压渣爆破技术在路堑边坡治理中的应用*

汪高龙，王 潇，李 跟，李 毅

(1.连云港明达工程爆破有限公司，连云港 222021；2.武汉理工大学，武汉 430070)

由于岩石具有碎胀性，爆破后岩块呈松散状态，岩体体积增大。爆破前，通常要在自由面处预留足够空间，以容纳爆破碎胀所增加的那部分岩体体积。这种条件下的爆破称为自由空间爆破，没有足够补偿空间的爆破则称为挤压爆破[1,2]。实际上，挤压爆破的补偿空间是从松散材料中挤压出来的，这种松散材料称为挤压材料，通常为前一次爆破未清理完的渣堆。所以挤压爆破又称为留渣爆破或压渣爆破[3-6]。1982年张生善等人对渣体在爆破过程中的作用进行详细阐述[7]，并分析了其产生的经济效果。费鸿禄将压渣爆破技术应用于路堑石方开挖的施工中[8]，实践证明该方法爆破效果良好，爆破岩石块度均匀，大块率低。尹岳降等人基于矿山台阶爆破技术[9]，合理分析不同爆区的岩性差别，针对不同爆区设置了不同爆破参数。该方法使得爆破后岩石大块率大大降低。

张元娟等人对压渣爆破理论进行了详细说明[10]。压渣爆破技术是在原有“自由面”齐发爆破基础上发展而来的，因此施工方法基本与“自由面”爆破方法相类似，不同的是按设计预留了“渣体”，采用毫秒延时进行排间爆破，并相应地调整了孔网参数[11]。赵春艳等人应用遗传神经网络模型对台阶压渣爆破效果进行预测，增强了预测结果的可靠性，为选择爆破参数和取得良好的爆破效果提供了依据[12]。曹茂欣等人在路基石方开挖工程中，将压渣爆破与微差爆破相结合，取得了较为理想的爆破效果[13]。

1 工程概况

为消除地质灾害隐患，彻底解决连云港东疏港高速公路通车后的安全问题，连云港港口集团拟对东疏港高速公路中云台山路堑西侧边坡+84 m以下边坡崩塌、滑坡地质灾害进行工程治理。治理方法为将路堑西边坡+84 m以下边坡滑坡、崩塌危岩体清除。治理开挖总工程量近1.2×107t。

1.1 爆区周边环境

本工程爆破开采区域正东侧正在运行的东疏港高速公路距爆破区域最近距离仅为20 m；东南方向有混凝土搅拌站最近距离仅为70 m；南侧爆区距康缘药厂最近距离为800 m，康源药厂有国家级生物中药重点实验室，实验室仪器对爆破震动要求极高，根据药厂提供仪器能够承受爆破震动上限值为0.1 cm/s。北侧邻近云门寺村和云门水库，距云门水库最近距离仅为25 m，云门寺村大多数民房都在复杂环境深孔爆破警戒200 m范围内，爆破作业环境十分复杂。

1.2 施工特点

本工程具有如下施工特点：

1)爆破作业区域临近运行中高速公路，爆破环境复杂，爆破规模受限。

2)因配套工程影响，石料出运受限，山场石料挤压影响爆破作业面形成。

3)爆破作业工期较短，压渣爆破应用是完成本工程任务关键技术。

2 压渣爆破技术研究

压渣爆破即是在露天台阶爆破中利用预留渣体控制待爆区的前冲距离，使被爆岩体与预留渣体产生挤压碰撞，达到进一步改善爆破岩体块度分布的一项爆破技术。如图1所示。该技术可使钻孔爆破工作与清渣工作同步进行，提升工作效率，同时减少爆破体的大块率。

图 1 压渣爆破条件下爆堆规格与采掘的关系图Fig. 1 The relationship between blasting muck pile specifications and mining under buffer blasting

压渣爆破的破岩原理可总结成三个方面：1)利用留渣体控制爆堆的前冲距离，爆堆体受爆破能量作用，向前运动过程中与留渣体碰撞，这种高速碰撞与冲击，进一步破碎岩石，降低岩石大块率。2)留渣体的存在使得爆炸产生的高温高压气体在岩体内部的作用时间增长，延缓了高温高压气体从岩体向外部逸出的时间，提高了炸药的能量利用率。3)压渣爆破采用炮孔间毫秒延时逐孔起爆方式，该种起爆方案可使岩体处于连续的应力状态，使岩石的破碎更为充分[14-16]。

3 爆破方案

3.1 采场布置

根据东疏港路堑工程以及+84 m以上平台综合治理的施工经验，拟将本工程分为五个开采平台，分别为+69 m、+54 m、+39 m、+26 m、+17 m。前四个平台靠近边坡时按两级开采平台分为三级最终平台，最终形成+74 m、+64 m、+54 m、+44 m、+35 m、+26 m六个台阶，+26m平台下降9 m形成+17 m台阶，如图2所示。

图 2 爆破台阶布置(单位：m)Fig. 2 Arrangement of bench blasting(unit:m)

3.2 爆破参数确定

台阶爆破主要参数包括炮孔直径、孔深、孔距、排距、炸药单耗与单孔装药量等。

1)炮孔直径D。根据工程现场岩石性质、台阶高度与现有钻机设备等条件，本工程钻机拟采用PC385露天潜孔钻机，钻头直径d=115 mm，则炮孔直径D=115 mm。

2)钻孔形式。钻孔形式采用倾斜孔，倾角α为75°。

3)孔深L与超深h。炮孔深度由台阶高度和炮孔超深共同决定。该工程台阶高度H=15 m。炮孔超深是为了克服底板阻力，使爆破后不留岩坎。本工程炮孔超深h按1 m计算。结合炮孔倾角，计算孔深L=(H+h)/sinα=16.6 m，如图3所示。

4)底盘抵抗线。根据压渣爆破的的特殊性与前期对矿体爆破效果的了解与掌握，根据炮孔孔径计算压渣爆破的底盘抵抗线：Wd=KD，K值取30，计算Wd=3.45 m，选取Wd=3.2 m。

5)孔距a和排距b。孔距a=mWd。m为钻孔密集系数，一般取1.0～1.6，据岩石性质及其节理发育情况，取m=1.5，则a=1.5×3.2=4.8 m。排距b=Wd=3.2 m。炮孔剖面示意图如图3所示。

图 3 炮孔剖面示意图(单位：m)Fig. 3 Schematic diagram of blasthole section(unit:m)

6)填塞长度。填塞长度指装药药柱顶面至孔口这段不装药的长度。合理的堵塞长度确定能降低爆炸气体能量损失和增加钻孔装药量。若堵塞长度过大，则单孔装药量减少，当岩石较坚硬时，岩石大块率较高。堵塞长度较小则容易产生冲炮，不仅浪费炸药能量，而且容易产生爆破飞石。综合考虑岩石大块率、爆破安全性与压渣爆破的特殊施工条件，填塞长度：Δl=(20～30)D，计算得Δl=2.3～3.45 m，本工程取堵塞长度Δl=3.0 m。

7)炸药单耗q。对于深孔爆破，炸药单耗是一个比较重要的参数，受岩石的可爆性、炸药的种类、自由面条件和块度要求等因素影响。根据采区现状，台阶高度H=15 m，依据岩石岩性与工程经验，确定炸药单耗q=0.45 kg/m3。

8)单孔装药量Q。单孔装药量可按下列公式计算[17]

Q=qabH=0.45×3.2×4.8×15=103 kg，

实际取Q=100 kg

(1)

前排孔由于紧挨留渣体，爆破产生的能量损失较大，为保证前排孔爆破质量，需要增加装药量30%～40%，本工程前排孔装药量130 kg。

3.3 压渣厚度

合理的留渣厚度对压渣爆破的效果至关重要。留渣厚度可由下式计算得出[17]

(2)

式中:B为留渣厚度，m；W为底盘抵抗线，m；K为留渣体的松散系数；ρ1为岩石密度，t/m3;ρ2为留渣体的堆积密度，t/m3;C1为岩体中弹性波波速，m/s；C2为矿渣内弹性波波速，m/s。

C2≈500(3+d)

(3)

式中，d为留渣体岩块的平均尺寸，m。

根据工程测量情况，d=0.8 m，C1=4000 m/s，C2=1900 m/s，k=1.3～1.77，本工程取k=1.6。代入(2)式求得B=3.32 m。实际取B=3.5 m。

3.4 布孔方式和起爆网路

基于前述压渣爆破的作用原理，为增加岩石相互撞击的机率，本工程施工孔眼呈矩形布置，如图4所示。矩形爆破的起爆方式使得被抛掷起来的大块岩石相互撞击，增加岩石的相互撞击概率，减小岩石大块率。

图 4 炮孔平面布置图(单位：m)Fig. 4 Layout of the blast hole(unit:m)

起爆顺序为毫秒延时逐孔起爆，如图5、6所示。炮孔间的起爆顺序为相间布置，延期时间为毫秒级，逐孔起爆产生的应力波能量在时间、空间上是相互分开的，振动效应随之减小。由于避开了主振相的相位，相比传统起爆技术，爆破振动效应可减少1/3～2/3。

图 5 起爆网路敷设Fig. 5 Detonation network laying

图 6 雷管段别Fig. 6 Detonator segment

逐孔起爆技术的关键是合理选择起爆间隔时间，延时间隔时间t按下式计算[17]

t=aw

(4)

式中：a为与岩石有关的系数，取a=6；w为最小抵抗线，w=wd=3.2 m。经计算：t=14 ms，按施工经验取t=50 ms。起爆方法采用复式非电起爆网路，激发笔引爆。

装药形式为人工装药，采取连续耦合装药结构[18]，如图7所示。

图 7 装药结构示意图Fig. 7 Schematic diagram of the charge structure

炸药使用2#岩石乳化炸药，起爆雷管为导爆管雷管。为确保每个炮孔均被可靠起爆，每孔装两发同段别雷管，炮孔上部采用正向起爆，炮孔底部采用反向起爆。

3.5 爆破安全距离校核

岩石爆破时，伴随着爆破过程必然产生爆破地震、爆破飞石、空气冲击波及有害气体，因此，爆破时为确保爆区周围人员、设备以及建筑物等的安全，爆破设计时必须确定爆破危害范围。我国爆破安全规程采用保护对象所在地质点峰值振动速度作为主要判别依据[19]。安全距离的确定可采用萨道夫斯基经验公式进行估算[20]

Rd=Q1/3(K/V)1/α

(5)

式中：Q为最大一段齐爆药量，本次施工最大一段齐爆药量不超过300 kg，一次爆破总药量为3000 kg；K是与地质、地形条件有关的系数，取K=150；α为衰减系数，取α=1.65。V为爆破地震波速度，根据被保护建筑物的特征取V=0.1 cm/s。

经计算，爆破安全距离Rd=552.24 m，此安全距离满足康缘药业重点实验室对爆破安全距离的要求，所以采区开展的爆破是完全可行的。

3.6 爆破飞石安全距离校核

深孔爆破个别飞散物安全允许距离按下式计算[17]

RF=(40/2.25)d

(6)

式中：RF为个别飞石安全距离，m；d为炮孔直径d=115 mm。计算结果RF=181.1 m。该计算结果小于《爆破安全规程》规定值，同时，根据爆破现场爆后实际测量，爆破飞石最远距离171.2 m，故应以规程规定值作为圈定警戒范围的依据，即中深孔爆破时以R=300 m为半径圈定爆破警戒范围。

4 结论

连云港东疏港高速公路中云台山路堑边坡的工程实践表明，该压渣爆破参数选择合理，符合实际情况。爆破后，爆堆松散、块度均匀、大块率较低、有效提高了采装速率。基于以上工程，得出如下结论：

1)路堑边坡爆破中采用压渣爆破技术，可达到控制飞石，减少爆堆大块率的目的，获得了良好的爆破效果。

2)逐孔起爆可有效减少一次齐爆药量，降低爆破地震效应。

3)压渣厚度与炸药单耗对压渣爆破效果具有重要影响。本工程压渣厚度3.5 m，炸药单耗0.45 kg/m3可以取得预期的爆破效果。

4)综合采用压渣爆破、逐孔起爆等技术，同时对炸药单耗等爆破参数进行优化设计，解决了大块率和根底控制等难题，极大地提高了施工质量。