兩河口水電站級配料開采爆破孔間延時優(yōu)選的試驗研究*

余良松，周龍杰，胡英國，胡 偉

(1.中國水利水電第十二工程局有限公司,杭州 310004；2.長江水利委員會長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

隨著近年來國家對于水利水電行業(yè)的大力建設(shè)，工程爆破技術(shù)作為目前水利水電石料開采的主要手段，在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。巖石爆破塊度作為評價爆破效果的主要指標，直接影響到水利水電工程后續(xù)的建設(shè)目標和建設(shè)成本。目前，水利水電堆石壩級配料普遍采用深孔臺階爆破技術(shù)進行開采，而在爆破開采過程中，提高爆破效率和質(zhì)量，滿足良好的級配曲線以及粒料不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)等評價指標的同時盡量減少對自然環(huán)境的擾動破壞，對水利水電堆石壩級配料的開采具有重要意義。

但是爆破過程是一個復(fù)雜的非線性過程。炸藥特性、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破參數(shù)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和內(nèi)部節(jié)理等因素均會對最終的爆破效果產(chǎn)生巨大影響[1-3]。不同爆破設(shè)計、爆破參數(shù)組合都會產(chǎn)生不同的爆破塊度分布。我們需要不斷對參數(shù)進行優(yōu)化，找出其中最佳的參數(shù)組合，達到最佳爆破效果[4,5]。在當前電子雷管大幅推廣的條件下，精確毫秒延時的微差爆破被越來越廣泛的應(yīng)用，群孔起爆延遲時間對爆破效果的影響是爆破設(shè)計優(yōu)化研究的重點方面之一。

長期以來國內(nèi)外科研工作者針對微差爆破延期時間開展了大量的研究工作。趙根根據(jù)實際水利水電工程料場的深孔臺階爆破[6]，對實測的爆破震動波形進行分析，提出深孔臺階爆破精確起爆的設(shè)計建議值為15～20 ms。鐘東望通過對爆破振動持時分析及微差爆破延期時間優(yōu)選提出了合理孔間延期時間往往不是某一具體值，而是一個或多個時間區(qū)間[7]；不同爆心距處合理延期時間值不同。施健俊以破碎塊度和降低爆破振動為目的，分析了逐孔微差起爆機理，探討了抵抗線對延時時間影響[8]。Katsabanis P D的研究結(jié)果表明[9]：延遲時間對大塊度組分影響顯著，而對小塊度組分幾乎沒有影響。短延期時間對塊度分布的影響有效，而長延期時間將產(chǎn)生不良塊度。P Schimek通過統(tǒng)計平均裂紋密度與其交叉裂紋密度發(fā)現(xiàn)，巖石損傷程度與延期時間成正比[10]。F Ouchterlony在亞蘭達通過開展爆破試驗，評估了電子延期雷管對爆破效果的影響并分析了塊度曲線的變化特征[11]。李迎通過正交試驗[12]，得出了微差時間對爆破破碎塊度影響由大到小依次是排間、孔間、孔內(nèi)微差。

已有的研究表明:延遲時間對爆破效果具有明顯的影響，但相關(guān)研究大多關(guān)注礦山開采爆破的破碎程度以及大區(qū)爆破的減震等方面，由于水工堆石壩級配料開采的要求具有其特殊性，需要形成特定的非均勻級配，然而這方面的研究并不多見。因此本文以國家重大工程兩河口水電站的大壩級配料開采為背景，通過開展不同延遲時間條件下的爆破試驗，確定延遲時間對爆破塊度空間分布的影響特性，進而研究延遲時間對不同粒徑塊度、平均塊度以及誤差率等多個指標的影響，確定延遲時間對特定爆破石料級配形成的影響規(guī)律，為水電工程堆石壩的級配料開采提供參考。

1 微差時間對爆破塊度的影響理論研究

微差爆破在目前的礦巖爆破中已廣泛應(yīng)用，但人們對微差爆破的破巖機理還沒有統(tǒng)一的認識，國內(nèi)外至今也沒有一個嚴密公認的微差爆破理論。因此，各國研究者提出的各種觀點暫時還只能認為是一種假說或推斷。對微差爆破理論的研究目前可認為主要存在以下幾個方面的假說。

(1)應(yīng)力波疊加理論

該理論認為，如果使相鄰的兩藥包間隔一定時間起爆，即當先爆藥包在巖體內(nèi)激起壓縮波，并從自由面反射成拉伸波后，再引爆后續(xù)藥包，會增大該區(qū)內(nèi)的應(yīng)力，改善破碎塊度。

20世紀80年代，前蘇聯(lián)波克洛夫斯基通過大量實驗研究疊加理論進行了修正補充[13]，提出爆破產(chǎn)生自由面的巖石之所以有較大位移和變形時由于先爆藥包產(chǎn)生的沖擊波和應(yīng)力波的氣楔作用，當應(yīng)力波減弱時，爆轟氣體破壞還未成為主要破壞形式時，炮孔內(nèi)膨脹壓力隨之減弱，孔壁產(chǎn)生反向拉伸波，此時為最佳起爆后爆藥包時間，據(jù)此，給出最佳延期時間半經(jīng)驗數(shù)學(xué)公式為

(1)

式中:a為炮孔間距，m；cp為壓應(yīng)力波傳播速度，m/s；Q為單孔藥量,kg。

(2)爆生新自由面理論

新自由面假說認為，在大爆區(qū)采用微差爆破能夠大大改善巖石的破碎質(zhì)量，是由于先爆藥包已經(jīng)在巖體內(nèi)造成了某種程度的破壞，在爆區(qū)周圍形成了一定寬度的裂隙和附加自由面，為后續(xù)藥包爆破創(chuàng)造良好的自由面條件。

因此，如果釆用排間微差起爆，每個炮孔只有一個側(cè)向自由面；而如果采用孔間微差爆破，如果微差時間合理，當前段炮孔爆破后，除了在礦巖中產(chǎn)生徑向裂隙和環(huán)向裂隙之外，還可以使自由面一側(cè)爆破漏斗內(nèi)的巖石與原巖脫離，這樣就為后爆炮孔創(chuàng)造了一個新的側(cè)向自由面，并且將使最小抵抗線的方向發(fā)生改變。于是后起爆炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波將在自由面的反射疊加作用增強，夾制作用減少，而且逐孔起爆能夠減小巖石的拋擲距離和爆堆寬度，并能充分利用巖塊動能，在運動過程中引起相互碰撞，很好地改善了破碎質(zhì)量。前蘇聯(lián)哈努卡耶夫認為合理的間隔時間應(yīng)該是先爆炮孔剛好形成爆破漏斗[14]，并且爆落巖石脫離巖體，形成寬的貫穿裂縫，創(chuàng)造新的自由面的時間，于是，合理微差時間應(yīng)該由下式確定

(2)

式中:t1為彈性應(yīng)力波傳至自由面并返回所經(jīng)歷的時間；t2為形成裂縫的時間；t3為破碎的巖石離開巖體距離的時間；W為最小抵抗線長度，m；cp為巖體中聲波速度，m/s；R為裂縫長度，可近似取R=W；Vt為裂縫擴展速度，m/s，Vt=0.05cp；S為形成裂縫的要求寬度，可取S=0.01 m；Va為巖石運動平均速度，m/s。

除了上述理論，還有其他關(guān)于微差時間對爆破塊度影響的理論學(xué)說，介于篇幅原因，就不一一列舉了。

2 兩河口水電站延時的比選試驗

2.1 試驗概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)雅礱江干流與支流慶大河的匯河口下游，是雅礱江中下游的“龍頭”水庫，是雅礱江干流中游規(guī)劃建設(shè)的7座梯級電站中裝機規(guī)模最大的水電站，也是我國藏區(qū)開工建設(shè)綜合規(guī)模最大的水電站工程。兩河口水電站攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2875.00 m，壩頂寬度16.0 m，最大壩高295.0 m。大壩壩體共分為防滲體、反濾層、過渡層和壩殼四大區(qū)。本工程壩體堆石料、過渡料和圍堰堆石料、人工骨料毛料、砌石護坡所需石料、心墻摻和石料以及部分反濾料摻配料毛料均需從石料場開采。本工程共有兩個石料場，分別為兩河口石料場(如圖1所示)和瓦支溝石料場。

圖 1 兩河口料場無人機掃描全景Fig. 1 Panoramic view of two UAVs scanning in Lianghekou

為確定在水工級配料開采中的合理延遲時間，兩河口和瓦支溝料場均開展了針對性試驗。試驗中采用數(shù)碼雷管實現(xiàn)不同工況的精確延時。

2.2 試驗設(shè)計

為充分探究延遲時間對爆破石料級配的影響，在兩河口水電站的兩河口料場和瓦支溝料場分別開展爆破試驗，兩種料場的巖性有所差別，同時也可以對比不同巖體強度條件下延遲時間對爆破級配分布的影響敏感程度。表1給出了詳細的爆破試驗參數(shù)，試驗過程中主要針對孔間延時變量進行研究。

表 1 爆破試驗工況Table 1 Blasting test conditions

由于本次試驗主要研究延遲時間對爆破級配的影響，需要對爆破后的石料進行篩分，試驗中主要采用人工篩分和基于WipFrag的塊度掃描的方法。人工篩分法通過采集爆破后破碎巖石樣本，使用一系列不同尺寸的篩盤，計算每個篩盤上巖石的質(zhì)量和體積，從而獲得破碎巖石的塊度分布。篩分法得出的結(jié)果具有較好的一致性，雖工作量較大，但由于篩分法的工作流程容易控制，篩分的精度也是目前認為最高的，本次試驗中，有6次試驗的爆破級配確定采用人工篩分法。隨著計算機圖像處理技術(shù)的進步和相關(guān)分析工具的開發(fā)，圖像分析技術(shù)已經(jīng)成為爆破破碎塊度評價較為有效的方法。本次試驗中有6種工況采用的是基于WipFrag的爆破級配分析技術(shù)，先采用高精度攝影技術(shù)對爆破級配進行拍攝，然后采用WipFrag程序?qū)K度進行分析確定，如圖2所示。

圖 2 WipFrag掃描確定爆破塊度Fig. 2 Determination of blasting fragmentation by Wipfrag scanning

2.3 試驗結(jié)果

在兩個石料開采場地中，均結(jié)合堆石料的生產(chǎn)開展試驗。為保證試驗結(jié)果的精確性，試驗中對每一個施工環(huán)節(jié)進行嚴密控制，圖3給出了試驗過程與爆破后爆堆形態(tài)的照片。

圖 3 現(xiàn)場試驗操作與爆堆形態(tài)Fig. 3 Field test operation and burst configuration

爆破后采用前文提到的篩分方法確定爆破塊度的分布特征，針對不同工況，在對比爆破級配分布的同時，也分析其是否滿足兩河口水電站堆石料的上下包絡(luò)線要求。圖4和圖5給出了延遲時間為10 ms的爆破級配分布圖，圖6和圖7給出了所有工況的爆破塊度分布對比。

從圖6～圖7中可以看出，孔間延遲時間對爆破塊度具有明顯的影響：對于兩河口料場的試驗結(jié)果而言，當孔間延遲時間在10 ms、20 ms與30 ms時，爆破塊度的級配曲線在包絡(luò)線范圍以內(nèi)；對于瓦支溝料場而言，當孔間延遲時間在5 ms、10 ms與20 ms時，爆破塊度的級配曲線在包絡(luò)線范圍以內(nèi)。這表明在其余爆破參數(shù)不變的條件下，通過優(yōu)化孔間起爆延遲時間，將顯著改善爆破效果。

另一方面，從圖中看出，隨著孔間延遲時間的增加，從0 ms增加至50 ms的過程中，爆破效果變化并不是呈固定的方向發(fā)展，總體可以分為兩個階段，從0 ms到20 ms，爆破效果往優(yōu)化的方向發(fā)展，從20 ms到50 ms，爆破效果則逐漸變差。

圖 4 兩河口料場延時10 ms的篩分結(jié)果Fig. 4 Screening results of Lianghekou stockyard with 10 ms delay

圖 5 瓦支溝料場延時10 ms的篩分結(jié)果Fig. 5 Screening results of Wazhigou stockyard with 10 ms delay

圖 6 兩河口料場所有試驗工況的篩分結(jié)果Fig. 6 Screening results of Lianghekou quarry under all test conditions

圖 7 瓦支溝料場所有試驗工況的篩分結(jié)果Fig. 7 Screening results of Wazhigou quarry under all test conditions

從應(yīng)力波傳播的角度，出現(xiàn)以上現(xiàn)象可采用如下解釋：在精確毫秒延時條件下，不同時段起爆的爆破孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在不同時間節(jié)點和空間位置發(fā)生疊加，根據(jù)波動理論的周期性，應(yīng)力波疊加的加強點與減弱點必然也具有波動和周期性的特點，以上試驗現(xiàn)象充分反映了應(yīng)力波的疊加特性在毫秒延時起爆條件下將是影響爆破效果的重要方面。以上是針對爆破試驗中體現(xiàn)的總體規(guī)律的解釋，下文將針對孔間延遲時間對爆破塊度分布的影響進行深入分析。

3 延遲時間爆破級配的影響分析

3.1 孔間延時與爆破級配的關(guān)系

由于本次試驗中對每一工況的爆破塊度級配進行了篩分確定，這為研究孔間延遲時間對爆破塊度影響提供了便利條件。另一方面，堆石壩的石料開采有其特殊性，與礦山的均勻性塊度要求不同，水工堆石壩石料開采要求具有不均勻的級配，其不同尺寸區(qū)間的級配均有嚴格要求，因此下文將分0～10 mm、10～80 mm以80 mm以上三個區(qū)間進行討論。

(1)10 mm以下級配

圖8給出了10 mm以下級配隨孔間延遲時間的變化關(guān)系。

圖 8 10 mm以下塊度與孔間延時的關(guān)系Fig. 8 Relationship between block size below 10 mm and inter hole delay

從圖8中可以看出，對于10 mm以下的級配，孔間延遲時間對變化對其所占百分比的影響不大。對于10 mm級配，不同延遲時間，誤差在8%以內(nèi)，這表明對于小粒徑料(類似粉碎區(qū))，孔間延遲時間的影響并不明顯。從爆破破碎機理的角度，這種現(xiàn)象應(yīng)該是合乎情理的，爆破過程中，小粒徑料或者粉碎區(qū)的產(chǎn)生是由于爆破沖擊波的瞬間高壓，此時的壓力遠高于巖體的動抗壓強度?？组g延遲時間影響的是應(yīng)力波的疊加，此時的應(yīng)力波峰值已經(jīng)快速衰減，不足以壓碎巖石，因此決定10 mm以下塊度所占比例的核心要素是爆破孔本身的裝藥結(jié)構(gòu)、爆轟壓力以及巖體強度，與孔間延遲時間的關(guān)聯(lián)不明顯。

這一現(xiàn)象對水工級配料的開采爆破優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。由于P5(5 mm以下塊度料)料通常在工程中有嚴格要求，在爆破設(shè)計中，提高小粒徑料的主要手段應(yīng)是調(diào)整爆破孔的裝藥結(jié)構(gòu)以提高爆轟壓力，孔間延時的影響并不明顯。

(2)20～80mm級配

圖9給出了20～80 mm級配區(qū)間范圍的塊度隨孔間延遲時間的變化曲線。

圖 9 20～80 mm級配與孔間延時的關(guān)系Fig. 9 Rlationship between 20 ～ 80 mm grading and inter hole delay

從圖9中可以看出，對于20～80 mm區(qū)間內(nèi)的爆破塊度分布，孔間延遲時間的影響是明顯的。針對40 mm、60 mm以及80 mm等不同級配，其所占百分比與孔間延時的變化關(guān)系非常相似的，均隨著孔間延遲時間的變化呈現(xiàn)波動的變化。在此次試驗中，5 ms時，這些級配的百分比達到最小值，進而隨著延遲時間的增加，百分比增大，在20 ms時達到一個波峰，然后又呈現(xiàn)下降的趨勢。

上述現(xiàn)象論證了一個觀點，即在精確毫秒延時條件下，不同時段起爆產(chǎn)生的應(yīng)力波將產(chǎn)生疊加，明顯影響了20～80 mm粒徑巖體塊度的生成。這些粒徑的巖塊所占比例的變化規(guī)律與應(yīng)力波的疊加效果一樣，呈現(xiàn)波峰與波谷交替出現(xiàn)的波動形狀。在此次試驗中，對應(yīng)于兩河口水電站的巖性，在4.5×3.5的孔間排距下，當延遲時間為5 ms時，40～80 mm粒徑的塊度最少。

(3)80 mm以上級配

圖10給出了80 mm以上粒徑的塊度雖孔間延遲時間的變化規(guī)律。

從圖10中可以看出，當粒徑塊度為100 mm以上時，不同粒徑隨延遲時間的變化規(guī)律有一定的相似性，但無明顯的相關(guān)規(guī)律。這表明該區(qū)間的粒徑塊度的形成中孔間延遲時間起到的作用比重較小。已有的研究表明，對于這種大粒徑塊度的形成，巖體中自然的結(jié)構(gòu)面切割起到主要作用，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在該區(qū)域已經(jīng)衰減至一定程度，無法切割巖體，因此，在這種情況下，孔間延遲時間并不能產(chǎn)生明顯影響。

圖 10 80 mm以上級配與孔間延時的關(guān)系Fig. 10 Relationship between grading above 80 mm and delay time between holes

3.2 孔間延時對爆破效果的影響分析

(1)平均塊度與孔間延時的關(guān)系

衡量一個爆破破碎程度的重要特征量是巖體的平均塊度。圖11給了此次試驗中兩個料場的平均塊度與孔間延遲時間的對應(yīng)關(guān)系。

圖 11 平均塊度與孔間延時的關(guān)系Fig. 11 Relationship between average block size and inter hole delay

從圖11中可以看出，兩個料場的這項指標體現(xiàn)了高度相似的規(guī)律。從變化趨勢看，隨著孔間延遲時間的增加，平均塊度的尺寸先減小后增大，在延遲時間為10 ms時取得最小值，表明此時的爆破破碎程度最深。曲線的走勢再次印證了應(yīng)力波的疊加作用是巖體中形成了強弱不同的應(yīng)力場，通過合理的設(shè)置孔間延時，可以顯著增加巖體的破碎效果。因此，在此次試驗的各項參數(shù)下，如果要使石料爆破的更細，則應(yīng)當將孔間延遲時間設(shè)為10 ms。但需要指出的是，在水工堆石壩級配料的開采中，由于需要開采不均勻的石料，爆破破碎程度并不是核心的控制指標。

(2)誤差率與孔間延時的關(guān)系

相比于平均塊度的分布規(guī)律，誤差率可能更適合反映水工堆石壩級配料的開采效果好壞。這里的誤差率計算方法為先計算某一塊度篩分的百分比與其對應(yīng)的上、下包絡(luò)線平均值的差值，進而求差值與上、下包絡(luò)線平均值的比值。圖12和圖13給出了此次試驗中兩個料場不同孔間延時條件下的誤差率變化情況。

圖 12 兩河口料場誤差率與孔間延時的關(guān)系Fig. 12 Relationship between error rate of Lianghekou stockyard and delay time between holes

圖 13 瓦支溝料場誤差率與孔間延時的關(guān)系Fig. 13 Relationship between error rate of Wazhigou stockyard and delay time between holes

從圖12～圖13中可以看出，與平均塊度分布的規(guī)律比較相似，兩個料場中誤差率隨孔間延時的變化規(guī)律具有較強的一致性。從變化趨勢看，隨著孔間延遲時間的增加，誤差率先減小后增大，在延遲時間為20 ms時取得最小值，表明此時的爆破石料的級配分布最接近于上、下包絡(luò)線的中線。但從試驗結(jié)果同樣可看出，常規(guī)的礦山中關(guān)注的爆破破碎程度與水工堆石壩開采的效果具有一定區(qū)別。當孔間延遲時間為10 ms時，平均塊度最小，巖體的破碎程度最強，但并不意味這是最優(yōu)的級配；當延遲時間為20 ms時，此時巖體的破碎程度可能并不是最強，但合理的破碎使爆破石料形成了最合適的級配。對于水工級配料開采而言，在此次試驗的各項參數(shù)下，最合理的延遲時間為20 ms。

4 結(jié)語

本文通過在兩河口水電站開展不同延遲時間條件下的爆破試驗，確定了延遲時間對爆破塊度空間分布的影響特性，進而研究了水工堆石壩石料開采中延遲時間對級配分布的影響規(guī)律，得到的結(jié)論如下：

(1)總體而言，孔間延遲時間對爆破級配分布有明顯影響，通過合理的設(shè)置孔間延時，可以顯著改善爆破石料的級配，以滿足堆石壩填筑的要求。

(2)孔間延遲時間對爆破塊度的影響具有明顯的分區(qū)特性，對于10 mm以下的粒徑，孔間延時的影響并不明顯；對于20～80 mm粒徑，孔間延時的影響最為明顯，其中應(yīng)力波的疊加可能是主要原因；當粒徑塊度超過100 mm，孔間延時的影響逐漸變?nèi)?，此時巖體結(jié)構(gòu)面的原始切割可能其主要作用。

(3)此次試驗中，從加強巖體破碎的角度，最優(yōu)的孔間延遲時間為10 ms；如果以誤差率反映開采效果的好壞，最優(yōu)的孔間延遲時間為20 ms。試驗結(jié)果充分體現(xiàn)了礦山開采與水工堆石壩級配料開采的差異性，水工級配料開采中，巖體的破碎程度可能并不是最強，其追求的合理利用爆破能量破碎巖石使之形成特定的非均勻級配分布。

需要說明的是此次試驗的工況有限，得到試驗成果規(guī)律性有限，接下來將通過開展更多工況的試驗或數(shù)值仿真，對本文的論點進一步論證和改進。