尾礦庫采石筑壩爆破安全技術(shù)

方義

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊）

在尾礦庫建設(shè)時，常在庫區(qū)內(nèi)部進(jìn)行采石筑壩，既能控制成本，又能擴(kuò)大庫容。深孔爆破的方法可以提高采場的爆破規(guī)模和開采效率，降低開采成本，但同時也伴隨產(chǎn)生爆破振動和飛散物等危害。這些危害嚴(yán)重影響了庫區(qū)周圍的構(gòu)筑物和高邊坡的穩(wěn)定性。在采石筑壩時，還有爆后巖石塊度滿足快速鏟裝以及筑壩石料級配等要求。這一系列安全和技術(shù)問題，對爆破施工提出了很高的要求。

在復(fù)雜環(huán)境下，如何利用爆破技術(shù)實現(xiàn)高效、安全開挖，張中雷等［1］對爆破參數(shù)選擇、爆破網(wǎng)路設(shè)計、安全防護(hù)設(shè)計及施工組織等方面進(jìn)行分析，論證深孔臺階爆破技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下實施的可能性。唐海等［2］從爆破技術(shù)和防護(hù)等方面對控制爆破振動、飛散物及爆破沖擊波進(jìn)行研究，把爆破危害降到最低，確保既有鐵路及周邊民房的安全。王守偉等［3］通過優(yōu)化控制爆破參數(shù)、加強(qiáng)安全警戒和防護(hù)，使用預(yù)裂、深孔加淺孔臺階松動爆破技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的土石方開挖。常建平等［4］利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，研究了巴潤礦高臺階孔內(nèi)微差爆破的巖石中應(yīng)力場分布規(guī)律。歐玉峰等［5］使用普通毫秒導(dǎo)爆管雷管和間隔裝藥結(jié)構(gòu)，研究孔間孔內(nèi)延時爆破技術(shù)對爆破振動和飛石的控制。柴衡山等［6］通過對爆破試驗振動監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，研究了爆破藥量和安全距離對尾礦壩振動的影響。王丹丹等［7］采用合理的爆破振動控制措施并結(jié)合電子雷管爆破技術(shù)，有效控制了斗篷山開挖爆破振動。曹祺等［8］通過理論推導(dǎo)和實驗研究證明，底部空氣柱裝藥結(jié)構(gòu)可以有效降低爆破振動效應(yīng)。

本文結(jié)合某尾礦庫采石筑壩爆破工程，針對不同的作業(yè)區(qū)域，采取不同的爆破技術(shù)，安全快速地實施爆破作業(yè)，取得很好的效果，并總結(jié)一些爆破危害控制經(jīng)驗，為同類工作提供參考。

1 工程概況

某尾礦庫主壩及副壩均為一次性構(gòu)筑碾壓式不透水堆石壩，設(shè)計在庫區(qū)內(nèi)取料筑壩，增加庫容。主壩壩高39 m，1#副壩壩高20 m，2#副壩壩高9 m。該地處于大別山余脈之東延部分和滁巢褶皺帶山地西南緣的銜接部位，為起伏不平的低山丘陵地形，山頂較渾圓，山坡較平緩。庫區(qū)地形大致為三面環(huán)山，東、南、北三面山勢連續(xù)，東側(cè)山勢較低緩，西側(cè)為溝谷。根據(jù)野外地質(zhì)測繪及鉆孔揭露地層，該區(qū)地層主要以火山巖為主，地基土上部主要由第四系殘積坡積和沖洪積的黏性土所組成，下部基巖為上侏羅系安山巖、閃長斑巖等所組成，硬度較高。

爆破區(qū)域南北長約550 m，東西寬約450 m，平面呈不規(guī)則形狀，開挖深度為5～40 m。庫區(qū)北部及西北方向村莊密集，村莊最近距離為324 m，庫區(qū)南面有一居民集中點（待拆遷），外側(cè)有村村通道路，路邊有普通民用輸電線，爆破區(qū)域距離居民點最近為30 m，靠近居民點處邊坡高度為15～20 m，邊坡角為70°。爆區(qū)周圍環(huán)境見圖1。

2 難點分析

（1）爆破區(qū)域距離民房最近處僅30 m，要控制爆破振動對民房的危害，同時還要控制爆破振動對已筑壩體的危害［6］。振動頻率越低，對構(gòu)筑物的危害越大，應(yīng)盡量減少淺孔爆破，多使用深孔爆破。再考慮到爆破振動對構(gòu)筑物的累計損傷［7］，還要減少爆破次數(shù)。

（2）爆區(qū)南面有待拆遷民房、村村通道路以及民用輸電線，應(yīng)防止爆破飛散物對其產(chǎn)生危害。

（3）復(fù)雜環(huán)境下，淺孔爆破無法滿足建設(shè)單位的進(jìn)度要求，需采用深孔爆破方式開挖。

（4）附近村莊密集，常住人口多，維權(quán)意識強(qiáng)，對爆破振動反應(yīng)較大，處理不好易產(chǎn)生沖突。

3 爆破方案設(shè)計

根據(jù)進(jìn)度要求，主采區(qū)采用深孔臺階延時松動爆破技術(shù)，前期在尾礦庫西南區(qū)域主壩南部和1#副壩西部結(jié)合處開創(chuàng)工作面，距離民房大于50 m 區(qū)域，以5～15 m 高度臺階進(jìn)行爆破，采用逐孔接力的起爆方式［1］；距離民房30～50 m 時，采用孔外孔內(nèi)延時逐孔起爆的方式［4］。對于終了邊坡，預(yù)留開挖保護(hù)層，保護(hù)層厚度為100 cm，使用機(jī)械破碎錘修整。該方法安全高效，經(jīng)實際試驗后邊坡成型率達(dá)80%。邊坡保護(hù)見圖1。

3.1 主采區(qū)方案設(shè)計

對于主采區(qū)，為降爆破振動危害，采用分層臺階爆破。一般臺階高度h=15 m，臺階坡面角θ=80°。由于開采區(qū)域地表高低不一，因此需要根據(jù)不同的開挖深度，設(shè)計不同的爆破參數(shù)，布孔方式及孔網(wǎng)參數(shù)以“大孔距，小排距”為原則，使用三角形布孔方式，鉆孔直徑d=90 mm。布孔方式見圖3。

為便于炮孔底部相互貫通，形成平整底面，設(shè)計必要的超深，孔深為臺階高度和超深之和，本項目超深L1確定為0.8 m，故孔深L為

計算得出L=16 m。

綜合考慮各種因素后，取底盤抵抗線W=3.8 m。

孔距a與排距b計算公式為

計算得出a=3.8～5.32 m，取4 m。b=3.42～3.61 m，取3.5 m。

堵塞長度計算公式為

計算得出l=2.66～3.8 m 或1.8～2.7 m，本方案堵塞長度取4 m。

根據(jù)巖石性質(zhì)與地質(zhì)情況，結(jié)合同類施工經(jīng)驗，取炸藥單耗q=0.35 kg/m3。

單孔裝藥量采用如下體積公式計算：

計算得出單孔裝藥量Qd=63 kg，取73.5 kg。

根據(jù)開挖高程不同，其他臺階高度的爆破技術(shù)參數(shù)依次類推。爆破主要參數(shù)見表1［9］。通過試爆，該參數(shù)情況下，爆破效果較好，挖運(yùn)效率較高。

使用接力式非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)路，可以減小一次起爆藥量［5］，從而減小爆破振動。合理的延時時間不僅為后排炮孔提供較好的自由面，還可使巖石之間增加相互碰撞，提高破碎效果。同時爆炸應(yīng)力波在自由面反射，也可加強(qiáng)巖石破碎效果，但延時過長又會使巖石相互碰撞破碎不充分。各項目地質(zhì)情況不同，延時時間的選取存在較大差距，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，一般孔間延時大于20 ms，就不會形成地震波峰值疊加。本項目孔內(nèi)采用MS-12非電導(dǎo)爆管毫秒雷管，排間采用MS-5非電導(dǎo)爆管毫秒雷管，孔間采用MS-3非電導(dǎo)爆管毫秒雷管。主采區(qū)起爆網(wǎng)路見圖4。

3.2 靠近民房處方案設(shè)計

3.2.1 爆破振動安全藥量核算［10］

根據(jù)爆破振動安全允許距離，計算在距離民房30 m處爆破的允許最大段別藥量。

式中，R為爆區(qū)距離民房最近的距離，30 m；Q為延時爆破最大一段藥量，kg；V為民房安全允許振動速度，磚結(jié)構(gòu)民房最大允許振速為2 cm/s［10］；K、α為爆破質(zhì)點到保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)地形條件，取K=200，α=1.8。

計算得出最大一段藥量Q=12.53 kg，故最大段別裝藥量不能大于12.53 kg。

3.2.2 靠近民房處爆破參數(shù)

距離民房30 m 處，開挖深度為15～20 m，最大段別裝藥量為12.53 kg，直接開挖到底的爆破方式難以滿足振動控制的要求，常規(guī)的分層爆破耗時長，又無法滿足施工進(jìn)度的要求。因此采用孔外孔內(nèi)延時、空氣柱間隔裝藥爆破方式［4］。連續(xù)裝藥存在爆轟波作用時間短、裝藥區(qū)域巖體過度粉碎、炸藥單耗大的缺點?？諝忾g隔裝藥可以節(jié)約炸藥，降低爆破成本，還可以使巖石的破碎塊度均勻［8］?？變?nèi)延時起爆時，上部藥包先起爆，間隔一定時間后下層藥包起爆，上部藥包先爆后推開巖石，產(chǎn)生臨空面，作為下層藥包的自由面。上層藥包產(chǎn)生的爆轟波與下層藥包產(chǎn)生的爆轟波相遇后，發(fā)生碰撞疊加作用，進(jìn)一步加強(qiáng)巖石的破壞作用。爆破主要參數(shù)見表2。

在實際施工時，最大段別裝藥量取10 kg。因為間隔部位沒有炸藥，間隔太長會產(chǎn)生大塊［8］，所以空氣柱長度為50 cm，在每層藥包底部設(shè)置空氣柱，共設(shè)置3～4 層裝藥，每層藥量不大于12 kg，使用PVC 管制作空氣柱。炸藥使用?70 mm 乳化炸藥，為不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，可以使炸藥爆炸產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)過周圍的空氣緩沖后，再作用到巖體上，降低高壓氣體峰值壓力，延長作用時間。以21 m 孔為例，從上到下共分4 層裝藥，第一層裝藥量為8 kg，使用MS-12 段別高精度雷管，延期時間為300 ms；第二層裝藥量為10 kg，使用MS-13 段別高精度雷管，延期時間為325 ms；第三層裝藥量為10 kg，使用MS-14 段別高精度雷管，延期時間為350 ms；第四層裝藥量為12 kg，使用MS-15 段別高精度雷管，延期時間為375 ms。每層裝藥底部，放置0.5 m 空氣柱?？變?nèi)延時空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)見圖5。

爆破網(wǎng)路選用高精度地表延期雷管，排間間隔時間為100 ms，孔間間隔時間為17 ms，起爆網(wǎng)路見圖6。

4 爆破安全核算

4.1 爆破振動安全距離核算［10］

根據(jù)公式計算爆破振動安全允許距離

計算結(jié)果見表3。

爆破時應(yīng)嚴(yán)格按照確保安全的單響藥量進(jìn)行裝藥，爆破區(qū)域距離民房最近約30 m，安全允許單響藥量為12.53 kg，考慮到民房年代較久，在拆遷前應(yīng)予以保護(hù)，施工時按最大單響藥量12 kg實施；爆破區(qū)域距民房80 m 以上時，安全允許單響藥量為238 kg，施工時按最大單響藥量90 kg實施。爆破時先在距離保護(hù)物（民房）較遠(yuǎn)位置爆破，同時進(jìn)行爆破振動測試。

根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范和中國地震烈度表［6］，尾礦壩的安全允許最大振速為5 cm/s，大于2 cm/s，故認(rèn)為爆破振動對已筑壩體不產(chǎn)生危害。

每次爆破均在民房處進(jìn)行振動測試，振動速度最大值見表4?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果均遠(yuǎn)低于磚結(jié)構(gòu)民房最大允許振速2 cm/s。

4.2 爆破飛散物的安全允許距離［10］

爆破飛散物的安全允許距離計算公式如下：

式中，Rf為爆破飛散物的飛行距離，m；k為地形系數(shù)，取最大值1.5；n為爆破作用指數(shù)，取0.7；w為最小抵抗線，取4 m。

計算得出Rf＝58.8 m。按照《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，本項目深孔爆破安全警戒距離不小于200 m，遠(yuǎn)大于58.8 m，故無飛散物危險。

5 應(yīng)用情況

起爆網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)爆可靠，未發(fā)現(xiàn)盲炮產(chǎn)生。爆破后拋擲距離大于30 m，爆堆整體破碎較好，巖體塊度均勻，基本滿足挖運(yùn)要求。對爆破飛石、爆破振動控制較好，未發(fā)生危害；爆破振動測試數(shù)據(jù)均滿足控制要求。邊坡經(jīng)液壓錘修整后滿足設(shè)計要求。爆破進(jìn)度滿足了項目的要求。

6 結(jié)語

（1）對于在復(fù)雜環(huán)境下尾礦庫爆破施工，通過調(diào)整爆破技術(shù)參數(shù)，采用逐孔起爆，孔外孔內(nèi)延時、空氣柱間隔裝藥的爆破方式，可以提高石料開采的效率，降低爆破施工有害效應(yīng)。

（2）合理的炮孔間排距和空氣柱間隔裝藥，使炸藥爆破能量分布更均勻，有利于巖石的充分破碎。

（3）采用孔間孔內(nèi)延時起爆技術(shù)，可以有效減少一次起爆藥量，降低爆破振動危害。

（4）在爆破時進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，校核爆破振動計算參數(shù)，可以摸索出該地質(zhì)條件下爆破振動的轉(zhuǎn)播規(guī)律，進(jìn)一步指導(dǎo)爆破作業(yè)。

（5）邊坡處預(yù)留100 cm 保護(hù)層，爆破后用液壓錘修整邊坡，成本低、進(jìn)度快，又減少爆破振動對邊坡的影響。

（6）頻繁的爆破施工會誘發(fā)更多的危害以及周邊居民矛盾，應(yīng)盡量減少爆破次數(shù)。