蘇阿皮蒂項(xiàng)目輝綠巖開采爆破粒徑控制方法研究與應(yīng)用

許涇川，趙銘薈，朱躍華，齊曉亮

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 700024)

蘇阿皮蒂水利樞紐工程水庫(kù)總庫(kù)容74.89億m3，裝機(jī)容量450 MW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型，大壩為1級(jí)，發(fā)電廠房為2級(jí)。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120 m，壩頂高程215.5 m，壩軸線總長(zhǎng)1 164 m。混凝土總量約360萬m3，其中碾壓混凝土約300萬m3，常態(tài)混凝土約60萬m3。混凝土所需砂石骨料均來自母巖為輝綠巖的石料場(chǎng)。

1 石料場(chǎng)開采規(guī)劃

1.1 石料場(chǎng)概況

蘇阿皮蒂水利樞紐工程混凝土所用砂石骨料選用左岸下游石料場(chǎng)，位于壩址下游河流轉(zhuǎn)彎處的兩條沖溝之間。地貌上為低山丘陵區(qū)，自然坡度14°～20°，料場(chǎng)分布高程120～216 m。石料場(chǎng)儲(chǔ)量較豐富，無地下水出露，施工場(chǎng)地開闊，距壩址區(qū)直線距離約2.4 km，從壩址到石料場(chǎng)有土路相連，交通運(yùn)輸方便。

石料場(chǎng)揭露分別為腐殖土、鐵帽層、粘土質(zhì)礫或含礫粘土、粉質(zhì)粘土或粘土、古生代輝綠巖、砂巖。

1.2 石料巖性

輝綠巖巖體微風(fēng)化或新鮮，青灰色，輝綠結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分以輝石，長(zhǎng)石為主，致密堅(jiān)硬，具體輝綠巖實(shí)測(cè)密度及抗壓強(qiáng)度見表1。

表1 輝綠巖巖石物理力學(xué)指標(biāo)表

1.3 石料開采規(guī)劃

本工程共需生產(chǎn)粗、細(xì)成品骨料937萬t，計(jì)算開采毛料約431萬m3(自然方)，根據(jù)料場(chǎng)勘探鉆孔資料確定SMK155 m為輝綠巖與砂巖的分界面，以此作為終采高程，開采最大高度為60 m，無用料剝離厚度為15～20 m，對(duì)應(yīng)無用層剝離量約370萬m3，剝采比0.86。毛料開采自上而下分層進(jìn)行，分層高度按10～12 m控制，爆破孔梯段高度均為12～14 m。

2 石料開采初期情況

在石料場(chǎng)覆蓋層及無用料剝離完成后，進(jìn)入石料開采初期階段。鉆爆方案為鉆孔設(shè)備采用D50高風(fēng)壓鉆機(jī)，鉆頭直徑105 mm，擴(kuò)孔系數(shù)1.1，孔徑115 mm，臺(tái)階高度10 m，考慮炮孔利用率，超深鉆孔2 m，孔深12 m，單耗藥量0.75 kg/m3，間距3 m，排距3 m，封堵3 m，耦合間隔2 m裝藥，藥卷為90 mm乳化炸藥，有效裝藥長(zhǎng)度7 m，毫秒雷管分段起爆，最大單響藥量500 kg。實(shí)施后發(fā)現(xiàn)以下問題：①鉆孔效率低，鉆孔效率為45～60 m/臺(tái)班；②爆破規(guī)模小、頻率高，設(shè)備頻繁撤離工作區(qū)，設(shè)備有效工作時(shí)間少，毛料供應(yīng)無法滿足骨料加工需求；③爆破粒徑超標(biāo)率約35%，且炸藥單耗大；④爆破沖擊破壞明顯，周邊巖體節(jié)理、裂隙和水平層面張開，對(duì)下一循環(huán)爆破影響較大。

3 優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)的思路

針對(duì)初期開采出現(xiàn)的問題，解決思路如下: ①調(diào)整鉆孔設(shè)備；②通過優(yōu)化爆破網(wǎng)絡(luò)，在控制最大單響藥量的條件下，擴(kuò)大單次爆破規(guī)模，降低粒徑超標(biāo)率，提高合格石料的供應(yīng)能力；③采用小直徑爆破孔，耦合連續(xù)裝藥；④從火工材料、鉆孔方向、炮孔間排距、微差起爆、單耗藥量等方面進(jìn)行鉆爆參數(shù)優(yōu)化，提高開采效率；⑤周邊爆破孔采取緩沖爆破方式，以減免對(duì)周邊巖體的破壞。

3.2 鉆爆參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 鉆孔優(yōu)化

輝綠巖巖性堅(jiān)硬，最大抗壓強(qiáng)度達(dá)215 MPa。為實(shí)現(xiàn)石料場(chǎng)規(guī)模化開采，滿足毛料供應(yīng)強(qiáng)度，首先從爆破鉆孔上進(jìn)行優(yōu)化：

采用大孔距、小排距布孔，以提高巖體爆破擠壓破碎能量，使巖體相互擠壓，形成二次破碎作用，擴(kuò)大爆破漏斗角，形成爆破自由弧面，改善巖體受拉伸破壞條件。結(jié)合多次爆破試驗(yàn)結(jié)果，確定爆破孔間距為3.5 m，排距為2.5 m。

因巖層層面近似水平狀的緩傾角，便于鉆孔控制，采用垂直鉆孔，鉆進(jìn)速度快，控制難度小，爆破能量沿水平層面損失小，爆破能量利用率高，石料開采效果好。

根據(jù)不同鉆孔直徑爆破試驗(yàn)結(jié)果，石料開采選用小直徑爆破孔，采用阿特拉斯T35液壓鉆造孔，鉆頭直徑89 mm，擴(kuò)孔系數(shù)1.05，成孔直徑93 mm，鉆孔效率達(dá)到120～140 m/臺(tái)班，提高了鉆孔效率。

3.2.2 火工材料研究

石料場(chǎng)開采初期，火工材料采用國(guó)產(chǎn)，經(jīng)海運(yùn)至幾內(nèi)亞，再陸運(yùn)至工地現(xiàn)場(chǎng)。國(guó)內(nèi)采購(gòu)的乳化炸藥保質(zhì)期12個(gè)月，采購(gòu)+運(yùn)輸時(shí)間最短為6個(gè)月，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后有效期不足6個(gè)月，且海運(yùn)船期不確定，加之幾內(nèi)亞氣候炎熱，炸藥出現(xiàn)過期現(xiàn)象。

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，幾內(nèi)亞市場(chǎng)上有西班牙和法國(guó)火工材料銷售，但其價(jià)格是國(guó)產(chǎn)材料的3倍以上，分析認(rèn)為從當(dāng)?shù)夭少?gòu)成本過高。經(jīng)對(duì)西班牙MXAXM生產(chǎn)廠家調(diào)查，價(jià)格與國(guó)產(chǎn)材料基本相同，但炸藥的保質(zhì)期為24個(gè)月，且生產(chǎn)+運(yùn)輸時(shí)間為3個(gè)月，這可以有效降低采購(gòu)頻次，決定采購(gòu)。西班牙采購(gòu)的火工材料有卷裝水膠炸藥、袋裝硝銨炸藥、非電毫秒雷管、毫秒電雷管及導(dǎo)爆索(見圖1～圖4)。

圖1 水膠炸藥

圖2 非電毫秒雷管

圖3 導(dǎo)爆索

圖4 起爆電雷管

3.2.3 裝藥

根據(jù)爆破試驗(yàn)成果，炸藥單耗調(diào)整為0.61 kg/m3，孔深14 m時(shí)，單孔藥量72 kg。采用藥卷直徑70 mm的水膠炸藥，藥卷長(zhǎng)度50 cm，藥卷重量2.4 kg/節(jié)。孔底3 m范圍耦合裝藥，裝10節(jié)水膠炸藥，裝藥時(shí)劃開HDPE——外包裝膜，延米裝藥8 kg；上部9 m，連續(xù)裝20節(jié)包裝完整的水膠炸藥，孔口封堵長(zhǎng)度2 m。

在旱季開采施工中，采用硝銨炸藥，炸藥單耗0.53 kg/m3，孔深14 m時(shí)，單孔藥量65 kg，單孔孔底裝2節(jié)水膠炸藥，再全孔耦合裝藥2袋半硝銨炸藥，單袋重25 kg，孔口封堵長(zhǎng)度1.5 m。水膠炸藥起引爆作用。

3.2.4 爆破網(wǎng)絡(luò)

爆破網(wǎng)絡(luò)采用微差爆破，前排孔爆破時(shí)產(chǎn)生的短裂隙有利于后排孔爆破時(shí)對(duì)孔間巖石的擠壓破碎，可提高破碎質(zhì)量。孔內(nèi)炸藥用導(dǎo)爆索至孔底起爆，保證孔內(nèi)炸藥完全起爆。爆破網(wǎng)絡(luò)采用微差非電毫秒雷管，以保證最大單響藥量不超過500 kg，同排間爆破孔用增加微差非電毫秒雷管延時(shí)間隔，控制最大單響藥量，一次起爆孔數(shù)不超過7個(gè)。

3.2.5 單次開采區(qū)優(yōu)化

良好的臨空面是保證爆破質(zhì)量的關(guān)鍵因素，單次爆破開采寬度合適，既可保證爆破質(zhì)量，又可為下一循環(huán)爆破創(chuàng)造良好的臨空面。根據(jù)爆破試驗(yàn)選擇開采寬度在1.5～2倍的梯段高度，確定單次開采寬度為20～25 m。

3.2.6 增設(shè)緩沖孔保護(hù)后部巖體

開采初期爆破周邊孔未采取控制措施，致使后部巖體弱結(jié)構(gòu)面張開，在臨空面處易形成大塊。為保護(hù)下一循環(huán)臨空面的完整性，最后一排孔需要采取緩沖爆破控制措施。在開采區(qū)內(nèi)最后一排孔調(diào)整為排距2 m、孔間距1.5 m，采取不耦合連續(xù)裝藥，孔底2 m范圍加強(qiáng)2倍裝藥，藥卷直徑為32 mm水膠炸藥，不耦合系數(shù)2.25，單孔藥量為25 kg/孔。

在料場(chǎng)開挖輪廓線位置采用光面爆破，孔距1.2 m，底部加強(qiáng)裝藥，藥卷采用直徑32 mm水膠炸藥，間隔裝藥，線裝藥密度450 g/m。

4 骨料粗碎生產(chǎn)

本工程砂石骨料加工系統(tǒng)粗碎生產(chǎn)采用3臺(tái)C150顎式破碎機(jī)，經(jīng)石料場(chǎng)爆破優(yōu)化調(diào)整，具備規(guī)模化生產(chǎn)能力，粒徑在50～400 mm的開采石料占比達(dá)到80%以上，采用45 t包頭自卸車運(yùn)至粗碎料倉(cāng)后，單車破碎時(shí)間由初期7 min/車降至3 min/車，粗碎生產(chǎn)能力得以顯著提高。

5 輝綠巖骨料開采粒徑控制效果

1)經(jīng)過爆破參數(shù)優(yōu)化，減小了鉆孔直徑，降低了鉆孔難度，增加了梯段爆破高度，節(jié)約鉆孔時(shí)間50%以上。

2)采用高梯段、大孔距、小排距爆破技術(shù)，增加了爆破石打石環(huán)節(jié)，降低了爆破粒徑的大塊率(粒徑≥80 cm)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，大塊率從初期的40%降至3%～5%左右。

3)采用加深鉆孔，爆破后采層底面平整，無明顯殘留埂坎。增加緩沖孔，使后部巖體破壞得到有效控制，保留下個(gè)梯段臨空面處巖體基本完整。

4)使用帶連接塊的非電毫秒雷管，用連接塊連接爆破網(wǎng)絡(luò)，提高了爆破網(wǎng)路連接效率，進(jìn)而提高了爆破作業(yè)效率。

5)旱季使用硝銨炸藥，降低了施工成本。

6)擴(kuò)大了單次爆破規(guī)模，提高了月開采石料的供應(yīng)量。單次爆破規(guī)模可達(dá)2～3萬m3/次，月石料供應(yīng)量達(dá)到21萬m3/月，且爆破粒徑控制較好，提高了粗碎生產(chǎn)能力，在2018年第四季度連續(xù)3個(gè)月石料供應(yīng)量突破25萬m3/月。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過石料開采爆破粒徑控制實(shí)踐，對(duì)于硬度大、強(qiáng)度高的輝綠巖料場(chǎng)開采，采用小孔徑、耦合裝藥、大間距、小排距、梅花形布孔、微差起爆網(wǎng)絡(luò)等爆破技術(shù)，將爆破粒徑大塊率從40%降至3%～5%，既提高開采效率、降低開采成本，又提高砂石加工的粗碎生產(chǎn)能力。石料場(chǎng)經(jīng)過一年半開采，石料開采累計(jì)260萬m3，為主體混凝土施工提供了保障，且取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，值得類似工程借鑒。