深孔爆破技術(shù)在不規(guī)則臺(tái)階中的應(yīng)用

周咸領(lǐng),于緒杰,趙 君,王維良,丁 高,宋藝云,陳明明

(1.福建省福寧建設(shè)集團(tuán)有限公司,福建 寧德 352000;2. 浙江恒榮建設(shè)工程有限公司,浙江 寧波 315800;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)外國(guó)語(yǔ)言文化學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

公路、鐵路、水電、核電及建筑等基坑開挖工程經(jīng)常遇到不規(guī)則臺(tái)階或者低臺(tái)階，大多數(shù)施工單位對(duì)于低于5 m的臺(tái)階采用淺孔爆破施工，5 m以上的臺(tái)階采取深孔爆破方法施工。由于施工中使用手動(dòng)鑿巖機(jī)人工鉆孔，存在臺(tái)階高度淺、每次方量小、工期長(zhǎng)、效率低的現(xiàn)象，使本來較短的施工工期更為緊張，為此，筆者提出了不規(guī)則臺(tái)階爆破施工采用多排深孔延時(shí)爆破方法。

國(guó)內(nèi)個(gè)別工程較為成功使用的大孔徑低臺(tái)階爆破施工，多數(shù)填塞長(zhǎng)度小于其孔、排距,需要做被動(dòng)防護(hù)措施[1-2]。紀(jì)旭[3]在頁(yè)巖、砂巖(f值較低)開采中采取大孔徑淺臺(tái)階控制爆破較為成功。何松[4]提出了深孔結(jié)合淺孔松動(dòng)延時(shí)爆破技術(shù)，但低臺(tái)階依然采取孔徑小于50 mm進(jìn)行鉆孔施工。綜上并考慮現(xiàn)有鉆進(jìn)設(shè)備，本項(xiàng)目施工中采取φ90 mm深孔爆破技術(shù)一次性處理臺(tái)階高度3～10 m不規(guī)則巖體。大孔徑低臺(tái)階爆破缺乏理論依據(jù)，可參考高文學(xué)[5]多邊界石方爆破藥量計(jì)算原理和采用鮑列斯闊夫公式來驗(yàn)證裝藥量的可行性。

對(duì)于孔、排數(shù)較多的爆破區(qū)域，使用Exel高精度導(dǎo)爆管雷管或者電子數(shù)碼雷管起爆系統(tǒng)較為科學(xué)，如文獻(xiàn)[6-7]較為成功的使用了高精度雷管城區(qū)復(fù)雜環(huán)境大區(qū)的深孔爆破技術(shù)和電子數(shù)碼雷管在鐵礦采場(chǎng)爆破。高精度非電雷管和數(shù)碼雷管價(jià)格較高，本工程暫未使用，只能利用現(xiàn)購(gòu)第一系列非電導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行組網(wǎng)。露天臺(tái)階爆破深孔延時(shí)爆破，排間延時(shí)間隔在100 ms左右基本合理[8-10],現(xiàn)有雷管可以使用。

1 工程概況

本工程屬于墾造水田項(xiàng)目，多數(shù)地段為以前采礦留下的臺(tái)階，局部位置極不規(guī)則，爆破總方量約240萬m3，開挖高度2～55 m，基巖為沉積巖，普氏硬度系數(shù)為f=8～10。

整個(gè)工程爆破區(qū)域邊界距南側(cè)最近民房約200 m；距西側(cè)多棟民房最近約100 m；距西北側(cè)三棟民房最近約72 m；距西南側(cè)1 125線35 kV高壓線最近水平距離約315 m；西北側(cè)約80 m有一個(gè)廢棄禽舍；北偏西約175 m有一處廢棄民房；距北側(cè)多棟民房最近約200 m；距東側(cè)一棟民房約105 m，距東南側(cè)民房最近約140 m。本次爆破區(qū)域距離民房最近175 m。

距離保護(hù)物100 m內(nèi)為禁爆區(qū)，采取機(jī)械開挖，設(shè)計(jì)爆破單次總裝藥量≤3 000 kg；最近保護(hù)點(diǎn)振動(dòng)速度≤1.5 cm/s；最大單響藥量控制在≤175 kg；飛石控制≤72 m。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[11]規(guī)定，本工程爆破等級(jí)為C級(jí)巖土爆破。

因?yàn)楸敬伪谱鳂I(yè)區(qū)域面積約520 m2，臺(tái)階高低不平，所以有一定的施工難度。

1)原來開采遺留的臺(tái)階不少位置高低不平，需要挖機(jī)平整后鉆機(jī)才能行走；鉆孔位置需要避開填方超過50 cm的位置，布孔和鉆孔難度較大；臺(tái)階的西側(cè)(E9～E11孔位置南側(cè))鉆機(jī)無法行走，需要打傾斜孔。

2)工期緊張，5 m以下臺(tái)階全部使用淺孔爆破，工期不允許，深孔爆破應(yīng)用在3～5 m臺(tái)階國(guó)內(nèi)外參考案例較少。

3)已購(gòu)買雷管段別有限。目前僅有MS3段5 m、MS5段7 m、MS9段15 m、MS10段15 m、MS11段15 m 的非電導(dǎo)爆管雷管，因雷管有系統(tǒng)誤差，組網(wǎng)困難且容易重段。

4)炮孔數(shù)較多，用MS9段雷管進(jìn)行分區(qū)接力，因延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)(310 ms)，容易破壞后面幾排網(wǎng)路。

2 爆破方案

1)方案1。爆破區(qū)域低于5 m臺(tái)階采取淺孔臺(tái)階爆破施工，高于5 m臺(tái)階采取深孔爆破施工。優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階平整度較好，爆破有害效應(yīng)容易控制；缺點(diǎn)：淺孔臺(tái)階爆破采用手動(dòng)鑿巖機(jī)人工鉆孔，臺(tái)階高度淺，每次方量小，工期長(zhǎng)，效率低，無法滿足工期要求。

2)方案2。爆破區(qū)域低于5 m臺(tái)階統(tǒng)一超深50 mm后，采取φ90 mm鉆機(jī)進(jìn)行爆破施工。優(yōu)點(diǎn)：臺(tái)階平整度較好，施工進(jìn)度較快；缺點(diǎn)：很難有效控制其產(chǎn)生的爆破飛散物、噪聲、煙塵等有害效應(yīng)。

國(guó)內(nèi)運(yùn)用該方案缺乏理論依據(jù)且成功案例較少，也有巖石普氏系數(shù)較低時(shí)的成功運(yùn)用案例，但多數(shù)填塞長(zhǎng)度小于其孔、排距,需要做大量的被動(dòng)防護(hù)措施。

3)方案3。3～5 m臺(tái)階全部采取φ90 mm孔徑潛鉆機(jī)統(tǒng)一超深2 m進(jìn)行鉆孔，采取深孔松動(dòng)爆破技術(shù)進(jìn)行施工。優(yōu)點(diǎn)：施工速度快且符合《爆破安全規(guī)程》[11]對(duì)深孔的界定，鉆孔最少；缺點(diǎn)：爆破有害效應(yīng)控制難度介于方案1和方案2之間。

綜合以上方案，方案3鉆孔最少，施工速度最快，爆破有害因素也能有效控制。不規(guī)則臺(tái)階超深2 m之后并非項(xiàng)目場(chǎng)平最終標(biāo)高，經(jīng)和業(yè)主及安全監(jiān)理溝通后同意采用方案3進(jìn)行爆破施工。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

由于巴隆公式不適用國(guó)內(nèi)露天爆破，在給定孔徑的情況下最小抵抗線可根據(jù)以下公式計(jì)算[12]：

W=Kφ/1000

(1)

式中：K為系數(shù)，K=30～40；φ為炮孔直徑，mm。

本工程W取3 m。

3.1 低臺(tái)階爆破參數(shù)

以梅花形方式布孔。臺(tái)階高度H=3 m，鉆孔直徑D=90 mm，鉆孔傾角90°，孔距a=2.8 m，排距b=2 m，鉆孔超深h=0.5 m(實(shí)際2.0 m，按照 0.5 m計(jì)算)，孔深L=5 m；最小抵抗線W=3 m ， 2號(hào)巖石乳化炸藥2 000 g/支(φ70 mm)；連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，填塞長(zhǎng)度l2=3.5 m；炸藥單耗q=0.40 kg/m3，單孔藥量Q=10 kg，其余臺(tái)階參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

Table1BlastingParameters

排序號(hào)每排孔數(shù)臺(tái)階高度H/m孔深L/m孔距a/m排距b/m單耗q/(kg·m-3)單孔藥量Q/kg填塞長(zhǎng)度l2/mA23.05.02.82.00.40103.5B133.05.02.82.00.40103.5C123.05.02.82.00.40103.5D93.05.02.82.00.40103.5E83.05.02.82.00.40103.5E33.56.02.04.00.42153.5F93.05.02.82.00.40103.5G83.55.52.82.00.43123.8H54.06.03.22.00.43153.8I44.06.03.22.00.43153.8J34.06.03.22.00.43153.8K15.07.03.22.00.43184.0L410.012.04.02.50.42464.0M310.012.04.02.50.42464.0

注：孔深在臺(tái)階高度基礎(chǔ)上增加 2 m，其中 5 m以下臺(tái)階按超深 0.5 m， 5 m以上臺(tái)階按超深 1.0 m計(jì)算單耗；A～K排炮孔孔內(nèi)放置單發(fā)雷管，L、M排炮孔分別在1/3和2/3處各放置1發(fā)雷管。

3.2 傾斜孔爆破參數(shù)

E9、E10、E11因南側(cè)鉆機(jī)無法打孔，采取打斜孔來加密炮孔，經(jīng)AutoCAD輔助設(shè)計(jì)顯示傾斜孔孔深為5.85 m，實(shí)際取6 m，鉆孔角度為70°。采用梅花形布孔，臺(tái)階高度H= 3.5 m；鉆孔直徑D=90 mm，孔距a=2 m，排距b=4 m，鉆孔超深h=0.5 m(實(shí)際 2.0 m，按照 0.5 m，臺(tái)階高度按照4.5 m計(jì)算)；孔深L=6 m；最小抵抗線W=3 m，2號(hào)巖石乳化炸藥2 000 g/支(φ70 mm)；連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，填塞長(zhǎng)度l2=3.5 m，炸藥單耗q=0.42 kg/m3，單孔藥量Q=15 kg。

3.3 深孔臺(tái)階孔爆破參數(shù)

臺(tái)階高度H=10 m，鉆孔直徑D=90 mm，鉆孔傾角為80°～90°；孔距a=4 m，排距b=2.5 m，鉆孔超深h=1 m(實(shí)際2.0 m，按照1 m計(jì)算)，孔深L=12 m；最小抵抗線W=3.0 m，2號(hào)巖石乳化炸藥和銨油炸藥；連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，填塞長(zhǎng)度l2=4.2 m，炸藥單耗q=0.42 kg/m3，單孔藥量Q=46 kg。

3.4 炮孔布置及爆破網(wǎng)路

為較大限度減少爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，施工過程中A～K排采取兩孔一響，L、M排采用炮孔單響的起爆網(wǎng)路。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，起爆網(wǎng)路不考慮雷管自身的誤差也有重段現(xiàn)象，比如D1、D2與B7、B8孔起爆時(shí)間為 570 ms；L1孔與C9、C10孔起爆時(shí)間為690 ms。最大單段藥量為66 kg，小于設(shè)計(jì)允許藥量175 kg，符合要求。

采用塑料導(dǎo)爆管非電雷管孔內(nèi)外結(jié)合的毫秒延時(shí)網(wǎng)路時(shí)，每3排作為1個(gè)爆區(qū)，孔內(nèi)分別用MS9段、MS10段、MS11段雷管，其中每個(gè)爆區(qū)之間采取長(zhǎng)延時(shí)雷管MS9段雙發(fā)連接。為了保證排與排之間最大延時(shí)時(shí)間接近100 ms。第1個(gè)爆區(qū)滯后110 ms，第2個(gè)爆區(qū)滯后50 ms。排間孔外分別用MS5段、MS3段雷管連接(見圖1)。

網(wǎng)路連接較為復(fù)雜，網(wǎng)路連接好后進(jìn)行檢查，同時(shí)孔外延時(shí)雷管用石粉壓住后用蛇皮袋再蓋好，防止起爆過程中破壞起爆網(wǎng)路。

圖1 起爆網(wǎng)路Fig.1 Initiation network

3.5 爆破器材消耗

3.6 多邊界石方爆破藥量計(jì)算原理驗(yàn)證

根據(jù)藥卷和炮孔之間的密實(shí)程度，可分為耦合裝藥和不耦合裝藥，其中軸向不耦合裝藥系數(shù)[12]表示如下式。

m2=L/l1

(2)

式中：m2為軸向不耦合系數(shù)；L為炮孔長(zhǎng)度，m；l1為裝藥長(zhǎng)度，m。

A～D排孔炮孔m2=3.33，軸向不耦合系數(shù)較大可視為集中藥包，可參考多邊界石方爆破藥量計(jì)算原理來計(jì)算松動(dòng)爆破的藥量。我國(guó)爆破工程界應(yīng)用較為廣泛的是前蘇聯(lián)學(xué)者鮑列斯闊夫提出的經(jīng)驗(yàn)公式[12]，由此得到集中藥包拋擲爆破裝藥量的計(jì)算公式：

Q=(0.4+0.6n3)qbW3

(3)

式中：Q為裝藥量，kg；n為爆破作用指數(shù)；qb為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破單位用藥量，kg/m3，取1.4；W為最小抵抗線。

經(jīng)計(jì)算Q=37.8 kg，松動(dòng)爆破取值1/3～1/2，單孔裝藥量為12.6～18.9 kg。

本次爆破方案設(shè)計(jì)3 m臺(tái)階炮孔深度為5 m，等效為集中藥包，經(jīng)計(jì)算其結(jié)果為12.6～18.9 kg，實(shí)際裝藥量為10 kg，小于計(jì)算結(jié)果，為了安全起見填塞長(zhǎng)度l2取3.5 m。

3.7 安全驗(yàn)算

1)爆破飛石距離估算。露天深孔爆破時(shí)可能產(chǎn)生的最遠(yuǎn)飛石距離由瑞典德湯尼克公式求之：

RF≤40d/2.54

(4)

式中：RF為爆破時(shí)可能產(chǎn)生的最遠(yuǎn)飛石距離，m；d為孔深直徑，cm。

計(jì)算得RF≤141 m,該距離小于本爆區(qū)距離周邊建(構(gòu))筑物的最短距離(175 m)，本工程實(shí)際安全警戒范圍為200 m，因此爆破產(chǎn)生的飛石不會(huì)對(duì)爆區(qū)周圍的人員和建(構(gòu))筑物產(chǎn)生危害。

2)爆破振速的校核。爆破振動(dòng)引起周圍某測(cè)點(diǎn)的振速一般使用薩氏公式計(jì)算：

(5)

式中：K為爆破條件和場(chǎng)地系數(shù)，本工程K取200；α為爆破振動(dòng)波傳遞衰減指數(shù)，本工程α取1.7；Q為爆破最大段藥量，kg,本次爆破為66 kg；R為爆破中心至保護(hù)對(duì)象某測(cè)點(diǎn)的距離，m，本次爆破為 175 m。

經(jīng)計(jì)算v=0.33 cm/s遠(yuǎn)小于保護(hù)物最大允許振動(dòng)速度設(shè)計(jì)值1.5 cm/s，可確保民房安全。

4 爆破效果

爆破過程中B12、B13和C1、D1、D2的炮孔產(chǎn)生飛石，飛石控制在30 m范圍內(nèi)。爆后檢查無盲炮，其中3～5 m臺(tái)階爆堆隆起，巖石基本松動(dòng)；10 m臺(tái)階爆破后巖石呈現(xiàn)自然塌落趨勢(shì)(見圖2)，一次性成功處理了不規(guī)則臺(tái)階。爆后各警戒點(diǎn)及附近村民基本感覺不到爆破振動(dòng)。

B12、B13炮孔鉆機(jī)無法行走，前部填方1.2～1.5 m，其填孔長(zhǎng)度為3.5 m，導(dǎo)致最小抵抗線只有2～2.2 m，是產(chǎn)生飛石的主要原因。C1和D1、D2炮孔，孔口較為破碎，裝藥時(shí)出現(xiàn)卡孔，從鉆孔到爆破累計(jì)時(shí)間只有14 h，未來得及全部驗(yàn)孔。經(jīng)查，爆破員裝藥過程中把分好的炸藥全部裝入孔中，但未裝到底部，導(dǎo)致最小抵抗線改變，產(chǎn)生飛石。謹(jǐn)記，爆破作業(yè)前須提前驗(yàn)孔，在浮石較多的位置加強(qiáng)填塞，避免類似情況再次出現(xiàn)。

圖2 爆破過程Fig.2 Blasting process

裝運(yùn)過程中除了爆堆表層2 m左右范圍內(nèi)有大石塊，其余位置巖石破碎塊度較小。因爆破后第二天下午立即進(jìn)行上部區(qū)域爆破，圖3為上部區(qū)域爆破前的狀況，外邊緣少部分石料未來得及清運(yùn)。本次爆破后無根底，達(dá)到預(yù)期效果，為后續(xù)開采創(chuàng)造較好的條件。

圖3 裝運(yùn)后效果Fig.3 Effect after shipment

5 結(jié)論

1)大孔徑爆破在不規(guī)則臺(tái)階或低臺(tái)階施工技術(shù)中，可以有效解決手動(dòng)鑿巖機(jī)人工鉆孔出現(xiàn)臺(tái)階高度淺、每次方量小、工期長(zhǎng)、效率低的問題，滿足施工工期要求。

2)在不具備數(shù)碼雷管和高精度非電延時(shí)雷管的條件下，設(shè)計(jì)起爆網(wǎng)路時(shí)，孔內(nèi)分別放置MS9段、MS10段、MS11段作為一個(gè)爆區(qū)。第一爆區(qū)孔外延時(shí)MS5段雷管，第二爆區(qū)孔外延時(shí)MS3段雷管，每個(gè)爆區(qū)之間再用MS9段雷管進(jìn)行分區(qū)接力。該網(wǎng)路的連接證明了炮孔填塞和孔外延時(shí)雷管防護(hù)是可行的。

3)徑向不耦合系數(shù)較大的情況下，采取梅花形布孔適當(dāng)加密孔、排距，使用多排深孔延時(shí)爆破技術(shù)可避免爆破根底的產(chǎn)生。

4)爆破前須對(duì)可能引起的飛石最大距離進(jìn)行估算和爆破振動(dòng)速度的理論計(jì)算，對(duì)填塞長(zhǎng)度進(jìn)行核算。通過精心設(shè)計(jì)、精心施工可避免爆破飛石的產(chǎn)生，同時(shí)間接驗(yàn)證多邊界石方爆破藥量計(jì)算原理的合理性。

大孔徑爆破應(yīng)用在低臺(tái)階雖有個(gè)別成功的案例，但缺乏理論基礎(chǔ)。將多邊界石方爆破藥量計(jì)算原理運(yùn)用到大孔徑低臺(tái)階爆破或經(jīng)過大量工程實(shí)踐可形成新的理論，并作為一個(gè)新的爆破技術(shù)推廣，將會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。