王家桥采石场施工中光面爆破技术实践

郭 坤

(中国建筑材料工业地质勘查中心湖南总队,湖南 株洲 412003)

0 引言

随着我国经济的快速发展,各项工程建设不断涌现,爆破技术作为有效的岩土开挖手段,得到广泛的应用,在水利水电、矿山建设、边坡施工等工程中已经成为不可或缺的重要工程手段,发挥着不可替代的作用[1-3]。但是由于爆破本身的复杂性以及工程对象的多样性,目前对于爆破过程及其机理的认识还有很多不足[4-5]。炸药爆炸后只有一部分能量用于实现工程目的,其他大部分的能量以其他的形式释放,如飞石的动能、声能、热能、振动能等,特别是振动能量直接与岩体的稳定性密切相关。因此需要特别关注,如何有效利用炸药释放的能量,减小能量的无效使用,引起工程界的关注[6]。为此,人们使用光面爆破技术来减小爆破振动对围岩产生的不利影响[7]。光面爆破技术是设计轮廓布置较为密集的炮眼,以小药卷、不耦合的方式装药,在掏槽及辅助眼起爆后再起爆的方式减小炸药能量对周边围岩的影响。

采石场是一种常见的地质资源开发方式,其对于城市建设和基础设施建设具有重要的作用。光面爆破技术是采石场施工中常用的一种爆破方法,它利用爆炸波在岩石内部传播产生的破裂效应来破碎岩石[8]。与传统的机械破碎方式相比,光面爆破技术具有破碎效率高、工期短、成本低等优点[9-12]。因此,其在采石场施工中得到了广泛应用。然而,光面爆破技术也存在一些问题,如爆炸波传播范围不易控制、岩石破碎程度不易预测等。针对这些问题,研究人员对光面爆破技术进行了深入的研究,通过改进爆破参数、优化爆破方案等方法,提高了光面爆破技术的破碎效率和可控性。为此,对光面爆破技术在王家桥采石场施工中的应用进行深入研究,分析其存在的问题和不足,并探讨如何进一步优化光面爆破技术,以满足王家桥采石场施工的需要,为采石场地质资源开发提供理论和实践指导。

1 工程概况

王家桥采石场位于武冈市龙溪镇石路村,距武冈市区约6 km。该区地貌总体上剥蚀溶蚀低山丘陵地貌,海拔510 m,开采终了最低海拔350 m。山坡植被不发育,较平缓冲沟主要分布水田和村庄。爆破区域位于王家桥矿区西侧,需要进行爆破的岩体高度12 m,长150 m,宽8～20 m,面积2 250 m2,爆破量约2.7万m3,地质报告中该处灰岩密度为2.6 t/m3,爆破产生石灰石为7万t。

2 爆破工艺技术

2.1 光面爆破技术

光面爆炸是一种常见的破岩方法,其原理是通过高温高压气流在岩体上产生细小的裂缝,进而在岩体中产生一股强大的冲击波,使岩体发生断裂,进而实现破岩。其中,在被炸岩层上开洞,并在其上开洞,从而在被炸岩层上开洞。通过向炮眼内喷入高气压的气液2种方式来产生高气压波。高压波动通过岩体的内部传递,引起岩体的断裂,实现了岩体的碎裂。

与常规的爆破方法相比,光面爆破通过在岩体上产生细小的裂缝,使岩体断裂,提高了岩体的破坏效率;与常规的爆炸工艺相比,采用了光滑爆炸工艺,噪声更低;无炸药,无毒气,无废物,绿色环保。可见,光面爆破是一种高效、环境友好的破碎方法,在岩石破碎、隧道开挖和矿山开采等方面有着广阔的应用前景。

2.2 爆破方案和爆破参数选取

2.2.1 爆破方案选取

结合王家桥采石场的具体条件,使用了一种新的光控爆破方法,该方法在接近最后一个斜坡的12 m处打孔,为避免单个飞石块的破坏,在爆破过程中要考虑到实际的地质条件和地质条件的改变,在爆破过程中要考虑爆破的影响。

2.2.2 主要爆破参数选取

主要爆破参数见表1。其中,钻孔直径D=105 mm,台阶高度H=12.0 m;最小抵抗线W,一般按W=(0.4-1)H或W=(25-30)D计算,根据岩石情况本工程取W=2.8 m;孔距a,一般孔距a=(1.0-2.0)W,本工程取a=4.5 m;超深h=(0.1-0.35)W,本工程取h=1.0 m;孔深L=H+h=13.0 m;单耗q,根据周边岩体爆破情况和实际经验,取q=400 g/m3;单孔装药量Q=qabH=0.400×2.8×4.5×12.0=60.48 kg。炸药采用φ70 mm的乳化炸药或袋装改性铵油炸药,采用连续装药方式,起爆体位于孔底向上1.0 m处,反向起爆方式。如图1和图2所示,深孔爆破采用单排孔进行爆破,一次爆破孔控制在8孔以内,一次爆破总药量控制在500 kg。

图1 炮孔平面示意Fig.1 Plan diagram of blast hole

图2 炮孔剖面示意Fig.2 Profile diagram of blast hole

表1 爆破参数一览表Table 1 Blasting parameters

2.3 爆破安全验算

2.3.1 爆破振动验算

在爆破工程中,当炸药起爆之后,会有一定的能量通过波的方式向地面传输,从而导致大地震动,这种情况被称为“爆破震动”。在爆炸的过程中,会导致地面出现一定的震动,但是当震动的能量没有超出安全允许的极限时,就不会对被保护的建筑物和设施造成损害,爆破振动安全允许标准见表2。在施工过程中,爆破震动是可以从设计到施工等方面加以控制的,对于各种建筑物及设备,其所能达到的抗震许可要求,参见有关的抗震许可要求。

表2 爆破振动安全允许标准(GB6722—2014)Table 2 Safety permissible standards for blasting vibration(GB6722—2014)

根据项目的减震要求,为降低爆破震动,对单孔装药数量进行了严格的限制,并对一次同时起爆的最大装药数量(最大单孔装药数量为逐孔延迟起爆)及总装药数量进行了控制。根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)13.2.4条规定,爆破振动安全允许速度可按式(1)计算

(1)

式中,R为爆破振动安全允许距离,m;本工程R取50 m、100 m、150 m、200m分别计算;Q为炸药量,齐发爆破为总药量,延时爆破为最大一段药量,kg。本工程孔内逐孔延时起爆,每孔为一段,最大一段单孔药量60 kg;V为保护对象所在地质点振动安全速度,cm/s;K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数,本工程属中硬岩石取中间值K取150(因保护对象在爆破介质上部),α仍取1.5。爆区不同岩性的K、α值见表3。

表3 爆区不同岩性的K、α值Table 3 K and α values of different lithology in the blasting area

将上述数据代入公式,计算出V值见表4。

表4 V值计算结果Table 4 Calculation results of V values

经计算,从距离爆区100 m以外的各处振动速度均小于1.16 cm/s,低于一般民用建筑物允许的安全振动速度为2.0～2.5 cm/s,计算出爆破区域东面250 m出的建筑物振动速度小于0.41 cm/s。

本次爆破设计在技术上对周边建(构)物是安全的。

2.3.2 爆破冲击波验算

一次爆破量超过25 kg,依照《爆破安全规程》GB6722—2014中有关冲击波的计算公式

(2)

式中,ΔP为空气冲击波超压值,105Pa;Q为毫秒延迟最大总药量,取480 kg;R为爆源至保护对象的距离,取200 m。

计算得出,ΔP为0.051×105Pa。小于掩体的作业人员为0.10×105Pa。为了确保安全,起爆点爆破警戒距离不得少于200 m并设置掩体。

2.4 爆破飞散物验算

本次爆破单耗为400 g/m3,所以只要施工规范、填塞确实、防护得当,基本不会产生飞石。采用《爆破安全规程》GB6722—2014中爆破个别飞散物公式进行计算

R飞=20K飞n2W=72.8 m

(3)

式中,R飞为个别飞石安全距离,m;n为药包的爆破作用指数,取n=1.0;W为最小抵抗线,取W=2.8 m;K飞为与地形、风向、岩石特性及地质条件有关的系数,一般为1～1.5,取K飞=1.3。

计算出个别飞散物的安全距离约为72.8 m;在实际实施爆破时,爆破区域东面设置起爆点,安全距离不得少于300 m;其他方位的警戒点和起爆点,保持安全距离200 m以上。

3 王家桥采石场爆破方案优化

3.1 优化方法

岩体的内在性质决定了其在不同条件下的爆炸参数及爆炸效应。爆破步骤高度、炮眼排拒、抵抗线、装药量及引爆网络为其重要爆破参数。依据岩体的内在特性,对其进行科学、实用的爆破参数设计,以达到良好的爆破效果。从提高成孔效果的角度出发,根据王家桥采石场的具体条件,提出了阶梯高11.0 m,孔深11.5 m的设计方案。对装填方式进行了改进,使用在孔洞中的一个起爆体,两发非电导爆管雷管进行引爆,在距离炮孔底部4.0 m的位置上,装入一袋氨油炸药或10节乳化爆炸物后,就可以装入起爆体,这样可以降低现场操作的复杂性和难度,这对于确保堵塞不冲出、降低飞石是非常有好处的。与此同时,还降低了施工费用,简化了施工操作流程,提高了施工的可靠性。调节炮孔排距及孔距,按照计算式B=L/(A/H),其中,B为每1 m3的岩体所需的钻头直径,m;L为每1 m3的岩体,m;A为指爆破所能承载的区域,A=a·b,m2;a为爆破间隔,m;b为爆破间隔,m;H为梯级高,m。根据公式的计算结果,提出了在爆炸时距离a为2.8～3.2 m,距离b为2.5～2.8 m,这样既能节约成本,又能减小爆炸块度。

3.2 起爆网络

王家桥采石场采用普通毫秒电雷管起爆网路,2～10段雷管孔内延时逐孔起爆方式,为了控制爆破规模,拟定每次深孔台阶爆破不超过8孔,最大爆破总药量为480 kg。根据实际情况,电雷管进行串联连接。起爆前进行爆破网络测试,确保联接无误。爆破连线网络如图3所示,各段雷管的网络延时见表5。

图3 爆破连线网络Fig.3 Blast connection network

表5 第二系类毫秒延期电雷管段别与秒量Table 5 Second-level millisecond delay electric detonator segments and seconds

4 光面爆破效果分析

根据上述爆破方案,对该方案进行了7次爆破,并将实验数据列于表6。试验结果显示,在井眼直径为11.5 m的情况下,钻眼直径为13.5 m,钻眼长度为6 min,井眼倾斜程度有所改善,废孔率下降30%;有效地改善了爆破品质,降低了20%的碎石率;降低了爆炸时的分散程度,有利于铲车的装载;采用光面爆破,半孔率可达85%以上,边坡平滑,符合用户的技术指标;无明显超出范围,也无周围单位和住户的抱怨。

表6 爆破试验参数Table 6 Blasting test parameters

5 结语

根据深圳一座矿山的实际情况,对原爆破方案进行了详细的考察与分析,并根据原爆破方案的缺陷,从提高爆破效果,降低爆破震动,提高边坡光面爆破的效果等方面进行了改进。经过现场试验,不仅使采石场里的爆破工作更加高效,爆破效果也得到了明显的提升,还能有效地解决群众的抱怨问题,使各方的关系更加和谐,从而推动了项目的进展,最终达到了按规划、按步骤进行的目的,适用于在有相似工程地质条件的其他矿井中进行大规模的应用。