輝綠巖人工骨料開采爆破技術(shù)

李 剛,李玉凡

(中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710024)

0 前 言

隨著世界各國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，混凝土使用量快速上升，占混凝土80%左右的砂石骨料用量巨大，僅在中國的年用量就遠(yuǎn)超過百億噸。由于天然骨料儲量不足，開采時破壞生態(tài)環(huán)境，因此使用人工骨料的占比高達(dá)90%。石灰?guī)r、砂巖、花崗巖等作為人工骨料的爆破開采技術(shù)已有介紹，而輝綠巖人工骨料開采還鮮有介紹。非洲幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂水電站選用輝綠巖料場，經(jīng)現(xiàn)場不斷爆破試驗，優(yōu)化調(diào)整，找到了合適的爆破參數(shù)，值得同類工程借鑒。

1 工程概況

蘇阿皮蒂水電站位于非洲幾內(nèi)亞孔庫雷河中游，規(guī)模為大(1)型，總裝機(jī)容量450 MW，混凝土總量350萬m3，需砂石骨料約378萬m3，毛料開采約430萬m3，附近天然骨料匱乏，全部采用人工骨料，料源為大壩下游2.4 km的左岸輝綠巖料場。料場山勢平緩，兩側(cè)沖溝切割較深，開采高程為155.00～217.00 m，巖體微風(fēng)化或新鮮，呈深灰、青灰色，塊狀結(jié)構(gòu)，水平構(gòu)造，主要礦物成份為輝石、斜長石，致密堅硬，具體輝綠巖實測密度及抗壓強(qiáng)度見表1。料場高峰期月開采強(qiáng)度26萬m3，爆破粒徑要求不大于80 cm。

表1 輝綠巖實測密度及抗壓強(qiáng)度表

2 初期開采

前期料場爆破孔徑120 mm，臺階高度10 m，為消除根底，超深2 m,孔深12 m，單耗藥量選為0.45 kg/m3，間距4 m，排距3 m，封堵3 m，耦合間隔2 m裝藥，有效裝藥長度7 m,毫秒雷管分段起爆，最大單響藥量600 kg。爆破后發(fā)現(xiàn)以下問題：① 單次爆破規(guī)模小，毛料供應(yīng)無法滿足骨料加工需要；② 炮孔利用率低，僅有58%；③ 爆破后大塊率高，約35%；④ 爆破后沖破壞明顯，保留巖體節(jié)理、裂隙和水平層面張開，對下一循環(huán)爆破影響較大。

3 解決思路

針對初期開采遇到的問題，解決思路如下：① 通過優(yōu)化爆破網(wǎng)路，在控制最大單響藥量的條件下，增大單次爆破規(guī)模，提高毛料供應(yīng)能力。② 采用小直徑爆破孔，耦合連續(xù)裝藥，提高炮孔利用率。③ 從火工材料、鉆孔方向、炮孔間排距、微差起爆、單耗藥量等方面進(jìn)行爆破技術(shù)優(yōu)化，提高爆破質(zhì)量，降低大塊率；④ 控制后排爆破減少爆破后沖破壞。

4 爆破優(yōu)化

4.1 鉆孔

(1) 孔徑：輝綠巖巖體堅硬，最大抗壓強(qiáng)度達(dá)170 MPa，可鉆性差，120 mm大直徑爆破孔鉆進(jìn)速度慢，且需要分段間隔裝藥，藥量集中，工序多，孔口封堵段長，炮孔利用率低，施工速度慢，在孔口和間隔位置又容易出現(xiàn)大塊。用小直徑爆破孔，既能加快鉆孔速度，又能耦合連續(xù)裝藥，減少工序，減短孔口封堵長度，提高炮孔利用率，降低大塊率。經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗，爆破孔用阿特拉斯D7液壓鉆機(jī)，鉆頭直徑78 mm，鉆孔擴(kuò)大系數(shù)1.15，成孔直徑90 mm。

(2) 孔向:考慮輝綠巖巖層接近水平，當(dāng)?shù)劂@工技術(shù)水平不高，鉆孔方向選用垂直向下，垂直鉆孔精度宜控制，不易發(fā)生偏差，鉆進(jìn)速度快，爆破能量不會順?biāo)綄用鎿p失利用率高，能提高料場巖體破碎效果。

(3) 孔深:垂直孔孔深為臺階高度加超深，臺階高度根據(jù)巖性、地形、道路、鉆孔機(jī)械和挖裝機(jī)械性能等綜合因素，選臺階高度為10 m，超深2 m,孔深為12 m。

(4) 孔間、排距:大孔距、小排距可增大爆破漏斗角，形成弧形自由面，為巖石受拉伸破壞創(chuàng)造有利條件；能防止爆炸氣體從相鄰炮孔間裂隙散逸，提高爆破能量利用率；能減弱炮孔間應(yīng)力疊加作用，使單孔的徑向裂隙、環(huán)向裂隙充分張開，提高巖石的破碎質(zhì)量；能提高巖體推移破碎能量，使巖塊相互碰撞，增強(qiáng)輔助破碎作用。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，再結(jié)合初期炮孔間、排距經(jīng)驗，炮孔間距4 m、排距2 m。鉆孔剖面見圖1。

圖1 鉆孔剖面圖

4.2 火工材料

圖2 水膠炸藥圖

開采初期所有火工材料全部采用國產(chǎn)，由國內(nèi)集中采購，然后運(yùn)至施工現(xiàn)場，炸藥采用散裝2號巖石硝銨炸藥和乳化炸藥，保質(zhì)期12個月，采購+運(yùn)輸時間6個月，運(yùn)至工地后僅有6個月保質(zhì)期，幾內(nèi)亞國氣候炎熱，超過保質(zhì)期后，多次出現(xiàn)拒爆。經(jīng)市場調(diào)查，該國市場有西班牙和法國火工材料銷售，價格與國產(chǎn)火工材料基本相同，但炸藥保質(zhì)期為24個月，運(yùn)輸+采購時間為3個月。后選購西班牙火工材料(見圖2)，由于散裝硝銨炸藥裝填困難，炸藥選用卷狀水膠炸藥，裝藥簡便迅速；毫秒導(dǎo)爆管雷管與導(dǎo)爆索連接為卡扣式聯(lián)接(見圖3、4)，聯(lián)網(wǎng)迅速，比國產(chǎn)綁扎速度提高2倍以上。

圖3 毫秒導(dǎo)爆管雷管圖

圖4 毫秒延時連接塊圖

4.3 裝藥

依據(jù)初期實際爆破參數(shù)，查閱相關(guān)資料，料場開采單耗藥量調(diào)整為0.64 kg/m3，單孔藥量51.2 kg。采用?70 mm水膠炸藥，單節(jié)長度50 cm，炸藥密度1.25 g/cm3，單節(jié)藥重2.4 kg/節(jié)，孔底1 m范圍，裝5節(jié)劃開外包HDPE包裝膜的炸藥，耦合裝藥，延米裝藥8 kg，上部9 m，連續(xù)裝18節(jié)包裝完整的?70 mm水膠炸藥，孔口封堵長度2 m。裝藥結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)圖

4.4 爆破網(wǎng)路

爆破網(wǎng)路采用微差爆破，前排孔爆破時產(chǎn)生的短裂隙有利于后排孔爆破時對孔間巖石的破碎，可提高破碎質(zhì)量。孔內(nèi)炸藥用導(dǎo)爆索至孔底起爆，保證孔內(nèi)炸藥完全起爆。爆破網(wǎng)路采用高段位MS22(延時900 ms)孔內(nèi)延時，用100 ms連接塊排間延時，為保證最大單響藥量不超過600 kg，同排間爆破孔用42 ms連接塊延時間隔，控制最大單響藥量，一次起爆孔數(shù)不超過11個。具體爆破網(wǎng)路見爆破孔布置及爆破網(wǎng)路(見圖6)。起爆規(guī)模可根據(jù)需要，加大單次起爆孔數(shù)。該起爆網(wǎng)路具有起爆可靠，安全有保障，雷管段位少，易于采購和存儲，現(xiàn)場操作簡單，可實現(xiàn)快速聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 爆破網(wǎng)路示意圖

4.5 采區(qū)寬度

良好的臨空面是保證爆破質(zhì)量的關(guān)鍵因素，單次爆破選擇合理的采取寬度，能保證爆破質(zhì)量，提高石碴挖運(yùn)速度，可為下一循環(huán)爆破創(chuàng)造良好的臨空面。參照初期爆破經(jīng)驗和查閱相關(guān)資料，寬度選擇在0.8～1.2倍的梯段高度效果較好，實際爆破中寬度選為與梯段高度相等，即10 m。

4.6 后排控制

初期開采爆破后沖未控制，后部保留巖體弱結(jié)構(gòu)面張開，在臨空面處較易形成大塊。為保護(hù)下一循環(huán)巖體結(jié)構(gòu)完整，給爆破提供一個優(yōu)質(zhì)的臨空面，最后一排孔需要采取控制措施，降低后沖作用。在開采區(qū)內(nèi)最后一排孔排距2 m、孔距2 m，不耦合連續(xù)裝藥，孔底2 m范圍加強(qiáng)2倍裝藥，藥卷為?40 mm水膠炸藥，不耦合系數(shù)2.25，單孔藥量為25 kg/孔。在料場開挖輪廓線位置采用光面爆破，孔距1.2 m，底部加強(qiáng)裝藥，藥卷采用?32 mm水膠炸藥，間隔裝藥，線裝藥密度450 g/m。

5 爆破效果

(1) 經(jīng)過爆破技術(shù)優(yōu)化，降低了鉆孔難度，提高了炮孔利用率，將初期58%的利用率提高至83%，節(jié)約鉆孔時間30%以上。

(2) 簡化了火工材料采購和雷管分發(fā)操作，加快了爆破網(wǎng)路連接速度，提高了爆破作業(yè)效率和毛料開采速度。

(3) 爆破巖體大塊率(粒徑≥80cm)明顯降低，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，大塊率從初期的40%降至5%左右。

(4) 爆破后底板平整，無明顯殘留埂坎。后沖破壞得到有效控制，保留巖體基本完整，臨空面處大塊石明顯減少。爆破效果見圖7。

(5) 增大了單次爆破規(guī)模，提高了月毛料供應(yīng)量，單次起爆規(guī)模可達(dá)2萬m3/次，月毛料供應(yīng)量達(dá)到21萬m3/月。

6 結(jié) 語

圖7 現(xiàn)場爆破效果照片

(1) 經(jīng)過現(xiàn)場爆破實踐，對于抗壓強(qiáng)度高、韌性好、可鉆性差的輝綠巖料場開采，采用小孔徑、全孔耦合均勻裝藥、大孔距、小排距、梅花形布孔、微差起爆網(wǎng)路等爆破技術(shù)，將大塊率從40%降至5%左右，既可提高開采速度，又能降低了開采成本。

(2) 料場經(jīng)過近6個月的爆破開采，有用料累計開挖80萬m3，各項爆破參數(shù)通過優(yōu)化調(diào)整，已實用合理，料場毛料供應(yīng)強(qiáng)度已滿足工程要求，開采成本下降，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，為主體混凝土施工提供了保障，值得類似工程借鑒。