深孔微差擠壓爆破技術在獅子坪水電站中的應用

肖海濤，龐 杰，王再強

(水電七局成都工程有限公司，四川成都 610225)

隨著水利水電資源的加速開發，在山區河谷地帶選用堆石壩擋水的方案被越來越多地采用。水利水電工程中用于填筑堆石壩的石料、生產混凝土骨料的毛料及圍堰用石渣料等大多采用露天深孔臺階爆破進行開采，并且要求將爆后石料粒徑控制在一定塊度范圍內，一般大粒徑要求不超過800mm，以利于開挖、鏟裝、運輸、破碎機破碎和填筑等，尤其是用于填筑堆石壩的石料，因為壩體不同填筑部位所需石料具有不同粒徑范圍和級配要求，故爆破獲得的石料粒徑要求級配良好，不均勻系數大，有一定細粒含量，超徑率要很低。

實踐證明，在石方開挖工程中，采用微差擠壓爆破技術，能夠改善巖石的破碎質量、提高鏟裝強度，從而能夠加快施工進度，提高經濟效益。施工中將微差擠壓爆破技術與預裂爆破技術相結合，對保護邊坡穩定和巖面完整有良好的效果。

1 工程概況

獅子坪水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣境內岷江右岸一級支流雜谷腦河上，為雜谷腦河梯級水電開發的龍頭水庫電站，裝機3臺，單機容量65MW，總裝機容量195MW。水庫總庫容 1.33 億 m3，調節庫容 1.19 億 m3，為年調節水庫。電站設計水頭390m，引用流量57m3/s，總裝機容量195MW(3×65MW)，保證出力59.9 MW，多年平均發電量8.76億kW·h。

牌坊溝料場為獅子坪水電站大壩堆石料主料場，位于壩址區上游雜谷腦河左岸牌坊溝溝口，距壩址5.5km，料場正下方有317國道通過，交通較方便。料場自然坡度為50°～55°，場地長約600m，寬約150～250m，分 布 高 程 2460～2650m，主要用于獅子坪水電站大壩堆石料開采。

料場巖性為雜谷腦組(T2Z)的厚～巨厚層變質細砂巖夾砂質板巖，巖層產狀 N0°～30°E/SE(NW)∠80°～90°，層面陡傾下游，局部傾上游，節理裂隙發育，主要有四組，(1)N0°～30°E/SE(NW)∠80°～90°，層面;(2)N50°～75°W/SW∠25°～45°，延伸長度大于5m，面微起伏粗糙，間距30～60cm;(3)N45°～65°W/SW∠70°～75°，延伸長度1～3m，面微起伏粗糙，間距20～40cm;(4)N50°～80°E/NW∠10°～25°，延伸長度大于5m，面微起伏粗糙，間距60～100cm。以上四組裂隙將巖石切割成0.3～0.8m的塊體，有利于開采。

據料場勘探平硐揭示，料場基巖裸露，強卸荷深一般為30～50m，弱風化、弱卸荷深一般為70～90m。以牌坊溝為界，把料場分為兩個區，溝下游為Ⅰ區，溝上游為Ⅱ區。

變質砂巖的干密度為 2.66 ～2.72g/cm3，濕抗壓強度為60～160MPa，全部為堅硬巖石，巖塊質量滿足規范要求。

2 微差擠壓爆破原理

當炸藥在巖體中爆炸時，炮孔四周會形成一個復雜的應力場，在爆炸沖擊波發展的瞬間，未受到破壞的巖體處于緊張狀態;當爆炸沖擊波抵達自由面后，巖石表面在反射拉應力的作用下產生裂縫。之后，因爆炸而產生的氣體生成物迅速充填裂隙使裂隙急劇發展(即“氣刃效應”)，這時爆炸氣體壓力雖然降低了，但巖石卻獲得了向自由方向移動的強大動能。

利用上述炸藥爆炸和巖石破碎機理闡述微差擠壓爆破技術改善爆破質量和減震的原理:

(1)當毫秒分段和前組藥包爆破的巖石向前移時，其原來位置為即將起爆的后組藥包巖體提供了新的自由面，加上前組巖體爆破形成的破壞裂隙為后組巖體爆破增加了輔助自由面，在此急速擴張的輔助自由面上，爆破沖擊波的反射得到了加強，此時，后組藥包在前組藥包爆破反射波的作用時間內起爆，可以引起壓縮波與反射波的疊加，使爆轟波得到加強，同時延長了巖體震動時間。

(2)爆炸的總能量及其對巖石作用時間的長短決定巖石的破碎程度。微差擠壓爆破需在臺段前堆放一定厚度的石渣(圖1)，它能阻礙巖石破壞裂隙的向前擴張，從而延長了巖石的應力狀態。這就在時間上延長和提高了炸藥能量的利用率;另外，因多段爆破巖石分批移動的距離短，爆塊的高速沖擊和互相碰撞勢必會形成相互擠壓，因此而產生的動能使巖石得到進一步破碎，從而改善爆破質量。

圖1 微差擠壓爆破示意圖

(3)微差擠壓爆破的炸藥包分散于各排炮孔之中，并按照一定順序的分段間隔時間起爆，在介質中形成了很多有時間差的震源點，增加了輔助自由面及巖塊的相互碰撞和擠壓，從而獲得了良好的爆破效果和減震效應。

3 微差擠壓爆破技術的應用

3.1 堆石料技術及質量要求

設計方對壩殼堆石料的要求:石質堅硬，不易軟化破碎，石料飽和抗壓強度≥40MPa，壩殼堆石料顆粒級配滿足以下要求:粒徑小于5mm的顆粒含量≤15%，最大粒徑≤800mm，粒徑小于0.075mm土粒含量≤2%，顆粒級配連續。壓實后堆石孔隙率宜≤24%，滲透系數≥1×10－2cm/s。

3.2 牌坊溝料場的爆破設計

根據牌坊溝料場的實際地質情況，采用微差擠壓爆破方案，邊坡采用預裂爆破。主爆孔采用CM－351高風壓鉆機造孔，邊坡預裂孔采用湯姆洛克700型液壓鉆造孔。

3.2.1 總體方案

(1)留渣厚度:為提高經濟及技術效果，采用在爆破臺階正面壓渣方案，借鑒以往的工程經驗確定壓渣厚度為10m，并根據爆破效果不斷調整。

(2)一次爆破的排數:一次爆破的排數一般以不少于3～4排、不多于7排為宜。實踐證明:排數過多，勢必增大炸藥單耗，從而使爆破效果變壞，飛石居多。根據以往工程經驗及牌坊溝實際地形，一次爆破排數選用7排。

(3)微差間隔時間:擠壓爆破的微差間隔時間比自由空間爆破微差間隔時間要長。根據類似工程經驗，選用非電雷管1段、3段、5段、7段、9段、11段、13段進行延時微差，以達到更好的微差擠壓效果。

(4)主爆孔各排孔藥量遞增系數:根據經驗，中間孔裝藥量不變，將第一排孔和最后一排孔藥量相應加大30%～40%。

3.2.2 預裂孔參數

為保證料場開采后永久邊坡的完整、穩定，需要采用預裂爆破。

鉆孔直徑D:使用湯姆洛克700型液壓鉆，鉆孔直徑D=90mm;

裝藥直徑d:使用φ32管裝炸藥，d=32mm;

不耦合系數β=70÷32=2.2;

鉆孔傾角 α:按 1∶0.4 放坡，鉆孔深度 L=12.9 m;

鉆孔間距a:a=0.8m;

線裝藥密度Q線:取Q線=0.2kg/m;

堵塞長度L0:根據經驗取L0=1.0m;

裝藥長度L1:L1=10.4m;加強裝藥長度L2，根據經驗，底部加強裝藥長度L2取2.5m;

底部加強裝藥量Q加，底部加強裝藥量一般增加2～3倍的線裝藥密度，此處取增加2倍。

3.2.3 緩沖孔參數

為避免主爆孔對預裂面產生破壞作用，保證預裂面的平整，與預裂面相鄰的一排孔必須減少藥量，裝藥量為主爆孔的0.6倍。

鉆孔直徑D:使用CM－351型鉆機，D=100 mm;

裝藥直徑d:使用φ70藥卷炸藥;

鉆孔深度L:L=12.9m;

鉆孔傾角α:與預裂孔平行;

鉆孔間距a:a=2.0m;

與預裂孔距離b:b=1.5m;

與主爆孔距離c:c=2.6m;

單孔裝藥量 Q:Q=22.5kg。

3.2.4 主爆孔爆破(表1)

鉆孔直徑D:使用CM－351型高風壓鉆機，D=100mm;

底盤抵抗線W1:取W1=3.5m;

梯段高度H:取H=10m;

以S.aureus、E.coli、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida為供試菌。對冬凌草發酵前后的抑菌活性進行了分析，實驗結果見表5。由表5可知，冬凌草發酵后的醇提物對S.aureus、B.subtilis、S.epidermidis、P.multocida、E.coli的抑制作用表現出增強作用。

鉆孔間距a:取a=2.6m;

鉆孔排距b:取b=3.0m;

鉆孔角度α:垂直孔。

(1)計算第一排孔單孔裝藥量Q1:

由于前面留渣的存在，爆炸應力波入射后將有一部分波能被渣堆吸收而損耗，因此，第一排孔必須用增加藥量加以彌補，故第一排孔要加大超鉆深度以加大裝藥量，取h=3m，則鉆孔深度L=13m。

結合料場巖石、地質情況，考慮實際爆破情況(如孔徑、炸藥密度等)并參考相關資料，取單耗q1=0.6kg/m3。

單孔裝藥量 Q1:Q1=q1·a·W1·H=0.6 ×2.6 ×3.5 ×10=54.6(kg)

(2)計算中間孔裝藥量Q2:

中間孔的藥量比第一排孔的藥量適當減少，取單耗q2=0.45kg/m3，裝藥結構為:

中間孔裝藥量Q2:Q2=K· q2· a·b·H=1.2 ×0.45 ×2.6 ×3.0 ×10=42.12(kg)

式中 K為考慮受前面各排孔的礦巖阻力作用的增加系數，一般取1.1 ～1.2，此處取 1.2。

裝藥結構:用改性銨油炸藥，耦合連續裝藥，裝藥長度9m，裝藥42.12kg;堵塞長度3m。

(3)計算最后一排孔裝藥量Q3:

最后一排孔要比中間孔裝藥量增加20%，故:Q3=1.1Q2=1.2 ×42.12=55.60(kg)。

裝藥結構:用改性銨油炸藥，耦合連續裝藥，裝藥長度9m，裝藥50.54kg;堵塞長度3m。

單耗:q3=Q3/(K·a·b·H)=50.54/(1.2×2.6 ×3.0 ×10)=0.54(kg/m3)

表1 主爆孔各排孔相關參數匯總表

(4)堵塞長度及堵塞物的選擇。

堵塞長度:為控制飛石，必須堵塞炮孔口裂隙，要求裝完藥后將余孔全部堵塞，堵塞物選用粘土。

3.2.5 炮孔布置

所有炮孔均按設計間排距梅花形布置(圖2)，預裂孔沿邊線布置，且預裂孔要控制孔的角度，保持最后形成1∶0.4的坡度。爆孔布置根據巖石具體情況進行調整，但要確保最小抵抗線的值并對其拋擲方向進行控制。

圖2 炮孔布置示意圖

3.2.6 爆破網絡

采用多排孔內、外微差擠壓爆破“V”型網絡。孔內用非電雷管，孔外用導爆索聯接，逐孔起爆以達到微差效果。起爆網絡見圖3。

3.3 實施效果

采用深孔微差爆破技術和邊坡預裂控制措施，一次爆破巖石方量較大，場地平整、邊坡完整，能有效降低費用并縮短施工時間，使爆破質量得到了改善，爆后巖石破碎塊度小，級配符合設計要求，鏟裝方便，從而節約了大塊解體破碎費用，能較好地滿足石料需求，并為挖運創造了良好條件，鉆具、輪胎、火工材料等資源消耗減少，鑿巖設備、鏟裝設備、運輸設備等故障率降低，生產效率提高，總體成本下降，施工進度加快，基本上達到了快速、經濟、合理的目的。

圖3 起爆網絡示意圖

在實施過程中也出現了一些問題，如牌坊溝料場局部裂隙發育，大量爆破能被裂隙吸收;能量補償不盡合理，致使產生“硬墻”、“底坎”，不同程度上影響了鏟裝作業。

4 結語

總而言之，深孔微差擠壓爆破技術在獅子坪水電站牌坊溝料場中的應用取得了較為理想的效果，爆后巖石破碎塊度合適，級配連續，顆粒大小符合設計要求，鏟裝方便，節約了施工成本，加快了施工進度，取得了較好的經濟效益，同時也為類似料場開采積累了寶貴的經驗。