鳳凰磯石廠大跨度溶洞頂部爆破拆除

李 勇

（中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000）

1 溶洞地質概況

鳳凰磯石廠大跨度溶洞區大地構造背景屬于揚子準地臺沿江拱斷褶帶的安慶凹斷褶皺區。溶洞外貌及斷面結構如圖1、圖2 所示。溶洞區位于桃沖向斜構造的西端之核部,呈單斜構造,總體走向310°,傾向南西,傾角為45°～60°。區內斷裂構造不甚發育,在南側僅有一條斷層(下山鋪—陰邊徐斷層),長約5 km,工區內長度小于1 km,呈弧形分布,斷層面向南傾斜,斷層破碎帶變化較大。近斷層處節理裂隙較發育,主要由近東西向(270°～290°)及北東向(30°～50°)兩組節理。節理多呈鋸齒狀,常有方解石、泥質充填。工區內未見巖漿巖及巖脈分布。溶洞位于山丘上部,頂部覆蓋層厚度為17～48 m。

圖1 溶洞外貌

圖2 溶洞跨度最大的斷面結構

2 溶洞整體穩定性分析

根據GB 50218—1994《工程巖體分級標準》,石灰巖單軸抗壓強度為30 MPa,巖體內發育3 組節理,石灰巖巖體質量等級為Ⅳ級,洞頂破碎巖體為Ⅴ級。巖土體物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數取值

計算采用美國Itasca 咨詢集團公司開發的快速拉格朗日分析軟件(FLAC)進行地下洞室穩定性的數值模擬分析,計算時巖體采用Mohr-Column 屈服準則。根據巖土體物理力學參數對跨度為40 m,厚度為25 m 進行數值模擬計算,結果如圖3所示。

圖3 洞頂巖體厚25 m 時巖體垂直位移等值線圖(左圖為加載,右圖為無外部荷載)

由圖3 可得,洞室內部巖體發生坍塌,地表巖體垂直沉降考慮外力時為20～30 cm,不考慮外力時為15～20 cm,表明外部荷載對地表巖體穩定性影響不大,地表巖體基本穩定;洞頂巖體的位移值從中間向兩邊遞減,表明中部巖體容易破壞。

3 方案設計

3.1 設計原則

根據溶洞地形地質條件,最穩妥的處置方案,是將溶洞頂部一次性爆破拆除,但是,一次性爆破的炸藥用量達到48 t,遠遠超過當地一次性炸藥供應不超過3 t 的藥量限制且塌落振動的危害難以控制[1-3]。因此,在綜合考慮后確定總體方案。

根據溶洞穹頂的地質結構,溶洞最危險的部分是溶洞頂部中間部分的“穹頂區”,考慮一定的安全余量,不是沿著整個溶洞的范圍劃分爆區,而是沿著厚度為30 m 的一線進行劃分,將溶洞頂部巖體分為兩大部分。中部薄弱的“穹頂區”(圖4 中藍色實線與洞口邊線所包圍的區域)和周邊厚度較大、比較堅實的部分,溶洞排險主要處理溶洞頂部中部“穹頂破碎區”。從洞口方向沿CD 軸線由外向內分段進行爆破,按照一次爆破消耗炸藥3 t、單耗0.4 kg/m3進行設計,一次爆破的方量約為7 500 m3,只需要進行6 次爆破就可以將洞頂薄弱的部分爆破排除,這樣溶洞的險情也能基本解除。按照平行于洞口邊線的方式向內部推進,采用這種方式保證了爆破有上、前、下3 個自由面,也方便了人員施工操作。圖4 中藍色虛線表示爆區的劃分,第一個爆區的巖體平均厚度較小,可推進9 m 左右。第二個爆區推進8 m 左右,第三、四、五、六爆區每次推進6 m 左右。

圖4 溶洞結構劃分

3.2 爆破參數

爆破時采用垂直鉆孔、矩形布孔、耦合連續裝藥,填塞長度原則上不小于前排最小抵抗線[4-7]。采用密度為1 050 kg/m3、爆速為5 000 m/s 的乳化炸藥,巖石介質的密度為2.5 g/m3,應力波波速為6 000 m/s,泊松比為0.225,巖石抗拉強度為15 MPa。

①孔徑:D=90 mm;

②炮孔深度l:根據溶洞地形測量成果和藥孔下部最小抵抗線確定l=h-W底;

③孔距:a=3 m;

④前排抵抗線:W=2.5 m;

⑤孔底部最小抵抗線:W底=2.0～2.5 m;

⑥排距:b=4.0 m;

⑦單耗藥量:q=0.35～0.40 kg/m3;

⑧單孔藥量:單排孔或多排孔爆破的第一排孔每孔藥量按Q=qaWh計算;多排孔爆破時,從第二排孔起以后各排孔的每孔藥量按Q=Kqabh計算,其中,K為前面各排孔巖石阻力作用系數,一般取1.1～1.2;

⑨填塞長度:LT=2.5～3.5 m。

3.3 爆破網路

為有效地控制飛石和塌落振動,采用孔間微差起爆的方法進行控制,每排中間部分的炮孔最先起爆,然后向兩側推進,采取毫秒延期雷管進行延期控制,如圖5 所示,孔間微差時間為25 ms。為了保證可靠起爆,每個炮孔在孔底和裝藥上部同時起爆。同時為了減少外界雜散電流、感應電流、射頻電流等可能引起的早爆或誤爆事故,采用非電復式導爆管起爆網絡,導爆管與導爆管之間用四通連接件相連[8-10]。

圖5 炮孔起爆順序

4 多孔延時起爆數值模擬

主要計算兩排孔爆破時的破巖過程,分析前排孔能否完全破壞前面的巖體及后排孔對下一個爆區巖體的影響。

4.1 計算模型

模擬時不再考慮裝藥端部的影響,主要模擬裝藥主體部分的爆破效果。根據評審方案,孔間距取3 m,排距取4 m,孔徑取9 cm,前排孔距邊線的距離為2.5 m,后排孔和每排孔的邊緣孔各向后延展5 m。

4.2 破壞范圍計算結果

圖6 至圖8 為兩排孔同時起爆開始到爆破空腔形成及裂隙范圍穩定的計算結果。

圖6 第一段裝藥起爆

圖7 第三段裝藥起爆

圖8 最終破壞狀況

由圖可得,直徑為90 mm 的炮孔采用乳化炸藥,在不考慮端部效應的前提下,采用設計的延時方案,對后部巖體的有效破壞范圍在3.2 m 左右,微裂隙的擴散范圍可以達到4.2 m 以上,對自由面附近的巖體的破壞范圍可以達到4.6 m,微裂隙的范圍可以達到5 m 以上,孔間和兩排炮孔之間的巖體能夠充分破碎。

5 爆破效果

通過對整個起爆倒塌過程錄像的慢放,可以明顯地看到起爆后中間巖體先下沉,然后兩側隨之坍塌。圖9 為溶洞爆破后的效果。從圖中白色豎線可以看出巖體基本是沿著炮眼爆破塌落,對后續爆破的巖體擾動很小。整個爆破振動小,空氣沖擊波強度弱,幾乎無飛石,四周的建筑物和構筑物未受到破壞。爆破倒塌的位置、方向、范圍、高度、破碎的塊度及爆破的安全性等,都達到了預期的效果,與模擬結果基本符合。

圖9 溶洞爆破后的效果

6 結語

1)大跨度洞室地質情況復雜,存在一定的危險性,在設計方案之前先進行穩定性分析和爆破數值模擬,科學地優化施工設計方案,可以保證爆破方案的經濟性、安全性和實效性。

2)通過爆破數值模擬和爆破效果分析,大跨度溶洞爆破拆除采用孔間微差爆破方法,既可以按照預定目標完成爆破,又降低了對洞頂巖體的擾動,大大減少了巖體應力場重分布及巖體穩定時間,確保后續施工安全,加快施工進度。