復雜地質條件下露天爆破技術方案優化研究?

程三建,陶 明,羅福友,劉成敏

(1.江西國泰五洲爆破工程有限公司, 江西 南昌 330038;2.江西省爆破工程技術研究中心, 江西 南昌 330012)

0 引 言

新中國成立以來,國內爆破技術快速發展,爆破作為一種高效、經濟的工程作業手段,在礦山開采、樓房拆除等方面掀起了巨大的改革,使其朝作業成本低、周期短方向不斷發展[1].爆破技術發展至今,我國已成功進行了無數次大大小小的爆破,爆破規模從幾千克至上萬噸炸藥量不等,爆破技術人員從中不斷總結經驗,不斷推動我國爆破技術的發展.同時,隨著爆破環境的日益復雜,爆破安全的要求越來越高[2].

爆破質量主要包括爆破安全和爆破效果兩個方面,其中前者是前提,換言之,必須在保證爆破安全的前提下,盡可能地提高爆破效率[3G4].露天臺階爆破作為現代工程爆破技術主要發展方向,其爆破危害影響主要包括爆破飛石、沖擊波、震動、噪音及爆破有害氣體,爆破時為盡可能的控制爆破危害,達到預期的爆破效果,需對爆破技術參數進行合理的設定.由于爆破巖石結構的復雜性、多變性,單從爆破經驗無法確定合理的爆破參數,于是多數工程情況爆破施工前首先進行一次或多次試爆,視爆破效果優化爆破參數[5G8].

1 爆破工程概況

1.1 工程概況

本爆破工程為贛州海螺水泥有限責任公司石古前礦山爆破項目,巖石為石灰巖,該礦為一擴大礦區范圍礦山,原、現礦區位置位于信豐縣北西330°約16 k m處,行政區劃隸屬于西牛鎮上龍村管轄.礦區北部為信豐縣與南康市交界處.礦區有鄉村公路與G105國道相接,相距300余米,礦區與水泥生產車間僅2.5 k m,交通頗為方便.礦區總體為低山侵蝕構造地貌,地勢總體為四周高,中間為一小盆地,最高點為礦區北側,海撥180.00 m,最低為155.50 m.

1.2 工程難點

石古前石灰巖(水泥用灰巖)礦床呈層狀賦存于石炭系上統船山組(C3c)灰巖地層中.水泥灰巖礦石主要巖性為:呈灰白~淺灰黑色生物微晶灰巖、碎屑灰巖等.受巖溶地貌的控制明顯,一般西部淺,東部深,平均埋深6.50 m,基巖面標高在151.98~157.81 m,相對高差6.00 m 左右,顯示出水泥灰巖礦層的分布與巖溶地貌的關系,礦區范圍內有大量溶洞分布,但巖溶率一般小于1.39%,且礦山礦脈分布不均勻.礦區正北面距離居民樓及公路大于1000 m;西南面距離居民樓區約80 m;東北面距離兩處居民樓區分別為300,400 m.

2 爆破技術方案

2.1 爆破技術參數

贛州海螺石古前礦開采正處在初期,各水平工作平臺未形成,目前開采區主要在＋165 m平臺,臺階高度為12.5 m,前排炮孔傾角75°~90°(根據底盤抵抗線的大小調整),后排孔為90°,孔網參數為4.0 m×6.0 m.表1為＋165 m平臺爆破主要技術參數.

表1 深孔爆破主要技術參數

2.2 裝藥結構

海螺水泥市場需求量較大,現場爆破作業時間緊迫,而間隔裝藥操作過程相對繁瑣,目前礦山多采用連續裝藥結構,雙發雷管起爆,如圖1所示.

圖1 連續裝藥結構

2.3 起爆網路

孔內用抗水毫秒導爆管雷管(375 ms),孔與孔之間用25 ms抗水毫秒雷管,而排與排之間用42 ms抗水毫秒導爆管雷管相連,起爆網路為孔外延時.合理選用延期時間,防止帶炮,造成最小抵抗線大小和方向失控.圖2為12月1日爆破設計網路連接示意圖.

圖2 網路連接示意

2.4 爆破施工中存在的問題及原因分析

露天爆破后出現大塊是最常見的一類爆破不良現象,大塊率增加嚴重影響礦山的鏟、裝效率及施工安全.該礦山大塊的產生由多種原因造成,大塊產生的主要區域為:邊排孔和臺階坡面之間;炮孔充填物部分.

(1)臺階坡面的大塊.如圖3所示,爆破能量未能全部作用于前排巖體,部分能量向后作用,后排孔產生嚴重的拉裂破壞,不僅導致本次爆破大塊率大,還直接導致后續爆破大塊難于控制,安全生產難于保證,因此應盡量減少后排孔的超爆現象[9G10].產生超爆現象的主要原因有兩個:第一,爆破前排孔抵抗線大,前排孔未能推出,不能給后排孔提供較好的自由面,后排孔炸藥部分能量向后作用;第二,前排孔和后排孔之間的延期時間過短,前排孔爆破后未完全推出,后排孔就已經爆破,后排孔自由面不夠,能量自然向后作用.由圖4可知,爆破前排孔已經推出,可排除前排孔抵抗線過大的原因,即可排除原因一,那么產生導致后排孔拉裂現象的原因為前排孔與后排孔之間延期時間過短.

圖3 后排孔拉裂現象

圖4 后排孔拉裂現象

(2)臺階頂部的大塊.在爆破過程中,裝藥部分巖體受炸藥能量而破碎,但堵塞部分巖體未裝藥,而＋165 m平臺溶洞多、節理裂隙發育,爆破能量部分從溶洞及裂隙中泄露,不能對頂部巖體產生較好的作用,孔頂部就會產生大塊.本次爆破堵塞4 m以上,換言之,孔內炸藥爆破能量不能很好的作用于孔頂部4 m以上的巖體,孔頂部4 m以上就極有可能出現大塊.

3 技術方案優化

3.1 裝藥結構優化

針對炮孔頂部出現大塊的現象,采用分段裝藥結構,如圖5所示,在炮孔頂部離孔口2.5 m處下一輔助藥包,但藥量不應過大,且此藥包必須同下部炸藥同時起爆,避免輔助藥包先爆產生的主藥柱無效釋放爆破能量現象[11G12],同時避免主藥包先爆把輔助藥包沖出孔內的現象.本次爆破在離孔口2.5 m處裝藥3 kg.

圖5 分段裝藥結構

3.2 起爆網路優化

本次爆破后排拉裂情況嚴重,產生巨塊,按照上文分析,應盡量減少后排孔的超爆現象,而后排孔的超爆現象,可假設由以下多種原因造成:第一,后排孔裝藥過多;第二,前排孔爆破后未向前推出;第三,后排孔地質情況復雜,存在弱結構面,造成能量后泄;第四,前排孔向前推出時間不夠,即排與排之間延期時間不合理[11].由上文爆破參數表1及爆破效果圖3可以推斷,原因一、二、三基本可以排除,于是此次爆破設置排與排之間采用65 ms抗水毫秒導爆管雷管,使爆破前排孔有足夠的時間向前推出,繼而為后排孔向前推出提供空間.優化后的爆破網路如圖6所示.

4 優化前后爆破效果對比

爆破效果對比如圖7所示,從圖7可以看出,優化后的爆破大塊率明顯降低,但優化后爆破現場仍然存在少許大塊,此大塊產生原因可能為軟硬交界面,因為硬軟巖分界面相當于自由面,對應力波起到卸載作用,加上巖石軟硬程度的變化,使其碰撞破碎效應減弱,因而產生較多大塊.在這些區域,可根據軟硬巖層的位置,合理調整鉆孔深度或增加輔助孔來改善爆破效果.

圖7 改善前后爆破效果對比

5 結 論

(1)根據初始設計方案進行爆破,通過爆破效果圖,分析了產生爆破大塊的原因:一是臺階坡面的大塊;二是臺階頂部的大塊,并對其分別進行了優化,采用分段裝藥結構,加大排間延時時間為65 ms.

(2)對比優化前后爆破效果,結果表明優化后的技術方案爆破大塊率明顯降低,但仍然存在少許大塊,分析其原因可能由軟硬交界面處產生,建議根據軟硬巖層的位置,合理調整鉆孔深度或增加輔助孔來改善爆破效果.

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