舟山綠色石化基地凝灰巖露天礦山靠幫邊坡爆破技術研究

丁銀貴(宏大爆破有限公司， 廣東 廣州 510623)

1 前言

舟山綠色石化基地是國家石油化工“十三五”規劃重點項目，是中國(浙江舟山)自由貿易試驗區建設的引擎，是舟山江海聯運服務中心發展的核心，位于浙江省舟山市岱山縣大小魚山島圍墾區，西鄰杭州灣，東鄰東海，北與上海國際航運中心洋山港毗鄰，背靠上海、杭州、寧波、舟山等大中城市，地理位置優越。

舟山綠色石化基地凝灰巖露天礦山是石化基地建設的重要組成部分，為大小魚山島圍墾區建設提供建設石料和施工用地，在整個石化基地建設中處于龍頭地位。

礦區為發育單一的火山碎屑巖，巖性為流紋質含角礫玻屑熔結凝灰巖。表層巖石風化嚴重，約10～30m厚，呈黃褐色，節理裂隙發育，結構松散，碎塊狀，物理力學性質差；下層巖石弱風化，呈青灰色，塑變結構，假流動構造，有少量斷層，發育節理少，巖石總體較為完整，但局部存在楔形體，易發生巖塊崩落等不良工程地質現象。巖石為普堅石，堅固性系數f=8～12。主要成份為塑變玻屑，其次為晶屑、角礫。

地下水主要有松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水兩種類型。區內松散巖類鉛厚較小，巖性為含碎石粉質黏土，透水性、富水性差，水量貧乏。節理雖較發育，但節理面平直、閉合，水的連通性差。地下水向下滲透的路徑不長，徑流量較小，邊坡部位未見泉水露頭，僅見少量滲水，基巖裂隙水也較為貧乏。地下水主要由大氣降雨補給，沿基巖裂隙向低處徑流。

礦區位于北亞熱帶南緣季風海洋型氣候區，常年溫和濕潤，冬暖夏涼，光照充足。年平均氣溫16.1℃，最冷1月份平均溫度5.5℃，最熱8月份平均氣溫26.9℃；年平均降雨量1 200mm，主要集中在梅季和夏秋臺風季節。日最大降水量246.3mm。年平均相對濕度80%。全年無霜期257天。全年盛行北風和東南風，其中，春夏季主導風向為東南風，冬季為偏北風，年均風速6.7m/s。

舟山綠色石化基地凝灰巖露天礦山共設置7處靠幫邊坡，邊坡周邊均有生活辦公臨建設施、交通運輸道路、供電通訊設施、石化煉化裝置等，施工環境復雜。靠幫邊坡周邊環境如圖1所示。

圖1 靠幫邊坡周邊環境圖

舟山綠色石化基地凝灰巖露天礦山設置靠幫邊坡共7處，分為3～4個臺階，臺階高均為15m，馬道寬度為4～6m。最上層臺階風化嚴重，節理裂隙發育，坡面角設置為1∶1.5(即坡面角為34°)；中間臺階風化中等，坡面角為1∶1(即坡面角為45°)；最下層臺階巖石風化較弱，坡面角設置為1∶0.75(即坡面角為53°)。

邊坡排水系統由截水溝、平臺排水溝、急流槽組成。截水溝設置于坡頂以外5m位置，梯形結構，規格(凈尺寸)為50cm(底寬)×120cm(頂寬)×50cm(深)；平臺排水溝設置于平臺中間，矩形結構，規格(凈尺寸)為：50cm(寬)×50cm(深)，平臺排水溝設置0.2%的排水坡度；急流槽設置于邊坡坡面上，矩形結構，規格(凈尺寸)為：80cm(寬)×60cm(深)，坡度與邊坡坡面坡度一致。靠幫邊坡布置如圖2所示。

2 靠幫邊坡預留孔底保護層緩沖爆破

根據靠幫邊坡設置要求，最上層邊坡坡面角較小(34°)，鉆孔效率低，且成孔質量較難控制，不宜采用光面(預裂)爆破。表層邊坡巖石風化嚴重，節理裂隙發育，結構松散，碎塊狀，物理力學性質差，為有效保護邊坡巖體，減少施工對邊坡巖體的破壞，最上層邊坡采用預留孔底保護層緩沖爆破，輔以機械破碎。

2.1 爆破參數及裝藥結構

1)爆破參數

(1)鉆孔直徑D。采用潛孔鉆機或液壓鉆機作業，孔徑D=115mm。

(2)臺階高度H。靠幫邊坡臺階高度H=15m。

圖2 靠幫邊坡布置圖

(3)預留保護層厚度h和鉆孔深度L。炮孔分5排布置，鉆孔角度均為90°，孔底至邊坡坡面預留1.0～1.5m厚的保護層，鉆孔深度每一排均不相同。第一排沿臺階坡腳線布置，預留保護層厚度為1.5m，鉆孔深度為13.5m；第二排距第一排4.5m，預留保護層厚度1.5m，鉆孔深度為10.5m；第三排距第二排4.0m，預留保護層厚度為1.2m，鉆孔深度為8.2m；第四排距第三排3.5m，預留保護層厚度為1.0m，鉆孔深度為6.0m；第五排距第四排3.0m，距坡頂線7.5m，預留保護層厚度為1.0m，鉆孔深度為4.0m[1-2]。

圖3 預留孔底保護層緩沖爆破爆破參數及裝藥結構

(4)孔間距a。同排炮孔間距相同，不同排炮孔間距不同，第一排孔間距a=5.0m，第二排孔間距a=4.5m，第三排孔間距a=4.0m，第四排孔間距a=3.5m，第五排孔間距a=3.0m。

(5)孔排距b。每兩排炮孔排距距均不相同，第一排、第二排間孔排距b=4.5m，第二排、第三排間孔排距b=4.0m，第三排、第四排間孔排距b=3.5m，第四排、第五排間孔排距b=3.0m。

(6)線裝藥密度Q線。耦合裝藥，線裝藥密度Q線=9.0kg/m。

(7)堵塞長度L堵。同排炮孔堵塞長度相同，不同排炮孔堵塞長度不同，第一排炮孔堵塞長度L堵=4.5m，第二排炮孔堵塞長度L堵=4.0m，第三排炮孔堵塞長度L堵=3.5m，第四排炮孔堵塞長度L堵=3.0m，第五排炮孔堵塞長度L堵=2.5m。

(8)藥卷直徑。采用藥卷直徑為90mm的成品乳化炸藥。

2)裝藥結構

采用藥卷直徑為90mm的成品乳化炸藥連續、耦合裝藥，兩個起爆藥包同時起爆，藥包位置安裝在炮孔內裝藥長度的1/4處和3/4處。

預留孔底保護層緩沖爆破爆破參數及裝藥結構如圖3所示。

2.2 起爆網路設計

靠幫邊坡預留孔底保護層緩沖爆破起爆網路采用逐孔起爆技術，孔內使用2發10段380ms非電導爆雷管，排間采用5段110ms非電導爆管雷管錯段，孔間采用3段50ms非電導爆管雷管錯段，同排錯段采用2段25ms非電導爆管雷管[3]。預留孔底保護層緩沖爆破起爆網路設計如圖4所示。

圖4 預留孔底保護層緩沖爆破起爆網路圖

2.3 爆破效果評價

爆破后邊坡眉線平直，未見明顯拉裂或爆破損傷，坡面上局部凸起的地方采用機械破碎二次處理，處理后符合設計要求；邊坡臺階高度、邊坡坡坡率、平臺馬道寬度等參數滿足設計要求；排水系統修筑按圖施工，現場規格參數與施工圖紙一致，滿足邊坡排水要求；邊坡坡面平整，坡面浮石清理較為干凈，邊坡整體穩定，未對邊坡外生態造成破壞，符合設計和施工要求；施工中對邊坡巖體保護得當，未發生邊坡變形、邊坡滑塌事件，局部地質條件不好的地方需后期進行邊坡防護。

預留孔底保護層緩沖爆破效果如圖5所示。本次爆破孔直徑為115mm，炮孔傾角53°，孔深約19.8m，孔距1.3m；乳化炸藥直徑32mm(0.2kg/節、20cm/節)。

圖5 預留孔底保護層緩沖爆破效果圖

3 靠幫邊坡光面(預裂)爆破

根據靠幫邊坡設置要求，中下層邊坡坡面角不小于45°，成孔質量有保證。巖石風化較弱，發育節理少，巖石總體較為完整，為有效保護邊坡巖體，采用光面(預裂)爆破開挖。

3.1 光面(預裂)孔爆破參數及裝藥結構

1)光面(預裂)孔爆破參數

(1)鉆孔直徑D。采用潛孔鉆機或液壓鉆機作業，孔徑D=115mm。

(2)臺階高度H和超深h。靠幫邊坡臺階高度H=15m，超深h取1m。

(3)鉆孔深度L。本工程中下層邊坡坡率為1∶1和1∶0.75兩種，根據鉆孔深度L=(H+h)/sinα可知，當邊坡坡率為1∶1時，鉆孔深度為22.6m；當邊坡坡率為1∶0.75時，鉆孔深度為20.0m。

(4)孔間距a[4-5]。根據經驗公式，孔間距一般取孔徑的8～12倍，即a=(8～12)D=0.92～1.38m，根據現場地質條件和巖性情況，本工程取a=1.3m。

(5)線裝藥密度Q線。根據地質勘察報告相關數據可知，邊坡中下層巖石抗壓強度σ壓平均值約為175MPa，Q線約為0.65kg/m。

(6)堵塞長度L堵。一般取1.5～3.0m，本工程取2m。

(7)藥卷直徑。本工程采用藥卷直徑為32mm的2#巖石乳化炸藥(單節藥卷長度0.2m，重量0.2kg)。

2)光面(預裂)孔裝藥結構設計

裝藥結構采用竹片、導爆索串聯間隔不耦合裝藥，炮孔裝藥分為三段：底部加強段、中間正常段和頂部減弱段。

(1)底部加強段。炮孔底部加強段長度約1～2m，線裝藥密度Q線底=(3～5)Q線=1.95～3.25kg/m，取Q線底=2.1kg/m。

(2)中間正常段。中間正常段裝藥密度0.65kg/m，間隔10cm。

(3)頂部減弱段。頂部減弱段為堵塞段以下3～4m，裝藥密度Q線頂=(2/3～1/2)Q線=0.43～0.33kg/m，取0.42kg/m，間隔25cm。

光面(預裂)爆破裝藥結構如圖6所示。

圖6 光面(預裂)爆破裝藥結構圖

3.2 主爆孔及緩沖孔孔網參數及裝藥結構

1)主爆孔孔網參數及裝藥結構

(1)孔網參數。主爆孔孔徑D=115mm，超深h=1.5m；鉆孔角度為80°，鉆孔深度L=16.8m；堵塞長度L堵=5.0m，線裝藥密度Q線=9.5kg/m，單孔裝藥量Q=112.1kg；孔網參數(孔距×排距)為5.0m×4.0m。

圖7 主爆孔裝藥結構

(2)裝藥結構。根據自由面情況采用連續、不耦合(孔徑115mm，炸藥直徑90mm和直徑70mm)裝藥結構；兩個起爆藥包位置一般安裝在炮孔內裝藥長度的1/4處和3/4處。當第一排孔自由面變化較大，最小抵抗線明顯有局部不能滿足設計要求時，采用間隔裝藥，避免產生飛散物，孔口以炮泥或巖粉堵塞密實，具體如圖7所示。

2)緩沖孔孔網參數及裝藥結構

(1)孔網參數。緩沖孔孔徑D=115mm，超深h=1.5m；鉆孔角度為80°，鉆孔深度L=16.8m；堵塞長度L堵=5.0m，線裝藥密度Q線=6.0kg/m，單孔裝藥量Q=112.1kg；孔距為4.0m，與主爆孔排距為4.0m，與光面(預裂)孔排距為3.0m。

(2)裝藥結構。采用分段裝藥結構，不耦合裝藥結構，裝藥主要分為三段，孔底加強段長3.0m，采用耦合裝藥結構；中間段長4.4m，采用不耦合裝藥結構，炸藥直徑90mm吊裝；頂部減弱段長4.4m，采用不耦合裝藥結構，炸藥直徑70mm吊裝。起爆藥包位置與主爆孔一致。

3.3 起爆網路設計

1)光面爆破

孔內使用2發10段380ms非電導爆雷管，同排炮孔分組起爆，主爆孔每排4～5個炮孔為一組，緩沖孔每排5～6個炮孔為一組，光爆孔每排15～19個炮孔為一組，每排炮孔組間采用3段50ms非電導爆雷管錯段。不同排炮孔排間錯段起爆，雷管錯段采用5段110ms。主爆孔緩沖孔內裝不少于2發10段380ms非電導爆雷管，每排炮孔4～5個孔為一組，組間采用3段50ms非電導爆雷管錯段，排間采用5段110ms雷管錯段。起爆網路設計如圖8所示。

2)預裂爆破

預裂爆破孔在主爆區爆破之前沿設計輪廓線先爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫，以緩沖、反射開挖爆破的振動波，控制其對保留巖體的破壞影響，使之獲得較平整的開挖輪廓。預裂爆破采用導爆索進行孔外傳爆和孔內起爆，根據爆破有害效應控制要求進行分組起爆，每組起爆35～40個炮孔，組間采用2段25ms延時雷管分段起爆[6]。起爆網路設計如圖9所示。

圖8 光面爆破起爆網路

圖9 預裂爆破起爆網路

3.4 爆破效果評價

爆破后邊坡眉線平直，未見明顯拉裂或爆破損傷，邊坡臺階高度、邊坡坡坡率、平臺馬道寬度等參數滿足設計要求；排水系統修筑按圖施工，現場規格參數與施工圖紙一致，滿足邊坡排水要求；施工中對邊坡巖體保護得當，邊坡坡面平整，未發生邊坡變形、邊坡滑塌事件，未對邊坡外生態造成破壞，符合設計和施工要求。

光面(預裂)爆破區域巖石風化中等，節理裂隙中等發育到不發育，巖石總體較為完整。節理裂隙中等發育時，開挖壁面上的炮孔痕跡率者約70%～75%；節理裂隙不發育時，開挖壁面上的炮孔痕跡率者約85%～90%；圍巖壁面沒有明顯的爆生裂隙，圍巖壁面不平整度在±10cm以內。

4 結論

舟山綠色石化基地凝灰巖露天礦山靠幫邊坡地質變化大，風化程度不一，節理裂隙發育程度不均，邊坡坡率變化大(1∶0.75～1∶1.5)，坡面角為34°～53°。為有效保護邊坡巖體，根據邊坡坡率、風化程度、節理裂隙發育程度等采用預留孔底保護層緩沖爆破、光面(預裂)爆破。爆破后坡面平整，眉線滿足設計要求，未見明顯拉裂或爆破損傷，坡面沒有明顯的爆生裂隙，邊坡穩定，未發生邊坡變形、邊坡滑塌事件，也未對邊坡外生態造成破壞，取得了較好的經濟效益和社會效益，對以后類似邊坡的施工具有一定的指導意義。