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技术 / 水泥矿山Cement Mine
水泥矿山破碎站基坑爆破施工
呼志刚
（内蒙古蒙西水泥股份有限公司，呼和浩特市 010020）
中图分类号：TQ172.4 文献标识码：B 文章编号：1007-6344（2014）09-0018-03
摘 要：在建破碎站基坑爆破施工方案安全控制的目标主要是确保基坑后面的永久边坡不受损伤以及相邻环境的安全。设计主要针对在重点保护对象下进行的基坑爆破开挖，通过爆破方案的选定和孔网参数的优化，确保基坑爆破时边坡的稳定及相邻环境的安全。
关键词：基坑爆破 边坡保护 控制爆破 安全
0 前 言
为适应国民经济的迅速发展,近年来我国加大了基础工程设施的规模建设。作为长远的经济效益和社会效益十分显著的水泥建材，已成为公路、铁路、能源、水工等大型干线项目和国内基础设施建设的有力保障。爆破技术在水泥矿山建设中的应用日益紧密，同时爆破施工技术也日益彰显重要。
1 工程概况
我集团下属企业清水河蒙西水泥有限公司石灰石矿山基建工程，拟建一破碎站。设计年破碎量为200万吨。站址选设在矿山坡脚下。自然地形与设计基坑底标高开挖高度约80米，爆破方量15万立方米。破碎站基坑设计开挖长40米，宽20米，深10米，开挖面积为800m2。设计基坑上部破碎卸料平台的北面为永久边坡，边坡角63度，坡高80米。坡顶为设计运矿道路路基，垂直高差160米，平面距离90米；东南方向350米处为一小型露天铁矿采场；西南方向600处有一条110kV和一条30kV的煤矿专用高压输电线路，周边环境的安全控制要求高。
该段上部为灰白色石灰质灰岩，隐晶质结构，钙质胶结。岩石坚硬，脆性较强，岩石普氏系数f=10～12。地层呈单斜层状产出，倾向北西，逆向倾角60°～75°，地质资料显示，岩石平均强度垂直层理方向为78.0～100.8MPa。破碎平台及基坑部位新岩层，主要以砖红、紫红色粉砂质泥岩等松散软岩为主，夹灰黄色白云质灰岩，力学性质差，遇水易解体或坍塌，整体稳定性和完整性均差，层面闭合。岩间层理发育。岩层走向与矿山边坡间的夹角 2～5°，层面间距0.5～1.5m,层理多在坡面出露。自然边坡进行于坡脚变陡坡地带， 形右低左高，自然坡度70～90°，右边上部平缓，有一褶皱断裂带出露，裂缝宽约0.3M，南侧端部为陡堑。地表植被较差，基岩大面积裸露。
工程施工期限要求在一个月内完成破碎站基坑开挖，以便及时交付土建安装工序。考虑山体下部岩体较软，易风化的特性，如果实施常规爆破，下部岩体受爆破破坏，加速风化和破裂，导致上部边坡不稳定，为后期生产带来安全隐患。初步选定分台段、分岩性，整体爆破开挖方案。上部硬岩体部分采用毫秒微差爆破，永久边坡采用欲裂爆破技术；下部软岩体部分采取同层松动爆破，边坡预裂孔弱岩爆破。预裂气楔效果不好的情况，采用破碎锤破碎休整。
2 爆破方案设计
2.1 爆破方案
本基坑爆破施工的特点是：
（1）爆破过程中必须控制爆破震动，确保卸料平台永久边坡的
安全;
（2）必须控制爆破飞石，确保铁矿采场和高压线的安全；
（3）确保基坑的爆破效果。因此爆破方案宜采用以松动为主的减震爆破，同时控制爆破飞石和震动。
综合考虑各种因素，爆破施工方案采用预裂爆破和缓冲爆破相配合的爆破方式，缓冲孔在主爆孔之前起爆，在预裂爆破之后起爆。用导爆索、导爆管将主爆孔、缓冲孔、预裂孔结合起来一起起爆，便于爆破管理和操作。采用V字形起爆顺序，起爆时，先从爆区中部爆出一个V字形的空间，为后段炮孔的爆破创造自由面，然后两侧同段起爆，使其岩石向中间崩落，减少碎块向自由面的抛掷作用，减少飞石。采用毫秒延期导爆管雷管，粉状乳化炸药和卷装乳化炸药，深孔预留空气柱，反向一次起爆，分段爆响的起爆技术。
2.2 预裂爆破
爆破边坡地形陡峭，同时爆破震动效应和爆轰产物的气楔作用，有可能对台段地质风化岩层产生层裂破坏，为了尽可能减小爆破作用引起的层裂范围和超欠挖现象，决定实施预裂爆破。但由于业主工期要求紧迫，提出的分台段预裂爆破方案被否定，经慎重研究决定实施整体边坡深孔预裂爆破，达到边坡一次成形。
根据预裂爆破实践表明，预裂避面的不平整度和超欠挖主要取决于钻孔精度和钻孔质量。为此，在施工中对钻机机械性能，施工中控制钻孔角度和操作工人技术水平严格把关。要求钻孔施工平面放样误差不大于3mm,钻孔角度能及时调整，特别是预裂面前后方向的钻孔偏差。由于钻孔最大深度在33米，对于本次预裂爆破的成功与否，60%取决于钻孔质量，40%取决于爆破技术水平。因此在施工中要一直高度监控钻孔的放样、定位和钻孔施工角度的控制。2.2.1 参数选择
为了实现预裂爆破的要求，关键是合理地确定预裂爆破中各种基本参数。预裂爆破参数主要包括：钻孔直径、钻孔间距、线装药密度和不偶合系数。这些参数与装药结构是否合理，是决定预裂爆破成功与否的关键。
（1）钻孔直径D
预裂爆破时，预裂孔直径一般应小一些为好，目的是缩小孔距、减少每孔装药量，提高预裂爆破效果。在预裂爆破中，通常采用钻孔直径为80～200mm的潜孔钻机和牙轮钻机，也有用直径为60～80mm的凿岩台车进行穿孔的。此处采用120mm。
（2）钻孔深度为基坑深度加上超深，为12m。
（3）钻孔间距α预裂爆破的孔距比较小，一般为钻孔直径的7～15倍，即
α＝（7～15）D （1）硬岩一般取较小值，软岩取大值。
（4）线装药密度qx。它是指每米钻孔的实际装药量（不包括孔底增加的药量，也不包括充填长度）。
根据经验公式，线装药密度qx可按下式计算
（2）式中：qx——线装药密度，g/m；
σY——岩石极限抗压强度，Pa； α——钻孔间距，cm； D——钻孔直径，mm；
上式计算结果为1kg/m。在钻孔底部约1m左右，由于夹制严重，其线装药密度应根据岩性不同，适当增大装药量，一般增大1～2倍。
（5）不偶合系数K
钻孔直径与药包直径之比，称为不偶合系数，它是展现预裂爆破的一个很重要的综合参数。由于不偶合装药，因而药包与孔壁之间形成了一定的环形间隙。环形间隙的存在，可降低爆轰波的初始压力，保护孔壁及防止其周围岩石出现过份粉碎；同时还可以延缓爆破作用时间，有利于预裂缝的扩展。不偶合系数的大小，主要与岩石性质有关。
关于不偶合系数的计算，马鞍山矿山研究院推荐的计算公式为 （3）从式5中可以看出，不偶合系数随岩石极限抗压强度的增加而减小。对坚硬岩石，不偶合系数应取较小值，在软岩中则应取大值。矿山实践表明，为了保证预裂爆破效果，不偶合系数应大于2，一般取值范围为2～5之间。此处取3.75。
（6）起爆方式采用分段起爆，如图1所示。
图1 预裂孔的分段起爆示意图
2.2.2 主爆区爆破参数
（1）炮孔直径D：120mm。
（2）抵抗线W：（25~35）D=35×0.12=4.2m；（3）孔间距a：（1~2）W，取5.8m；（4）排间距b：m×a，取5m，
（5）钻孔深度L：H+h=10+0.8=10.8m；（6）线装药密度：8kg；
（7）单孔最大装药量：（L-1-4）×8=5.8×8=46.4kg；
（8）堵塞长度：4m，最小堵塞长度不得低于3米，采用细沙和粘土的混合物堵塞；
（9）装药结构：施工中选用乳化粉状炸药，采用连续装药结构，如图2所示；
（10）起爆方式：v字形起爆，如图3。
图2 连续装药结构图
图3 主炮孔起爆示意图
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2.2.3 炮孔布置
炮孔的布置见图4，预裂孔缓冲孔和主爆孔的超深关系见图5。
图4 炮孔布置示意图
图5 爆孔示意图
2.3 爆破安全距离校核
根据《爆破手册》，爆破震动对一定距离的影响按以下公式计算，得到不同的单段最大药量对边坡的影响见表3。
（4）式中：ν——爆破振动安全允许质点振动速度峰值，cm/s；
Q——炸药量（齐爆时为总装药量，延迟起爆是为最大一段装药量），kg；
K——与介质性质、爆破方式等因素相关的系数，在岩石中通常为30~180，土壤中为100~200；
е——与传播途径和地质地形有关的衰减指数，近距离为1.5~2.3，远距离为1.2~1.5；
R——爆破震动安全距离，m。 表3 不同单段最大装药量对边坡的影响Q/kg
20040060080010001200边坡震动(cm/s)
1.35
2.05
2.61
3.11
3.55
3.96
飞石安全距离按以下公式计算：
（5）
式中： K1 —— 深孔密集（邻居）程度系数；
K2——炸药爆能与抵抗线相关系数； γ——深孔半径，cm；
W—— 第一排炮孔的最小抵抗线，m。
考虑到边坡的安全，将单段最大装药量控制在400kg以内，以单段最大装药量为400kg计算的飞石的安全距离为200米，爆破飞石距离小于铁矿采场150米，小于高压线400米，因此不用采取其他特别的安全措施。
3 爆破安全控制措施
（1）爆破时上山便道前后300m处设置专人指挥车辆等设备，防止飞石对车辆人员造成伤害。
（2）进行钻孔前，应按照布置的孔位进行详细的测量，确定钻
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孔深度；实际钻进过程中，严格按照提供的数据钻进，确保孔底在同一深度断面上，尽量减少震动。
（3）按实际孔深确定装药量，在装药过程中，应分工负责。实际装药量必须与设计计算量相符，方可进行下个孔的装药。
（4）装药现场严禁烟火，禁止非爆破人员进入。
（5）施工的各个环节，都按爆破要求做好详细的施工记录，将各种安全隐患排除于萌芽状态。
4 施工过程控制及措施
施工过程控制是工程施工技术管理的关键,严格细致的过程控制,行之有效的施工措施是施工安全质量的可靠保证。根据特殊地质条件,规范了施工工序,并于现场配备工程技术人员24小时分班监测指导,把握关键环节,强化过程控制管理。
钻孔的深度、角度、密度（间距）必须严格按光面爆破设计实施。考虑到爆破产生最大的地震动强度，因此必须严格控制总装药量及分段起爆药量，尽量降低地震波及冲击波对围岩的危害。 堵塞采用粘性土，主爆破孔堵塞长度以L0＝1.0～1.2W（W—最小抵抗线）为好。钻爆工序都必须经施工员确认后方可进入下道工序，钻爆破施工必须遵照《爆破安全规程》操作和实施以确保安全。
（1）测量定位
由施工员、作业组长按测量设置的中、腰线引至工作面，严格按照坡度，确定开挖轮廓线，按预裂爆破设计图表标定孔位。仪器标设的中、腰线点每组不宜少于3个，间距不少于2m，组间距以10～12m为宜。同时在自然地形上放出边坡上下边口线，控制桩间距5米。特别预裂孔，孔位的确定犹为重要。因此，在坡度陡峭地段，根据孔网参数设计，直接放样孔位。
（2）钻孔施工控制
钻机是影响预裂面平整度的主要因素之一。打钻中，钻机的故障严重造成预裂孔角度的变化，其故障主要是指钻机的4个调平千斤卸油、调平水平泡移位。故在施工中若发现调平千斤卸油时，应及时修理。在水平器产生故障时，解决的方法为：①每打一孔，重新对钻机进行角度调整，但这样做将影响施工进度；②经常保持平整清洁，不要让物件碰撞水平器，若发现水平泡松动，应及时粘牢；调节弹环生锈或已坏时应及时更换。
沿预裂面左右方向，在28#-55#孔段，地形陡且大多为裸岩，高差变化大，钻机铺设轨道垫层为袋装石粉，操作钻机过程中由于震动，可能会导致孔位偏移或水平、轴向角度变化。因此在施工中，钻孔开口后，必须重新调整钻机，更换钻杆的同时也必须严格监测角度。
影响预裂孔角度变化的因素除上述外，还存在一些不可避免的因素。如：钻机冲击器外径大于钻杆外径，钻机花架上卡瓦内径与冲击器外径相符。在预裂孔角度不等于90度时，钻机开孔沿钻杆轴向施加压力F，分解为水平力F水，垂直力F垂。在钻头接触地面时，水平方向阻力小，钻杆有向水平力方向移动的趋势，钻杆受卡瓦约束。因钻杆外径小于卡瓦内径，在F水作用下，钻杆轴线偏离原来的轴线位置，使钻杆壁向F水方向紧靠卡瓦内壁，从而使预裂孔角度在开孔时将变缓，新卡瓦开孔角度变缓约0.5度，而磨损严重卡瓦的开孔角度变缓可达1.5度。
由于上述原因，在调整钻机预裂角度时，实际比设计角度调陡1～2度。
5 效果分析
整个设计轮廓线整齐，裂缝贯通性好，形成了平顺、整齐的台阶坡面，不平整度中部以上在10cm以内，坡面底部最大不平整度小于15cm，未出现根底。
（1）爆堆高度在15米左右，底部边坡为砂质泥岩。爆堆有个别大块，预裂孔和缓冲孔之间无残留岩体。预裂孔与缓冲孔之间爆渣塌落不好，经挖掘机处理即可。外观看，由于岩石稳定性、整体性一般，岩石层理层褶曲发育，预裂孔残留率在60%左右。边坡上口完整性好，没有伞岩，没有楔口，但爆堆大块率较高。分析原因，预裂孔与缓冲孔之间排间距离偏大，缓冲孔炸药单耗偏低，孔网参数设计没有随地质条件改变而转变。
（2）从挖掘机清渣后边坡预裂孔质量来看，钻孔质量不高，主要原因为：
a、钻孔深度大，钻孔延伸角度随深度增加误差增大，出现孔向边坡内外倾斜，左右相临钻孔不平行，预裂面局部出现参差不平现象。
b、钻孔施工管理有疏忽，中间控制工序特别测量工序没有及时校正。
c、该段自然边坡沿预裂面左右方向坡度较大（大于60度），台段落差较大，地表全为裸岩，机具架设稳定性差，控制参考点也难以及时校对。
总体上，本次爆破较成功。没有出现盲炮和不耦合装药的断爆现象；预裂边坡稳定，无裂缝延伸和边坡破碎现象；半孔残留率好，边坡无伞岩，无挂石。由于边坡高度高，施工工序控制难度大，以后尽量避免高台段预裂施工。
6 结束语
由上述爆破施工方案进行爆破施工的实践，完全达到了设计目的，边坡得到了有效的保护，飞石得到了有效的控制，且基坑的爆破效果良好。
（1）高台段深孔预裂爆破，严格控制钻孔定位、钻孔角度，也能在保证边坡稳定的同时，使坡面平顺、整齐。但过大的钻孔深度，钻孔精度难以控制。
（2）非均质、破碎和多裂隙的岩层一般不利于预裂爆破，往往预裂面也沿裂隙面或破碎面形成。采用小孔距预裂可收到良好的效果。
（3）预裂爆破中的缓冲孔设置一般在水利水电系统使用较多，但在矿山施工中较少采用。采用缓冲孔后，对于地质条件复杂情况下爆破后的边坡有良好的保护效果，但爆渣夹制作业很明显，其孔距、间距和装药量可考虑调整到主爆破孔参数的55%为宜。 参考文献
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