綠色礦山邊坡控制爆破在凝灰巖地質條件下的應用

黃強軍,王素創

(湖南鐵軍工程建設有限公司, 湖南 長沙 410072)

0 引言

預裂爆破作為一種控制爆破技術廣泛應用于水利邊坡爆破、礦山邊坡修復工程、公路高邊坡和基坑的開挖、露天控制爆破等工程建設領域。近年來隨著礦山安全生產工作越來越受重視,為了解決以前不規范開采遺漏下的“一面墻”式邊坡給周邊生態環境及附近居民帶來的安全隱患,廢棄礦山邊坡生態修復治理工作越來越受到重視。其中影響露天礦山邊坡穩定性的因素有地質條件、巖性、水文、爆破振動、邊坡設計、邊坡開挖方式等,另一個重要因素就是根據現場實際情況,對邊坡進行控制爆破?；诖?采取預裂爆破技術可以有效控制爆破對需要保護巖體的影響,確保巖體的穩定,探討預裂爆破技術在廢棄礦山邊坡生態修復工程的應用。

1 工程概況

鎮海區九龍湖鎮田顧村、杜夾岙村、中心村9處廢棄礦山生態修復治理項目位于浙江省寧波市,工程包括對JL01～JL09等9處廢棄礦山進行邊坡修復治理、邊坡復綠,對礦地進行綜合治理,開展礦地利用。

1.1 工程特點

9處廢棄礦山生態修復治理的礦山為老舊廢棄礦山,背靠當地旅游風景區,因為不規范的“一面墻”式開采,造成坡高、坡陡、危石多,村民又經常上山挖筍、祭拜,安全事故頻發。當地政府為了改善此種局面,開展礦地利用,花費巨資治理修復老舊廢棄礦山,爆破出來的凝灰石經過加工成砂和碎石作為當地基建用料,既解決了老舊廢棄礦山的生態修復治理又參與了當地的基礎經濟建設,打造綠色礦山。

1.2 工程地質條件

根據巖石試驗報告,9處廢棄礦區巖石主要為灰色、青色流紋質晶屑玻屑熔結凝灰巖,天然抗壓強度為164～233 MPa,平均為198 MPa,礦石密度平均為2.62 g/c m3。治理區域內巖土體工程地質條件一般,以中風化硬質巖石為主,巖體基本質量分級為Ⅱ類及以上。邊坡高度為24～100 m,設計邊坡坡面角60°,設計臺階高12 m,安全平臺寬2～4 m。

1.3 目的任務

本礦為廢棄礦山綜合治理,9個廢棄礦山邊坡均為不規則邊坡,坡面有浮石,局部巖石開裂、傾倒。坡面高差大、坡度陡、巖面巖體局部破碎,節理裂隙較發育,邊坡中部存在陡坡臨空面及順坡塊石等危巖體,穩定性較差,在強降雨等極端天氣下容易誘發局部的小型崩塌地質災害,存在安全隱患。各礦山通過控制爆破,采用掛網、噴播進行治理后,能消除高陡邊坡崩塌、危巖等地質災隱患,確保山體邊坡和下方利用場地的安全穩定。

(1)爆破作業前,與周邊爆破警戒范圍內的生產生活設施業主簽訂好安全協議。

(2)采取科學合理的施工方案和有效的安全技術措施,對廢棄礦山邊坡進行分層分臺階逐層進行控制爆破開挖及甩渣施工作業。

(3)爆破要保障爆區周邊環境安全、設備安全及爆破作業人員安全,必須嚴格控制爆破飛石和爆破振動產生的危害。爆破飛石不得進入附近居民區、辦公區、宿舍區。精確控制爆破藥量,嚴格控制爆破振動對周邊村莊的農田灌溉水庫的影響,確保居民區建(構)筑物的安全。

(4)爆破前必須對進入礦區的各路口,按規定設置崗哨,防止爆破時人員和車輛誤入爆破危險區;爆破時應對其爆破警戒范圍內的人員進行清場。

(5)嚴格遵守安全規程,文明、安全施工,確保施工人員和附近人員的安全,確保車輛、高壓線路、機械設備不受損壞。

(6)爆破施工進度必須滿足工程工期要求。

(7)控制爆破邊坡質量必須滿足設計要求,滿足邊坡復綠要求。

2 爆破施工方案設計

2.1 設計原則及指導思想

(1)認真貫徹執行國家的各項方針政策,本著“安全可靠、經濟合理、技術可行”的原則,在確保安全的前提下,合理規劃,精心設計,注重資源保護和環境保護。

(2)降低成本,充分考慮爆破綜合經濟效益,確保穩定、持續、均衡性。

2.2 爆破施工方案選擇

根據設計對邊坡保護的要求,臨近最終邊坡時宜采用預裂爆破或者光面爆破技術,降低爆破震動對需保護邊坡的影響,保持邊坡穩定。通過多次預裂爆破試驗和光面爆破試驗,決定采用預裂爆破開挖方案。

(1)按設計要求,在圖紙上確定邊坡最終開挖線坐標,并在施工現場放樣,沿廢棄礦山邊坡最終開挖線實施預裂爆破,以減少主體爆破對需保護邊坡穩定的影響。預裂孔的傾角以設計要求的坡面角來確定,爆破完成后用炮機簡單修整。

(2)按設計要求,邊坡線采用孔間距較小的預裂孔,裝藥量小,按設計一次成坡。

(3)按設計要求,嚴格控制單段最大裝藥量和一次爆破規模,以保障附近民房的安全。

采用阿特拉斯液壓潛孔鉆機進行穿孔作業,采用預裂爆破一次性形成12 m邊坡面。

3 爆破參數

在主體爆破開挖前首先沿設計的邊坡輪廓線爆出一條一定寬度的裂縫,減弱主體區爆破時地震波向需要保護邊坡的傳播,并阻斷向保護區邊坡裂縫的發展,以減弱主體爆破對保護區邊坡穩定性的危害。主爆孔爆破后,沿預裂面形成一個邊坡面,經多次試驗確定預裂爆破設計參數。

3.1 預裂孔深度

為減少邊坡坡腳的欠挖工作量,預裂孔需考慮超深,計算公式如下:

式中,L為預裂孔深度,m;H為開孔處實際高度與下一級平臺設計高程的差值,m;θ為設計坡面角,θ=60°;h為預裂孔超深,m,取h為0.5 m。

3.2 預裂孔直徑及問題

根據設計施工方案以及現有機械設備,鉆頭直徑取115 mm,所以預裂孔直徑d=120 mm。

確定預裂孔間距,需要考慮的因素有施工工地地質情況、炸藥種類及性能、裝工結構等。

式中,a為預裂孔間距;d為炮孔直徑。其中對于軟巖或者較為破碎的巖石,取較小值;對于堅硬巖石或者完整性良好的巖石,取較大值。根據本項目凝灰巖巖石的巖性以及本工程前幾次預裂爆破試驗效果,a的取值已經超過了上式大值的范圍,取值為1.6 m。

3.3 不耦合系數

相關工程經驗表面,預裂孔的不耦合系數m的取值范圍在2～4之間,計算公式為:

式中,d為炮孔直徑;dΦ為藥卷直徑,預裂孔采用Φ32 mm藥卷間隔裝藥,不耦合系數m=3.75。

3.4 線裝藥密度及堵塞長度

采用經驗線裝藥密度:q線=0.4～0.6 kg/m,結合現場前幾次預裂爆破試驗效果,最終將線裝藥密度確定為0.6 kg/m。

3.5 堵塞長度

根據工程經驗及前幾次爆破試驗,堵塞長度L2=2.5 m,預裂孔的鉆爆參數見表1。

表1 預裂孔鉆爆參數

3.6 裝花結構

對于主爆孔和緩沖孔的參數設計參考深孔臺階爆破在此不作贅述,具體參數設計見表2。

表2 主爆孔和緩沖孔鉆爆參數

炸藥采用2號巖石乳化炸藥;預裂孔采用底部加強裝藥(使用一支Φ90 mm藥卷),正常裝藥段和上部減弱裝藥段均采用Φ32 mm藥卷間隔30 c m均勻綁扎裝藥,堵塞2.5 m;緩沖孔采用Φ90 mm藥卷連續裝藥,堵塞3 m;主爆孔采用Φ90 mm藥卷連續裝藥,堵塞3 m;各炮孔裝藥結構見圖1至圖4。

圖1 預裂孔裝藥結構(單位:m)

圖2 緩沖孔裝藥結構

圖3 主爆孔裝藥結構(單位:m)

圖4 邊坡控制爆破示意(單位:m)

3.7 起爆網路

本工程起爆順序如圖4所示,預裂爆破起爆順序依次為:預裂孔→主爆孔3→主爆孔2→主爆孔1→緩沖孔,選用導爆管雷管起爆,傳爆雷管選取段別較低的雷管,主爆孔和緩沖孔孔內起爆雷管選取段別較高的雷管,為了保障網路安全起爆,傳爆雷管均采用2發敷設連接,主爆孔和緩沖孔孔內均使用2發導爆管雷管起爆。預裂孔每6孔使用導爆索連接一起,配2發導爆管雷管起爆。布置4排炮孔時,起爆線路連接如圖5所示。

圖5 起爆網路連接

4 施工前期測量工作

鉆孔前測量平臺高程,挖機平整場地直達干凈巖面,以便于布孔和定位鉆機,挖機找平后平整度控制在±20 c m。清理松動巖石,方便鉆機定位,加快鉆孔速度,提高成孔率,減少孔口巖石掉落造成卡孔概率。

預裂孔布置前,由項目技術負責人、爆破員、測量人員、鉆機操作人員現場進行質量控制,預裂孔必須逐孔測量孔距、孔深、孔位,同時用紅油漆標定。布孔時根據每孔口的實際高程、設計孔深、傾角、將孔的編號、參數記錄在冊,同時要向鉆機操作人員做好技術交底。鉆孔前,在鉆機大臂和滑架在相對穩定的情況下,測量鉆桿的傾角,調整到設計傾角,當鉆頭入孔20 c m后再次復測、調整、直到傾角無任何偏差。鉆機鉆進100 c m進行第2次復測,150 c m進行第3次復測,直至鉆孔傾角符合設計要求。鉆孔完成后清理孔口巖粉石渣,然后測量孔深、傾角,當孔深、傾角符合設計要求時,及時保護好孔口,防止石塊掉入。

5 爆破效果及對比分析

5.1 爆破效果

由于預裂孔孔間距小、裝藥量少,能夠按照設計邊坡傾角一次成坡,預裂孔爆破后留下的炮孔痕跡清楚,爆破效果明顯。

(1)預裂面巖體整體平整度較好,實際呈現坡度傾角與設計要求相符;

(2)預裂面平整度控制在±20 c m范圍內,但個別區域超欠挖集中,超欠挖集中在鉆孔偏移的地方,產生原因是鉆桿隨孔加深加長而被壓彎或由于巖性的原因導致;

(3)預裂邊坡無裂縫,碎石掉落較少,受爆破影響小,其穩定性有保證。

圖6 凝灰巖預裂爆破后的效果

5.2 對比分析

根據以往的預裂爆破參數(見表3),其裝藥結構如下:孔底墊1.0 kg卷裝炸藥后,按1.0 kg/m線密度裝Φ32 mm卷裝乳化炸藥至離孔底1 m處,最后按0.3 kg/m線密度間斷地、均勻地將Φ32 mm卷裝乳化炸藥綁扎于導爆索至離孔口2 m處,將綁扎好的炸藥和導爆索固定在預備的竹片上。

表3 以往預裂爆破參數

按照以往爆破參數進行預裂爆破試驗,其孔底留下巖根、欠挖比較明顯,需要炮機大量修整邊坡才能達到設計要求,原因可能是底部加強段裝藥偏小,底部的預裂面不能和中上部預裂面形成貫通裂縫。

多次調整爆破參數后,擴大孔距至1.6 m,底部加強段減小至45 c m左右,藥量增加,改為一支3 kg的Φ90 mm乳化炸藥,其中部和上部采用Φ32 mm間隔30 c m均勻綁扎,其特征是相較于其他預裂爆破沒有明顯的正常裝藥段和上部減弱裝藥段,預裂爆破后的效果也較之前大為提高。

6 建議

6.1 優化爆破參數

爆破設計應多次試爆并結合現場實際情況對設計進行適當的調整,才能使爆破達到預期的效果。

6.2 測量、鉆孔的質量控制措施建議

提高鉆孔施工質量是爆破成功的前提,而提高鉆孔質量的首要條件是精準測量,測量能保障鉆孔施工是按設計要求進行,并且在提高預裂面的平整度、減少超欠挖、提高邊坡的穩定性等方面起著重要作用。

將測量、鉆孔施工幾個質量控制措施步驟簡述如下。

(1)做好測量前的準備工作,清理巖面上松散碎石,由測量組及爆破技術人員、爆破員現場布孔,標明鉆孔的深度、角度,并把鉆孔數據及時準確的提供給鉆孔組,按照設計要求精準鉆孔。

(2)鉆孔組根據爆破鉆孔參數表及爆破設計進行鉆孔作業,鉆孔時現場施工員必須到場,保證位置準確無誤。

(3)鉆孔完成后保護成孔,清理孔口周邊的浮石和巖屑,施工員在鉆孔完成后,應檢測炮孔位置、深度、角度、排距等參數是否符合爆破設計,并填寫相關記錄。

(4)爆破施工前,對孔進行復驗孔,檢查是否積水、堵塞。

6.3 裝藥質量控制措施建議

(1)嚴格按照爆破設計的藥量及藥卷規格制作藥卷,不準隨意增減;雷管段別由專人統一管理,負責登記及辦理領取手續,防止出現差錯。

(2)裝藥時爆破技術人員現場指導裝藥,向孔內裝填藥量用木質和竹質填塞棒將藥包輕輕送入孔底,對裝藥過程中出現的各種問題及時處理。

(3)裝藥完成后由爆破員根據設計要求填塞炮孔,填土時先輕后重,力求填滿搗實,防止損傷腳線,多余的火工品及時退庫。

(4)詳細記錄各個炮孔的裝藥情況。測量、鉆孔、裝藥按以上步驟進行,才能保障爆破施工的安全及爆破質量,為下一步復綠施工作業提供基礎保障。