復雜環境下礦山爆破振動及成本有效控制

張 勛,黃 楠

(江蘇省礦業工程集團有限公司,江蘇 徐州221000)

1 工程概況

大孤山廢棄礦山占地面積約0.21 km2,東側為廢棄宕口,距離孤山小區約107 m；南側為九里山西路,在九里山西路北側有一道10 kV輸電線路(距離約21 m),在九里山西路南側有110 kV和220 kV高壓輸電線路(距離約57 m),距離玉潭花溪小區北側圍墻約71 m；西側距離防空洞洞口約8 m,距離省煤炭二處鋼結構廠房約33 m；北側距離城市花園小區約30 m。原始地面高程最高為88.0 m,最低為37.1 m,設計高程為40.5 m。根據設計和勘查,石方總量約為94.82萬m3。大孤山治理工程衛星圖如圖1所示。

圖1 大孤山治理工程衛星地圖

2 爆破施工技術設計

2.1 火工品

采用數碼電子雷管?70 mm,2#巖石乳化炸藥。

2.2 基巖爆破參數

1)鉆孔直徑。采用液壓鉆機鉆孔,孔徑為90 mm。

2)布孔形式。采用方形布孔,爆破孔位布置如圖2所示。

3)孔網參數。

孔網參數的選擇主要與巖石的性質、炮孔直徑、孔深和排數有關,合理的孔網參數能有效提高爆破效果,降低爆破振動強度。

以10 m孔深為例,把選取的孔網參數與類似工程——山東棗荷高速山體爆破工程項目作對比。為方便表述,山東棗荷高速山體爆破工程方案簡稱“棗荷高速”,大孤山項目爆破設計方案簡稱“大孤山”。兩方案的孔網參數對比情況見表1。通過對比,“大孤山”比“棗荷高速”單孔爆破方量增加約22%。

表1 兩方案的孔網參數對比

4)單耗計算。

以10 m孔深為例,采取延米裝藥,“棗荷高速”采用?70 mm 2#巖石乳化炸藥自由落體方式裝藥,“大孤山”采用罐籠吊裝,單耗對比情況見表2。通過對比,“大孤山”比“棗荷高速”單耗降低16.7%。

表2 兩方案的單耗對比

2.3 裝藥結構

為減少飛石,采用正向起爆方式,將起爆雷管放置在炸藥藥柱的上端。罐籠吊裝下連續裝藥,具體裝藥結構如圖3所示。

圖3 “大孤山”裝藥結構

2.4 起爆網路與起爆方法

起爆網絡采用微差逐孔爆破,延期間隔為50 ms。后一段起爆深孔周圍的反射拉伸應力波與前一段起爆孔產生的反射拉伸應力波互相疊加,影響較大,為減弱爆破地震波,降低疊加影響,將一次爆破藥量分成多段微差爆破。微差爆破前后相鄰段炮孔爆破時間間隔極短,可使各炮孔爆破產生的能量場相互影響,既可以提高爆破效果,又可以減少爆破地震效應[1-4]。毫秒微差爆破段數越多,能使前后起爆的炸藥量產生的地震波主振越不重疊,前后起爆產生的地震波互相干擾越大,降振效果越明顯。

3 安全設計

為有效減少振動,在爆破地震波前沖方向,如山體東側、南側,預先鉆1排或2排密集的減振孔,或采用預裂爆破形成一定寬度的預裂縫和預開挖減振溝,當一部分爆破地震波傳遞到減振孔時,面波在經過孔口時停止傳播。大孤山項目在爆破前沖方向預先鉆2排孔距為2 m,排距為4 m,孔深為12 m的減振孔,并采用梅花眼布孔減弱地震波的傳遞。

3.1 地震波安全距離

爆破振動安全允許距離計算公式[5-6]為:

式中:R為爆破振動安全允許距離,m；V為保護對象所在地安全允許質點振速,cm/s；Q為炸藥量,延時爆破為最大單段藥量,kg；K為與爆破場地有關的系數；α為與地質條件有關的系數。

根據地勘材料,該工程巖石強度較高,為中等偏硬巖石。根據《爆破安全規程》[7]選取K=160,α=1.6。

3.1.1 地震波對一般建筑物的影響

工程周邊的建筑物主要為北側城市花園小區民房、東側孤山小區民房、南側玉潭花溪小區民房和西側一處待拆除建筑、防空洞、省煤炭二處廠房。根據《爆破安全規程》選取對應的V值(為增加安全系數,取下限),計算各種情況對應的Q值。方案設計的是逐孔起爆,單孔裝藥量即單段裝藥量,將計算出的Q值與設計方案深孔爆破的最大單段裝藥量(Qmax)進行比較。具體情況見表3。

表3 地震波對一般建筑物的影響

根據表3,如果Q＞Qmax,按照設計的最大臺階施工；如果Qmax＞Q,可降低臺階高度控制單段藥量,通過此措施確保爆破施工產生的地震波不會對周圍建筑物產生危害。

3.1.2 地震波對電力設施的影響

工程周邊的電力設施為南側10 kV輸電線路(桿式基礎)、110 kV和220 kV高壓輸電線路(塔式基礎)。根據GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》中“輸電線路桿塔和基礎抗震設防烈度應采用當地的基本地震烈度”的規定,徐州地區地震設防烈度為7級,相當于爆破振動速度6.0～12.0 cm/s,在考慮正常無損輸電線路運營的前提下,擬選擇2 cm/s作為此次輸電線路的控制標準。具體情況見表4。

表4 地震波對電力設施的影響

由表4可得,Q＞Qmax,因此,該爆破施工產生的地震波不會對周圍電力設施產生危害。為避免爆破地震波疊加效應,應控制爆破規模,此次工程深孔爆破控制一次爆破總藥量在2.5 t以下。

3.2 振速監測數據

經實測,兩種方案的振速對比見表5。通過對比,“大孤山”比“棗荷高速”振速降低約20%。

表5 兩方案的實測振速對比

3.3 爆破飛石距離

根據Lundborg的統計規律,結合工程實踐經驗,炮孔爆破飛石距離根據式(2)計算。

式中:Kt為爆破方式、填塞長度、地質和地形條件有關的系數,取1.0～1.5；q為炸藥單耗,kg/m3；D為炮孔直徑,mm。

深孔爆破中q=0.30 kg/m3,D=90 mm,為增加安全系數,Kt取值1.5,此時Rf=40.5 m。本工程中,深孔爆破區域距離輸電線路最近距離為55 m,大于40.5 m,故深孔爆破飛石不會對輸電線路造成影響。同時,施工方案規劃中選定了安全的爆破方向和開挖順序,能有效避免飛石對周邊建(構)筑物的影響。

4 爆破效果

上述施工方案節省了炸藥雷管使用量,減少了綜合鉆孔深度,節省了大量的人力、物力和工作時間,且振動得到有效控制。爆破后石塊塊度適中,適合挖運,爆破效果良好。

5 成本核算

核算施工方案的實際成本,兩種方案的成本對比見表6。

表6 兩方案的成本對比

“棗荷高速”與“大孤山”對比,炸藥單價5 309元/t,節省炸藥費用為47.41×5 309=251 700元；7 m雷管單價18.58元,節省雷管費用為1 300×18.58=24 154元；鉆孔單價18元/m,節省鉆孔費用為13 122×18=236 196元。綜合計算,按照本方案施工,預計節省費用512 050元。

6 結語

在大孤山項目中,通過合理控制總藥量、最大單孔裝藥量、孔排距和排間微差時間,設置減振孔等方案,有效控制了爆破振動,節省了人力物力。