露天边坡含水炮孔预裂爆破试验研究(1).pdf

2 0 0 2年 6月 第 3 1卷第 3期 有色矿山 Non f e r r o u s M i ne s J u n． ， 2 0 0 2 V0 1 ． 31 NO． 3 露天边坡含水炮孔预裂爆破试验研究 张 明旭 ，尚 辉2 ，甘德 清3 1 ． 河北 省冶金设计 研究院 。河北 石家 庄 0 5 0 0 2 1 ； 2 ． 宣钢 龙凤山石 灰石矿 ，河北 宣化 0 7 5 1 0 0 ；3 ． 河北理工学 院 ， 河北 唐 山 0 6 3 0 0 9 [ 关键词】预裂爆破； 含水炮孔；水耦合；降震率 [ 摘要】针对棒磨山铁矿露天台阶炮孔涌水量大的实际情况， 研究采用水耦合预烈爆破方法解决含水炮孔的 边坡预裂爆 破问题 。根据炮孔 含水高度 的不同 ， 进行 了不同装药结 构的水 耦合预 裂爆 破现 场试验 。经爆 破效 果测 试分析， 利用该技术解决含水炮孔的边坡预裂爆破问题是可行的。 [ 中图分 类号 】T D 2 3 5 ． 3 7 1 [ 文献 标识码 】B [ 文章编 号 】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 2 0 3 0 0 0 8 0 3 S t u dy o f pr e s pl i t t i ng bl a s t i ng e xp e r i me nt i n wa t e r - b e a r i ng b l a s t ho l e of o pe n pi t s l o pe ZHAN G M i n g XU ，SHANG Hu i 2 ， GAN De ． q i n g 。 1 ． Me t a l l u r g y D e s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e o f He b e i P r o v i n c e ， S h O i a z h u a n g 0 5 0 0 2 1 ， C h i n a； 2 ． L o n g f e n g s n L i m e s t o n e Mi n e ，X u a n h u a I r o nS t e e l Gr o p． ，X u a n h u a 0 7 5 1 0 0 ，C h i n a； 3 ． He b e i I n s t i t u t e of T e c h n o l o g y ，T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 ，C h i n a Ke y wo r d sp r e s pl i t t i n g b l a s t i n g；wa t e r b e a r i ng bl a s t h o l e；wa t e r c o u pl i ng；a b s o r b i n g s ho c k r a t e Abs t r a c t Ba s e d on t h e e xc e s s i v e s e e p a g e wa t e r i n t he bl a s t h ol e o f t h e o p e n m i n e’ S s t e p o f Ba n gmo s ha n， i t i s s t u di e d t ha t u s i n g wa t e r c o u p l i n g pr e s pl i t t i ng b l a s t i ng t o r e so l v e t he pr ob l e m o f s l o pe pr e s p l i t t i ng b l a s t i ng wi t h wa t e r b e a r i n g bl a s t ho l e．Ac c o r d i ng t o d i f f e r e nt wa t e r a l t i t u d e i n b l a s t ho l e ，di f f e r e nt p r e s p l i t t i n g b l a s t i n g e x p e r i me n t o f wa t e r c o u p l i n g o f d i f f e r e n t c h a r g i n g c o n s t r u c t i o n h a v e b e e n c a r r i e d o u t i n s i t e ．Af t e r t e s t i n g a n d a n a l y z i n g t h e b l a s t i ng e f f e c t ， i t i s s u m ma r i z e d t h a t u s i n g t hi s t e c h n o l o g y i s a v a i l a bl e t o so l v e pr e s pl i t t i ng bl a s t i n g o f s i de s l o pe i n wa t e r ． be a r i n g bl a s t ho l e ． 1 引言 露天采场最终边坡的稳定性， 一直是困扰露天 采掘业的一个重要问题。有研究表明岩石开挖过程 中的爆破危害， 是破坏边坡岩体稳定性 的重要因素。 为了降低爆破危害的影 响， 一般采用 预裂爆 破等控 制爆破手段对露天边坡进行 处理 。由于露天边坡的 水文地质条件随着开采水平 的延深而变化， 特别是 在一些深凹露天矿 中， 预裂炮孔的涌水量 随着深度 [ 收稿日期】2 0 0 2 ． 0 4 ． 2 3 [ 作者简介 】张 明旭 1 9 6 3一 ， 男， 河北 石家 庄 人。 工 程 师 。 从事矿 山设计 与研究工作 。 的增加而不断的增大 ， 这就给含水 炮孔的预裂爆破 处理增加了难度。作者结合棒磨山铁矿露天 台阶炮 孔涌水量大的实际情 况， 对含水 炮孔 的边破预 裂爆 破问题进行了试验研究。 2 矿 山基 本状况 唐 山钢铁 公司棒 磨 山铁 矿经 十余年 的露天 开 采， 目前 已形成的边坡 高度达 6 0 m， 随 着开采 的进 行， 边坡 高度逐 渐增加， 最终将达到 2 1 6 m。棒 磨山 铁矿边坡的节理 裂隙 比较发育， 岩体较破碎， 边坡的 稳定性 比较差。同时， 该矿山的地下水位 比较浅， 各 个开采水平的涌水量较大， 这些 都给边坡的预 裂爆 破工作造成一定的困难。图 1为棒 磨山铁矿工程地 质分区示意 图， 矿 区各边坡分 布位置及其 主要 工程 维普资讯 第 3期 张 明旭等 露天边坡含水炮孔预裂爆破试验研究 9 ／ I、 ＼ ． ， L - 】 } - _- ～ l ’ Ⅲ l Ⅱ ＼ f f r ＼ ＼ Ⅳ ／ ＼ ．． 图 1 工程地质分区示意图 表 2 各开采水平边坡地下水涌水量预测表 开采水平／ m涌水量／ ／ d 开采水平／ m涌水量／ ／ d 4 4 1 2 2 1 8 5 5 2 64 3 7 7 5 3 2 1 7 1 7． 8 O 6 4 7 21 5． 5 5 2 O 2 23 8． 2 7 7 6 8 O7 2． 3 4 8 2 8 4 0． 61 8 8 91 0 1． 1 5 4 3 4 4 2 9 7 1 0 0 1 08 4 4 9 1 1 6 4 1 2 3 1 7 1 1 2 1 1 1 5 2． 1 O 2 8 4 8 8 8 1 2 一1 2 4 1 2 1 9 9 6 0 4 0 5 6 6 O． 7 2 3 工业试验 为 了 比较 含水 炮孔水耦 合预裂爆 破 的试 验效 果 ， 使用 T 0 P地震仪采集 了生产炮孔正常爆破在岩 体 内引起的爆破震 动参数， 并分析爆 破震动的强度 值 ， 以及随作用距离 、 作用时 间等变化的规律。试验 依据炮孔含水高度 ， 采用不同装药结构的爆破方案。 3 。 1 高含水炮孔的水耦合预裂爆破 当炮孔含水高度与炮孔深 度之比大 于 6 5 ％时， 由于炮孔 的含水量较高， 在本试验方案 中， 炮孔全段 都采取水耦合的装药方式 。 具体装药结构如下 根据不耦合系数， 合理确定 药卷 的直径 ， 按照计 算的装药量沿 炮孔长度上均匀 的分配炸药， 炸药连续 或间隔捆扎在竹 片上。加底 药是为了消除根底现象 。结构如 图 2所示 。 3 。 2 低含水炮孔的水耦合预裂爆破 当炮 孔 含 水高 度 与 炮 孔 深 度 之 比为 6 5 ％ ～ 1 0 ％时， 炮孔在装药后不能完全浸没药卷， 所以不能 在炮孔全段都采取水耦合的装药方式。在这种情况 下采取混合耦合装药 的方式， 即在 被水 浸没的炮孔 部分采取 水耦合装药 的方式， 在水面 以上采取空气 耦合的装药方式 。在水界面和空气界面之间要用圆 木塞进行封闭隔离。 具体装药结构如下 根据不耦合系数， 合理 的确 定药卷的直径 ， 按 照装药量来沿炮 孔长度上均匀 的 分配炸药， 炸药卷间隔捆扎在竹片上， 按照计算好的 位置固定封闭木塞 ， 结构如图 3所示。 炮孔 物 间距 图 2 完全水耦合装药示意图 竹 炮孔积水 图 3 混合装药结构示意图 根据试验方案的划分， 在 I、 Ⅱ分 区共进行 了六 组预裂爆破的试验 ， 主要爆破参数见表 3 。 3 ． 3 预裂爆破试验结果 预裂爆破试验效果见表 4 。 维普资讯 1 0 有色矿山 2 0 0 2年 第 3 1卷 爆破 类别 主爆孔 装药 量／ k g 振动速度／ c m／ s 降震率／ ％ 平均 K 值／ ％ 半壁孔率／ ％ 不平整 度／ c m裂 隙平均 宽度／ c m 表 4中 K 为裂隙系数， 降震率可通 过下式计 算得到 、 厂．、 厂 间接法公式 Rd ％ y 1 其中， v1 为主爆孔平均振动速度， 通过 T OP地震仪 测得 ， 为 5 ． 3 5 5 1 3 2 c m／ s ； V2 为各组试验 测得 的振动 速度。 由表 4可 以看 出， 水耦合预 裂爆破对边坡岩体 的保 护作用是非常 明显 的， 能够很好的满足露天 采 矿对边坡岩体稳定性 的要求 。试验 的结果进一步验 证了应用水耦合 、 混合耦 合装药预裂爆破技术 处理 含水露天边坡的可行性。同时， 从生产实际考虑 ， 这 种爆 破技 术是一种 处理含水露 天边 坡爆破 的好 方 法 不用进行排水处理， 简化 了工 艺 ； 由于水介 质的 加强作用， 可以适当的增加孔径和孔距， 是类似地质 条件的矿山应用大 直径预裂爆 破的有效途径 ； 从节 省能源 、 降低爆破成本的角度考虑， 水耦合预裂爆破 也是经济的。 4几 点 体 会 4 ． 1 水耦合提高了预裂爆破 中炸药的利用率 使用空气作耦合介质的预裂爆 破， 是利用空气 的高压缩性来降低爆 轰产物的峰值 压力 ， 此时炸药 失去了全耦合时的外壳约束作用， 引起爆轰 不稳定， 反应不充分 ； 并且爆轰气体 的迅速 过渡膨胀及热交 换导致空气耦合预裂爆破的炸药能量 利用率较低。 而在水耦合预裂爆破 中， 由于水的不可压缩特性， 水 介质在爆炸过程中起到了坚 固外壳的约束作用使炸 药反应更充分 、 更稳定。在岩石产生开裂以前 ， 爆 生 气体膨胀率要比空气耦合 中小的多， 爆 炸压力能够 几乎无损伤的传递到孔 壁上。高温高 压的作用下， 水的导热性要 比空气差 的多， 所 以被水 圈包围的爆 生气体的热交换损失也很小。因此水耦合预裂爆破 的能量 的利用率 比空气耦合中要高。 4 ． 2 缓冲和降震作用 通过分析炮孔 中压强 的作用过程可知， 水介质 具有一定的缓 冲作用， 能够缓 冲爆炸 的峰值冲击压 力 ； 同时压力的作用时 间延长 了， 压强的大小 比较均 匀。但是 ， 利用水耦合进行预裂爆破 ， 对生产工艺的 要求比空 气耦合 中高一些 ， 技术上 也相 对较 复杂。 从现场工业试验 的结 果看， 水耦合 与空气耦合在预 裂缝隙的深度和 宽度方面没有多大 的差 别， 可 以认 为是完全一样的， 所 以预裂缝 隙对 主爆 破爆孔 的降 震效果的差别也不大。但是， 水耦 合预裂爆破本 身 带来的爆破震动要 比空气耦合 中有明显的增强。 4 ． 3 相邻炮孔同时起爆的重要性 在水耦合爆破时 ， 炸药的作用威力被加强了， 在 炮孔周围形成的应力场更强， 所以破坏应力场 的均 匀性就显得尤为重要。试验表 明， 水耦合炮孔 的应 力导 向作用并不是很 明显， 所以不能依靠空孔 的导 向作用来破坏应 力场的均匀性。在水耦合爆破 时， 要更加精确的控制起爆时 间， 用 同时起爆 的应力集 中现象来破坏炮孔周 围的均匀应力场。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 张富荣， 高申志． 爆破与边坡稳定[ J ] ． 化工矿山技术， 1 9 9 4 ， 2 3 2 7 1 0 ． [ 2 ] 袁有厚． 爆破对边坡稳定性影响的观测与计算 [ J ] ． 化 工矿 山技术， 1 9 8 8 ， 1 7 2 1 5 ． [ 3 ] 龙维祺． 特种爆破技术 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社， 1 99 3． 下转第 2 2页 维普资讯 2 2 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 4 单导洞施工法技术安全可行性分析 针对单导洞 中导洞 施工法存 在的安全 问题 ， 可从三个 主要方面进行分析研究。 1 隧道现场 围岩稳定性分 析 该 隧道 暗洞 全 长 1 1 5 m， 围岩设计为 Ⅱ类 围岩 5 0 m， I I I 类 围岩 1 0 m， Ⅳ类 围岩 5 5 m。通过 中导洞施工， 对隧道所 穿过 的 围岩进行观察分析。 地质情况与设计基本 吻合。同 时通过对导洞锚喷支护观测 ， 未发现异常， 喷射混凝 土表面保持完好， 说明地质整体性较好 ， 具有一定的 稳定性。 2 设计 的围岩支护分析 设计 为该双连拱 隧 道提供 了良好的支护体系。 在 Ⅱ类 围岩设有超前 小 导管预支护和 Ⅲ、 Ⅳ类 围岩初支护 锚、 网、 钢拱 架、 喷射混凝土 。使得该 隧道 在开挖初期支护 结构具 有较大的刚度和强度。 为隧道的安全开挖 创造了先 决条件 。 3 施工工艺的安全保证 在施工设计上， 依据 隧道的设计特点、 地质条件及施工设备等条件， 科学 合理划分主洞上下 台阶开挖界 限， 制 定合理 的开挖 次序和循环进尺。①为了能够有效地发挥施工设备 的工作效率， 尽可能合理地改善初支受力， 主洞上下 台阶划分线设在起拱线处 先上台阶开挖， 后下台阶 开挖 ， 配合短掘短支， 增强初期支护体系的稳定性。 同时方便管理， 利于安全。②在主洞开挖进尺上， 依 据围岩类别而定， 一般控制 在 1 ． 2 m 至 2 ． 2 m 之间， 遵循小药量 、 弱爆破、 强支护 、 勤量测的施工原则， 合 理控制施工进尺。③采用光面爆破工 艺， 尽可能保 护和利用围岩的 自身承载能力。 针对 以上分析。 确定采用上下台阶法开挖具 有 足够 的安全保障。在邀请有关隧道专家到现场勘察 指导 。 并经上报监理 、 业主批准 ， 最后决定 变更设计 提供的“ 三导坑先墙后拱” 施工法， 采用“ 单导洞 中 导洞 、 全断面长 台阶， 先拱后墙， 整体衬砌” 施工法。 5 施工 与验 收 骨塘隧道在完成了中导洞的开挖和 中隔墙 的浇 注以后。 于 2 0 0 0年 6月 1日， 左隧道上台 阶开始开 挖， 8月底 贯通 。施 工 中， 一方 面 抓好 现场 施 工管 理 ， 严格按光爆要求 ， 控制爆破工艺， 短掘快支 ； 另一 方面， 抓好现场地质监控量测， 按规范要求 ， 合理布 点进行 围岩的收敛与沉降观测。 用于指导后续施工。 当左洞上台阶开挖及初支护完成 8 0 m 时。 经过 长时间的围岩收敛 与沉降监控量测。 左 洞 围岩趋于 稳定， 初期支护体系已经形成 。 且 1 ． 8 m 宽的 C 3 0混 凝土的中隔墙具有 了足够的强度和稳 定性 。 并 与顶 部的围岩密贴成一体。此时开始进行右洞上台阶开 挖， 掘进 中， 加强 围岩观测和 中隔墙 的保 护， 使开挖 和支护工作顺利进行， 到 9月底右洞上台阶贯通 ， 到 1 0月底， 左右洞 开挖及初期 支护全面 结束。 全过 程 围岩稳定。 实践证 明在骨塘双连拱隧道采用单导洞 、 全断 面长 台阶， 先拱后 墙， 整体 衬砌 施工 法是 切实可行 的。其显著优点是可实现整体全液压模板 台车进行 二次衬砌， 能有效 保证 施工 质量， 整体 铺设 防排 水 层。 更有利于提高隧道 的防水能力 ； 其次是减少了侧 导洞的开挖及支护时间， 减少了工序， 减少了对 围岩 的扰动次数 ， 更利于 围岩的稳定 ； 第三， 大 幅度 提高 了连体隧道施工机械化程度， 提高 了工效 ， 缩短 了工 期 。第四， 超前预支、 短掘快支， 保证 了施工安全， 为 优质 、 快速完成隧道施工创造了条件。 上接 第 1 0页 [ 4 ] U 兰格福斯， B 基尔斯特略， 岩石爆破现代技术[ M] ． [ 6 ] J u n K a w a k a mi S t u d y o n E a r t h q u a k e - l i k e G r o u n d Mo t i o n s 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 8 3 ． Wi t h C o n t r o 9 1 1 e d E x p l o s i o n s ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a 一 [ 5 ] 卢文波等． 岩石钻爆开挖 中预裂缝 的隔震效果分析t io n a l C o n f e r e n c e o n E n g e e r i n g B l a s t i n g Te c h n i q u e ． P 5 1 6 [ J ] ． 爆炸与冲击， 1 9 9 7 ， 1 7 3 1 9 3 1 9 8 ． 一5 2 3 ． B e ij i n g 1 9 9 1 ． P e k i n g Un i v e r s i t y P r e s s ， 维普资讯