高礫石土心墻堆石壩過渡料爆破直采技術(shù)探討

余興和,張　艷,馬元軍

(葛洲壩易普力 四川爆破工程有限公司,成都 610000)

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高礫石土心墻堆石壩過渡料爆破直采技術(shù)探討

余興和,張艷,馬元軍

(葛洲壩易普力 四川爆破工程有限公司,成都 610000)

摘要:通過長河壩水電站石料場的多次現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，結(jié)合KUZ-RAM塊度預(yù)報(bào)模型，對試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)要求的級配曲線進(jìn)行對比分析。對于料源為裂隙發(fā)育的花崗巖、石英閃長巖等硬巖，選擇可爆性較好區(qū)域、采用降低孔網(wǎng)面積、加大爆破單耗、選用2號(hào)巖石乳化炸藥和高精度導(dǎo)爆管雷管、利用微差擠壓爆破等技術(shù)，可以獲取合格過渡料以達(dá)爆破直采之目的。爆破平均塊度可通過縮小鉆孔直徑、控制臺(tái)階高度、降低單孔裝藥量、采用合理裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)路來控制。

關(guān)鍵詞:堆石壩; 過渡料; 爆破直采; KUZ-RAM模型

1概述

大渡河長河壩水電站為一等大(1)型工程，水庫大壩是目前在建的同類型體積最大、最高的礫石土心墻堆石壩[1]，最大壩高240 m，整個(gè)大壩石方填筑方量達(dá)2763.87萬m3，其中過渡料達(dá)290多萬m3，具有開采方量大、施工強(qiáng)度大、級配要求高等特點(diǎn)。

前期在響水溝料場進(jìn)行了10多次過渡料爆破試驗(yàn)，主要采用常規(guī)中深孔臺(tái)階微差擠壓爆破[2]，爆塊較粗，P5(<5 mm)含量不足，難以滿足原設(shè)計(jì)級配要求，因此前期只能從常規(guī)爆渣中用小斗容反鏟挑選出細(xì)小顆粒石料，摻配骨料篩分系統(tǒng)加工的P5細(xì)骨料來生產(chǎn)過渡料。電站位于高山峽谷之中，沒有進(jìn)行大規(guī)模摻配過渡料的場地，且摻配細(xì)骨料工序復(fù)雜、成本較高，難以滿足大規(guī)模填筑時(shí)的施工強(qiáng)度要求。為保證大壩填筑順利進(jìn)行，做了6次爆破直采專項(xiàng)試驗(yàn)，其目的是探討用爆破法直接開采出符合設(shè)計(jì)級配要求的過渡料，獲取合理爆破參數(shù)，用于指導(dǎo)后期過渡料開采。

2工程特點(diǎn)和技術(shù)要求

2.1工程特點(diǎn)

(1)礫石土心墻壩過渡料的平均塊度d50(52～18 mm)較面板堆石壩過渡料的d50(80～50 mm)小。因此，前者的爆破開采難度遠(yuǎn)大于后者。

(2)料源巖體的構(gòu)造裂隙發(fā)育、巖石堅(jiān)硬，可爆性差，爆破難度大。

(3)提高合格壩料的爆破開采規(guī)模與效率，爆破后直接用反鏟剔除300 mm以上粗顆粒后直接上壩，滿足上壩回填施工強(qiáng)度，并節(jié)省投資。

2.2地質(zhì)條件和技術(shù)要求

2.2.1地質(zhì)條件

響水溝料場為花崗巖，巖質(zhì)致密堅(jiān)硬，其飽和抗壓強(qiáng)度120～140 MPa，軟化系數(shù)0.74～0.78，天然密度2.61～2.99 g/cm3。巖體卸荷較強(qiáng)烈，強(qiáng)卸荷水平深度為46 m，弱風(fēng)化弱卸荷水平深度90 m，以里為微新巖，主要發(fā)育有4組的不同走向的陡傾角構(gòu)造裂隙，此外隨機(jī)短小裂隙亦發(fā)育。因受裂隙切割，巖體塊徑多呈80～150 cm。

江咀石料場為石英閃長巖，巖質(zhì)致密堅(jiān)硬，其飽和抗壓強(qiáng)度76.4～131 MPa，軟化系數(shù)0.77～0.87，天然密度2.70～2.89 g/cm3，巖體多呈次塊狀-塊狀結(jié)構(gòu)。巖體風(fēng)化作用相對微弱，料場表部巖體卸荷較強(qiáng)烈，以弱風(fēng)化為主。

2.2.2設(shè)計(jì)技術(shù)要求

最初提出的過渡料級配要求非常嚴(yán)格，經(jīng)設(shè)計(jì)多次調(diào)整，最終的技術(shù)要求：級配宜連續(xù)良好，級配曲線見圖1。石料耐風(fēng)化并不易為水溶解，其飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于45 MPa；過渡料最大粒徑不大于300 mm；小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%；小于5 mm的顆粒含量為5%～25%；過渡料壓實(shí)室內(nèi)相對密度應(yīng)不小于0.9，孔隙率宜不大于20%，相應(yīng)的干密度約為2.25 g/cm3；壓實(shí)后的滲透系數(shù)應(yīng)大于1×10-2cm/s。

3爆破試驗(yàn)研究

3.1塊度預(yù)報(bào)模型的選擇

20世紀(jì)90年代在面板堆石壩級配料開采爆破試驗(yàn)研究中總結(jié)出的KUZ-RAM模型[3，4]，可用于臺(tái)階爆破塊度預(yù)報(bào)。該模型對粗粒徑部分的預(yù)報(bào)有較好的準(zhǔn)確性[5]。

模型的基本表達(dá)式由Kuznetsov方程、R-R分布函數(shù)和塊度不均勻指數(shù)三部分組成[6-9]

(1)

(2)

n=(2.2-14W/D)(1-B/W)

(3)

3.2A值估算

響水溝料場前期做了六場過渡料生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，顆分試驗(yàn)結(jié)果表明，各區(qū)爆塊均偏粗，不滿足設(shè)計(jì)要求，但可從該次試驗(yàn)的篩分曲線查出每次爆破的d50，利用式(4)反算出響水溝料場的A值，見表1，為后續(xù)爆破試驗(yàn)參數(shù)的選取提供依據(jù)。

(4)

式中符號(hào)意義同前。

表1　響水溝料場A值計(jì)算表

注：Ⅰ區(qū)～Ⅲ區(qū)爆破效果較差，不具有參考意義。

3.3過渡料開采關(guān)鍵控制指標(biāo)

3.3.1控制指標(biāo)分析

反映爆破塊度級配情況的直觀參數(shù)是級配料的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc值，由下式表示

(5)

若假定爆破塊度遵從R-R分布時(shí)，根據(jù)式(5)及R-R分布函數(shù)可得

(6)

從表2、表3的n值估算來看，設(shè)計(jì)下包絡(luò)線反推出的n值遠(yuǎn)大于爆破實(shí)際開采料的n值。只要特征塊度小于下包絡(luò)線的允許值，則低于特征尺寸的塊體含量是可以滿足要求的，而高于特征尺寸的塊體含量則可能超標(biāo)。解決的辦法之一是增加炸藥單耗進(jìn)一步減小特征值，另一辦法是剔除部分大塊或摻合部分小粒徑石料，最有效的方法還是剔除部分大塊。要爆破出合格的過渡料，在爆破設(shè)計(jì)時(shí)簡單易行的方法是將特征塊度(或d50)控制在設(shè)計(jì)允許值以內(nèi)。

表2　設(shè)計(jì)要求的級配過渡料的Cu、Cc及n值

表3　江咀石料場第四場爆破試驗(yàn)(試驗(yàn)5)的篩分結(jié)果(中部)

根據(jù)設(shè)計(jì)對過渡料的塊度級配要求，可獲得最大允許平均塊度，可用下式計(jì)算出爆破出合格料的炸藥單耗

(7)

式中，[d50]為設(shè)計(jì)提出的下包絡(luò)線平均塊度，5.2 cm。

3.3.2d50的影響因素分析

(1)A與d50成線性關(guān)系，在條件允許的情況下宜選擇節(jié)理裂隙發(fā)育、可爆性好的巖體開采過渡料。

(2)增加細(xì)顆粒的含量主要靠減少孔間排距，增加q、耦合裝藥以及減小堵塞長度來實(shí)現(xiàn)。q越高，d50越小。當(dāng)D一定時(shí)，q越高，孔網(wǎng)面積越小，鉆孔量增加，可能還會(huì)增大拒爆的風(fēng)險(xiǎn)。但d50降低與q增加成非線性關(guān)系，單純增加q并不經(jīng)濟(jì)。

(3)當(dāng)q一定時(shí)，H增加將使鉆孔深度，孔底偏差增大，導(dǎo)致大塊產(chǎn)生，影響石料級配；同時(shí)導(dǎo)致Q增加、孔網(wǎng)面積變大，d50增加。

(4)炸藥品種對d50也產(chǎn)生一定影響，如H為15 m、D為φ 90 mm時(shí)，連續(xù)不耦合裝2號(hào)巖石乳化炸藥，其線裝藥密度為6.3～6.5 kg/m；若連續(xù)耦合裝粉狀銨油炸藥，其線裝藥密度約4.0 kg/m，同樣的孔網(wǎng)面積，Q將減少近40%，d50將增大27%左右。因此過渡料開采宜選優(yōu)質(zhì)高猛度炸藥。

(5)過渡料開采的炮孔間排距通常較小，爆炸應(yīng)力波對相鄰炮孔的影響大，而小抵抗線要求排間起爆時(shí)差更小、精度更高，因此宜選高精度導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路。

(6)受前次爆破的影響，爆堆前沿及表層的塊度一般相對較大，2 cm以下石渣偏少，可采用大單耗壓渣爆破提高擠壓破碎效果。

3.4專項(xiàng)爆破試驗(yàn)

3.4.1爆破參數(shù)

H為10 m，D為φ 90 mm，超深h一般取0.1H；堵塞長度取(0.8～1.0)W；采用不耦合連續(xù)裝藥，線裝藥密度約為5.6～6 kg/m；q的選擇是爆破過渡料的關(guān)鍵，響水溝料場的A值大約為2.89～6.51(見表1)，Q約為57 kg，乳化炸藥的E取100，按式(7)可計(jì)算出q約為1.25～3.43 kg/m3，巖石完整致密取高值，破碎取低值；孔間排距由計(jì)算式a×b=Q/(H×q)和布孔方式最終確定；每次爆破規(guī)模為3000 m3左右，爆破孔數(shù)控制在100個(gè)左右。具體參數(shù)見表4。

表4　專項(xiàng)爆破試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

注：表中數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)值/實(shí)際值，未注明為二者基本一致；經(jīng)濟(jì)單耗為爆破出d50=5.2 cm所需的炸藥單耗。

3.4.2裝藥結(jié)構(gòu)及起爆網(wǎng)路

主爆孔用φ 70 mm乳化炸藥連續(xù)裝藥至距孔口1.5m處，然后堵塞；周邊孔先用φ 70 mm乳化炸藥連續(xù)裝藥至距孔口3.1 m處，再用φ 32 mm乳化炸藥2支為一組綁在竹片上連續(xù)綁8組至距孔口1.5 m處后堵塞。

每個(gè)孔內(nèi)配置2發(fā)高精度起爆雷管，分別布置在距離孔底或孔口1～2 m范圍內(nèi)。為了防止裝藥時(shí)卡孔以及孔間相互影響造成部分炸藥拒爆，每孔下導(dǎo)爆索至孔底。

采用孔內(nèi)高段、孔外低段的高精度導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，大V型/斜線起爆?？變?nèi)雷管400 ms/15 m；孔外排間接力雷管為42 ms/7 m，孔間接力雷管為17 ms/7 m，必要時(shí)用9 ms/7 m雷管增加分段。

3.4.3取樣方法

爆破后在取樣前，先用反鏟將爆堆前沿以及表層區(qū)域大塊較多的不合格料挖運(yùn)裝走，然后分上、中、下三個(gè)區(qū)域?qū)κ戏謩e取樣，異地進(jìn)行篩分試驗(yàn)。

3.4.4試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)1：孔內(nèi)起爆雷管2發(fā)均布置在底部，個(gè)別炮孔上部拒爆，導(dǎo)致上部取樣篩分結(jié)果偏離設(shè)計(jì)要求的下包絡(luò)線；中下部取樣篩分結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，接近設(shè)計(jì)要求的下包絡(luò)線，見圖2，所獲石料基本滿足過渡料要求。為降低成本，后期試驗(yàn)改在巖石可爆性相對好的江咀料場。

試驗(yàn)2：巖體較破碎，巖體可爆性好，完整性相對于響水溝料場差?？變?nèi)雷管分別布置在孔口及孔底1～2 m位置，爆破后未發(fā)現(xiàn)殘留導(dǎo)爆索及炸藥。取樣篩分曲線全部在設(shè)計(jì)要求的上下包絡(luò)線范圍內(nèi)，所獲石料完全滿足過渡料要求。由于該部位巖體靠近破碎帶，本次不具有代表性。

試驗(yàn)3：為核定單價(jià)尋找最低單耗需要，選擇了巖體質(zhì)量相對較好的部位。從篩分曲線和表4可看出，由于巖體可爆性較試驗(yàn)2差，所獲石料較設(shè)計(jì)要求偏粗。即使該部位q增加到2.5 kg/m3，其爆破后的d50將達(dá)6.0 cm，與設(shè)計(jì)要求的下包絡(luò)線偏離0.8 cm；如果要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的平均塊度下限值，炸藥單耗需增加到3.0 kg/m3。

試驗(yàn)4：由于新?lián)Q鉆頭導(dǎo)致鉆孔直徑偏大，按設(shè)計(jì)藥量裝藥，實(shí)際堵塞長度達(dá)3 m，導(dǎo)致上部(表面以下1.5 m)爆破塊度偏大，下部的d50約為7.0 cm。即使該部位q增加到2.5 kg/m3，爆破后的底部d50可達(dá)5.5 cm，與設(shè)計(jì)要求的下包絡(luò)線偏離0.3 cm。

試驗(yàn)5：由于采用普通導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)為MS13段，而排間為MS2段接力，導(dǎo)致前后排因孔內(nèi)延時(shí)誤差發(fā)生前后排串段，從爆堆形狀看，爆渣后翻，中部破碎效果低于兩側(cè)，從篩分曲線(見圖3)中可看出，左右側(cè)爆渣滿足過渡料要求。共篩分了6組，中部篩分了4組，有2組d50約為6 cm，與設(shè)計(jì)下包絡(luò)線接近，而另2組有一定偏離，一組d50為7 cm，另一組d50約為7.2 cm。

試驗(yàn)6：采取加密炮孔，減小Q，以增加細(xì)顆粒含量，仍采用φ 90 mm鉆孔，φ 70 mm乳化炸藥，炸藥平均單耗仍為2.5 kg/m3，采用竹片連續(xù)綁扎方式裝藥，故施工繁瑣且勞動(dòng)強(qiáng)度大。共篩分了6組，從篩分曲線中看出:坑下部篩分的3組，滿足過渡料要求，d50為3.8～5.2 cm；坑上部篩分的3組，d50為5.3～6.1 cm，與設(shè)計(jì)下包絡(luò)線非常接近。上下坑料混合可符合過渡料級配要求。

從4次完整致密巖體部位試驗(yàn)的資料分析可得出，當(dāng)q達(dá)2.5 kg/m3時(shí)爆破開采料的d50接近設(shè)計(jì)下包絡(luò)線的[d50]?？紤]起爆網(wǎng)路安全性、工程成本及上壩碾壓等因素，認(rèn)為最大單耗不宜超過2.5 kg/m3。試驗(yàn)5和試驗(yàn)6也再次表明：q達(dá)2.5 kg/m3時(shí)，只要控制好堵塞長度、選擇合理起爆時(shí)差、鉆孔精度滿足設(shè)計(jì)要求，所開采料基本可以滿足過渡料質(zhì)量要求。

4結(jié)語

對于料源為構(gòu)造裂隙發(fā)育的硬巖，可通過優(yōu)化爆破參數(shù)、提高q、選擇適宜的爆破器材等措施，爆破直采出合格的過渡料。

(1)KUZ-RAM模型可用于預(yù)報(bào)過渡料開采塊度，由此確定q值用以優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)。篩分成果應(yīng)及時(shí)反饋，便于及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。

(2)對于完整致密巖體可通過縮小D、控制H，降低Q來控制爆破平均塊度。

(3)爆破器材宜選用2號(hào)巖石乳化炸藥和高精度導(dǎo)爆管雷管。

(4)在滿足壩料力學(xué)指標(biāo)條件下，盡量選在巖體可爆性較好區(qū)域進(jìn)行過渡料爆破。

(5)本試驗(yàn)推薦的爆破參數(shù)：q宜為2.5 kg/m3；D不大于φ 90 mm；H為10 m左右；堵塞長度(0.8～1.1)W；孔深誤差±20 cm；孔口誤差±10 cm；裝藥密度不小于1000 kg/m3。

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Discussions on Blasting Direct Exploit Technology of Transition Material for High Gravel Soil Core Wall Rock-fill Dam

YUXing-he,ZHANGYan,MAYuan-jun

(Sichuan Blasting Engineering Co Ltd,Gezhouba Explosive Co Ltd, Chengdu 610000,China)

Abstract:Through blasting tests in Changheba hydro-power station quarry,combining with KUZ-RAM block prediction model,the gradation curves of test results and design requirements were compared and analyzed.The results show it feasible to obtain qualified transition materials in fractured granite,quartz diorite and the same hard rock by using different schemes,including choosing the blastable areas,reducing blasthole burden and space,increasing the specific charge,selecting 2# emulsion explosives and precision Nonel detonator or millisecond extruding blasting technology.The average fragmentation can be controlled by lessening the hole diameter,changing bench height,decreasing charge amount per hole and designing a reasonable charge structure and detonating circuit.

Key words:rock-fill dam; transition material; blasting direct exploit; KUZ-RAM model

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.013

收稿日期:2016-01-12

作者簡介:余興和(1970-)，男，高級工程師，從事爆破現(xiàn)場施工與爆破安全管理，(E-mail)826216538@qq.com。

中圖分類號(hào):TD235.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-487X(2016)02-0067-07