仙居抽水蓄能電站上水庫壩料爆破開采技術研究

王 波 王家鵬 付 紀

(中國水利水電建設工程咨詢北京公司 100024)

1 引言

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉境內，距仙居縣城50km。電站由上水庫、輸水系統、地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成，總裝機容量為1500MW(4×375MW)。上水庫由一座主壩和一座副壩組成，主、副壩均為混凝土面板堆石壩，最大壩高分別為86.70m和59.70m，上水庫總庫容約1294萬m3;土方開挖量約101萬m3，石方開挖量約249萬m3，大壩石方填筑量約227萬m3，主、副壩采用分層填筑碾壓的方法，填筑料主要利用進/出水口、東南庫岸、西南庫岸等部位的開挖料，因此在施工時應盡量安排開挖與壩體填筑同期施工，便于開挖料直接上壩，減少二次轉運。本文著重探討大壩堆石、過渡料的開采爆破方式。

2 爆破試驗技術背景

2.1 上水庫巖石地質構造

上水庫出露的地層以穿過副壩埡口的F2斷層為界，斷層北盤為高塢組地層，南盤為西山頭組地層，呈單斜地質構造。上水庫節理發育，受斷裂構造、巖性的影響，在不同的巖層內其產狀及發育程度不一。高塢組(J3g)地層節理以鐵錳質渲染為主，深部為鈣質充填。

2.2 巖石物理力學性質

試驗表明，弱風化角礫凝灰巖、沉凝灰巖吸水率、孔隙率較大，表明這類巖石受風化影響明顯，抗壓強度低、離散性較大;其余試樣結構較致密，尤其是含礫晶屑熔結凝灰巖的指標最優。其中弱風化角礫凝灰巖飽和單軸抗壓強度為31.1MPa，軟化系數為0.51，微風化為96.1MPa和0.83;弱風化安山巖為81.8MPa和0.87，微風化為95.5MPa和0.74;弱風化玄武巖為73.4MPa和0.91，微風化為80.5MPa和0.72;弱風化含礫晶屑熔結凝灰巖為124MPa和0.64，微風化為163.4MPa和0.78;角礫凝灰巖、安山巖及玄武巖三類巖石的物理力學性質具有一定的離散性，反映該類巖石的物質組成的不均一性。

2.3 設計的開采料級配要求

2.3.1 開采料顆粒級配

開采料顆粒級配見表1。

2.3.2 開采料級配包絡線

開采料級配包絡線見圖1～圖2。

表1 開 采 料 顆 粒 級 配

圖1 過渡料顆粒級配包絡線

圖2 主堆石顆粒級配包絡線

3 石料開采方案比較

目前國內抽水蓄能電站壩料開采爆破，大致歸納有以下幾種方法，見表2。

表2 壩 料 開 采 比 較 方 案

4 試驗采用的爆破技術

4.1 堆石及過渡料開采爆破技術

本次壩料爆破試驗采用深孔“V”微差擠壓爆破技術，其優點如下:

a.微差順序爆破網絡是利用雷管毫秒延時的作用起爆藥包，利用爆轟波的相互疊加作用和爆破的巖石相繼碰撞，有利于巖石破碎。

b.“V”形網絡連接方式，增加了孔距，形成大間距和小抵抗線，使巖石特別在致密狀難破碎的巖層，產生更多的扭曲和撕裂作用，從而改善爆破效果。

c.在自由面前有意保留堆渣而產生的擠壓作用，使巖塊塊度均勻，大塊率低，可以獲得一定塊度、級配的特殊用途的石渣材料。

d.爆堆規整，對運輸線路影響小，減少運輸設備的停滯時間。

4.2 堆石及過渡料開采爆破參數

已知參數:鉆孔直徑D=90mm，梯段高度 H=12m，炸藥品種:2號巖石乳化膠狀銨梯炸藥。

未知參數:孔距a，排距b，裝藥結構，單耗藥量，超鉆深度，堵塞長度，起爆網絡。

爆破梯段高度控制在12m以內，主要采用DX700鉆機造孔，鉆孔角度為75°，采用方形布孔。

4.2.1 盤底抵抗線

盤底抵抗線(W1)計算公式為

W1=nD

式中 n——排距系數20～30，硬巖取小值，軟巖取大值;

D——炮孔直徑。

4.2.2 孔距

孔距(a)計算公式為

a=mW1

式中 m——密集系數，一般取0.8～1.4，在寬孔距爆破中取2～4或更大，第一排孔應選較小系數。

4.2.3 排距

排距(b)計算公式為

b=0.8 a

4.2.4 炸藥單耗量選擇

a.單耗量計算公式為

式中 Y80——破碎的爆巖有 80%通過的篩孔尺寸，m;

B——底盤抵抗線，m;

S ——孔網面積，m2;

q——單耗藥量，kg/m3;

C ——巖石系數，kg/m3。

經過試算，可分別確定首次主、次堆石料和過渡料的孔網參數和炸藥單耗。再根據首次爆破情況，結合地質條件和以往爆破經驗，進行爆破參數修正。

b.超鉆深度:超鉆深度是指炮孔深度超出梯段高度以下的一段孔深，其作用是降低裝藥中心位置，克服梯段底板的夾制作用，使爆后不留底塊。

超深一般按下式計算

h=(0.15～0.30)W

如果巖石堅硬，結構面不發育，則超深要加大。

c.堵塞長度:合理的堵塞長度和良好的堵塞質量，有利于改善爆破效果。過短的堵塞容易造成巖塊飛散甚至沖炮和出現根底;過長的堵塞容易在孔口部分形成大塊。

堵塞長度計算公式

L=0.75W

4.3 堆石料爆破試驗參數

4.3.1 試驗固定參數

已知參數:鉆孔直徑D=90mm，鉆孔角度80°，孔深13m，梯段高度H=12m，炸藥品種:2號巖石乳化膠狀銨梯炸藥，堵長2.0m，孔網形式:矩形，起爆網絡“V”形(見圖3～圖4)。

4.3.2 試驗可變參數

根據堆料和過渡料的爆破試驗參數計算成果，結合實際工程經驗，初步確定本次爆破試驗可變參數，見表3:

圖3 開采料試驗“V”形爆破網絡

圖4 主爆不耦合裝藥結構示意圖

表3 堆料爆破試驗的可變參數計算

4.3.3 裝藥結構

采用連續耦合裝藥結構。

4.4 過渡料的爆破試驗參數

4.4.1 試驗固定參數

已知參數:鉆孔直徑D=90mm，鉆孔角度80°，孔深13m，梯段高度H=12m，炸藥品種:2號巖石乳化膠狀銨梯炸藥，堵長2.0m，孔網形式:矩形，起爆網絡“V”形。

4.4.2 試驗可變參數

根據堆料和過渡料的爆破試驗參數計算成果，結合實際工程經驗，初步確定本次爆破試驗可變參數，見表4:

表4 過渡料爆破試驗的可變參數計算

5 仙居壩料開采爆破方案

綜上所述，根據仙居壩料開采強度、質量，以及石料場的地質情況，借鑒泰安開采和響水澗采石場開采爆破試驗的經驗成果，采用大中型孔徑、中深孔全耦合裝藥爆破，可以滿足仙居大壩填筑和混凝土骨料加工對級配曲線及粒徑的要求。

5.1 鉆爆參數選擇

仙居庫盆開挖爆破作業中，在距開挖邊坡較遠處可采用較大孔徑，鄰近邊坡依次減小鉆孔直徑:主爆孔徑以102～138mm比較合適;在邊坡和基建面附近采用90～105孔徑，臺階高度10.0m。對東南庫岸料場，由于距建筑物較遠，可選擇較大孔徑的鉆機，主要選用115～138孔徑，靠近邊坡爆破孔可選用102孔徑，預裂孔選用90孔徑，臺階高度12.5m。使用硝銨炸藥全耦合裝藥結構，孔網參數根據料場地質條件和不同級配料的具體要求確定，選用高精度毫秒非電雷管“V”形起爆網絡，同時對邊坡開挖采用中小孔徑不耦合爆破等措施，以減小主爆孔爆破對邊坡的影響。此種合二為一的形式，不但可以達到庫盆開挖、料場開采爆破設計的要求，又能開采出符合壩料級配要求的石料。

5.2 石料合理級配開采的技術措施

5.2.1 炸藥和起爆器材、鉆孔設備

根據我國目前水利工地上已有的炸藥類型、規格和起爆材料在壩料開采中使用的情況可知:

a.φ70mm、φ90mm柱狀2號巖石乳化炸藥:炮孔利用率低，為不耦合裝藥，爆破壓縮圈小，只能作為一般塊石開采和普通的爆破開挖。

b.2號巖石粉狀炸藥，爆破威力較大，耦合裝藥炮孔利用率高，爆破效果較好，但不具備防水性能，因此在雨季和有水的鉆孔中可采用防水2號巖石銨油炸藥裝藥，這也是仙居電站大壩壩料開采的主要炸藥品種。采取全耦合裝藥，炮孔利用率高，爆破壓縮圈范圍較大，300mm以下塊徑石料含量明顯增加，尤其是P5含量可提高3%～5%。

c.普通導爆管起爆網絡安全性好，操作方便，起爆規模不受網絡本身的限制，但起爆時間間隔太長，且精度不高，容易發生盲炮。高精度非電雷管精度高，操作簡單方便，是巖石爆破及石料開采非常理想的起爆雷管。

d.中大孔徑深孔微差擠壓爆破是提高主、次堆石料和細堆石料的較好開采方法，能大幅度提高符合5mm以下粒徑的百分比，比較接近嚴格的設計包絡曲線，從鉆爆效率來看，主、次堆石料和細堆石料開采的鉆孔設備直徑不宜過小或過大，阿特拉斯ROC—D7型高風壓潛孔鉆機和露天液壓鉆機有較好的適應性和普遍性，直徑在89～138mm較為適宜。仙居石料開采鉆孔和裝藥設備，見表5。

表5 仙居石料開采鉆爆機械選型

5.2.2 孔網布置

a.在壩料開采爆破施工中，采用矩形布孔和梅花形布孔兩種布孔方式，為了藥量分布的均勻性和起爆順序起爆網絡的靈活性，建議密集系數(孔距/排距)為1.5～1.8較好。鉆孔角度75～90°，從實際鉆孔和爆破效果看，垂直孔便于控制，但傾斜孔(75～85°)的破碎效果較好，殘留炮埂較小。

b.前排抵抗線的大小對爆破效果的影響很大，也是保證爆破安全的重要因素之一。壩料開采爆破采用抵抗線為2.5～3.5m較為合適，但最小抵抗線不宜小于2.5m。合理的前排抵抗線一般與裝藥直徑成正比，一般取值約為20～30倍裝藥直徑，以保證爆破的安全和合理的壩料級配曲線。

5.2.3 梯段高度、超鉆和堵塞

梯段的高度受鉆孔精度、孔排距、炸藥及起爆材料的限制。壩料開采的理想梯段高度為12.5m左右，超鉆按抵抗線的0.20～0.40倍控制，一般為0.5～1.5m。

炮孔采用黏土或鉆孔巖粉封堵，堵塞長度約為藥卷直徑的25～30倍，嚴禁在堵孔內混有石塊或碎石，以免造成飛石傷害事故。在保證安全的條件下，堵塞長度宜盡量減小，現場按2.0～3.0m控制。堵塞長度大于3.0m的部分，采用小直徑的破碎藥包延長裝藥結構，以增加表層破碎效果，輔助藥包炸藥用量按公式Q=KL3計算，(式中K取0.08～0.1kg/m3，L為堵塞長度)，輔助藥包位置放在堵塞段2/3～1/2處。

5.2.4 裝藥結構

在壩料的開采爆破施工中，采用全耦合裝藥與不耦合裝藥、連續與間隔裝藥的方式。這兩種方式對比來看，全耦合裝藥方式的爆破效果明顯優于不耦合裝藥方式;在同一單耗情況下，耦合裝藥方式產生石料的特征是:粒徑小，均勻系數小，均勻系數的影響不是很大，但間隔裝藥操作困難，炮孔利用率低。

5.2.5 爆破規模與起爆方式

中大孔徑深孔梯段爆破全部采用毫秒微差爆破，包括排間和孔間兩種方式。起爆順序采用“V”形起爆、斜排起爆、直線起爆三種網絡方式。“V”形起爆、斜線起爆方式均可以成功起爆，爆堆較集中，差別不大。而梯段前堆渣進行微差擠壓爆破，其爆破能量得以充分利用，尤其爆后爆堆更集中，石料中的細顆粒含量明顯增加，是壩料爆破開采的優選方案。

壩料爆破每次孔數不宜超過50個，排數不宜超過5排，其規模控制在3000～5000m3范圍內。規模太小，細料的比例相對下降，而且影響上壩強度;規模過大，起爆單段藥量難以控制，增大爆破震動，會對高邊坡、附近居民和建筑物造成不良影響。

6 結論

采用中大孔徑深孔全耦合裝藥的爆破方案，開采大壩堆石級配料，具有經濟、高效等優點，因此，成為仙居電站大壩壩料開采的主要方法。現階段國內外對大壩堆石級配料爆破開采的研究和理論較多，但結合工程實際，運用操作存在較大偏差。本文結合山東泰安、響水澗開采爆破經驗，在改善開采的方式方法，提高石料級配質量，降低開采成本，確保施工工期等方面，作了初步的研究和嘗試

1 DL/T 5135—2001水利水電工程爆破施工技術規范［S］.

2 GB 6722—2003爆破安全規程［S］.