綠色礦山邊坡控制爆破在凝灰?guī)r地質(zhì)條件下的應(yīng)用

黃強軍,王素創(chuàng)

(湖南鐵軍工程建設(shè)有限公司, 湖南 長沙 410072)

0 引言

預(yù)裂爆破作為一種控制爆破技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利邊坡爆破、礦山邊坡修復(fù)工程、公路高邊坡和基坑的開挖、露天控制爆破等工程建設(shè)領(lǐng)域。近年來隨著礦山安全生產(chǎn)工作越來越受重視,為了解決以前不規(guī)范開采遺漏下的“一面墻”式邊坡給周邊生態(tài)環(huán)境及附近居民帶來的安全隱患,廢棄礦山邊坡生態(tài)修復(fù)治理工作越來越受到重視。其中影響露天礦山邊坡穩(wěn)定性的因素有地質(zhì)條件、巖性、水文、爆破振動、邊坡設(shè)計、邊坡開挖方式等,另一個重要因素就是根據(jù)現(xiàn)場實際情況,對邊坡進行控制爆破?；诖?采取預(yù)裂爆破技術(shù)可以有效控制爆破對需要保護巖體的影響,確保巖體的穩(wěn)定,探討預(yù)裂爆破技術(shù)在廢棄礦山邊坡生態(tài)修復(fù)工程的應(yīng)用。

1 工程概況

鎮(zhèn)海區(qū)九龍湖鎮(zhèn)田顧村、杜夾岙村、中心村9處廢棄礦山生態(tài)修復(fù)治理項目位于浙江省寧波市,工程包括對JL01～JL09等9處廢棄礦山進行邊坡修復(fù)治理、邊坡復(fù)綠,對礦地進行綜合治理,開展礦地利用。

1.1 工程特點

9處廢棄礦山生態(tài)修復(fù)治理的礦山為老舊廢棄礦山,背靠當(dāng)?shù)芈糜物L(fēng)景區(qū),因為不規(guī)范的“一面墻”式開采,造成坡高、坡陡、危石多,村民又經(jīng)常上山挖筍、祭拜,安全事故頻發(fā)。當(dāng)?shù)卣疄榱烁纳拼朔N局面,開展礦地利用,花費巨資治理修復(fù)老舊廢棄礦山,爆破出來的凝灰石經(jīng)過加工成砂和碎石作為當(dāng)?shù)鼗ㄓ昧?既解決了老舊廢棄礦山的生態(tài)修復(fù)治理又參與了當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)經(jīng)濟建設(shè),打造綠色礦山。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖石試驗報告,9處廢棄礦區(qū)巖石主要為灰色、青色流紋質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r,天然抗壓強度為164～233 MPa,平均為198 MPa,礦石密度平均為2.62 g/c m3。治理區(qū)域內(nèi)巖土體工程地質(zhì)條件一般,以中風(fēng)化硬質(zhì)巖石為主,巖體基本質(zhì)量分級為Ⅱ類及以上。邊坡高度為24～100 m,設(shè)計邊坡坡面角60°,設(shè)計臺階高12 m,安全平臺寬2～4 m。

1.3 目的任務(wù)

本礦為廢棄礦山綜合治理,9個廢棄礦山邊坡均為不規(guī)則邊坡,坡面有浮石,局部巖石開裂、傾倒。坡面高差大、坡度陡、巖面巖體局部破碎,節(jié)理裂隙較發(fā)育,邊坡中部存在陡坡臨空面及順坡塊石等危巖體,穩(wěn)定性較差,在強降雨等極端天氣下容易誘發(fā)局部的小型崩塌地質(zhì)災(zāi)害,存在安全隱患。各礦山通過控制爆破,采用掛網(wǎng)、噴播進行治理后,能消除高陡邊坡崩塌、危巖等地質(zhì)災(zāi)隱患,確保山體邊坡和下方利用場地的安全穩(wěn)定。

(1)爆破作業(yè)前,與周邊爆破警戒范圍內(nèi)的生產(chǎn)生活設(shè)施業(yè)主簽訂好安全協(xié)議。

(2)采取科學(xué)合理的施工方案和有效的安全技術(shù)措施,對廢棄礦山邊坡進行分層分臺階逐層進行控制爆破開挖及甩渣施工作業(yè)。

(3)爆破要保障爆區(qū)周邊環(huán)境安全、設(shè)備安全及爆破作業(yè)人員安全,必須嚴(yán)格控制爆破飛石和爆破振動產(chǎn)生的危害。爆破飛石不得進入附近居民區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)。精確控制爆破藥量,嚴(yán)格控制爆破振動對周邊村莊的農(nóng)田灌溉水庫的影響,確保居民區(qū)建(構(gòu))筑物的安全。

(4)爆破前必須對進入礦區(qū)的各路口,按規(guī)定設(shè)置崗哨,防止爆破時人員和車輛誤入爆破危險區(qū);爆破時應(yīng)對其爆破警戒范圍內(nèi)的人員進行清場。

(5)嚴(yán)格遵守安全規(guī)程,文明、安全施工,確保施工人員和附近人員的安全,確保車輛、高壓線路、機械設(shè)備不受損壞。

(6)爆破施工進度必須滿足工程工期要求。

(7)控制爆破邊坡質(zhì)量必須滿足設(shè)計要求,滿足邊坡復(fù)綠要求。

2 爆破施工方案設(shè)計

2.1 設(shè)計原則及指導(dǎo)思想

(1)認(rèn)真貫徹執(zhí)行國家的各項方針政策,本著“安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行”的原則,在確保安全的前提下,合理規(guī)劃,精心設(shè)計,注重資源保護和環(huán)境保護。

(2)降低成本,充分考慮爆破綜合經(jīng)濟效益,確保穩(wěn)定、持續(xù)、均衡性。

2.2 爆破施工方案選擇

根據(jù)設(shè)計對邊坡保護的要求,臨近最終邊坡時宜采用預(yù)裂爆破或者光面爆破技術(shù),降低爆破震動對需保護邊坡的影響,保持邊坡穩(wěn)定。通過多次預(yù)裂爆破試驗和光面爆破試驗,決定采用預(yù)裂爆破開挖方案。

(1)按設(shè)計要求,在圖紙上確定邊坡最終開挖線坐標(biāo),并在施工現(xiàn)場放樣,沿廢棄礦山邊坡最終開挖線實施預(yù)裂爆破,以減少主體爆破對需保護邊坡穩(wěn)定的影響。預(yù)裂孔的傾角以設(shè)計要求的坡面角來確定,爆破完成后用炮機簡單修整。

(2)按設(shè)計要求,邊坡線采用孔間距較小的預(yù)裂孔,裝藥量小,按設(shè)計一次成坡。

(3)按設(shè)計要求,嚴(yán)格控制單段最大裝藥量和一次爆破規(guī)模,以保障附近民房的安全。

采用阿特拉斯液壓潛孔鉆機進行穿孔作業(yè),采用預(yù)裂爆破一次性形成12 m邊坡面。

3 爆破參數(shù)

在主體爆破開挖前首先沿設(shè)計的邊坡輪廓線爆出一條一定寬度的裂縫,減弱主體區(qū)爆破時地震波向需要保護邊坡的傳播,并阻斷向保護區(qū)邊坡裂縫的發(fā)展,以減弱主體爆破對保護區(qū)邊坡穩(wěn)定性的危害。主爆孔爆破后,沿預(yù)裂面形成一個邊坡面,經(jīng)多次試驗確定預(yù)裂爆破設(shè)計參數(shù)。

3.1 預(yù)裂孔深度

為減少邊坡坡腳的欠挖工作量,預(yù)裂孔需考慮超深,計算公式如下:

式中,L為預(yù)裂孔深度,m;H為開孔處實際高度與下一級平臺設(shè)計高程的差值,m;θ為設(shè)計坡面角,θ=60°;h為預(yù)裂孔超深,m,取h為0.5 m。

3.2 預(yù)裂孔直徑及問題

根據(jù)設(shè)計施工方案以及現(xiàn)有機械設(shè)備,鉆頭直徑取115 mm,所以預(yù)裂孔直徑d=120 mm。

確定預(yù)裂孔間距,需要考慮的因素有施工工地地質(zhì)情況、炸藥種類及性能、裝工結(jié)構(gòu)等。

式中,a為預(yù)裂孔間距;d為炮孔直徑。其中對于軟巖或者較為破碎的巖石,取較小值;對于堅硬巖石或者完整性良好的巖石,取較大值。根據(jù)本項目凝灰?guī)r巖石的巖性以及本工程前幾次預(yù)裂爆破試驗效果,a的取值已經(jīng)超過了上式大值的范圍,取值為1.6 m。

3.3 不耦合系數(shù)

相關(guān)工程經(jīng)驗表面,預(yù)裂孔的不耦合系數(shù)m的取值范圍在2～4之間,計算公式為:

式中,d為炮孔直徑;dΦ為藥卷直徑,預(yù)裂孔采用Φ32 mm藥卷間隔裝藥,不耦合系數(shù)m=3.75。

3.4 線裝藥密度及堵塞長度

采用經(jīng)驗線裝藥密度:q線=0.4～0.6 kg/m,結(jié)合現(xiàn)場前幾次預(yù)裂爆破試驗效果,最終將線裝藥密度確定為0.6 kg/m。

3.5 堵塞長度

根據(jù)工程經(jīng)驗及前幾次爆破試驗,堵塞長度L2=2.5 m,預(yù)裂孔的鉆爆參數(shù)見表1。

表1 預(yù)裂孔鉆爆參數(shù)

3.6 裝花結(jié)構(gòu)

對于主爆孔和緩沖孔的參數(shù)設(shè)計參考深孔臺階爆破在此不作贅述,具體參數(shù)設(shè)計見表2。

表2 主爆孔和緩沖孔鉆爆參數(shù)

炸藥采用2號巖石乳化炸藥;預(yù)裂孔采用底部加強裝藥(使用一支Φ90 mm藥卷),正常裝藥段和上部減弱裝藥段均采用Φ32 mm藥卷間隔30 c m均勻綁扎裝藥,堵塞2.5 m;緩沖孔采用Φ90 mm藥卷連續(xù)裝藥,堵塞3 m;主爆孔采用Φ90 mm藥卷連續(xù)裝藥,堵塞3 m;各炮孔裝藥結(jié)構(gòu)見圖1至圖4。

圖1 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)(單位:m)

圖2 緩沖孔裝藥結(jié)構(gòu)

圖3 主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)(單位:m)

圖4 邊坡控制爆破示意(單位:m)

3.7 起爆網(wǎng)路

本工程起爆順序如圖4所示,預(yù)裂爆破起爆順序依次為:預(yù)裂孔→主爆孔3→主爆孔2→主爆孔1→緩沖孔,選用導(dǎo)爆管雷管起爆,傳爆雷管選取段別較低的雷管,主爆孔和緩沖孔孔內(nèi)起爆雷管選取段別較高的雷管,為了保障網(wǎng)路安全起爆,傳爆雷管均采用2發(fā)敷設(shè)連接,主爆孔和緩沖孔孔內(nèi)均使用2發(fā)導(dǎo)爆管雷管起爆。預(yù)裂孔每6孔使用導(dǎo)爆索連接一起,配2發(fā)導(dǎo)爆管雷管起爆。布置4排炮孔時,起爆線路連接如圖5所示。

圖5 起爆網(wǎng)路連接

4 施工前期測量工作

鉆孔前測量平臺高程,挖機平整場地直達(dá)干凈巖面,以便于布孔和定位鉆機,挖機找平后平整度控制在±20 c m。清理松動巖石,方便鉆機定位,加快鉆孔速度,提高成孔率,減少孔口巖石掉落造成卡孔概率。

預(yù)裂孔布置前,由項目技術(shù)負(fù)責(zé)人、爆破員、測量人員、鉆機操作人員現(xiàn)場進行質(zhì)量控制,預(yù)裂孔必須逐孔測量孔距、孔深、孔位,同時用紅油漆標(biāo)定。布孔時根據(jù)每孔口的實際高程、設(shè)計孔深、傾角、將孔的編號、參數(shù)記錄在冊,同時要向鉆機操作人員做好技術(shù)交底。鉆孔前,在鉆機大臂和滑架在相對穩(wěn)定的情況下,測量鉆桿的傾角,調(diào)整到設(shè)計傾角,當(dāng)鉆頭入孔20 c m后再次復(fù)測、調(diào)整、直到傾角無任何偏差。鉆機鉆進100 c m進行第2次復(fù)測,150 c m進行第3次復(fù)測,直至鉆孔傾角符合設(shè)計要求。鉆孔完成后清理孔口巖粉石渣,然后測量孔深、傾角,當(dāng)孔深、傾角符合設(shè)計要求時,及時保護好孔口,防止石塊掉入。

5 爆破效果及對比分析

5.1 爆破效果

由于預(yù)裂孔孔間距小、裝藥量少,能夠按照設(shè)計邊坡傾角一次成坡,預(yù)裂孔爆破后留下的炮孔痕跡清楚,爆破效果明顯。

(1)預(yù)裂面巖體整體平整度較好,實際呈現(xiàn)坡度傾角與設(shè)計要求相符;

(2)預(yù)裂面平整度控制在±20 c m范圍內(nèi),但個別區(qū)域超欠挖集中,超欠挖集中在鉆孔偏移的地方,產(chǎn)生原因是鉆桿隨孔加深加長而被壓彎或由于巖性的原因?qū)е?

(3)預(yù)裂邊坡無裂縫,碎石掉落較少,受爆破影響小,其穩(wěn)定性有保證。

圖6 凝灰?guī)r預(yù)裂爆破后的效果

5.2 對比分析

根據(jù)以往的預(yù)裂爆破參數(shù)(見表3),其裝藥結(jié)構(gòu)如下:孔底墊1.0 kg卷裝炸藥后,按1.0 kg/m線密度裝Φ32 mm卷裝乳化炸藥至離孔底1 m處,最后按0.3 kg/m線密度間斷地、均勻地將Φ32 mm卷裝乳化炸藥綁扎于導(dǎo)爆索至離孔口2 m處,將綁扎好的炸藥和導(dǎo)爆索固定在預(yù)備的竹片上。

表3 以往預(yù)裂爆破參數(shù)

按照以往爆破參數(shù)進行預(yù)裂爆破試驗,其孔底留下巖根、欠挖比較明顯,需要炮機大量修整邊坡才能達(dá)到設(shè)計要求,原因可能是底部加強段裝藥偏小,底部的預(yù)裂面不能和中上部預(yù)裂面形成貫通裂縫。

多次調(diào)整爆破參數(shù)后,擴大孔距至1.6 m,底部加強段減小至45 c m左右,藥量增加,改為一支3 kg的Φ90 mm乳化炸藥,其中部和上部采用Φ32 mm間隔30 c m均勻綁扎,其特征是相較于其他預(yù)裂爆破沒有明顯的正常裝藥段和上部減弱裝藥段,預(yù)裂爆破后的效果也較之前大為提高。

6 建議

6.1 優(yōu)化爆破參數(shù)

爆破設(shè)計應(yīng)多次試爆并結(jié)合現(xiàn)場實際情況對設(shè)計進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,才能使爆破達(dá)到預(yù)期的效果。

6.2 測量、鉆孔的質(zhì)量控制措施建議

提高鉆孔施工質(zhì)量是爆破成功的前提,而提高鉆孔質(zhì)量的首要條件是精準(zhǔn)測量,測量能保障鉆孔施工是按設(shè)計要求進行,并且在提高預(yù)裂面的平整度、減少超欠挖、提高邊坡的穩(wěn)定性等方面起著重要作用。

將測量、鉆孔施工幾個質(zhì)量控制措施步驟簡述如下。

(1)做好測量前的準(zhǔn)備工作,清理巖面上松散碎石,由測量組及爆破技術(shù)人員、爆破員現(xiàn)場布孔,標(biāo)明鉆孔的深度、角度,并把鉆孔數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確的提供給鉆孔組,按照設(shè)計要求精準(zhǔn)鉆孔。

(2)鉆孔組根據(jù)爆破鉆孔參數(shù)表及爆破設(shè)計進行鉆孔作業(yè),鉆孔時現(xiàn)場施工員必須到場,保證位置準(zhǔn)確無誤。

(3)鉆孔完成后保護成孔,清理孔口周邊的浮石和巖屑,施工員在鉆孔完成后,應(yīng)檢測炮孔位置、深度、角度、排距等參數(shù)是否符合爆破設(shè)計,并填寫相關(guān)記錄。

(4)爆破施工前,對孔進行復(fù)驗孔,檢查是否積水、堵塞。

6.3 裝藥質(zhì)量控制措施建議

(1)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計的藥量及藥卷規(guī)格制作藥卷,不準(zhǔn)隨意增減;雷管段別由專人統(tǒng)一管理,負(fù)責(zé)登記及辦理領(lǐng)取手續(xù),防止出現(xiàn)差錯。

(2)裝藥時爆破技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)裝藥,向孔內(nèi)裝填藥量用木質(zhì)和竹質(zhì)填塞棒將藥包輕輕送入孔底,對裝藥過程中出現(xiàn)的各種問題及時處理。

(3)裝藥完成后由爆破員根據(jù)設(shè)計要求填塞炮孔,填土?xí)r先輕后重,力求填滿搗實,防止損傷腳線,多余的火工品及時退庫。

(4)詳細(xì)記錄各個炮孔的裝藥情況。測量、鉆孔、裝藥按以上步驟進行,才能保障爆破施工的安全及爆破質(zhì)量,為下一步復(fù)綠施工作業(yè)提供基礎(chǔ)保障。