露天矿台阶爆破根底产生原因分析

2022-11-04李海超贾诚杰张永兵慕建林曲宏略

现代矿业 2022年10期

李海超贾诚杰张永兵慕建林曲宏略

（1.湖南核工业建设有限公司；2.西南石油大学地球科学与技术学院）

根底问题给露天矿山爆破进程带来了一定的阻碍，其产生的原因也是非常复杂的，只有厘清根底与各影响因素之间的关系，才能不断优化工程爆破参数设计，改善爆破效果。本研究通过调研根底产生的原因和消除措施，在此基础上，使用有限元软件对某实际工程案例进行模拟研究，结合有效应力曲线对根底产生的各影响因素进行分析。

1 根底产生原因

从众多工程实践中可以看出，产生根底的原因有很多，普遍存在的原因有超深不合理、孔网参数过大、填塞过短、底盘抵抗线过大、岩石岩性等。

1.1 超深不合理

超深不足是根底产生的一个重要原因，通过查阅文献了解到超深过大时则会产生超挖问题［1-2］，且造成了炸药成本的虚耗，而且还会因超挖影响下一个台阶的爆破，爆破效果及经济性都将大打折扣；反之超深过小，炮轰波产生能量无法触及到台阶下部，导致破损范围无法达到台阶坡底线，造成根底的产

生［3］。

1.2 孔网参数选择不合理

经过调研总结文献，孔网参数相对较小时，由于应力波叠加，爆破效果相对良好，大块碎石也相对有所减少，对周围环境以及建筑物产生的振动危害也会有所降低［4］；但当孔网参数偏大时，中间部位应力波无法到达，岩石受到的破碎作用小，炸药破坏作用无法到达两炮孔中间部位，导致爆后此处大块增多，出现根底的几率较大。

1.3 底盘抵抗线过大

底盘抵抗线过大是导致根底产生的一个重要因素［5］。由于过大的底盘抵抗线导致靠近坡脚处部分区域爆破作用未触及，压缩波不会传播到自由面，能量未被反射，未能形成拉伸波，而一般硬岩的抗拉强度比抗压强度小得多，这就导致岩体得不到充足的爆破能量使其破碎，从而形成爆破根底。

1.4 堵塞长度过短

炮孔堵塞长度过短将导致爆破能量严重损失，容易造成根底现象。

涠洲岛、斜阳岛各2座灯桩均建在旅游核心景区范围内，特别是涠洲岛正在创建5A级景区，为兼顾打造景区亮丽名片，北海航标处精心策划，配合设计单位优化设计方案，将航标元素与自然风光、旅游资源、当地文化与人文精神相结合，婆印灯桩取材于“海姑望郎”的造型，湾仔角灯桩与天主教堂（涠洲岛旅游景点）遥相呼应，斜阳南灯桩与斜阳岛南湾朝阳交相辉映，燕归岭灯桩取材于斜阳岛“筑巢待燕”的传说，四座灯桩已成为美丽海岛新“地标”，其中婆印石灯桩航拍图已登上涠洲岛天气预报画面传播。涠洲、斜阳岛4座灯桩的建成，既服务群众出行、又促进经济发展，更是创建5A海岛景区的点睛之笔和难得载体，旅客印象深刻。

1.5 其它因素

除了上述提及的因素外，钻孔的施工质量问题以及岩石的可爆性差异都对根底的产生有一定影响。

1.5.1 施工质量问题

由于各种因素的影响，钻孔无法达到设计标准，例如炮孔未在铅垂方向、与设计位置有所偏差、其间距和排距均有超限的情况等，这将导致根底产生，从而影响爆破质量。

盲炮也是导致根底产生的一个重要因素［6］。鉴于炸药本身在制造和保管上的缺陷或者操作有误导致药包拒爆，岩石未能受到松动作用，形成根底，还增加了穿爆成本。

1.5.2 岩体状况

在岩体裂隙及节理发育的部位，应力波将会发生反射或者透射现象，严重阻碍了爆炸能量的均匀分布，发生能量的衰减损耗，影响岩体爆破块度，留下根底。

1.5.3 岩石的可爆性差异

同一区域内存在的岩石并非完全相同，可能存在着多种不同岩性的岩石，这些岩石也并非均匀分布，可能存在夹层且交互出现，故而必然存在可爆性差异。但实际工程为了操作方便，均对岩石的可爆性差异有所忽视，这就导致了部分炮孔布置在岩层交界处，从而岩石爆破时爆破作用不够均匀充分，岩石未破损，留下根底。

2 根底消除措施

在现阶段已有的技术条件下，消除根底的措施有很多，通常工程中可以采取如下措施达到减少或消除爆破根底的目的。

2.1 做好地质勘测

为了摸清岩石岩性、产状等要素，在生产实践前，要做好地质勘测分析，将地质结构急剧变化的地段尽量标注出来［7］。设计人员根据具体岩性情况进行分区域爆区设计，将可爆性差异降到可控范围内，保证炮孔能量均匀分布，从而提升破碎效果。

2.2 科学设置爆破参数

（1）选择合理超深。超深的取值对于消除根底起着关键性作用［8］，可以将装药中心的高度进一步降低，在一定程度上克服台阶底部阻力，从而减少根底的产生，甚至是消除根底。

（2）选择合理的孔径。在设计时，保证钻机允许条件下，考虑经济效应以及方案的可行性，选择孔径相对较小的钻机进行打孔。

（3）选择合理的孔网参数。在爆破工程中，为实现良好的爆破效果，密集系数（孔距与排距之比）的选择至关重要，其能利用应力波的叠加作用，充分发挥炸药的相对能量，以达到有效改善爆破质量、减少根底问题。

（4）选择合理底盘抵抗线。设计时要根据具体的岩性情况和安全规程不断调整底盘抵抗线；如若爆后出现根底问题时，应适当配合孔网参数对抵抗线采取一定的减小措施。

2.3 装药结构优化

在保证炸药单耗不变的情况下，要控制根底现象，可采用改变装药结构的方法，如工程中常用的以空气间隔装药的方式来代替连续装药。该方式能降低药柱的重心，增大应力波传播的冲量，提高炸药能量的有效利用率，对爆破根底现象有所改善；或者是将起爆点设置在药柱底端［9］，反向起爆的方式与正向起爆相比，可以有效地避免台阶根部产生根底，爆破效果更好。

2.4 施工质量控制

对于因施工质量问题产生的爆破根底，采用加强施工质量管理的手段进行控制［10］。现场施工人员应严格按照爆破设计规定或技术要求进行布孔、钻孔，及时清孔，保证每个孔深在同一水平上，必要时可报请监理工程师进行现场检查，经检验合格后方能装药。

3 工程实况分析

影响台阶开挖爆破根底生成的因素有很多，但对于根底的影响程度仍未理清。所以，以某负挖工程为依托，借助有限元软件，选取超深、孔径和孔网参数3个主要因素，通过有效应力曲线的变化情况，分析上述因素对根底产生的影响程度。

3.1 数值模型的建立

经现场勘探可知，该工程属微倾斜戈壁平原地貌，主要地貌形态由冲洪积第四系地层形成，主要地层为第四系人工回填碎石土（Q4ml）、上更新统冲洪积砾砂夹角砾层（Q3al+pl）和海西中期侵入岩（γδ42）黑云母花岗闪长岩。

以现场实况为基础，借助ANSYS/LS-DYNA建立不同工况的有限元模型（图1），模型总高为10.0 m，孔深为7.6 m，其中装药4.0 m，填塞长度为3.6 m，数值模拟采用g-cm-μs单位制。模型由岩石、空气、炸药和填塞构成，这个模型用实体单元SOILD164建立，岩石和填塞部分均选取MAT_003号材料，炸药为2#乳化炸药，起爆点位于孔底。

通过在合理范围内调整超深、孔径、孔网参数，以台阶坡底线中部的某个单元（图1）为监测点，观察有效应力随时间的变化规律，以最大有效应力值为判据，判断不同参数下爆后根底产生情况。

3.2 超深对根底的影响

选取3个不同超深值进行建模试验，监测点有效应力时程曲线见图2。

从上述3组模拟结果可以看出，时程曲线增长趋势、波形基本一致，达到最大有效应力所历经的时间也几乎相同，只有有效应力峰值大小不一，这验证了超深大小对根底具有影响。在其他情况一定的条件下，随着超深的增大，单元有效应力曲线峰值也随之增大，且无超深时的最大有效应力近乎是超深-20 cm时的1.5倍，超深20 cm时的最大有效应力为-20 cm的2倍，即超深对根底的影响在一定范围内呈正相关的趋势。

3.2 孔径对根底的影响

由于现场已有钻孔设备的限制，孔径变量的取值只能选取为90和110 mm。利用控制变量法以孔径为实验因素，保证其他因素不变的前提下，建立2组不同孔径模型，所得到的单元有效应力—时间曲线见图3。

结果表明，与90 mm孔径相比，110 mm孔径时的最大有效应力大得多，几乎是前者的2倍。在一定范围内，孔径越大，填充的炸药越多，爆破单元有效应力越大，即岩石破碎效果越好，故相对大的孔径爆破质量较佳。

3.3 孔距、排距对根底的影响

依据工程现场经验提供的数据，设置3组实验进行爆破效果对比。监测点单元体有效应力时程曲线见图4。

在孔径和超深等爆破参数不变的条件下，当孔网参数为3.0 m×2.5 m时，相同位置的单元体峰值有效应力均小于孔网参数较小时的有效应力，其中孔距排距为2.5 m×2 m时的有效应力峰值最大。孔网参数变小时，由于应力波叠加作用的影响，单元体有效应力相应增大。所以，在适当范围内缩小孔网参数，可以降低根底率。