仙居抽水蓄能电站上水库坝料爆破开采技术研究

王 波 王家鹏 付 纪

(中国水利水电建设工程咨询北京公司 100024)

1 引言

仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县湫山乡境内，距仙居县城50km。电站由上水库、输水系统、地下厂房、地面开关站及下水库等建筑物组成，总装机容量为1500MW(4×375MW)。上水库由一座主坝和一座副坝组成，主、副坝均为混凝土面板堆石坝，最大坝高分别为86.70m和59.70m，上水库总库容约1294万m3;土方开挖量约101万m3，石方开挖量约249万m3，大坝石方填筑量约227万m3，主、副坝采用分层填筑碾压的方法，填筑料主要利用进/出水口、东南库岸、西南库岸等部位的开挖料，因此在施工时应尽量安排开挖与坝体填筑同期施工，便于开挖料直接上坝，减少二次转运。本文着重探讨大坝堆石、过渡料的开采爆破方式。

2 爆破试验技术背景

2.1 上水库岩石地质构造

上水库出露的地层以穿过副坝垭口的F2断层为界，断层北盘为高坞组地层，南盘为西山头组地层，呈单斜地质构造。上水库节理发育，受断裂构造、岩性的影响，在不同的岩层内其产状及发育程度不一。高坞组(J3g)地层节理以铁锰质渲染为主，深部为钙质充填。

2.2 岩石物理力学性质

试验表明，弱风化角砾凝灰岩、沉凝灰岩吸水率、孔隙率较大，表明这类岩石受风化影响明显，抗压强度低、离散性较大;其余试样结构较致密，尤其是含砾晶屑熔结凝灰岩的指标最优。其中弱风化角砾凝灰岩饱和单轴抗压强度为31.1MPa，软化系数为0.51，微风化为96.1MPa和0.83;弱风化安山岩为81.8MPa和0.87，微风化为95.5MPa和0.74;弱风化玄武岩为73.4MPa和0.91，微风化为80.5MPa和0.72;弱风化含砾晶屑熔结凝灰岩为124MPa和0.64，微风化为163.4MPa和0.78;角砾凝灰岩、安山岩及玄武岩三类岩石的物理力学性质具有一定的离散性，反映该类岩石的物质组成的不均一性。

2.3 设计的开采料级配要求

2.3.1 开采料颗粒级配

开采料颗粒级配见表1。

2.3.2 开采料级配包络线

开采料级配包络线见图1～图2。

表1 开 采 料 颗 粒 级 配

图1 过渡料颗粒级配包络线

图2 主堆石颗粒级配包络线

3 石料开采方案比较

目前国内抽水蓄能电站坝料开采爆破，大致归纳有以下几种方法，见表2。

表2 坝 料 开 采 比 较 方 案

4 试验采用的爆破技术

4.1 堆石及过渡料开采爆破技术

本次坝料爆破试验采用深孔“V”微差挤压爆破技术，其优点如下:

a.微差顺序爆破网络是利用雷管毫秒延时的作用起爆药包，利用爆轰波的相互叠加作用和爆破的岩石相继碰撞，有利于岩石破碎。

b.“V”形网络连接方式，增加了孔距，形成大间距和小抵抗线，使岩石特别在致密状难破碎的岩层，产生更多的扭曲和撕裂作用，从而改善爆破效果。

c.在自由面前有意保留堆渣而产生的挤压作用，使岩块块度均匀，大块率低，可以获得一定块度、级配的特殊用途的石渣材料。

d.爆堆规整，对运输线路影响小，减少运输设备的停滞时间。

4.2 堆石及过渡料开采爆破参数

已知参数:钻孔直径D=90mm，梯段高度 H=12m，炸药品种:2号岩石乳化胶状铵梯炸药。

未知参数:孔距a，排距b，装药结构，单耗药量，超钻深度，堵塞长度，起爆网络。

爆破梯段高度控制在12m以内，主要采用DX700钻机造孔，钻孔角度为75°，采用方形布孔。

4.2.1 盘底抵抗线

盘底抵抗线(W1)计算公式为

W1=nD

式中 n——排距系数20～30，硬岩取小值，软岩取大值;

D——炮孔直径。

4.2.2 孔距

孔距(a)计算公式为

a=mW1

式中 m——密集系数，一般取0.8～1.4，在宽孔距爆破中取2～4或更大，第一排孔应选较小系数。

4.2.3 排距

排距(b)计算公式为

b=0.8 a

4.2.4 炸药单耗量选择

a.单耗量计算公式为

式中 Y80——破碎的爆岩有 80%通过的筛孔尺寸，m;

B——底盘抵抗线，m;

S ——孔网面积，m2;

q——单耗药量，kg/m3;

C ——岩石系数，kg/m3。

经过试算，可分别确定首次主、次堆石料和过渡料的孔网参数和炸药单耗。再根据首次爆破情况，结合地质条件和以往爆破经验，进行爆破参数修正。

b.超钻深度:超钻深度是指炮孔深度超出梯段高度以下的一段孔深，其作用是降低装药中心位置，克服梯段底板的夹制作用，使爆后不留底块。

超深一般按下式计算

h=(0.15～0.30)W

如果岩石坚硬，结构面不发育，则超深要加大。

c.堵塞长度:合理的堵塞长度和良好的堵塞质量，有利于改善爆破效果。过短的堵塞容易造成岩块飞散甚至冲炮和出现根底;过长的堵塞容易在孔口部分形成大块。

堵塞长度计算公式

L=0.75W

4.3 堆石料爆破试验参数

4.3.1 试验固定参数

已知参数:钻孔直径D=90mm，钻孔角度80°，孔深13m，梯段高度H=12m，炸药品种:2号岩石乳化胶状铵梯炸药，堵长2.0m，孔网形式:矩形，起爆网络“V”形(见图3～图4)。

4.3.2 试验可变参数

根据堆料和过渡料的爆破试验参数计算成果，结合实际工程经验，初步确定本次爆破试验可变参数，见表3:

图3 开采料试验“V”形爆破网络

图4 主爆不耦合装药结构示意图

表3 堆料爆破试验的可变参数计算

4.3.3 装药结构

采用连续耦合装药结构。

4.4 过渡料的爆破试验参数

4.4.1 试验固定参数

已知参数:钻孔直径D=90mm，钻孔角度80°，孔深13m，梯段高度H=12m，炸药品种:2号岩石乳化胶状铵梯炸药，堵长2.0m，孔网形式:矩形，起爆网络“V”形。

4.4.2 试验可变参数

根据堆料和过渡料的爆破试验参数计算成果，结合实际工程经验，初步确定本次爆破试验可变参数，见表4:

表4 过渡料爆破试验的可变参数计算

5 仙居坝料开采爆破方案

综上所述，根据仙居坝料开采强度、质量，以及石料场的地质情况，借鉴泰安开采和响水涧采石场开采爆破试验的经验成果，采用大中型孔径、中深孔全耦合装药爆破，可以满足仙居大坝填筑和混凝土骨料加工对级配曲线及粒径的要求。

5.1 钻爆参数选择

仙居库盆开挖爆破作业中，在距开挖边坡较远处可采用较大孔径，邻近边坡依次减小钻孔直径:主爆孔径以102～138mm比较合适;在边坡和基建面附近采用90～105孔径，台阶高度10.0m。对东南库岸料场，由于距建筑物较远，可选择较大孔径的钻机，主要选用115～138孔径，靠近边坡爆破孔可选用102孔径，预裂孔选用90孔径，台阶高度12.5m。使用硝铵炸药全耦合装药结构，孔网参数根据料场地质条件和不同级配料的具体要求确定，选用高精度毫秒非电雷管“V”形起爆网络，同时对边坡开挖采用中小孔径不耦合爆破等措施，以减小主爆孔爆破对边坡的影响。此种合二为一的形式，不但可以达到库盆开挖、料场开采爆破设计的要求，又能开采出符合坝料级配要求的石料。

5.2 石料合理级配开采的技术措施

5.2.1 炸药和起爆器材、钻孔设备

根据我国目前水利工地上已有的炸药类型、规格和起爆材料在坝料开采中使用的情况可知:

a.φ70mm、φ90mm柱状2号岩石乳化炸药:炮孔利用率低，为不耦合装药，爆破压缩圈小，只能作为一般块石开采和普通的爆破开挖。

b.2号岩石粉状炸药，爆破威力较大，耦合装药炮孔利用率高，爆破效果较好，但不具备防水性能，因此在雨季和有水的钻孔中可采用防水2号岩石铵油炸药装药，这也是仙居电站大坝坝料开采的主要炸药品种。采取全耦合装药，炮孔利用率高，爆破压缩圈范围较大，300mm以下块径石料含量明显增加，尤其是P5含量可提高3%～5%。

c.普通导爆管起爆网络安全性好，操作方便，起爆规模不受网络本身的限制，但起爆时间间隔太长，且精度不高，容易发生盲炮。高精度非电雷管精度高，操作简单方便，是岩石爆破及石料开采非常理想的起爆雷管。

d.中大孔径深孔微差挤压爆破是提高主、次堆石料和细堆石料的较好开采方法，能大幅度提高符合5mm以下粒径的百分比，比较接近严格的设计包络曲线，从钻爆效率来看，主、次堆石料和细堆石料开采的钻孔设备直径不宜过小或过大，阿特拉斯ROC—D7型高风压潜孔钻机和露天液压钻机有较好的适应性和普遍性，直径在89～138mm较为适宜。仙居石料开采钻孔和装药设备，见表5。

表5 仙居石料开采钻爆机械选型

5.2.2 孔网布置

a.在坝料开采爆破施工中，采用矩形布孔和梅花形布孔两种布孔方式，为了药量分布的均匀性和起爆顺序起爆网络的灵活性，建议密集系数(孔距/排距)为1.5～1.8较好。钻孔角度75～90°，从实际钻孔和爆破效果看，垂直孔便于控制，但倾斜孔(75～85°)的破碎效果较好，残留炮埂较小。

b.前排抵抗线的大小对爆破效果的影响很大，也是保证爆破安全的重要因素之一。坝料开采爆破采用抵抗线为2.5～3.5m较为合适，但最小抵抗线不宜小于2.5m。合理的前排抵抗线一般与装药直径成正比，一般取值约为20～30倍装药直径，以保证爆破的安全和合理的坝料级配曲线。

5.2.3 梯段高度、超钻和堵塞

梯段的高度受钻孔精度、孔排距、炸药及起爆材料的限制。坝料开采的理想梯段高度为12.5m左右，超钻按抵抗线的0.20～0.40倍控制，一般为0.5～1.5m。

炮孔采用黏土或钻孔岩粉封堵，堵塞长度约为药卷直径的25～30倍，严禁在堵孔内混有石块或碎石，以免造成飞石伤害事故。在保证安全的条件下，堵塞长度宜尽量减小，现场按2.0～3.0m控制。堵塞长度大于3.0m的部分，采用小直径的破碎药包延长装药结构，以增加表层破碎效果，辅助药包炸药用量按公式Q=KL3计算，(式中K取0.08～0.1kg/m3，L为堵塞长度)，辅助药包位置放在堵塞段2/3～1/2处。

5.2.4 装药结构

在坝料的开采爆破施工中，采用全耦合装药与不耦合装药、连续与间隔装药的方式。这两种方式对比来看，全耦合装药方式的爆破效果明显优于不耦合装药方式;在同一单耗情况下，耦合装药方式产生石料的特征是:粒径小，均匀系数小，均匀系数的影响不是很大，但间隔装药操作困难，炮孔利用率低。

5.2.5 爆破规模与起爆方式

中大孔径深孔梯段爆破全部采用毫秒微差爆破，包括排间和孔间两种方式。起爆顺序采用“V”形起爆、斜排起爆、直线起爆三种网络方式。“V”形起爆、斜线起爆方式均可以成功起爆，爆堆较集中，差别不大。而梯段前堆渣进行微差挤压爆破，其爆破能量得以充分利用，尤其爆后爆堆更集中，石料中的细颗粒含量明显增加，是坝料爆破开采的优选方案。

坝料爆破每次孔数不宜超过50个，排数不宜超过5排，其规模控制在3000～5000m3范围内。规模太小，细料的比例相对下降，而且影响上坝强度;规模过大，起爆单段药量难以控制，增大爆破震动，会对高边坡、附近居民和建筑物造成不良影响。

6 结论

采用中大孔径深孔全耦合装药的爆破方案，开采大坝堆石级配料，具有经济、高效等优点，因此，成为仙居电站大坝坝料开采的主要方法。现阶段国内外对大坝堆石级配料爆破开采的研究和理论较多，但结合工程实际，运用操作存在较大偏差。本文结合山东泰安、响水涧开采爆破经验，在改善开采的方式方法，提高石料级配质量，降低开采成本，确保施工工期等方面，作了初步的研究和尝试

1 DL/T 5135—2001水利水电工程爆破施工技术规范［S］.

2 GB 6722—2003爆破安全规程［S］.