条形药包硐室爆破技术在山体危岩排险施工中的应用

黄德全,周 勇,陈剑锋,刘良权,罗 英,陶 军

(1.重庆市地质勘查局 107地质队,重庆 401120;2.重庆市基础工程公司,重庆 400012)

条形药包硐室爆破技术在山体危岩排险施工中的应用

黄德全1,周 勇2,陈剑锋1,刘良权1,罗 英1,陶 军1

(1.重庆市地质勘查局 107地质队,重庆 401120;2.重庆市基础工程公司,重庆 400012)

危岩体硐室爆破一次排险量大,施工速度快,是大方量应急排险的首选爆破方案。本次巫山山体危岩硐室爆破排险,通过详细的地质调查和地形地貌测绘,采取信息化指导施工,安全、快速地完成了应急排险任务,一次排险 2817万 m3,历时 46天,取得了较好的经济效益和社会效益。论述了本次爆破方案的设计、爆破参数的选择以及施工技术,介绍了爆破效果,总结了经验体会。

危岩体;硐室爆破;应急排险;信息化施工;爆破能量损失;爆破药量

0 前言

我国硐室爆破技术的应用和发展经历了 3个阶段:20世纪 50～60年代集中药包爆破技术探讨和大量应用阶段;60～70年代定向筑坝技术在水电站和水库建设中的大量应用阶段;80年代至今,条形药包装药硐室爆破的大量应用阶段。在国内,有关条形药包硐室爆破的研究始于 20世纪 70年代末,从 80年代到 90年代,条形药包硐室爆破技术应用领域和规模逐渐扩大,特别是 90年代后,沿海地区经济的飞速发展,大规模的开发建设进一步促进了条形药包硐室爆破技术的发展。其中规模和影响较大的工程有:1985年福建顺昌石灰石矿的 1700 t剥离大爆破;1991年广东惠州芝麻州 3100 t移山填海大爆破;1992年广东珠海炮台山 12000 t的移山填海大爆破。近年来,在石方路堑施工中,为控制主体石方爆破效果和路堑边坡质量,发展了条形药包硐室加深孔预裂一次成型的综合爆破技术,爆破形成的边坡稳定、平整。这一切充分显示出我国在条形药包硐室爆破的工程应用上走在了世界的前列。目前,随着我国大型钻机和开挖机具设备的发展和更新、爆破环境的日益复杂化以及爆破对周围地区的影响控制程度要求的提高,大量土石方开挖工程目前已广泛采用深孔爆破方法,而硐室爆破的应用范围受到限制。

地灾山体排险爆破施工,是近几年爆破工程所涉及的新领域,有着广阔的市场范围和应用前景,特别是三峡库区蓄水运行后,诱发的大量地质灾害需要应用爆破施工技术予以快速排险,以便尽快恢复当地的生产和生活次序。通过在重庆武隆、巫山等典型地灾排险爆破项目条形药包硐室爆破技术的应用,得到的大量经验证明:要想条形药包硐室爆破在地灾排险爆破领域得到更广泛的应用,必须要解决以下两方面的问题:(1)因硐室爆破技术中的药室和导洞开挖需要人工、机械长时间在危岩体上作业,其如何规避排险施工中的安全风险;(2)山体大量裂隙产生的爆破能量损失与常规硐室爆破药量计算的修正量问题。本文就条形药包硐室爆破技术在巫山山体排险施工中,这两方面问题的解决方法和措施的应用方面作了一些尝试。

1 工程概况

重庆市巫山县笃坪乡鹤溪村危岩位于县城东南120多千米的笃坪乡鹤溪村“三县煤矿”右侧,地区海拔 2000余米,属喀斯特地貌,危岩为灰岩,呈近似水平层理的巨厚层状,岩层的厚度在几十厘米至几米之间,层与层之间夹有灰、灰黑、黄褐色等薄层状粘土和煤层。危岩带宽度 120余米,高度 130～150 m。该危岩带在地表水沿岩石裂隙或顺斜坡向下流动过程中,因剥蚀作用形成的溶沟将危岩带分成 3个相对独立又相互联系的危岩体,分别编号为 1、2、3号危岩体 (见图 1)。2号危岩体居中,比相邻的 2个危岩体高数米。3号危岩体已于 2009年 2月 3日因危岩裂隙发育和岩石自重引起部分崩塌,其危岩体顶部已脱离母岩向外倾斜,顶部裂隙最宽处 10余米。3号危岩体崩塌下来的岩石碰撞后的小石块飞出 400余米砸烂了村民一台洗衣机,并打断了一村民大腿,后因其流血过多而死亡。

图 1 危岩体分布图

周围要求保护的永久建 (构)筑物较多,危岩东侧 200 m处、东北方向 330 m处、西侧 230 m处和西北方向 350 m处均有三县煤矿的厂房设施,以及西北方向 270 m与 290 m处有两栋民房,东北方向470 m处有一栋民房,在危岩体的正北方向 260 m处有一条宽度约 110～715 m的冲击河沟,河沟的后侧距离危岩体 400～450 m处散落有 4户民房,其余环境宽阔,为山区丘陵地带,人烟稀少。

1号危岩体体积约为 116775 m3,2号危岩体体积约为 106337 m3,3号危岩体体积约为 225454 m3,总体积约为 448566 m3。危岩主要危害对象是鹤溪村村民的生命财产和三县煤矿矿区设施,其中村民16户 (63人),在用巷道硐口及其附属设施 6处,直接经济损失达 1500万,危害对象等级划分为二级。

本次爆破排险的要求是:

(1)在 46天的时间里完成排除该危岩体 28万m 3;

(2)爆破飞石控制在 100 m内;

(3)控制地震效应,尽可能保护周边建 (构)筑物;

(4)动用一次警戒力量一次爆破完成排险。

2 爆破方案设计

2.1 设计原则

2.1.1 充分调查研究的原则

该危岩体因卸荷崩塌和地下老矿硐沉陷等多种因素作用,其与母岩体间形成的拉裂缝横向发育较为宽大,向下贯通深度大,危岩体下根部破碎,且危岩体体内拉裂隙发育,处于临界平衡状态。其前期地质调查对于危岩体内体的裂隙状况和地形地貌的测绘相对比较粗糙,不能满足爆破设计的要求。在进行爆破排险方案设计时,必须重新进行调查研究,弄清裂隙的分布状况和贯通方向、深度,准确测绘危岩体地形图,并在拟定位置测绘出危岩体的水平剖面图和垂直剖面图,以便准确设计出药室位置和炮孔位置。

2.1.2 硐室爆破和深孔爆破相结合的原则

硐室爆破需要进行导硐施工和药室开挖等工程施工。对于高耸的危岩体,导硐和药室的开挖减小了危岩体的根部支撑断面积,在导硐和药室开挖爆破中的多次反复爆破震动,极易诱发危岩体突发性的失稳崩塌,威胁施工作业人员的安全。在爆破方案的设计选择上,要针对危岩处于稳定、欠稳定和不稳定 3种状况分别设计。对于自然工况暂时处于稳定、欠稳定状态而雷暴、地震工况不稳定的危岩,直接在危岩体上开挖导硐采用硐室爆破的工艺技术;对于自然工况处于不稳定状态的危岩,采取中深孔爆破的工艺技术,中深孔的钻凿施工采取支架平台或危岩体外侧导洞接近的原则,以此避免人员在危岩体内施工。

2.1.3 监控量测信息化施工的原则

危岩体爆破排险施工,监控量测工作十分重要。没有监控量测工作,就没有排险施工的安全性。监控量测应采取全占仪和水准仪对危岩体的高程和水平位移进行精确量测,对于临界平衡的危岩体,尚应安装位移收敛仪和自动报警装置,采用监控量测指导施工。

2.2 方案选择

根据危岩监控测量情况 (参见图 2～5),1号和2号危岩体水平向拉裂宽度不大,一般在 30～70 cm,垂直拉裂缝深度大,几乎贯穿到山崖底部,拉裂面呈 70°～75°,危岩体呈高耸状,高度 70余米,厚度一般在 17～25 m,爆破方案采取条形药包硐室崩塌爆破的方式,在危岩体根部设置硐室,将该危岩体自稳定高程以上完全爆破崩塌。3号危岩体水平向拉裂缝大,达 10余米,竖向发育宜深大,但竖向的拉裂面近于垂直,危岩体呈四棱柱状少量外倾,采取顶部削坡减载的爆破方式进行排险,爆破减载高度 50 m。

1、2、3号危岩均采取条形药包硐室爆破的爆破方式。

2.3 爆破参数的选择

2.3.1 最小抵抗线W

主要依据爆破方量、地形条件、抵抗线W与埋深 H之比、抛掷距离、不逸出半径以及安全距离等来选择。最小抵抗线一般在 8～25 m,太小会增加硐室开挖量,太大则要增加药量以克服重力作用。

图 4 3号危岩 1683高程水平断面图

图 5 3号危岩体垂直断面图

2.3.2 炸药单位用药量

炸药单位用药量与岩石性质、炸药威力有关。根据现场实际情况,此次岩石为厚层、致密石灰岩,对于 2号岩石铵梯炸药来说,单耗选取 K=1105 kg/m3,而对于现在的岩石膨化硝铵炸药,其单耗应选取 K=1105 kg/m3×1115=112 kg/m3。

2.3.3 药量计算

条形药包药量计算公式:

式中:Q条——装药量,kg;K——炸药单耗 ,112 kg/m3;W条——最小抵抗线,m;n——爆破作用指数,采用加强松动爆破,取 0175。

由于危岩体多临空面,因此,在设计上未考虑端头加药量。实际装药时,考虑到危岩体裂隙发育,爆破气体逸出严重,按计算值量增大 10%装药。

1、2号危岩采取崩塌的方式,在高程 1650 m处开挖水平导硐进入危岩体并开挖药室。导硐断面按112 m×118 m控制,药室按单层单排进行布设。因危岩体在 1650 m高程处与母岩间形成 015～018 m宽度的裂隙,药室的布置原则上应将危岩体作为孤体进行位置的布设和药量的计算,同时应综合考虑前后临空面的差异等因素。1号危岩水平断面上的厚度 18 m,长度 40 m,药室布置为双药室,编号为1、2号药室,该药室外侧临空面的最小抵抗线为 12 m,母岩方向的最小抵抗线为 6 m。2号危岩体水平断面的厚度 16 m,长度 3414 m,药室布置为双药室,编号为 3、4号药室,该药室外侧最小抵抗线为 12 m,母岩方向最小抵抗线为 4 m。

3号危岩采取在 1683 m高程处的削坡减载的爆破排险方式。该危岩体 1683 m高程水平断面厚度 36 m,长度 4112 m,高度 57 m。按照单药包计算药量,条形药室装药,设计为正面抵抗线 18 m,侧向抵抗线 18 m,为 2个条形药室,编号为 5、6号药室。

本次爆破的爆破参数如表 1所列。

表 1 爆破参数表

2.4 硐室堵塞

堵塞回填的质与量对于硐室爆破十分重要,原则上填塞的长度不得小于设计的最小抵抗线,并应愈大愈好。本次爆破排险 1、2号危岩的药室间堵塞长度为全堵塞,丁字口外堵塞长度为 18 m;3号危岩的药室间堵塞长度亦为全堵塞,丁字口外堵塞长度为 23 m。堵塞材料均为爆破石渣装袋回填。

2.5 爆破网路

为确保爆破网路的安全,本次爆破设计为非电和电爆复式起爆系统。电力起爆网路为应用网络,非电起爆网络为备用网络。电力起爆网络和非电起爆网络分别穿入 PVC管引出洞外,并在回填堵塞过程中经常检查网路的畅通。

每个药室置入电力起爆体 2个,置入非电起爆体 1个。每个电力起爆体并联两发雷管,并按照同药室并联药室间串联形成并串联电爆网络,网路的发爆电流 85 A,单发雷管过流电流 42 A,确保了网路的准确起爆。

药室间爆破延时时间选择不可过大和过小,过大容易造成先爆岩块砸坏网络形成部分药室拒爆,过小容易造成地震波叠加,形成地震效应破坏周边建 (构)筑物。本次爆破 3号危岩体的 5号药室为 1段,6号药室为 3段,2号危岩体的 3、4号药室为 5段,1号危岩体的 1、2号药室为 7段。危岩体间延时时间差一般为 50 ms。

3 爆破效果

1、2、3号危岩体一次装药于 2009年 7月 28日12:00时准时起爆 (见图 6)。1、2号危岩爆破后,危岩体沿着与母岩的拉裂面整体崩塌,岩面完整、光滑,排险彻底、安全。3号危岩爆破后,大部分岩块被抛掷,少部分堆积在 1683 m高程的爆破平台上,部分经再次解块后用挖机挖移出平台外,排险亦安全、彻底。排险达到预期要求。

图 6 起爆瞬间

本次爆破经实测验收,1号危岩体排险方量 12万m3,2号危岩体排除危岩体 712万 m3,3号危岩体排除危岩量 915万 m3,总计排险 2817万 m3。爆堆集中、稳定,对于 1650 m高程下未予爆破的危岩体,起到了堆载压脚的稳定作用。爆破飞石控制在了 50 m范围内。爆破震动小,距离爆点 100 m左右的土坯房安然无恙。爆破形成的新岩面完整、光滑,无新的危石、悬石。本次爆破排险达到应急排险目的,效果十分理想,爆破效果见图 7。

图 7 1、2、3号危岩爆破后

4 几点体会

(1)应急排险采取条形药包硐室爆破是可行的。硐室爆破排险具有排险时间短,一次爆破量大,且经济效益、社会效益显著。本次爆破进场时间2009年 6月 12日,爆破时间 2009年 7月 28日,历时 46天完成排险 2817万 m3,非硐室爆破难以实现。

(2)信息化指导排险施工,是安全排险的关键。2号危岩原计划是导硐开挖到危岩体与母岩的裂隙面后采用地质钻机凿 “150 mm的中深孔爆破排险方式,实际施工中,经对危岩体的变形位移监测,信息反馈该危岩体暂时处于自然工况稳定、暴雨工况欠稳定状态,据此决定将该中深孔爆破方式改为硐室爆破。在该硐室掘进开挖中,采取自然工况下掘进洞室,暴雨工况暂停施工,并采取全占仪,水准仪和自动报警仪等对该危岩进行 24 h连续监测,确保了该危岩的安全施工。

(3)危岩体在形成过程中除与母岩间产生大的拉裂隙外,在危岩体内往往会产生纵横交错的裂隙,在爆破瞬间其爆破气体会大量逸出影响爆破效果。排险施工条形药包硐室药量计算按照公式:

计算出常规药量后,在不考虑端头加药的情况下,加大 10%～15%的药量是可行的,但要充分考虑周边环境因素及岩体裂隙情况,裂隙多环境好取大值,反之取小值。本次爆破加大量 10%,未予出现爆破飞石,又达到了预期的爆破效果。

(4)3号危岩体硐室爆破的下破裂线在危岩爆破中未预期形成,造成爆后平台上堆渣多于预期。3号危岩削坡减载爆破计划的下破裂线按照公式 R=(其中 W=18 m),破裂高度应为 1315 m,以此下破裂线形成的面在爆破后不应堆积较多的渣石。而实际上,爆破的下拉裂高度经测量仅 110 m,在爆破药室平面 1683 m上基本为水平平台,在爆破后该平台堆积石块量较大,致使爆破后不得不再次动用挖机来清除该平台上的爆破渣石。事后,在机械清理中发现,在低于硐室底板高程的位置,是一处山体水平地质层理构造,从而改变了下破裂线的正常形成,因此,硐室爆破排险设计中利用下破裂线泄落岩渣应慎重,应充分考虑岩层层理及软弱夹层对下破裂线形成的影响。

总的来说,本次爆破实践,无论是从条形药包硐室爆破技术的应用心得,还是经济和社会效益方面都有很大的收获。

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Application of Chamber Blasting with L inear Charge in Unstable Rock Risk-el im ination

HUANG De-quan1,ZHOU Yong2,CHEN Jian-feng1,LIU Liang-quan1,LUO Ying1,TAO Jun1(1.No.107 Geological Party,Chongqing Bureau of Geology andMineral Exploration,Chongqing 401120,China;2.Chongqing Foundation Engineering Company,Chongqing 400012,China)

Unstable rock chamber blasting is the first blasting scheme for large volume emergency treatmentwith rapid con-struction speed.With detailed geological survey and topographymapping,andwith informational instruction,the risk-elim-ination by chamber blastingwas carried inWushan,287000m3unstable rockswere eliminated in 46 days.The paper dis-cussed the blasting scheme design,blasting parameter selection,construction technology and blasting effectwith the experi- ence.

unstable rock;chamber blasting;emergency treatment;information construction;blasting energy loss;explo-sive dosage

TD235.34

A

1672-7428(2010)01-0074-05

2009-10-29

黄德全 (1964-),男 (汉族),重庆合川人,重庆市地质勘查局 107地质队高级工程师、一级建造师、全国监理工程师,探矿工程专业,从事公路、铁路、矿山、码头、水利水电等工程的施工及技术管理工作,重庆市渝北区两路镇双凤支路 5号 5- 2;周勇 (1963-),男 (汉族),四川渠县人,重庆市基础工程公司经理、工程师,探矿工程专业,从事岩心钻探、岩土工程、地质灾害治理工作,重庆市渝中区大坪长江二路 177-2号。