舟山绿色石化基地凝灰岩露天矿山靠帮边坡爆破技术研究

丁银贵(宏大爆破有限公司， 广东 广州 510623)

1 前言

舟山绿色石化基地是国家石油化工“十三五”规划重点项目，是中国(浙江舟山)自由贸易试验区建设的引擎，是舟山江海联运服务中心发展的核心，位于浙江省舟山市岱山县大小鱼山岛围垦区，西邻杭州湾，东邻东海，北与上海国际航运中心洋山港毗邻，背靠上海、杭州、宁波、舟山等大中城市，地理位置优越。

舟山绿色石化基地凝灰岩露天矿山是石化基地建设的重要组成部分，为大小鱼山岛围垦区建设提供建设石料和施工用地，在整个石化基地建设中处于龙头地位。

矿区为发育单一的火山碎屑岩，岩性为流纹质含角砾玻屑熔结凝灰岩。表层岩石风化严重，约10～30m厚，呈黄褐色，节理裂隙发育，结构松散，碎块状，物理力学性质差；下层岩石弱风化，呈青灰色，塑变结构，假流动构造，有少量断层，发育节理少，岩石总体较为完整，但局部存在楔形体，易发生岩块崩落等不良工程地质现象。岩石为普坚石，坚固性系数f=8～12。主要成份为塑变玻屑，其次为晶屑、角砾。

地下水主要有松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水两种类型。区内松散岩类铅厚较小，岩性为含碎石粉质黏土，透水性、富水性差，水量贫乏。节理虽较发育，但节理面平直、闭合，水的连通性差。地下水向下渗透的路径不长，径流量较小，边坡部位未见泉水露头，仅见少量渗水，基岩裂隙水也较为贫乏。地下水主要由大气降雨补给，沿基岩裂隙向低处径流。

矿区位于北亚热带南缘季风海洋型气候区，常年温和湿润，冬暖夏凉，光照充足。年平均气温16.1℃，最冷1月份平均温度5.5℃，最热8月份平均气温26.9℃；年平均降雨量1 200mm，主要集中在梅季和夏秋台风季节。日最大降水量246.3mm。年平均相对湿度80%。全年无霜期257天。全年盛行北风和东南风，其中，春夏季主导风向为东南风，冬季为偏北风，年均风速6.7m/s。

舟山绿色石化基地凝灰岩露天矿山共设置7处靠帮边坡，边坡周边均有生活办公临建设施、交通运输道路、供电通讯设施、石化炼化装置等，施工环境复杂。靠帮边坡周边环境如图1所示。

图1 靠帮边坡周边环境图

舟山绿色石化基地凝灰岩露天矿山设置靠帮边坡共7处，分为3～4个台阶，台阶高均为15m，马道宽度为4～6m。最上层台阶风化严重，节理裂隙发育，坡面角设置为1∶1.5(即坡面角为34°)；中间台阶风化中等，坡面角为1∶1(即坡面角为45°)；最下层台阶岩石风化较弱，坡面角设置为1∶0.75(即坡面角为53°)。

边坡排水系统由截水沟、平台排水沟、急流槽组成。截水沟设置于坡顶以外5m位置，梯形结构，规格(净尺寸)为50cm(底宽)×120cm(顶宽)×50cm(深)；平台排水沟设置于平台中间，矩形结构，规格(净尺寸)为：50cm(宽)×50cm(深)，平台排水沟设置0.2%的排水坡度；急流槽设置于边坡坡面上，矩形结构，规格(净尺寸)为：80cm(宽)×60cm(深)，坡度与边坡坡面坡度一致。靠帮边坡布置如图2所示。

2 靠帮边坡预留孔底保护层缓冲爆破

根据靠帮边坡设置要求，最上层边坡坡面角较小(34°)，钻孔效率低，且成孔质量较难控制，不宜采用光面(预裂)爆破。表层边坡岩石风化严重，节理裂隙发育，结构松散，碎块状，物理力学性质差，为有效保护边坡岩体，减少施工对边坡岩体的破坏，最上层边坡采用预留孔底保护层缓冲爆破，辅以机械破碎。

2.1 爆破参数及装药结构

1)爆破参数

(1)钻孔直径D。采用潜孔钻机或液压钻机作业，孔径D=115mm。

(2)台阶高度H。靠帮边坡台阶高度H=15m。

图2 靠帮边坡布置图

(3)预留保护层厚度h和钻孔深度L。炮孔分5排布置，钻孔角度均为90°，孔底至边坡坡面预留1.0～1.5m厚的保护层，钻孔深度每一排均不相同。第一排沿台阶坡脚线布置，预留保护层厚度为1.5m，钻孔深度为13.5m；第二排距第一排4.5m，预留保护层厚度1.5m，钻孔深度为10.5m；第三排距第二排4.0m，预留保护层厚度为1.2m，钻孔深度为8.2m；第四排距第三排3.5m，预留保护层厚度为1.0m，钻孔深度为6.0m；第五排距第四排3.0m，距坡顶线7.5m，预留保护层厚度为1.0m，钻孔深度为4.0m[1-2]。

图3 预留孔底保护层缓冲爆破爆破参数及装药结构

(4)孔间距a。同排炮孔间距相同，不同排炮孔间距不同，第一排孔间距a=5.0m，第二排孔间距a=4.5m，第三排孔间距a=4.0m，第四排孔间距a=3.5m，第五排孔间距a=3.0m。

(5)孔排距b。每两排炮孔排距距均不相同，第一排、第二排间孔排距b=4.5m，第二排、第三排间孔排距b=4.0m，第三排、第四排间孔排距b=3.5m，第四排、第五排间孔排距b=3.0m。

(6)线装药密度Q线。耦合装药，线装药密度Q线=9.0kg/m。

(7)堵塞长度L堵。同排炮孔堵塞长度相同，不同排炮孔堵塞长度不同，第一排炮孔堵塞长度L堵=4.5m，第二排炮孔堵塞长度L堵=4.0m，第三排炮孔堵塞长度L堵=3.5m，第四排炮孔堵塞长度L堵=3.0m，第五排炮孔堵塞长度L堵=2.5m。

(8)药卷直径。采用药卷直径为90mm的成品乳化炸药。

2)装药结构

采用药卷直径为90mm的成品乳化炸药连续、耦合装药，两个起爆药包同时起爆，药包位置安装在炮孔内装药长度的1/4处和3/4处。

预留孔底保护层缓冲爆破爆破参数及装药结构如图3所示。

2.2 起爆网路设计

靠帮边坡预留孔底保护层缓冲爆破起爆网路采用逐孔起爆技术，孔内使用2发10段380ms非电导爆雷管，排间采用5段110ms非电导爆管雷管错段，孔间采用3段50ms非电导爆管雷管错段，同排错段采用2段25ms非电导爆管雷管[3]。预留孔底保护层缓冲爆破起爆网路设计如图4所示。

图4 预留孔底保护层缓冲爆破起爆网路图

2.3 爆破效果评价

爆破后边坡眉线平直，未见明显拉裂或爆破损伤，坡面上局部凸起的地方采用机械破碎二次处理，处理后符合设计要求；边坡台阶高度、边坡坡坡率、平台马道宽度等参数满足设计要求；排水系统修筑按图施工，现场规格参数与施工图纸一致，满足边坡排水要求；边坡坡面平整，坡面浮石清理较为干净，边坡整体稳定，未对边坡外生态造成破坏，符合设计和施工要求；施工中对边坡岩体保护得当，未发生边坡变形、边坡滑塌事件，局部地质条件不好的地方需后期进行边坡防护。

预留孔底保护层缓冲爆破效果如图5所示。本次爆破孔直径为115mm，炮孔倾角53°，孔深约19.8m，孔距1.3m；乳化炸药直径32mm(0.2kg/节、20cm/节)。

图5 预留孔底保护层缓冲爆破效果图

3 靠帮边坡光面(预裂)爆破

根据靠帮边坡设置要求，中下层边坡坡面角不小于45°，成孔质量有保证。岩石风化较弱，发育节理少，岩石总体较为完整，为有效保护边坡岩体，采用光面(预裂)爆破开挖。

3.1 光面(预裂)孔爆破参数及装药结构

1)光面(预裂)孔爆破参数

(1)钻孔直径D。采用潜孔钻机或液压钻机作业，孔径D=115mm。

(2)台阶高度H和超深h。靠帮边坡台阶高度H=15m，超深h取1m。

(3)钻孔深度L。本工程中下层边坡坡率为1∶1和1∶0.75两种，根据钻孔深度L=(H+h)/sinα可知，当边坡坡率为1∶1时，钻孔深度为22.6m；当边坡坡率为1∶0.75时，钻孔深度为20.0m。

(4)孔间距a[4-5]。根据经验公式，孔间距一般取孔径的8～12倍，即a=(8～12)D=0.92～1.38m，根据现场地质条件和岩性情况，本工程取a=1.3m。

(5)线装药密度Q线。根据地质勘察报告相关数据可知，边坡中下层岩石抗压强度σ压平均值约为175MPa，Q线约为0.65kg/m。

(6)堵塞长度L堵。一般取1.5～3.0m，本工程取2m。

(7)药卷直径。本工程采用药卷直径为32mm的2#岩石乳化炸药(单节药卷长度0.2m，重量0.2kg)。

2)光面(预裂)孔装药结构设计

装药结构采用竹片、导爆索串联间隔不耦合装药，炮孔装药分为三段：底部加强段、中间正常段和顶部减弱段。

(1)底部加强段。炮孔底部加强段长度约1～2m，线装药密度Q线底=(3～5)Q线=1.95～3.25kg/m，取Q线底=2.1kg/m。

(2)中间正常段。中间正常段装药密度0.65kg/m，间隔10cm。

(3)顶部减弱段。顶部减弱段为堵塞段以下3～4m，装药密度Q线顶=(2/3～1/2)Q线=0.43～0.33kg/m，取0.42kg/m，间隔25cm。

光面(预裂)爆破装药结构如图6所示。

图6 光面(预裂)爆破装药结构图

3.2 主爆孔及缓冲孔孔网参数及装药结构

1)主爆孔孔网参数及装药结构

(1)孔网参数。主爆孔孔径D=115mm，超深h=1.5m；钻孔角度为80°，钻孔深度L=16.8m；堵塞长度L堵=5.0m，线装药密度Q线=9.5kg/m，单孔装药量Q=112.1kg；孔网参数(孔距×排距)为5.0m×4.0m。

图7 主爆孔装药结构

(2)装药结构。根据自由面情况采用连续、不耦合(孔径115mm，炸药直径90mm和直径70mm)装药结构；两个起爆药包位置一般安装在炮孔内装药长度的1/4处和3/4处。当第一排孔自由面变化较大，最小抵抗线明显有局部不能满足设计要求时，采用间隔装药，避免产生飞散物，孔口以炮泥或岩粉堵塞密实，具体如图7所示。

2)缓冲孔孔网参数及装药结构

(1)孔网参数。缓冲孔孔径D=115mm，超深h=1.5m；钻孔角度为80°，钻孔深度L=16.8m；堵塞长度L堵=5.0m，线装药密度Q线=6.0kg/m，单孔装药量Q=112.1kg；孔距为4.0m，与主爆孔排距为4.0m，与光面(预裂)孔排距为3.0m。

(2)装药结构。采用分段装药结构，不耦合装药结构，装药主要分为三段，孔底加强段长3.0m，采用耦合装药结构；中间段长4.4m，采用不耦合装药结构，炸药直径90mm吊装；顶部减弱段长4.4m，采用不耦合装药结构，炸药直径70mm吊装。起爆药包位置与主爆孔一致。

3.3 起爆网路设计

1)光面爆破

孔内使用2发10段380ms非电导爆雷管，同排炮孔分组起爆，主爆孔每排4～5个炮孔为一组，缓冲孔每排5～6个炮孔为一组，光爆孔每排15～19个炮孔为一组，每排炮孔组间采用3段50ms非电导爆雷管错段。不同排炮孔排间错段起爆，雷管错段采用5段110ms。主爆孔缓冲孔内装不少于2发10段380ms非电导爆雷管，每排炮孔4～5个孔为一组，组间采用3段50ms非电导爆雷管错段，排间采用5段110ms雷管错段。起爆网路设计如图8所示。

2)预裂爆破

预裂爆破孔在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝，以缓冲、反射开挖爆破的振动波，控制其对保留岩体的破坏影响，使之获得较平整的开挖轮廓。预裂爆破采用导爆索进行孔外传爆和孔内起爆，根据爆破有害效应控制要求进行分组起爆，每组起爆35～40个炮孔，组间采用2段25ms延时雷管分段起爆[6]。起爆网路设计如图9所示。

图8 光面爆破起爆网路

图9 预裂爆破起爆网路

3.4 爆破效果评价

爆破后边坡眉线平直，未见明显拉裂或爆破损伤，边坡台阶高度、边坡坡坡率、平台马道宽度等参数满足设计要求；排水系统修筑按图施工，现场规格参数与施工图纸一致，满足边坡排水要求；施工中对边坡岩体保护得当，边坡坡面平整，未发生边坡变形、边坡滑塌事件，未对边坡外生态造成破坏，符合设计和施工要求。

光面(预裂)爆破区域岩石风化中等，节理裂隙中等发育到不发育，岩石总体较为完整。节理裂隙中等发育时，开挖壁面上的炮孔痕迹率者约70%～75%；节理裂隙不发育时，开挖壁面上的炮孔痕迹率者约85%～90%；围岩壁面没有明显的爆生裂隙，围岩壁面不平整度在±10cm以内。

4 结论

舟山绿色石化基地凝灰岩露天矿山靠帮边坡地质变化大，风化程度不一，节理裂隙发育程度不均，边坡坡率变化大(1∶0.75～1∶1.5)，坡面角为34°～53°。为有效保护边坡岩体，根据边坡坡率、风化程度、节理裂隙发育程度等采用预留孔底保护层缓冲爆破、光面(预裂)爆破。爆破后坡面平整，眉线满足设计要求，未见明显拉裂或爆破损伤，坡面没有明显的爆生裂隙，边坡稳定，未发生边坡变形、边坡滑塌事件，也未对边坡外生态造成破坏，取得了较好的经济效益和社会效益，对以后类似边坡的施工具有一定的指导意义。