露天礦臺階爆破根底產(chǎn)生原因分析

李海超 賈誠杰 張永兵 慕建林 曲宏略

（1.湖南核工業(yè)建設(shè)有限公司；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

根底問題給露天礦山爆破進(jìn)程帶來了一定的阻礙，其產(chǎn)生的原因也是非常復(fù)雜的，只有厘清根底與各影響因素之間的關(guān)系，才能不斷優(yōu)化工程爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，改善爆破效果。本研究通過調(diào)研根底產(chǎn)生的原因和消除措施，在此基礎(chǔ)上，使用有限元軟件對某實(shí)際工程案例進(jìn)行模擬研究，結(jié)合有效應(yīng)力曲線對根底產(chǎn)生的各影響因素進(jìn)行分析。

1 根底產(chǎn)生原因

從眾多工程實(shí)踐中可以看出，產(chǎn)生根底的原因有很多，普遍存在的原因有超深不合理、孔網(wǎng)參數(shù)過大、填塞過短、底盤抵抗線過大、巖石巖性等。

1.1 超深不合理

超深不足是根底產(chǎn)生的一個(gè)重要原因，通過查閱文獻(xiàn)了解到超深過大時(shí)則會產(chǎn)生超挖問題［1-2］，且造成了炸藥成本的虛耗，而且還會因超挖影響下一個(gè)臺階的爆破，爆破效果及經(jīng)濟(jì)性都將大打折扣；反之超深過小，炮轟波產(chǎn)生能量無法觸及到臺階下部，導(dǎo)致破損范圍無法達(dá)到臺階坡底線，造成根底的產(chǎn)

生［3］。

1.2 孔網(wǎng)參數(shù)選擇不合理

經(jīng)過調(diào)研總結(jié)文獻(xiàn)，孔網(wǎng)參數(shù)相對較小時(shí)，由于應(yīng)力波疊加，爆破效果相對良好，大塊碎石也相對有所減少，對周圍環(huán)境以及建筑物產(chǎn)生的振動(dòng)危害也會有所降低［4］；但當(dāng)孔網(wǎng)參數(shù)偏大時(shí)，中間部位應(yīng)力波無法到達(dá)，巖石受到的破碎作用小，炸藥破壞作用無法到達(dá)兩炮孔中間部位，導(dǎo)致爆后此處大塊增多，出現(xiàn)根底的幾率較大。

1.3 底盤抵抗線過大

底盤抵抗線過大是導(dǎo)致根底產(chǎn)生的一個(gè)重要因素［5］。由于過大的底盤抵抗線導(dǎo)致靠近坡腳處部分區(qū)域爆破作用未觸及，壓縮波不會傳播到自由面，能量未被反射，未能形成拉伸波，而一般硬巖的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小得多，這就導(dǎo)致巖體得不到充足的爆破能量使其破碎，從而形成爆破根底。

1.4 堵塞長度過短

炮孔堵塞長度過短將導(dǎo)致爆破能量嚴(yán)重?fù)p失，容易造成根底現(xiàn)象。

潿洲島、斜陽島各2座燈樁均建在旅游核心景區(qū)范圍內(nèi)，特別是潿洲島正在創(chuàng)建5A級景區(qū)，為兼顧打造景區(qū)亮麗名片，北海航標(biāo)處精心策劃，配合設(shè)計(jì)單位優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將航標(biāo)元素與自然風(fēng)光、旅游資源、當(dāng)?shù)匚幕c人文精神相結(jié)合，婆印燈樁取材于“海姑望郎”的造型，灣仔角燈樁與天主教堂（潿洲島旅游景點(diǎn)）遙相呼應(yīng)，斜陽南燈樁與斜陽島南灣朝陽交相輝映，燕歸嶺燈樁取材于斜陽島“筑巢待燕”的傳說，四座燈樁已成為美麗海島新“地標(biāo)”，其中婆印石燈樁航拍圖已登上潿洲島天氣預(yù)報(bào)畫面?zhèn)鞑?。潿洲、斜陽島4座燈樁的建成，既服務(wù)群眾出行、又促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更是創(chuàng)建5A海島景區(qū)的點(diǎn)睛之筆和難得載體，旅客印象深刻。

1.5 其它因素

除了上述提及的因素外，鉆孔的施工質(zhì)量問題以及巖石的可爆性差異都對根底的產(chǎn)生有一定影響。

1.5.1 施工質(zhì)量問題

由于各種因素的影響，鉆孔無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，例如炮孔未在鉛垂方向、與設(shè)計(jì)位置有所偏差、其間距和排距均有超限的情況等，這將導(dǎo)致根底產(chǎn)生，從而影響爆破質(zhì)量。

盲炮也是導(dǎo)致根底產(chǎn)生的一個(gè)重要因素［6］。鑒于炸藥本身在制造和保管上的缺陷或者操作有誤導(dǎo)致藥包拒爆，巖石未能受到松動(dòng)作用，形成根底，還增加了穿爆成本。

1.5.2 巖體狀況

在巖體裂隙及節(jié)理發(fā)育的部位，應(yīng)力波將會發(fā)生反射或者透射現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙了爆炸能量的均勻分布，發(fā)生能量的衰減損耗，影響巖體爆破塊度，留下根底。

1.5.3 巖石的可爆性差異

同一區(qū)域內(nèi)存在的巖石并非完全相同，可能存在著多種不同巖性的巖石，這些巖石也并非均勻分布，可能存在夾層且交互出現(xiàn)，故而必然存在可爆性差異。但實(shí)際工程為了操作方便，均對巖石的可爆性差異有所忽視，這就導(dǎo)致了部分炮孔布置在巖層交界處，從而巖石爆破時(shí)爆破作用不夠均勻充分，巖石未破損，留下根底。

2 根底消除措施

在現(xiàn)階段已有的技術(shù)條件下，消除根底的措施有很多，通常工程中可以采取如下措施達(dá)到減少或消除爆破根底的目的。

2.1 做好地質(zhì)勘測

為了摸清巖石巖性、產(chǎn)狀等要素，在生產(chǎn)實(shí)踐前，要做好地質(zhì)勘測分析，將地質(zhì)結(jié)構(gòu)急劇變化的地段盡量標(biāo)注出來［7］。設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體巖性情況進(jìn)行分區(qū)域爆區(qū)設(shè)計(jì)，將可爆性差異降到可控范圍內(nèi)，保證炮孔能量均勻分布，從而提升破碎效果。

2.2 科學(xué)設(shè)置爆破參數(shù)

（1）選擇合理超深。超深的取值對于消除根底起著關(guān)鍵性作用［8］，可以將裝藥中心的高度進(jìn)一步降低，在一定程度上克服臺階底部阻力，從而減少根底的產(chǎn)生，甚至是消除根底。

（2）選擇合理的孔徑。在設(shè)計(jì)時(shí)，保證鉆機(jī)允許條件下，考慮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)以及方案的可行性，選擇孔徑相對較小的鉆機(jī)進(jìn)行打孔。

（3）選擇合理的孔網(wǎng)參數(shù)。在爆破工程中，為實(shí)現(xiàn)良好的爆破效果，密集系數(shù)（孔距與排距之比）的選擇至關(guān)重要，其能利用應(yīng)力波的疊加作用，充分發(fā)揮炸藥的相對能量，以達(dá)到有效改善爆破質(zhì)量、減少根底問題。

（4）選擇合理底盤抵抗線。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體的巖性情況和安全規(guī)程不斷調(diào)整底盤抵抗線；如若爆后出現(xiàn)根底問題時(shí)，應(yīng)適當(dāng)配合孔網(wǎng)參數(shù)對抵抗線采取一定的減小措施。

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在保證炸藥單耗不變的情況下，要控制根底現(xiàn)象，可采用改變裝藥結(jié)構(gòu)的方法，如工程中常用的以空氣間隔裝藥的方式來代替連續(xù)裝藥。該方式能降低藥柱的重心，增大應(yīng)力波傳播的沖量，提高炸藥能量的有效利用率，對爆破根底現(xiàn)象有所改善；或者是將起爆點(diǎn)設(shè)置在藥柱底端［9］，反向起爆的方式與正向起爆相比，可以有效地避免臺階根部產(chǎn)生根底，爆破效果更好。

2.4 施工質(zhì)量控制

對于因施工質(zhì)量問題產(chǎn)生的爆破根底，采用加強(qiáng)施工質(zhì)量管理的手段進(jìn)行控制［10］?，F(xiàn)場施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)規(guī)定或技術(shù)要求進(jìn)行布孔、鉆孔，及時(shí)清孔，保證每個(gè)孔深在同一水平上，必要時(shí)可報(bào)請監(jiān)理工程師進(jìn)行現(xiàn)場檢查，經(jīng)檢驗(yàn)合格后方能裝藥。

3 工程實(shí)況分析

影響臺階開挖爆破根底生成的因素有很多，但對于根底的影響程度仍未理清。所以，以某負(fù)挖工程為依托，借助有限元軟件，選取超深、孔徑和孔網(wǎng)參數(shù)3個(gè)主要因素，通過有效應(yīng)力曲線的變化情況，分析上述因素對根底產(chǎn)生的影響程度。

3.1 數(shù)值模型的建立

經(jīng)現(xiàn)場勘探可知，該工程屬微傾斜戈壁平原地貌，主要地貌形態(tài)由沖洪積第四系地層形成，主要地層為第四系人工回填碎石土（Q4ml）、上更新統(tǒng)沖洪積礫砂夾角礫層（Q3al+pl）和海西中期侵入巖（γδ42）黑云母花崗閃長巖。

以現(xiàn)場實(shí)況為基礎(chǔ)，借助ANSYS/LS-DYNA建立不同工況的有限元模型（圖1），模型總高為10.0 m，孔深為7.6 m，其中裝藥4.0 m，填塞長度為3.6 m，數(shù)值模擬采用g-cm-μs單位制。模型由巖石、空氣、炸藥和填塞構(gòu)成，這個(gè)模型用實(shí)體單元SOILD164建立，巖石和填塞部分均選取MAT_003號材料，炸藥為2#乳化炸藥，起爆點(diǎn)位于孔底。

通過在合理范圍內(nèi)調(diào)整超深、孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)，以臺階坡底線中部的某個(gè)單元（圖1）為監(jiān)測點(diǎn)，觀察有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，以最大有效應(yīng)力值為判據(jù)，判斷不同參數(shù)下爆后根底產(chǎn)生情況。

3.2 超深對根底的影響

選取3個(gè)不同超深值進(jìn)行建模試驗(yàn)，監(jiān)測點(diǎn)有效應(yīng)力時(shí)程曲線見圖2。

從上述3組模擬結(jié)果可以看出，時(shí)程曲線增長趨勢、波形基本一致，達(dá)到最大有效應(yīng)力所歷經(jīng)的時(shí)間也幾乎相同，只有有效應(yīng)力峰值大小不一，這驗(yàn)證了超深大小對根底具有影響。在其他情況一定的條件下，隨著超深的增大，單元有效應(yīng)力曲線峰值也隨之增大，且無超深時(shí)的最大有效應(yīng)力近乎是超深-20 cm時(shí)的1.5倍，超深20 cm時(shí)的最大有效應(yīng)力為-20 cm的2倍，即超深對根底的影響在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)的趨勢。

3.2 孔徑對根底的影響

由于現(xiàn)場已有鉆孔設(shè)備的限制，孔徑變量的取值只能選取為90和110 mm。利用控制變量法以孔徑為實(shí)驗(yàn)因素，保證其他因素不變的前提下，建立2組不同孔徑模型，所得到的單元有效應(yīng)力—時(shí)間曲線見圖3。

結(jié)果表明，與90 mm孔徑相比，110 mm孔徑時(shí)的最大有效應(yīng)力大得多，幾乎是前者的2倍。在一定范圍內(nèi)，孔徑越大，填充的炸藥越多，爆破單元有效應(yīng)力越大，即巖石破碎效果越好，故相對大的孔徑爆破質(zhì)量較佳。

3.3 孔距、排距對根底的影響

依據(jù)工程現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)，設(shè)置3組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行爆破效果對比。監(jiān)測點(diǎn)單元體有效應(yīng)力時(shí)程曲線見圖4。

在孔徑和超深等爆破參數(shù)不變的條件下，當(dāng)孔網(wǎng)參數(shù)為3.0 m×2.5 m時(shí)，相同位置的單元體峰值有效應(yīng)力均小于孔網(wǎng)參數(shù)較小時(shí)的有效應(yīng)力，其中孔距排距為2.5 m×2 m時(shí)的有效應(yīng)力峰值最大。孔網(wǎng)參數(shù)變小時(shí)，由于應(yīng)力波疊加作用的影響，單元體有效應(yīng)力相應(yīng)增大。所以，在適當(dāng)范圍內(nèi)縮小孔網(wǎng)參數(shù)，可以降低根底率。

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)調(diào)研文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)根底產(chǎn)生與巖性、底盤抵抗線、堵塞長度、超深、孔徑和孔網(wǎng)參數(shù)等因素有關(guān)，并根據(jù)相應(yīng)因素提出了針對性措施。

（2）基于現(xiàn)場實(shí)況，通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)合理設(shè)置超深、適當(dāng)增大孔徑、適當(dāng)縮小孔網(wǎng)參數(shù)可以降低根底率。