壓渣爆破技術在路塹邊坡治理中的應用*

汪高龍，王 瀟，李 跟，李 毅

(1.連云港明達工程爆破有限公司，連云港 222021；2.武漢理工大學，武漢 430070)

由于巖石具有碎脹性，爆破后巖塊呈松散狀態，巖體體積增大。爆破前，通常要在自由面處預留足夠空間，以容納爆破碎脹所增加的那部分巖體體積。這種條件下的爆破稱為自由空間爆破，沒有足夠補償空間的爆破則稱為擠壓爆破[1,2]。實際上，擠壓爆破的補償空間是從松散材料中擠壓出來的，這種松散材料稱為擠壓材料，通常為前一次爆破未清理完的渣堆。所以擠壓爆破又稱為留渣爆破或壓渣爆破[3-6]。1982年張生善等人對渣體在爆破過程中的作用進行詳細闡述[7]，并分析了其產生的經濟效果。費鴻祿將壓渣爆破技術應用于路塹石方開挖的施工中[8]，實踐證明該方法爆破效果良好，爆破巖石塊度均勻，大塊率低。尹岳降等人基于礦山臺階爆破技術[9]，合理分析不同爆區的巖性差別，針對不同爆區設置了不同爆破參數。該方法使得爆破后巖石大塊率大大降低。

張元娟等人對壓渣爆破理論進行了詳細說明[10]。壓渣爆破技術是在原有“自由面”齊發爆破基礎上發展而來的，因此施工方法基本與“自由面”爆破方法相類似，不同的是按設計預留了“渣體”，采用毫秒延時進行排間爆破，并相應地調整了孔網參數[11]。趙春艷等人應用遺傳神經網絡模型對臺階壓渣爆破效果進行預測，增強了預測結果的可靠性，為選擇爆破參數和取得良好的爆破效果提供了依據[12]。曹茂欣等人在路基石方開挖工程中，將壓渣爆破與微差爆破相結合，取得了較為理想的爆破效果[13]。

1 工程概況

為消除地質災害隱患，徹底解決連云港東疏港高速公路通車后的安全問題，連云港港口集團擬對東疏港高速公路中云臺山路塹西側邊坡+84 m以下邊坡崩塌、滑坡地質災害進行工程治理。治理方法為將路塹西邊坡+84 m以下邊坡滑坡、崩塌危巖體清除。治理開挖總工程量近1.2×107t。

1.1 爆區周邊環境

本工程爆破開采區域正東側正在運行的東疏港高速公路距爆破區域最近距離僅為20 m；東南方向有混凝土攪拌站最近距離僅為70 m；南側爆區距康緣藥廠最近距離為800 m，康源藥廠有國家級生物中藥重點實驗室，實驗室儀器對爆破震動要求極高，根據藥廠提供儀器能夠承受爆破震動上限值為0.1 cm/s。北側鄰近云門寺村和云門水庫，距云門水庫最近距離僅為25 m，云門寺村大多數民房都在復雜環境深孔爆破警戒200 m范圍內，爆破作業環境十分復雜。

1.2 施工特點

本工程具有如下施工特點：

1)爆破作業區域臨近運行中高速公路，爆破環境復雜，爆破規模受限。

2)因配套工程影響，石料出運受限，山場石料擠壓影響爆破作業面形成。

3)爆破作業工期較短，壓渣爆破應用是完成本工程任務關鍵技術。

2 壓渣爆破技術研究

壓渣爆破即是在露天臺階爆破中利用預留渣體控制待爆區的前沖距離，使被爆巖體與預留渣體產生擠壓碰撞，達到進一步改善爆破巖體塊度分布的一項爆破技術。如圖1所示。該技術可使鉆孔爆破工作與清渣工作同步進行，提升工作效率，同時減少爆破體的大塊率。

圖 1 壓渣爆破條件下爆堆規格與采掘的關系圖Fig. 1 The relationship between blasting muck pile specifications and mining under buffer blasting

壓渣爆破的破巖原理可總結成三個方面：1)利用留渣體控制爆堆的前沖距離，爆堆體受爆破能量作用，向前運動過程中與留渣體碰撞，這種高速碰撞與沖擊，進一步破碎巖石，降低巖石大塊率。2)留渣體的存在使得爆炸產生的高溫高壓氣體在巖體內部的作用時間增長，延緩了高溫高壓氣體從巖體向外部逸出的時間，提高了炸藥的能量利用率。3)壓渣爆破采用炮孔間毫秒延時逐孔起爆方式，該種起爆方案可使巖體處于連續的應力狀態，使巖石的破碎更為充分[14-16]。

3 爆破方案

3.1 采場布置

根據東疏港路塹工程以及+84 m以上平臺綜合治理的施工經驗，擬將本工程分為五個開采平臺，分別為+69 m、+54 m、+39 m、+26 m、+17 m。前四個平臺靠近邊坡時按兩級開采平臺分為三級最終平臺，最終形成+74 m、+64 m、+54 m、+44 m、+35 m、+26 m六個臺階，+26m平臺下降9 m形成+17 m臺階，如圖2所示。

圖 2 爆破臺階布置(單位：m)Fig. 2 Arrangement of bench blasting(unit:m)

3.2 爆破參數確定

臺階爆破主要參數包括炮孔直徑、孔深、孔距、排距、炸藥單耗與單孔裝藥量等。

1)炮孔直徑D。根據工程現場巖石性質、臺階高度與現有鉆機設備等條件，本工程鉆機擬采用PC385露天潛孔鉆機，鉆頭直徑d=115 mm，則炮孔直徑D=115 mm。

2)鉆孔形式。鉆孔形式采用傾斜孔，傾角α為75°。

3)孔深L與超深h。炮孔深度由臺階高度和炮孔超深共同決定。該工程臺階高度H=15 m。炮孔超深是為了克服底板阻力，使爆破后不留巖坎。本工程炮孔超深h按1 m計算。結合炮孔傾角，計算孔深L=(H+h)/sinα=16.6 m，如圖3所示。

4)底盤抵抗線。根據壓渣爆破的的特殊性與前期對礦體爆破效果的了解與掌握，根據炮孔孔徑計算壓渣爆破的底盤抵抗線：Wd=KD，K值取30，計算Wd=3.45 m，選取Wd=3.2 m。

5)孔距a和排距b。孔距a=mWd。m為鉆孔密集系數，一般取1.0～1.6，據巖石性質及其節理發育情況，取m=1.5，則a=1.5×3.2=4.8 m。排距b=Wd=3.2 m。炮孔剖面示意圖如圖3所示。

圖 3 炮孔剖面示意圖(單位：m)Fig. 3 Schematic diagram of blasthole section(unit:m)

6)填塞長度。填塞長度指裝藥藥柱頂面至孔口這段不裝藥的長度。合理的堵塞長度確定能降低爆炸氣體能量損失和增加鉆孔裝藥量。若堵塞長度過大，則單孔裝藥量減少，當巖石較堅硬時，巖石大塊率較高。堵塞長度較小則容易產生沖炮，不僅浪費炸藥能量，而且容易產生爆破飛石。綜合考慮巖石大塊率、爆破安全性與壓渣爆破的特殊施工條件，填塞長度：Δl=(20～30)D，計算得Δl=2.3～3.45 m，本工程取堵塞長度Δl=3.0 m。

7)炸藥單耗q。對于深孔爆破，炸藥單耗是一個比較重要的參數，受巖石的可爆性、炸藥的種類、自由面條件和塊度要求等因素影響。根據采區現狀，臺階高度H=15 m，依據巖石巖性與工程經驗，確定炸藥單耗q=0.45 kg/m3。

8)單孔裝藥量Q。單孔裝藥量可按下列公式計算[17]

Q=qabH=0.45×3.2×4.8×15=103 kg，

實際取Q=100 kg

(1)

前排孔由于緊挨留渣體，爆破產生的能量損失較大，為保證前排孔爆破質量，需要增加裝藥量30%～40%，本工程前排孔裝藥量130 kg。

3.3 壓渣厚度

合理的留渣厚度對壓渣爆破的效果至關重要。留渣厚度可由下式計算得出[17]

(2)

式中:B為留渣厚度，m；W為底盤抵抗線，m；K為留渣體的松散系數；ρ1為巖石密度，t/m3;ρ2為留渣體的堆積密度，t/m3;C1為巖體中彈性波波速，m/s；C2為礦渣內彈性波波速，m/s。

C2≈500(3+d)

(3)

式中，d為留渣體巖塊的平均尺寸，m。

根據工程測量情況，d=0.8 m，C1=4000 m/s，C2=1900 m/s，k=1.3～1.77，本工程取k=1.6。代入(2)式求得B=3.32 m。實際取B=3.5 m。

3.4 布孔方式和起爆網路

基于前述壓渣爆破的作用原理，為增加巖石相互撞擊的機率，本工程施工孔眼呈矩形布置，如圖4所示。矩形爆破的起爆方式使得被拋擲起來的大塊巖石相互撞擊，增加巖石的相互撞擊概率，減小巖石大塊率。

圖 4 炮孔平面布置圖(單位：m)Fig. 4 Layout of the blast hole(unit:m)

起爆順序為毫秒延時逐孔起爆，如圖5、6所示。炮孔間的起爆順序為相間布置，延期時間為毫秒級，逐孔起爆產生的應力波能量在時間、空間上是相互分開的，振動效應隨之減小。由于避開了主振相的相位，相比傳統起爆技術，爆破振動效應可減少1/3～2/3。

圖 5 起爆網路敷設Fig. 5 Detonation network laying

圖 6 雷管段別Fig. 6 Detonator segment

逐孔起爆技術的關鍵是合理選擇起爆間隔時間，延時間隔時間t按下式計算[17]

t=aw

(4)

式中：a為與巖石有關的系數，取a=6；w為最小抵抗線，w=wd=3.2 m。經計算：t=14 ms，按施工經驗取t=50 ms。起爆方法采用復式非電起爆網路，激發筆引爆。

裝藥形式為人工裝藥，采取連續耦合裝藥結構[18]，如圖7所示。

圖 7 裝藥結構示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the charge structure

炸藥使用2#巖石乳化炸藥，起爆雷管為導爆管雷管。為確保每個炮孔均被可靠起爆，每孔裝兩發同段別雷管，炮孔上部采用正向起爆，炮孔底部采用反向起爆。

3.5 爆破安全距離校核

巖石爆破時，伴隨著爆破過程必然產生爆破地震、爆破飛石、空氣沖擊波及有害氣體，因此，爆破時為確保爆區周圍人員、設備以及建筑物等的安全，爆破設計時必須確定爆破危害范圍。我國爆破安全規程采用保護對象所在地質點峰值振動速度作為主要判別依據[19]。安全距離的確定可采用薩道夫斯基經驗公式進行估算[20]

Rd=Q1/3(K/V)1/α

(5)

式中：Q為最大一段齊爆藥量，本次施工最大一段齊爆藥量不超過300 kg，一次爆破總藥量為3000 kg；K是與地質、地形條件有關的系數，取K=150；α為衰減系數，取α=1.65。V為爆破地震波速度，根據被保護建筑物的特征取V=0.1 cm/s。

經計算，爆破安全距離Rd=552.24 m，此安全距離滿足康緣藥業重點實驗室對爆破安全距離的要求，所以采區開展的爆破是完全可行的。

3.6 爆破飛石安全距離校核

深孔爆破個別飛散物安全允許距離按下式計算[17]

RF=(40/2.25)d

(6)

式中：RF為個別飛石安全距離，m；d為炮孔直徑d=115 mm。計算結果RF=181.1 m。該計算結果小于《爆破安全規程》規定值，同時，根據爆破現場爆后實際測量，爆破飛石最遠距離171.2 m，故應以規程規定值作為圈定警戒范圍的依據，即中深孔爆破時以R=300 m為半徑圈定爆破警戒范圍。

4 結論

連云港東疏港高速公路中云臺山路塹邊坡的工程實踐表明，該壓渣爆破參數選擇合理，符合實際情況。爆破后，爆堆松散、塊度均勻、大塊率較低、有效提高了采裝速率。基于以上工程，得出如下結論：

1)路塹邊坡爆破中采用壓渣爆破技術，可達到控制飛石，減少爆堆大塊率的目的，獲得了良好的爆破效果。

2)逐孔起爆可有效減少一次齊爆藥量，降低爆破地震效應。

3)壓渣厚度與炸藥單耗對壓渣爆破效果具有重要影響。本工程壓渣厚度3.5 m，炸藥單耗0.45 kg/m3可以取得預期的爆破效果。

4)綜合采用壓渣爆破、逐孔起爆等技術，同時對炸藥單耗等爆破參數進行優化設計，解決了大塊率和根底控制等難題，極大地提高了施工質量。