淺孔臺階爆破的合理性研究

楊 琳，付天杰，郭華杰

(1.深圳市安托山投資發(fā)展有限公司，深圳 518040；2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

在現(xiàn)在的大方量爆破中，為減少采準(zhǔn)工作量[1]，一般采用較高的深孔臺階爆破[2-8]，尤其是在露天礦臺階爆破中，常識認(rèn)為此種爆破方法速度快，單耗低，經(jīng)濟(jì)上較淺孔臺階爆破有優(yōu)勢，但可能大塊率高，后續(xù)破碎、篩分、轉(zhuǎn)運(yùn)效率低，成本高，若臺階高度設(shè)置過低，單耗、炮孔直徑和孔、排距不合理，又會造成工程進(jìn)度緩慢，爆破振動增大，易沖孔、飛石等，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)不合理[9-10]。因此，爆破時如何選用合理的臺階高度、炮孔直徑、炮孔深度和裝藥量，以達(dá)到最低炸藥單耗，同時達(dá)到最優(yōu)爆破效果，是一直以來需要解決的問題。目前國內(nèi)外露天礦山開采趨于機(jī)械設(shè)備大型化，為深孔臺階爆破提供了條件，并對5 m以上的深孔臺階通過采用空氣間隔裝藥來提高爆破質(zhì)量[11]，降低成本，本文通過研究藥包作用范圍與臺階高度的關(guān)系，在應(yīng)用深孔臺階爆破的同時有效降低成本，對同類工程有借鑒意義。

1 應(yīng)力場分析孔網(wǎng)參數(shù)

在臺階爆破中，條形藥包的爆炸特征的研究結(jié)果表明：在炮孔周圍的爆炸應(yīng)力場，假設(shè)藥包長徑比為δ，當(dāng)6≤δ≤20范圍內(nèi)時，等應(yīng)力面的剖面圖為一個橢圓形[12,13]，隨著條形藥包長度的增加，橢圓的長徑比發(fā)生改變?？疾炷軌蛴行扑閹r石的部分，應(yīng)力波作用帶從橢圓變化到兩端橢圓形、中間圓柱形的形狀(見圖1)。

圖1 條形藥包的爆炸應(yīng)力作用帶Fig. 1 The blasting stress action zone of the strip charge

圖1中，藥包長度增加到一定范圍以后，爆炸應(yīng)力波的有效作用半徑不再繼續(xù)增加，即在進(jìn)行深孔爆破設(shè)計時，當(dāng)臺階高度超過一定數(shù)值后，孔距和排距不宜相應(yīng)的增加，否則將會出現(xiàn)大塊率上升或松散不良的現(xiàn)象。也就是說，當(dāng)臺階高度超過一定值后，如果不改變鉆孔直徑和巖石條件，而只是增加炮孔深度，所選擇的孔網(wǎng)參數(shù)a和b應(yīng)該保持不變。

戈鶴川,張志毅提出了長抗比的概念[14]，即裝藥長度與抵抗線的比值，并指出在長抗比一定時，長徑比變化不影響爆破效果，為此本次工程進(jìn)行了長徑比和長抗比的比較。同時提出了高抗比，即臺階高度與抵抗線的比值，以研究不同炮孔直徑時臺階合理高度。

2 基本關(guān)系

炸藥實際單耗是指一次爆破中炸藥使用總量和爆破總方量的比值，是衡量爆破效果的一個重要指標(biāo)，直接與爆破成本相關(guān)。

炸藥實際單耗和臺階高度的關(guān)系可以從下式(1)中得到[15]

(1)

式中：A=q/ab;B=Ln-L1;Q為每孔藥量；a為孔距；b為排距；H為臺階高度；L1為超深；Ln為填塞長度；V為每孔爆破巖石方量；q為線裝藥密度；A和B是單耗和臺階高度關(guān)系公式參數(shù)。

上式表明炸藥實際單耗和臺階高度的關(guān)系為單調(diào)上升曲線，隨著臺階高度的增加，炸藥實際單耗不斷上升，相應(yīng)的爆破成本增加。如圖2所示。

圖2 炸藥用量和炮孔深度的關(guān)系圖(以H=12 m為100%)Fig. 2 The relationship between the amount of explosives and the depth of the blasthole

3 分析

(1)大量的研究證明：當(dāng)裝藥長度大于20倍炮孔直徑時，即可以認(rèn)為是條形藥包。這就是說，對于76 mm、115 mm和140 mm的炮孔，裝藥長度分別超過1.52 m、2.3 m、2.8 m時裝藥就可以按照條形藥包的理論進(jìn)行設(shè)計計算。例如河北石人溝鐵礦實際生產(chǎn)中使用的是φ=250 mm、H=10 m、a=7 m、b=6 m、L=12 m、Ln=7 m的爆破參數(shù)，在磁鐵石英巖(f=12)礦體中爆破取得了成功[16]；文獻(xiàn)[17]等瑞典的著述中提到深孔爆破中要求填塞長度和最小抵抗線一致，或較最小抵抗線稍大一些，符合爆破實際情況。因此在實際生產(chǎn)爆破中可以使用δ≥20當(dāng)作條形藥包的判據(jù)，并依此作為深孔爆破中最小臺階高度的計算依據(jù)。

(2)在實際工程中，根據(jù)巖石普氏系數(shù)，結(jié)合我們常用的兩種巖石情況硬巖(f=8～10)和軟巖(f=4～8)，通過類比法和臺階高度結(jié)合公式(1)選定基準(zhǔn)值如表1和表2[18,19]。見圖3。

表1 臺階高度和炸藥實際單耗的關(guān)系(軟巖)Table 1 The relationship between bench height and actual explosive powder factor(soft rock)

表2 臺階高度和炸藥實際單耗的關(guān)系(花崗巖)Table 2 The relationship between bench height and actual explosive powder factor(granite)

圖3 軟巖和花崗巖中臺階高度和單耗關(guān)系圖Fig. 3 Relationship between bench height and powder factor in soft rock and granite

從計算結(jié)果來看，使用12 m的臺階高度比8 m時多用20%的炸藥；16 m的臺階高度比8 m時多用30%；20 m的臺階高度比8 m時多用36%；25 m的臺階高度比8 m時多用了41%。

臺階高度小于12 m時，單耗隨臺階高度變化較大，當(dāng)臺階高度大于12 m后，單耗隨臺階高度變化較小，因此當(dāng)爆破振動要求不嚴(yán)格，但對單耗及飛石安全要求嚴(yán)格時，為加快爆破進(jìn)度，控制爆破成本，在應(yīng)優(yōu)先選用臺階高度大于12 m的深孔臺階爆破。

4 工程實例分析

以安托山場平工程為例，安托山整治工程位于深圳市福田區(qū)北環(huán)路南安托山片區(qū)，開挖山體原始地貌為丘陵地帶，地形變化很大，山體以風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖為主，山體上部以風(fēng)化石和表土為主，下部為微風(fēng)化花崗巖，巖體節(jié)理發(fā)育，巖石結(jié)構(gòu)為中至細(xì)粒結(jié)構(gòu)，大部分為灰色，局部肉紅色，巖石堅固性系數(shù)f=6～14。山體北側(cè)邊坡高26 m，距北環(huán)大道20 m，山體南側(cè)邊坡高30～92 m，距油罐區(qū)14 m，另距民房僅1 m，要求南北側(cè)山體開挖后達(dá)到與鄰近保護(hù)物相同標(biāo)高，山體最大開挖深度達(dá)138 m。

隨著山體開挖后期山體地勢降低，大規(guī)模深孔爆破對周邊建筑爆破振動影響加大，鉆孔孔徑的選擇直接影響到鉆爆成本，一般孔徑越大，鉆爆成本越低，但對爆破振動和飛石控制不利，故山體距被保護(hù)物100 m范圍內(nèi)全部采用直徑d=76 mm的鉆孔爆破，尤其在根坎處理部位，鉆孔深度不小于3 m；距離被保護(hù)物大于100 m區(qū)域范圍時，采用了140 mm和115 mm的炮孔進(jìn)行爆破，以便與76 mm的炮孔爆破進(jìn)行比較，山體主炮區(qū)爆破以裝銨油炸藥為主，起爆藥包用乳化炸藥，現(xiàn)場不同孔徑和不同深度的臺階爆破參數(shù)見表3、表4、表5、表6。

表3 臺階鉆孔控制爆破參數(shù)(d=76 mm)Table 3 Bench drilling control blasting parameters(d=76 mm)

表4 深孔臺階鉆孔控制爆破參數(shù)(d=115 mm)Table 4 Deep hole bench drilling controlled blasting parameters(d=115 mm)

表5 深孔臺階鉆孔控制爆破參數(shù)(d=140 mm)Table 5 Deep hole bench drilling controlled blasting parameters(d=140 mm)

表6 安托山片區(qū)不同安全震動速度的容許最大炸藥量(單位：kg)Table 6 The allowable maximum explosive quantity for different safe vibration velocities in Antuoshan area(unit:kg)

現(xiàn)場爆破時要求嚴(yán)格控制爆破飛石，以防飛石擊中罐體，引發(fā)爆炸同時要求距山體20 m的發(fā)電機(jī)組振速小于1 cm/s。

經(jīng)現(xiàn)場多次試驗已得到安托山片區(qū)爆破振動的衰減規(guī)律見式(2)為

(2)

式中：V為振動速，cm/s；Q為單段最大齊發(fā)藥量；R為爆源距離被保護(hù)物的距離。

從圖4分析長徑比和長抗比的關(guān)系知，對孔徑76 mm的炮孔，除5～10 m臺階高度外，其余臺階爆破中二者相關(guān)性較好，變化趨勢大小基本一致，即當(dāng)臺階高度為3.5～5 m和10～12 m時，可用長徑比或長抗比進(jìn)行爆破效果的評判依據(jù)，如在3～5 m臺階高度時可用18～43的長徑比或?qū)?yīng)0.7～1.5的長抗比來衡量條形藥包爆破效果。對115 mm的炮孔在5～10 m臺階高度范圍內(nèi)二者相關(guān)性較好，可互為表示。對140 mm的炮孔，在6～12 m臺階高度范圍內(nèi)二者相關(guān)性較差，所以對抵抗線不規(guī)則時，140 mm孔徑的炮孔較少應(yīng)用。

圖4 長徑比和長抗比隨臺階高度變化關(guān)系圖Fig. 4 The relationship curve of δ/H and η/H

山體以孔徑76 mm的臺階爆破為主，孔排距基本未變化，單耗與爆破臺階高度成正比，經(jīng)現(xiàn)場多次爆破后發(fā)現(xiàn)，對孔徑76 mm的淺孔臺階爆破長徑比為25～43，對應(yīng)長抗比為0.86～1.5，對應(yīng)高抗比為1.59～2.27，爆破效果好；對孔徑76 mm的深孔臺階爆破長徑比為108～134，對應(yīng)長抗比分別為3.28～4.08，對應(yīng)高抗比為4～4.8，此時爆破巖石塊度均勻，基本無大塊率?，F(xiàn)場在爆前準(zhǔn)備階段可快速結(jié)合高抗比進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化。

對直徑115 mm的深孔臺階爆破，孔排距基本未變化，長徑比為22～64，對應(yīng)長抗比為0.74～2.06，對應(yīng)高抗比為1.5～2.78時為爆破效果好，大塊率低，單耗低。對直徑140 mm的深孔臺階爆破，爆破效果不及前兩者好，大塊多，抵抗線不容易掌握，易超過振動控制標(biāo)準(zhǔn)。

同時在現(xiàn)場爆破施工過程中，為更直觀的通過臺階高度來保證條形藥包爆破效果，引入高抗比，要求三種孔徑76 mm、115 mm和140 mm的炮孔高抗比不小于1.58，即臺階高度與抵抗線比值，可達(dá)到條形藥包的爆破要求，保證爆破效果。

現(xiàn)場爆破實測中，電廠電機(jī)處最大爆破振動響應(yīng)為0.82 cm/s，達(dá)到了振動控制要求。

5 經(jīng)濟(jì)成本分析

(1)淺孔臺階爆破能夠有效地減少設(shè)計誤差，鉆孔誤差和前排抵抗線變化較小，即使出現(xiàn)較大的坡腳也容易處理，能夠減少根底產(chǎn)生，提高爆破質(zhì)量，裝藥方便，堵塞幾率小，出現(xiàn)了卡孔也易處理，留下的根底的比較小，單耗低，缺點是影響爆破進(jìn)度，由于鉆孔成本高，單位方量巖石爆破準(zhǔn)備時間較深孔長，單位方量巖石延米數(shù)多，而由表8知鉆孔成本占總成本的一半多，鉆孔成本較深孔高，總體年累計成本高，故只在距建筑物100 m振動保護(hù)范圍內(nèi)運(yùn)用淺孔爆破。

(2)由于采用的是耦合裝藥，所以深孔臺階爆破單耗要比淺孔臺階高，但從圖3知臺階高度超過12 m后，單耗隨臺階高度增大變化率放緩，故現(xiàn)場對深孔爆破易控制其單耗，可實現(xiàn)爆后根據(jù)拉裂情況提前布孔，節(jié)省準(zhǔn)備工作時間。而淺孔臺階爆破單耗隨孔深及臺階高度變化大，在上一循環(huán)未及時完成，下一循環(huán)自由面不明確的情況下，準(zhǔn)備工作難度較深孔加大。

(3)山體以76 mm深孔爆破為主，在表7中開挖十年間，單耗平均只有0.3957 kg/m3，但日均爆破方量達(dá)到了1萬m3以上，有效加快了爆破進(jìn)度。

表7 爆破數(shù)據(jù)匯總表Table 7 Summary of blasting data

(4)經(jīng)濟(jì)成本分析：表8中，鉆孔成本占到總成本的一半多，所以要降低深孔爆破成本最有效的辦法就是提高鉆孔延米爆破量，并采用低成本的炸藥，如銨油炸藥；同時通過增大炮孔直徑、提高炮孔線裝藥密度來改善爆破效果；選擇合理孔網(wǎng)參數(shù)、堵塞長度和臺階高度。現(xiàn)場經(jīng)驗測算得到炮孔合理孔徑和臺階高度分別為76 mm和10～12 m左右，爆破后塊度均勻，大塊率少，省去了破巖工效和低臺階重復(fù)準(zhǔn)備工序，爆堆集中，便于裝運(yùn)。

表8 2004年累計成本表Table 8 Table of cumulative costs in 2004

此外，采用高威力炸藥擴(kuò)大孔網(wǎng)參數(shù)也是降低深孔爆破成本的有效途徑，如重銨油炸藥，成本低，抗水性好，爆炸能量高，可實現(xiàn)機(jī)械化裝填，進(jìn)一步降低成本。見圖5。

圖5 爆破臺階施工圖Fig. 5 Bench blasting sites

6 總結(jié)

(1)臺階爆破中，當(dāng)臺階高度增大到一定值后，孔內(nèi)藥包作用半徑保持不變，此時要想獲得理想的爆破效果，在不改變孔徑的情況下，需保持孔排距不變。

(2)經(jīng)現(xiàn)場爆破總結(jié)提出高抗比的概念，并對不同孔徑的淺孔和深孔臺階爆破提出了三種優(yōu)化系數(shù)，即在爆破振動要求嚴(yán)格的地段使用孔徑76 mm的淺孔臺階爆破，裝藥長徑比為25～43，對應(yīng)長抗比為0.86～1.5，對應(yīng)高抗比為1.59～2.27；對孔徑76 mm的深孔臺階爆破長徑比為108～134，對應(yīng)長抗比為3.28～4.08，對應(yīng)高抗比為4～4.8；對孔徑115 mm的深孔臺階爆破，裝藥長徑比為22～64，對應(yīng)長抗比為0.74～2.06，對應(yīng)高抗比為1.5～2.78；在此爆破參數(shù)下，爆破效果好，大塊率低，單耗低。孔徑140 mm的深孔臺階爆破長徑比及高抗比不易控制，振動強(qiáng)度大，爆破效果不佳，應(yīng)用少。

(3)淺孔臺階爆破單位方量巖石延米數(shù)要較深孔臺階高，而且鉆孔成本占到總成本的一半多，使總成本較深孔臺階高，雖淺孔爆破振動和飛石較易控制，但嚴(yán)重影響工期，只用在距建筑物較近的保護(hù)范圍內(nèi)。

(4)采用提高鉆孔延米爆破量的方法來降低深孔爆破成本，此外采用低成本的炸藥，增大炮孔直徑、提高炮孔線裝藥密度等方法來改善爆破效果；現(xiàn)場經(jīng)驗測算得到炮孔合理孔徑和臺階高度分別為76 mm和10～12 m左右。