作業(yè)工期較短，壓渣爆破應用是完成本工程任務關鍵技術。

2 壓渣爆破技術研究

壓渣爆破即是在露天臺階爆破中利用預留渣體控制待爆區(qū)的前沖距離，使被爆巖體與預留渣體產(chǎn)生擠壓碰撞，達到進一步改善爆破巖體塊度分布的一項爆破技術。如圖1所示。該技術可使鉆孔爆破工作與清渣工作同步進行，提升工作效率，同時減少爆破體的大塊率。

圖 1 壓渣爆破條件下爆堆規(guī)格與采掘的關系圖Fig. 1 The relationship between blasting muck pile specifications and mining under buffer blasting

壓渣爆破的破巖原理可總結成三個方面：1)利用留渣體控制爆堆的前沖距離，爆堆體受爆破能量作用，向前運動過程中與留渣體碰撞，這種高速碰撞與沖擊，進一步破碎巖石，降低巖石大塊率。2)留渣體的存在使得爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體在巖體內(nèi)部的作用時間增長，延緩了高溫高壓氣體從巖體向外部逸出的時間，提高了炸藥的能量利用率。3)壓渣爆破采用炮孔間毫秒延時逐孔起爆方式，該種起爆方案可使巖體處于連續(xù)的應力狀態(tài)，使巖石的破碎更為充分[14-16]。

3 爆破方案

3.1 采場布置

根據(jù)東疏港路塹工程以及+84 m以上平臺綜合治理的施工經(jīng)驗，擬將本工程分為五個開采平臺，分別為+69 m、+54 m、+39 m、+26 m、+17 m。前四個平臺靠近邊坡時按兩級開采平臺分為三級最終平臺，最終形成+74 m、+64 m、+54 m、+44 m、+35 m、+26 m六個臺階，+26m平臺下降9 m形成+17 m臺階，如圖2所示。

圖 2 爆破臺階布置(單位：m)Fig. 2 Arrangement of bench blasting(unit:m)

3.2 爆破參數(shù)確定

臺階爆破主要參數(shù)包括炮孔直徑、孔深、孔距、排距、炸藥單耗與單孔裝藥量等。

1)炮孔直徑D。根據(jù)工程現(xiàn)場巖石性質(zhì)、臺階高度與現(xiàn)有鉆機設備等條件，本工程鉆機擬采用PC385露天潛孔鉆機，鉆頭直徑d=115 mm，則炮孔直徑D=115 mm。

2)鉆孔形式。鉆孔形式采用傾斜孔，傾角α為75°。

3)孔深L與超深h。炮孔深度由臺階高度和炮孔超深共同決定。該工程臺階高度H=15 m。炮孔超深是為了克服底板阻力，使爆破后不留巖坎。本工程炮孔超深h按1 m計算。結合炮孔傾角，計算孔深L=(H+h)/sinα=16.6 m，如圖3所示。

4)底盤抵抗線。根據(jù)壓渣爆破的的特殊性與前期對礦體爆破效果的了解與掌握，根據(jù)炮孔孔徑計算壓渣爆破的底盤抵抗線：Wd=KD，K值取30，計算Wd=3.45 m，選取Wd=3.2 m。

5)孔距a和排距b。孔距a=mWd。m為鉆孔密集系數(shù)，一般取1.0～1.6，據(jù)巖石性質(zhì)及其節(jié)理發(fā)育情況，取m=1.5，則a=1.5×3.2=4.8 m。排距b=Wd=3.2 m。炮孔剖面示意圖如圖3所示。

圖 3 炮孔剖面示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of blasthole section(unit:m)

6)填塞長度。填塞長度指裝藥藥柱頂面至孔口這段不裝藥的長度。合理的堵塞長度確定能降低爆炸氣體能量損失和增加鉆孔裝藥量。若堵塞長度過大，則單孔裝藥量減少，當巖石較堅硬時，巖石大塊率較高。堵塞長度較小則容易產(chǎn)生沖炮，不僅浪費炸藥能量，而且容易產(chǎn)生爆破飛石。綜合考慮巖石大塊率、爆破安全性與壓渣爆破的特殊施工條件，填塞長度：Δl=(20～30)D，計算得Δl=2.3～3.45 m，本工程取堵塞長度Δl=3.0 m。

7)炸藥單耗q。對于深孔爆破，炸藥單耗是一個比較重要的參數(shù)，受巖石的可爆性、炸藥的種類、自由面條件和塊度要求等因素影響。根據(jù)采區(qū)現(xiàn)狀，臺階高度H=15 m，依據(jù)巖石巖性與工程經(jīng)驗，確定炸藥單耗q=0.45 kg/m3。

8)單孔裝藥量Q。單孔裝藥量可按下列公式計算[17]

Q=qabH=0.45×3.2×4.8×15=103 kg，

實際取Q=100 kg

(1)

前排孔由于緊挨留渣體，爆破產(chǎn)生的能量損失較大，為保證前排孔爆破質(zhì)量，需要增加裝藥量30%～40%，本工程前排孔裝藥量130 kg。

3.3 壓渣厚度

合理的留渣厚度對壓渣爆破的效果至關重要。留渣厚度可由下式計算得出[17]

(2)

式中:B為留渣厚度，m；W為底盤抵抗線，m；K為留渣體的松散系數(shù)；ρ1為巖石密度，t/m3;ρ2為留渣體的堆積密度，t/m3;C1為巖體中彈性波波速，m/s；C2為礦渣內(nèi)彈性波波速，m/s。

C2≈500(3+d)

(3)

式中，d為留渣體巖塊的平均尺寸，m。

根據(jù)工程測量情況，d=0.8 m，C1=4000 m/s，C2=1900 m/s，k=1.3～1.77，本工程取k=1.6。代入(2)式求得B=3.32 m。實際取B=3.5 m。

3.4 布孔方式和起爆網(wǎng)路

基于前述壓渣爆破的作用原理，為增加巖石相互撞擊的機率，本工程施工孔眼呈矩形布置，如圖4所示。矩形爆破的起爆方式使得被拋擲起來的大塊巖石相互撞擊，增加巖石的相互撞擊概率，減小巖石大塊率。

圖 4 炮孔平面布置圖(單位：m)Fig. 4 Layout of the blast hole(unit:m)

起爆順序為毫秒延時逐孔起爆，如圖5、6所示。炮孔間的起爆順序為相間布置，延期時間為毫秒級，逐孔起爆產(chǎn)生的應力波能量在時間、空間上是相互分開的，振動效應隨之減小。由于避開了主振相的相位，相比傳統(tǒng)起爆技術，爆破振動效應可減少1/3～2/3。

圖 5 起爆網(wǎng)路敷設Fig. 5 Detonation network laying

圖 6 雷管段別Fig. 6 Detonator segment

逐孔起爆技術的關鍵是合理選擇起爆間隔時間，延時間隔時間t按下式計算[17]

t=aw

(4)

式中：a為與巖石有關的系數(shù)，取a=6；w為最小抵抗線，w=wd=3.2 m。經(jīng)計算：t=14 ms，按施工經(jīng)驗取t=50 ms。起爆方法采用復式非電起爆網(wǎng)路，激發(fā)筆引爆。

裝藥形式為人工裝藥，采取連續(xù)耦合裝藥結構[18]，如圖7所示。

圖 7 裝藥結構示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the charge structure

炸藥使用2#巖石乳化炸藥，起爆雷管為導爆管雷管。為確保每個炮孔均被可靠起爆，每孔裝兩發(fā)同段別雷管，炮孔上部采用正向起爆，炮孔底部采用反向起爆。

3.5 爆破安全距離校核

巖石爆破時，伴隨著爆破過程必然產(chǎn)生爆破地震、爆破飛石、空氣沖擊波及有害氣體，因此，爆破時為確保爆區(qū)周圍人員、設備以及建筑物等的安全，爆破設計時必須確定爆破危害范圍。我國爆破安全規(guī)程采用保護對象所在地質(zhì)點峰值振動速度作為主要判別依據(jù)[19]。安全距離的確定可采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式進行估算[20]

Rd=Q1/3(K/V)1/α

(5)

式中：Q為最大一段齊爆藥量，本次施工最大一段齊爆藥量不超過300 kg，一次爆破總藥量為3000 kg；K是與地質(zhì)、地形條件有關的系數(shù)，取K=150；α為衰減系數(shù)，取α=1.65。V為爆破地震波速度，根據(jù)被保護建筑物的特征取V=0.1 cm/s。

經(jīng)計算，爆破安全距離Rd=552.24 m，此安全距離滿足康緣藥業(yè)重點實驗室對爆破安全距離的要求，所以采區(qū)開展的爆破是完全可行的。

3.6 爆破飛石安全距離校核

深孔爆破個別飛散物安全允許距離按下式計算[17]

RF=(40/2.25)d

(6)

式中：RF為個別飛石安全距離，m；d為炮孔直徑d=115 mm。計算結果RF=181.1 m。該計算結果小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定值，同時，根據(jù)爆破現(xiàn)場爆后實際測量，爆破飛石最遠距離171.2 m，故應以規(guī)程規(guī)定值作為圈定警戒范圍的依據(jù)，即中深孔爆破時以R=300 m為半徑圈定爆破警戒范圍。

4 結論

連云港東疏港高速公路中云臺山路塹邊坡的工程實踐表明，該壓渣爆破參數(shù)選擇合理，符合實際情況。爆破后，爆堆松散、塊度均勻、大塊率較低、有效提高了采裝速率?；谝陨瞎こ?，得出如下結論：

1)路塹邊坡爆破中采用壓渣爆破技術，可達到控制飛石，減少爆堆大塊率的目的，獲得了良好的爆破效果。

2)逐孔起爆可有效減少一次齊爆藥量，降低爆破地震效應。

3)壓渣厚度與炸藥單耗對壓渣爆破效果具有重要影響。本工程壓渣厚度3.5 m，炸藥單耗0.45 kg/m3可以取得預期的爆破效果。

4)綜合采用壓渣爆破、逐孔起爆等技術，同時對炸藥單耗等爆破參數(shù)進行優(yōu)化設計，解決了大塊率和根底控制等難題，極大地提高了施工質(zhì)量。