深孔爆破技术在不规则台阶中的应用

周咸领,于绪杰,赵 君,王维良,丁 高,宋艺云,陈明明

(1.福建省福宁建设集团有限公司,福建 宁德 352000;2. 浙江恒荣建设工程有限公司,浙江 宁波 315800;3.中国矿业大学外国语言文化学院，江苏 徐州 221008)

公路、铁路、水电、核电及建筑等基坑开挖工程经常遇到不规则台阶或者低台阶，大多数施工单位对于低于5 m的台阶采用浅孔爆破施工，5 m以上的台阶采取深孔爆破方法施工。由于施工中使用手动凿岩机人工钻孔，存在台阶高度浅、每次方量小、工期长、效率低的现象，使本来较短的施工工期更为紧张，为此，笔者提出了不规则台阶爆破施工采用多排深孔延时爆破方法。

国内个别工程较为成功使用的大孔径低台阶爆破施工，多数填塞长度小于其孔、排距,需要做被动防护措施[1-2]。纪旭[3]在页岩、砂岩(f值较低)开采中采取大孔径浅台阶控制爆破较为成功。何松[4]提出了深孔结合浅孔松动延时爆破技术，但低台阶依然采取孔径小于50 mm进行钻孔施工。综上并考虑现有钻进设备，本项目施工中采取φ90 mm深孔爆破技术一次性处理台阶高度3～10 m不规则岩体。大孔径低台阶爆破缺乏理论依据，可参考高文学[5]多边界石方爆破药量计算原理和采用鲍列斯阔夫公式来验证装药量的可行性。

对于孔、排数较多的爆破区域，使用Exel高精度导爆管雷管或者电子数码雷管起爆系统较为科学，如文献[6-7]较为成功的使用了高精度雷管城区复杂环境大区的深孔爆破技术和电子数码雷管在铁矿采场爆破。高精度非电雷管和数码雷管价格较高，本工程暂未使用，只能利用现购第一系列非电导爆管雷管进行组网。露天台阶爆破深孔延时爆破，排间延时间隔在100 ms左右基本合理[8-10],现有雷管可以使用。

1 工程概况

本工程属于垦造水田项目，多数地段为以前采矿留下的台阶，局部位置极不规则，爆破总方量约240万m3，开挖高度2～55 m，基岩为沉积岩，普氏硬度系数为f=8～10。

整个工程爆破区域边界距南侧最近民房约200 m；距西侧多栋民房最近约100 m；距西北侧三栋民房最近约72 m；距西南侧1 125线35 kV高压线最近水平距离约315 m；西北侧约80 m有一个废弃禽舍；北偏西约175 m有一处废弃民房；距北侧多栋民房最近约200 m；距东侧一栋民房约105 m，距东南侧民房最近约140 m。本次爆破区域距离民房最近175 m。

距离保护物100 m内为禁爆区，采取机械开挖，设计爆破单次总装药量≤3 000 kg；最近保护点振动速度≤1.5 cm/s；最大单响药量控制在≤175 kg；飞石控制≤72 m。根据《爆破安全规程》[11]规定，本工程爆破等级为C级岩土爆破。

因为本次爆破作业区域面积约520 m2，台阶高低不平，所以有一定的施工难度。

1)原来开采遗留的台阶不少位置高低不平，需要挖机平整后钻机才能行走；钻孔位置需要避开填方超过50 cm的位置，布孔和钻孔难度较大；台阶的西侧(E9～E11孔位置南侧)钻机无法行走，需要打倾斜孔。

2)工期紧张，5 m以下台阶全部使用浅孔爆破，工期不允许，深孔爆破应用在3～5 m台阶国内外参考案例较少。

3)已购买雷管段别有限。目前仅有MS3段5 m、MS5段7 m、MS9段15 m、MS10段15 m、MS11段15 m 的非电导爆管雷管，因雷管有系统误差，组网困难且容易重段。

4)炮孔数较多，用MS9段雷管进行分区接力，因延时时间较长(310 ms)，容易破坏后面几排网路。

2 爆破方案

1)方案1。爆破区域低于5 m台阶采取浅孔台阶爆破施工，高于5 m台阶采取深孔爆破施工。优点：台阶平整度较好，爆破有害效应容易控制；缺点：浅孔台阶爆破采用手动凿岩机人工钻孔，台阶高度浅，每次方量小，工期长，效率低，无法满足工期要求。

2)方案2。爆破区域低于5 m台阶统一超深50 mm后，采取φ90 mm钻机进行爆破施工。优点：台阶平整度较好，施工进度较快；缺点：很难有效控制其产生的爆破飞散物、噪声、烟尘等有害效应。

国内运用该方案缺乏理论依据且成功案例较少，也有岩石普氏系数较低时的成功运用案例，但多数填塞长度小于其孔、排距,需要做大量的被动防护措施。

3)方案3。3～5 m台阶全部采取φ90 mm孔径潜钻机统一超深2 m进行钻孔，采取深孔松动爆破技术进行施工。优点：施工速度快且符合《爆破安全规程》[11]对深孔的界定，钻孔最少；缺点：爆破有害效应控制难度介于方案1和方案2之间。

综合以上方案，方案3钻孔最少，施工速度最快，爆破有害因素也能有效控制。不规则台阶超深2 m之后并非项目场平最终标高，经和业主及安全监理沟通后同意采用方案3进行爆破施工。

3 爆破参数设计

由于巴隆公式不适用国内露天爆破，在给定孔径的情况下最小抵抗线可根据以下公式计算[12]：

W=Kφ/1000

(1)

式中：K为系数，K=30～40；φ为炮孔直径，mm。

本工程W取3 m。

3.1 低台阶爆破参数

以梅花形方式布孔。台阶高度H=3 m，钻孔直径D=90 mm，钻孔倾角90°，孔距a=2.8 m，排距b=2 m，钻孔超深h=0.5 m(实际2.0 m，按照 0.5 m计算)，孔深L=5 m；最小抵抗线W=3 m ， 2号岩石乳化炸药2 000 g/支(φ70 mm)；连续装药结构，填塞长度l2=3.5 m；炸药单耗q=0.40 kg/m3，单孔药量Q=10 kg，其余台阶参数如表1所示。

表1 爆破参数

Table1BlastingParameters

排序号每排孔数台阶高度H/m孔深L/m孔距a/m排距b/m单耗q/(kg·m-3)单孔药量Q/kg填塞长度l2/mA23.05.02.82.00.40103.5B133.05.02.82.00.40103.5C123.05.02.82.00.40103.5D93.05.02.82.00.40103.5E83.05.02.82.00.40103.5E33.56.02.04.00.42153.5F93.05.02.82.00.40103.5G83.55.52.82.00.43123.8H54.06.03.22.00.43153.8I44.06.03.22.00.43153.8J34.06.03.22.00.43153.8K15.07.03.22.00.43184.0L410.012.04.02.50.42464.0M310.012.04.02.50.42464.0

注：孔深在台阶高度基础上增加 2 m，其中 5 m以下台阶按超深 0.5 m， 5 m以上台阶按超深 1.0 m计算单耗；A～K排炮孔孔内放置单发雷管，L、M排炮孔分别在1/3和2/3处各放置1发雷管。

3.2 倾斜孔爆破参数

E9、E10、E11因南侧钻机无法打孔，采取打斜孔来加密炮孔，经AutoCAD辅助设计显示倾斜孔孔深为5.85 m，实际取6 m，钻孔角度为70°。采用梅花形布孔，台阶高度H= 3.5 m；钻孔直径D=90 mm，孔距a=2 m，排距b=4 m，钻孔超深h=0.5 m(实际 2.0 m，按照 0.5 m，台阶高度按照4.5 m计算)；孔深L=6 m；最小抵抗线W=3 m，2号岩石乳化炸药2 000 g/支(φ70 mm)；连续装药结构，填塞长度l2=3.5 m，炸药单耗q=0.42 kg/m3，单孔药量Q=15 kg。

3.3 深孔台阶孔爆破参数

台阶高度H=10 m，钻孔直径D=90 mm，钻孔倾角为80°～90°；孔距a=4 m，排距b=2.5 m，钻孔超深h=1 m(实际2.0 m，按照1 m计算)，孔深L=12 m；最小抵抗线W=3.0 m，2号岩石乳化炸药和铵油炸药；连续装药结构，填塞长度l2=4.2 m，炸药单耗q=0.42 kg/m3，单孔药量Q=46 kg。

3.4 炮孔布置及爆破网路

为较大限度减少爆破振动对周边环境的影响，施工过程中A～K排采取两孔一响，L、M排采用炮孔单响的起爆网路。经反复验算发现，起爆网路不考虑雷管自身的误差也有重段现象，比如D1、D2与B7、B8孔起爆时间为 570 ms；L1孔与C9、C10孔起爆时间为690 ms。最大单段药量为66 kg，小于设计允许药量175 kg，符合要求。

采用塑料导爆管非电雷管孔内外结合的毫秒延时网路时，每3排作为1个爆区，孔内分别用MS9段、MS10段、MS11段雷管，其中每个爆区之间采取长延时雷管MS9段双发连接。为了保证排与排之间最大延时时间接近100 ms。第1个爆区滞后110 ms，第2个爆区滞后50 ms。排间孔外分别用MS5段、MS3段雷管连接(见图1)。

网路连接较为复杂，网路连接好后进行检查，同时孔外延时雷管用石粉压住后用蛇皮袋再盖好，防止起爆过程中破坏起爆网路。

图1 起爆网路Fig.1 Initiation network

3.5 爆破器材消耗

3.6 多边界石方爆破药量计算原理验证

根据药卷和炮孔之间的密实程度，可分为耦合装药和不耦合装药，其中轴向不耦合装药系数[12]表示如下式。

m2=L/l1

(2)

式中：m2为轴向不耦合系数；L为炮孔长度，m；l1为装药长度，m。

A～D排孔炮孔m2=3.33，轴向不耦合系数较大可视为集中药包，可参考多边界石方爆破药量计算原理来计算松动爆破的药量。我国爆破工程界应用较为广泛的是前苏联学者鲍列斯阔夫提出的经验公式[12]，由此得到集中药包抛掷爆破装药量的计算公式：

Q=(0.4+0.6n3)qbW3

(3)

式中：Q为装药量，kg；n为爆破作用指数；qb为标准抛掷爆破单位用药量，kg/m3，取1.4；W为最小抵抗线。

经计算Q=37.8 kg，松动爆破取值1/3～1/2，单孔装药量为12.6～18.9 kg。

本次爆破方案设计3 m台阶炮孔深度为5 m，等效为集中药包，经计算其结果为12.6～18.9 kg，实际装药量为10 kg，小于计算结果，为了安全起见填塞长度l2取3.5 m。

3.7 安全验算

1)爆破飞石距离估算。露天深孔爆破时可能产生的最远飞石距离由瑞典德汤尼克公式求之：

RF≤40d/2.54

(4)

式中：RF为爆破时可能产生的最远飞石距离，m；d为孔深直径，cm。

计算得RF≤141 m,该距离小于本爆区距离周边建(构)筑物的最短距离(175 m)，本工程实际安全警戒范围为200 m，因此爆破产生的飞石不会对爆区周围的人员和建(构)筑物产生危害。

2)爆破振速的校核。爆破振动引起周围某测点的振速一般使用萨氏公式计算：

(5)

式中：K为爆破条件和场地系数，本工程K取200；α为爆破振动波传递衰减指数，本工程α取1.7；Q为爆破最大段药量，kg,本次爆破为66 kg；R为爆破中心至保护对象某测点的距离，m，本次爆破为 175 m。

经计算v=0.33 cm/s远小于保护物最大允许振动速度设计值1.5 cm/s，可确保民房安全。

4 爆破效果

爆破过程中B12、B13和C1、D1、D2的炮孔产生飞石，飞石控制在30 m范围内。爆后检查无盲炮，其中3～5 m台阶爆堆隆起，岩石基本松动；10 m台阶爆破后岩石呈现自然塌落趋势(见图2)，一次性成功处理了不规则台阶。爆后各警戒点及附近村民基本感觉不到爆破振动。

B12、B13炮孔钻机无法行走，前部填方1.2～1.5 m，其填孔长度为3.5 m，导致最小抵抗线只有2～2.2 m，是产生飞石的主要原因。C1和D1、D2炮孔，孔口较为破碎，装药时出现卡孔，从钻孔到爆破累计时间只有14 h，未来得及全部验孔。经查，爆破员装药过程中把分好的炸药全部装入孔中，但未装到底部，导致最小抵抗线改变，产生飞石。谨记，爆破作业前须提前验孔，在浮石较多的位置加强填塞，避免类似情况再次出现。

图2 爆破过程Fig.2 Blasting process

装运过程中除了爆堆表层2 m左右范围内有大石块，其余位置岩石破碎块度较小。因爆破后第二天下午立即进行上部区域爆破，图3为上部区域爆破前的状况，外边缘少部分石料未来得及清运。本次爆破后无根底，达到预期效果，为后续开采创造较好的条件。

图3 装运后效果Fig.3 Effect after shipment

5 结论

1)大孔径爆破在不规则台阶或低台阶施工技术中，可以有效解决手动凿岩机人工钻孔出现台阶高度浅、每次方量小、工期长、效率低的问题，满足施工工期要求。

2)在不具备数码雷管和高精度非电延时雷管的条件下，设计起爆网路时，孔内分别放置MS9段、MS10段、MS11段作为一个爆区。第一爆区孔外延时MS5段雷管，第二爆区孔外延时MS3段雷管，每个爆区之间再用MS9段雷管进行分区接力。该网路的连接证明了炮孔填塞和孔外延时雷管防护是可行的。

3)径向不耦合系数较大的情况下，采取梅花形布孔适当加密孔、排距，使用多排深孔延时爆破技术可避免爆破根底的产生。

4)爆破前须对可能引起的飞石最大距离进行估算和爆破振动速度的理论计算，对填塞长度进行核算。通过精心设计、精心施工可避免爆破飞石的产生，同时间接验证多边界石方爆破药量计算原理的合理性。

大孔径爆破应用在低台阶虽有个别成功的案例，但缺乏理论基础。将多边界石方爆破药量计算原理运用到大孔径低台阶爆破或经过大量工程实践可形成新的理论，并作为一个新的爆破技术推广，将会产生较大的经济效益和社会效益。