節(jié)理裂隙發(fā)育邊坡輪廓成型控制爆破技術(shù)

阮國(guó)府

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司 重慶 401121）

露天礦山終了邊坡爆破施工對(duì)確保施工安全、施工形象、邊坡復(fù)綠等有重要影響，由此控制爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用[1]。目前對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件邊坡缺陷控制主要采用微差爆破[2]、逐孔起爆[3]、分層開挖[4]、爆破參數(shù)優(yōu)化[5]等方面進(jìn)行，可以為節(jié)理裂隙發(fā)育邊坡輪廓成型提供一定參考。

夏日哈木鎳鈷露天礦山邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育、邊坡高陡、服務(wù)年限長(zhǎng)、氣候環(huán)境惡劣等，前期邊坡輪廓成型質(zhì)量較差，嚴(yán)重影響露天礦山施工安全、施工進(jìn)度、施工形象等，此時(shí)邊坡輪廓成型質(zhì)量的控制爆破技術(shù)成為制約礦山邊坡施工的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

夏日哈木鎳鈷為第四紀(jì)地層多為古代金水口群白沙河組，具有比較典型的活動(dòng)性沉積構(gòu)造的基本特征，此地層大多受到后期花崗巖侵蝕，呈現(xiàn)典型的斷塊分布。礦區(qū)基本構(gòu)造來(lái)看，其大多呈現(xiàn)為斷裂構(gòu)造，部分區(qū)域存在巖漿活動(dòng)。而在具體發(fā)育，則呈現(xiàn)東向西的不連續(xù)斷裂，且主要分布在礦區(qū)南部，延伸長(zhǎng)度達(dá)到了5 000 m。對(duì)于區(qū)內(nèi)所呈現(xiàn)出的巖漿活動(dòng)而言，有多期次特點(diǎn)，且有著不同規(guī)模，而鎂鐵-超鎂鐵雜巖體為其主要侵入巖體，呈現(xiàn)為巖盆狀，而巖石類型主要有3 種，即輝長(zhǎng)巖、輝石巖與橄欖巖，針對(duì)這三者而言，都是同一巖漿分異所得到的產(chǎn)物，彼此之間存在著比較緊密的脈動(dòng)侵入接觸關(guān)系[6]。因此，夏日哈木鎳鈷礦圍巖巖石質(zhì)量指標(biāo)為60 %～70%，巖石的質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，此外巖體發(fā)育存在4 組優(yōu)勢(shì)節(jié)理面，因而對(duì)礦區(qū)工程地質(zhì)性質(zhì)造成較大影響；針對(duì)主礦體而言，因其產(chǎn)生于雜巖體下方，所含礦巖多為橄欖巖、輝石巖等[7]，巖體存在著比較明顯的蝕變帶發(fā)育，節(jié)理裂隙。

2 質(zhì)量缺陷及原因分析

夏日哈木鎳鈷礦露天采場(chǎng)前期邊坡預(yù)裂爆破開挖成型效果較差，除少部分邊坡預(yù)裂爆破效果滿足要求外，大部分邊坡預(yù)裂爆破開挖后存在“預(yù)裂殘留半孔率低”、“巖石掛壁”、“巖石凹槽”、“溜角”、“滑坡”、“馬道超挖”等問(wèn)題，特別是巖漿侵入地帶、巖石破碎地帶、節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，坡面松散嚴(yán)重，未有效形成安全平臺(tái)、工作平臺(tái)，給后續(xù)施工造成很大安全隱患。

2.1 不良地質(zhì)條件

1）礦區(qū)地層本身呈現(xiàn)的斷裂構(gòu)造，以及后期巖漿侵入等導(dǎo)致巖體整體較為破碎。特別是部分邊坡受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響及風(fēng)化作用，形成垂直狀節(jié)理裂隙發(fā)育及水平節(jié)理裂隙發(fā)育，形成小型塊狀結(jié)構(gòu)，開挖后易散裂垮落，導(dǎo)致超欠挖、溜角等。

2）東北側(cè)1 370～1 340 m 水平臺(tái)階邊坡巖體有多組貫通的順坡向軟弱節(jié)理滑動(dòng)面，爆破震動(dòng)致使坡面整體滑移失穩(wěn)，邊坡開挖后失去約束導(dǎo)致坡面垮塌或?yàn)榇_保后續(xù)施工安全采取一定措施，導(dǎo)致坡面超挖嚴(yán)重[8]。

3）邊坡內(nèi)已有的與邊坡傾向交錯(cuò)傾角較小的節(jié)理裂隙發(fā)育帶，上一臺(tái)階深孔爆破震動(dòng)使節(jié)理裂隙發(fā)育擴(kuò)展連通，預(yù)裂縫偏離設(shè)計(jì)線，造成超欠挖、半孔率過(guò)低等。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題

1）爆破規(guī)劃不合理。原設(shè)計(jì)未對(duì)預(yù)裂爆破和深孔梯段爆破進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，造成上級(jí)平臺(tái)深孔爆破對(duì)下級(jí)平臺(tái)局部超挖破壞，尤其是炮孔底部爆破裂隙發(fā)育，加之原生節(jié)理裂隙以及卸荷影響等，影響范圍達(dá)到1.5～2.5 m，當(dāng)下級(jí)臺(tái)階預(yù)裂設(shè)計(jì)邊線處于此位置時(shí)，預(yù)裂縫容易偏離設(shè)計(jì)中心線和形成爆破漏斗，即“溜角”現(xiàn)象。

2）不良地質(zhì)段參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。未按照“一炮一設(shè)計(jì)”原則進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致部分位置藥量過(guò)大、孔距過(guò)大，部分位置藥量過(guò)小、裝藥結(jié)構(gòu)不合理等。藥量過(guò)大造成過(guò)剩爆生氣體侵入坡面頂部裂隙中，導(dǎo)致節(jié)理裂隙貫通發(fā)育，加劇了孔口段巖石破壞和松動(dòng)。藥量過(guò)小，造成預(yù)裂縫未充分形成或預(yù)裂縫形成寬度不足，無(wú)法有效降低主爆孔爆破震動(dòng)對(duì)邊坡擾動(dòng)或破壞。

3）臨空面不足或壓渣爆破。施工安排不合理導(dǎo)致預(yù)裂爆破臨空面未清理或直接壓渣進(jìn)行預(yù)裂爆破，導(dǎo)致主爆區(qū)爆破震動(dòng)后沖，引起邊坡擾動(dòng)或破壞，進(jìn)而巖面原生或次生裂隙因爆破震動(dòng)而貫通，加劇邊坡破壞作用[9]。

4）銜接段參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。相鄰預(yù)裂爆破區(qū)域、轉(zhuǎn)角處、圓弧段等特殊位置，按正常段預(yù)裂參數(shù)進(jìn)行施工，導(dǎo)致相互銜接段出現(xiàn)“巖坎”、“巖墻”現(xiàn)象。

2.3 施工質(zhì)量問(wèn)題

1）預(yù)裂鉆孔參數(shù)出現(xiàn)偏差。預(yù)裂鉆孔參數(shù)偏差主要指孔距、傾角、方位角出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致預(yù)裂孔出現(xiàn)“八字孔”、“交叉孔”、“斜交”等現(xiàn)象。造成預(yù)裂孔局部破壞或出現(xiàn)根底及貼坡現(xiàn)象。

2）主爆孔鉆孔參數(shù)偏差。緩沖孔和主爆孔孔深、傾角等控制不到位，導(dǎo)致緩沖孔和主爆孔深入坡面或距離坡面距離過(guò)近，造成坡面破壞或邊坡上部巖塊拉裂或在邊坡上形成不穩(wěn)定巖塊。

3）裝藥參數(shù)偏差。預(yù)裂裝藥過(guò)程中間隔長(zhǎng)度未按設(shè)計(jì)要求施工，間隔長(zhǎng)度小，實(shí)際藥量過(guò)大，造成坡面破壞；間隔長(zhǎng)度大，實(shí)際藥量小，無(wú)法形成有效預(yù)裂縫，導(dǎo)致主爆去爆破震動(dòng)破壞坡面；堵塞質(zhì)量差，引起沖孔，降低爆生氣體有效作用時(shí)間，預(yù)裂縫形成效果差或在預(yù)裂孔口形成倒懸。

4）刷坡設(shè)備配置不合理。特別是巖體破碎或較軟部位，刷坡設(shè)備配置過(guò)大或操作工人不熟練，未沿預(yù)裂縫進(jìn)行刷坡，導(dǎo)致原生裂隙發(fā)育地帶或巖體較軟地帶出現(xiàn)超挖嚴(yán)重現(xiàn)象。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化及控制措施

3.1 預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)采用分體式潛孔鉆機(jī)，可鉆鑿?90 mm 和?115 mm 2 種孔徑炮孔。優(yōu)化調(diào)整的預(yù)裂爆破參數(shù)見表1，預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，預(yù)裂爆破網(wǎng)路示意圖如圖2。

圖1 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 預(yù)裂爆破網(wǎng)路示意圖

表1 預(yù)裂爆破參數(shù)

1）調(diào)整孔間距。根據(jù)預(yù)裂孔推薦公式，孔距a＝（8～12）D，式中：a 為預(yù)裂孔距，m；D 為預(yù)裂孔徑，mm。巖石破碎、轉(zhuǎn)角和圓弧段取小值，巖石完整段取大值并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。巖體破碎、轉(zhuǎn)角及圓弧段地帶采用?90 mm 孔徑炮孔，巖體完整地帶采用?115 mm 孔徑炮孔。?90 mm 孔間距由原設(shè)計(jì)孔距1.5 m 調(diào)整至1.0 m，圓弧段及轉(zhuǎn)角處調(diào)整為0.8 m。?115 mm 孔間距由原設(shè)計(jì)孔距2 m 調(diào)整至1.5 m。

2）調(diào)整線裝藥量。根據(jù)長(zhǎng)科院的爆破經(jīng)驗(yàn)公式qx＝0.034（δy）0.63×（a）0.67，式中：qx為預(yù)裂孔正常段線裝藥密度，kg/m；δy為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；a 為預(yù)裂孔距，m。根據(jù)預(yù)裂經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行理論計(jì)算并根據(jù)試爆效果對(duì)線裝藥量進(jìn)行調(diào)整。?90 mm 孔徑由原設(shè)計(jì)0.4 kg/m 調(diào)整至0.3 kg/m，不耦合系數(shù)為2.82。?115 mm 孔徑由原設(shè)計(jì)0.45 kg/m 調(diào)整至0.4 kg/m，不耦合系數(shù)為3.60。

3）調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)。底部加強(qiáng)段（長(zhǎng)度為1.8 m）藥量取正常線裝藥密度3～5 倍（原設(shè)計(jì)統(tǒng)一為5倍）。堅(jiān)硬巖石取5 倍，軟弱巖石取3 倍。裝藥結(jié)構(gòu)采用間隔不耦合裝藥，用導(dǎo)爆索將?32 mm 乳化藥卷均勻綁扎在竹片上，將藥串朝向外側(cè)，竹片朝向里側(cè)，降低爆破震動(dòng)對(duì)坡面擾動(dòng)。上部減弱段藥量取正常線裝藥密度1/3～1/2（原設(shè)計(jì)統(tǒng)一為1/2）。堅(jiān)硬巖石取1/2 倍，軟弱巖石取1/3 倍，長(zhǎng)度為1.5 m。堵塞長(zhǎng)度根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，取1.0～2.0 m，以地表產(chǎn)生貫通預(yù)裂縫、地表不產(chǎn)生爆破漏斗為原則。

4）調(diào)整緩沖孔。緩沖孔布設(shè)1 種是采用平行預(yù)裂孔進(jìn)行布設(shè)，并在緩沖孔與主爆孔之間增加輔助孔，有利于充分破碎巖石，而不對(duì)坡面產(chǎn)生破壞；第2 種是在預(yù)裂孔與主爆孔之間布設(shè)臺(tái)階式垂直緩沖孔，有利于提高施工作業(yè)效率。在節(jié)理裂隙發(fā)育或軟弱破碎地帶為防止緩沖孔藥量集中，導(dǎo)致爆破震動(dòng)破壞坡面。根據(jù)緩沖孔裝藥量，采用一定直徑的PVC 管[10](略小于炮孔直徑，如?90 mm 炮孔，選用?70 mm PVC 管）進(jìn)行不耦合連續(xù)裝藥，可以有限降低緩沖孔破碎圈范圍，同時(shí)達(dá)到破碎巖石目的。

5）調(diào)整起爆網(wǎng)絡(luò)。邊坡預(yù)裂爆破采用導(dǎo)爆索起爆，控制單段起爆藥量在30 kg 以下（預(yù)計(jì)4～8 個(gè)孔為1 段），分段起爆時(shí)間不大于25 ms，并超前于主爆區(qū)起爆。預(yù)裂孔與最后1 排主爆孔之間時(shí)間延期間隔大于100 ms。緩沖孔之間的延時(shí)間隔控制在30～50 ms，最大單段藥量控制在50 kg 以下，主爆孔采用逐孔微差起爆技術(shù)，孔間延期時(shí)間控制在40～50 ms，排間延期時(shí)間控制在60～80 ms，最大單段藥量控制在100 kg 以下，必要時(shí)進(jìn)行孔內(nèi)分段，主爆孔排數(shù)控制在3～4 排以下。

經(jīng)調(diào)整不同地質(zhì)條件下孔間距、線裝藥密度、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)路等，半孔率由不足30%提升至52%，半孔完整性由不足14%提升至80%，預(yù)裂縫降震效果提升了約35%。

3.2 預(yù)裂鉆孔施工控制

1）技術(shù)控制措施。①預(yù)裂工作面清理：將預(yù)裂爆破區(qū)域覆蓋層或松渣清理至基巖，預(yù)裂設(shè)計(jì)邊線1 m 范圍內(nèi)無(wú)明顯巖渣或松散巖石，必要時(shí)用高壓風(fēng)進(jìn)行吹掃。并對(duì)明細(xì)斷層、軟弱夾層等地質(zhì)情況進(jìn)行勘查，確定預(yù)裂孔徑和孔距；②預(yù)裂點(diǎn)位放樣：根據(jù)設(shè)計(jì)邊線進(jìn)行預(yù)裂點(diǎn)放樣，預(yù)裂放樣點(diǎn)應(yīng)用紅色油漆進(jìn)行標(biāo)記，放樣點(diǎn)直徑應(yīng)小于0.01 m，并用塑料袋進(jìn)行覆蓋保護(hù)，放樣時(shí)應(yīng)考慮地表高程不同，對(duì)放樣點(diǎn)的影響；③預(yù)裂方位角控制：預(yù)裂點(diǎn)放樣完成后，逐點(diǎn)放設(shè)預(yù)裂點(diǎn)方向點(diǎn)，并做好標(biāo)記，第1 排預(yù)裂方向點(diǎn)距離預(yù)裂點(diǎn)應(yīng)大于1 m，必要時(shí)每個(gè)預(yù)裂點(diǎn)可以布設(shè)2 個(gè)方向點(diǎn)，確保方位角控制到位；④預(yù)裂孔過(guò)程控制：開孔前確認(rèn)傾角、方位角無(wú)誤后，低速慢進(jìn)，開孔完成后，再次進(jìn)行傾角和方位角確認(rèn)，確認(rèn)無(wú)誤后方可繼續(xù)鉆進(jìn)，必要時(shí)用撬棍進(jìn)行方向校正，鉆進(jìn)到0.2、0.5、1 m 位置，對(duì)鉆孔角度進(jìn)行測(cè)量，鉆孔過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)巖屑顏色變化、鉆速發(fā)生突變、冒水等情況應(yīng)及時(shí)在鉆孔記錄表上進(jìn)行記錄，夜間方位角對(duì)準(zhǔn)采用激光筆輔助進(jìn)行；⑤主爆孔過(guò)程控制：主爆孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔，必須挪動(dòng)時(shí)，應(yīng)征得技術(shù)人員同意，并進(jìn)行核算后調(diào)整，緩沖孔可以根據(jù)實(shí)際情況采用垂直孔或傾斜孔，嚴(yán)禁超鉆。

2）管理控制措施。①定人定崗定機(jī)：為確保質(zhì)量控制可追溯性，按照定人定崗定機(jī)原則，對(duì)人員設(shè)備進(jìn)行分配，確保過(guò)程可控性；②落實(shí)“三檢制”：設(shè)置專兼職質(zhì)量、技術(shù)員負(fù)責(zé)預(yù)裂鉆孔質(zhì)量過(guò)程管控，確?！叭龣z制”落實(shí)到位；③定期獎(jiǎng)勵(lì)考核：設(shè)置專項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)金，對(duì)每一個(gè)預(yù)裂爆破循環(huán)質(zhì)量進(jìn)行PDCA 分析，排除地質(zhì)原因后，對(duì)前3 名進(jìn)行專項(xiàng)質(zhì)量獎(jiǎng)勵(lì)，激發(fā)操作人員質(zhì)量控制主觀性；④定期培訓(xùn)考核：定期組織培訓(xùn)考核，包括理論知識(shí)和實(shí)際操控過(guò)程控制，采取優(yōu)勝劣汰制，對(duì)于考核不合格者給予1 個(gè)月緩沖期，若繼續(xù)考核不合格，調(diào)離預(yù)裂鉆孔施工崗位。

3.3 預(yù)裂爆破施工控制

1）設(shè)置預(yù)裂裝藥施工爆破小組，小組成員經(jīng)考核合格上崗，并定期組織培訓(xùn)考核，不合格者調(diào)離預(yù)裂施工組。

2）設(shè)置專兼職技術(shù)員、質(zhì)量員確保裝藥過(guò)程受控，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。

3）個(gè)性化裝藥控制。對(duì)于不同地質(zhì)條件、不同巖性交錯(cuò)發(fā)育地帶，采用個(gè)性化裝藥控制措施，及時(shí)調(diào)整藥量、裝藥結(jié)構(gòu)。

4）合理控制爆破規(guī)模、選擇合適起爆點(diǎn)、延期時(shí)間，確保預(yù)裂縫形成。

3.4 輪廓成型質(zhì)量

1）鉆孔質(zhì)量。經(jīng)過(guò)1 個(gè)月生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)整改前后預(yù)裂鉆孔質(zhì)量，鉆孔不合格率（不合格孔主要指方位角不達(dá)標(biāo)、傾角不達(dá)標(biāo)）由35%降低至5%左右，隨著后續(xù)操作工人技能水平提高，鉆孔不合格率有繼續(xù)降低的潛力。

2）輪廓成型質(zhì)量。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)性預(yù)裂爆破試驗(yàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析邊坡輪廓面整體半孔率由不到50%提高到87.5%（剔除地質(zhì)原因影響），并且馬道“溜角”、相互銜接部位巖坎等嚴(yán)重影響形象進(jìn)度問(wèn)題得到有效遏制。特別是節(jié)理裂隙發(fā)育、軟弱破碎地帶、圓弧轉(zhuǎn)角處，半孔率由不足30%，提升至62%，不平整度控制在0.3 m 以內(nèi)，滿足業(yè)主方對(duì)于邊坡輪廓成型質(zhì)量要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)圓弧段、破碎段或轉(zhuǎn)角段等節(jié)理裂隙發(fā)育條件下邊坡輪廓成型，通過(guò)減小預(yù)裂孔距、合理控制線裝藥量、優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序、延期時(shí)間等技術(shù)措施，同時(shí)對(duì)鉆孔施工、裝藥施工等進(jìn)行過(guò)程控制，將邊坡輪廓成型整體殘留半孔率由不足50%提高到87.5%，有效控制節(jié)理裂隙發(fā)育邊坡輪廓成型質(zhì)量，為類似工程邊坡輪廓成型提供借鑒。