复杂环境下矿山爆破振动及成本有效控制

张 勋,黄 楠

(江苏省矿业工程集团有限公司,江苏 徐州221000)

1 工程概况

大孤山废弃矿山占地面积约0.21 km2,东侧为废弃宕口,距离孤山小区约107 m；南侧为九里山西路,在九里山西路北侧有一道10 kV输电线路(距离约21 m),在九里山西路南侧有110 kV和220 kV高压输电线路(距离约57 m),距离玉潭花溪小区北侧围墙约71 m；西侧距离防空洞洞口约8 m,距离省煤炭二处钢结构厂房约33 m；北侧距离城市花园小区约30 m。原始地面高程最高为88.0 m,最低为37.1 m,设计高程为40.5 m。根据设计和勘查,石方总量约为94.82万m3。大孤山治理工程卫星图如图1所示。

图1 大孤山治理工程卫星地图

2 爆破施工技术设计

2.1 火工品

采用数码电子雷管ø70 mm,2#岩石乳化炸药。

2.2 基岩爆破参数

1)钻孔直径。采用液压钻机钻孔,孔径为90 mm。

2)布孔形式。采用方形布孔,爆破孔位布置如图2所示。

3)孔网参数。

孔网参数的选择主要与岩石的性质、炮孔直径、孔深和排数有关,合理的孔网参数能有效提高爆破效果,降低爆破振动强度。

以10 m孔深为例,把选取的孔网参数与类似工程——山东枣荷高速山体爆破工程项目作对比。为方便表述,山东枣荷高速山体爆破工程方案简称“枣荷高速”,大孤山项目爆破设计方案简称“大孤山”。两方案的孔网参数对比情况见表1。通过对比,“大孤山”比“枣荷高速”单孔爆破方量增加约22%。

表1 两方案的孔网参数对比

4)单耗计算。

以10 m孔深为例,采取延米装药,“枣荷高速”采用ø70 mm 2#岩石乳化炸药自由落体方式装药,“大孤山”采用罐笼吊装,单耗对比情况见表2。通过对比,“大孤山”比“枣荷高速”单耗降低16.7%。

表2 两方案的单耗对比

2.3 装药结构

为减少飞石,采用正向起爆方式,将起爆雷管放置在炸药药柱的上端。罐笼吊装下连续装药,具体装药结构如图3所示。

图3 “大孤山”装药结构

2.4 起爆网路与起爆方法

起爆网络采用微差逐孔爆破,延期间隔为50 ms。后一段起爆深孔周围的反射拉伸应力波与前一段起爆孔产生的反射拉伸应力波互相叠加,影响较大,为减弱爆破地震波,降低叠加影响,将一次爆破药量分成多段微差爆破。微差爆破前后相邻段炮孔爆破时间间隔极短,可使各炮孔爆破产生的能量场相互影响,既可以提高爆破效果,又可以减少爆破地震效应[1-4]。毫秒微差爆破段数越多,能使前后起爆的炸药量产生的地震波主振越不重叠,前后起爆产生的地震波互相干扰越大,降振效果越明显。

3 安全设计

为有效减少振动,在爆破地震波前冲方向,如山体东侧、南侧,预先钻1排或2排密集的减振孔,或采用预裂爆破形成一定宽度的预裂缝和预开挖减振沟,当一部分爆破地震波传递到减振孔时,面波在经过孔口时停止传播。大孤山项目在爆破前冲方向预先钻2排孔距为2 m,排距为4 m,孔深为12 m的减振孔,并采用梅花眼布孔减弱地震波的传递。

3.1 地震波安全距离

爆破振动安全允许距离计算公式[5-6]为:

式中:R为爆破振动安全允许距离,m；V为保护对象所在地安全允许质点振速,cm/s；Q为炸药量,延时爆破为最大单段药量,kg；K为与爆破场地有关的系数；α为与地质条件有关的系数。

根据地勘材料,该工程岩石强度较高,为中等偏硬岩石。根据《爆破安全规程》[7]选取K=160,α=1.6。

3.1.1 地震波对一般建筑物的影响

工程周边的建筑物主要为北侧城市花园小区民房、东侧孤山小区民房、南侧玉潭花溪小区民房和西侧一处待拆除建筑、防空洞、省煤炭二处厂房。根据《爆破安全规程》选取对应的V值(为增加安全系数,取下限),计算各种情况对应的Q值。方案设计的是逐孔起爆,单孔装药量即单段装药量,将计算出的Q值与设计方案深孔爆破的最大单段装药量(Qmax)进行比较。具体情况见表3。

表3 地震波对一般建筑物的影响

根据表3,如果Q＞Qmax,按照设计的最大台阶施工；如果Qmax＞Q,可降低台阶高度控制单段药量,通过此措施确保爆破施工产生的地震波不会对周围建筑物产生危害。

3.1.2 地震波对电力设施的影响

工程周边的电力设施为南侧10 kV输电线路(杆式基础)、110 kV和220 kV高压输电线路(塔式基础)。根据GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》中“输电线路杆塔和基础抗震设防烈度应采用当地的基本地震烈度”的规定,徐州地区地震设防烈度为7级,相当于爆破振动速度6.0～12.0 cm/s,在考虑正常无损输电线路运营的前提下,拟选择2 cm/s作为此次输电线路的控制标准。具体情况见表4。

表4 地震波对电力设施的影响

由表4可得,Q＞Qmax,因此,该爆破施工产生的地震波不会对周围电力设施产生危害。为避免爆破地震波叠加效应,应控制爆破规模,此次工程深孔爆破控制一次爆破总药量在2.5 t以下。

3.2 振速监测数据

经实测,两种方案的振速对比见表5。通过对比,“大孤山”比“枣荷高速”振速降低约20%。

表5 两方案的实测振速对比

3.3 爆破飞石距离

根据Lundborg的统计规律,结合工程实践经验,炮孔爆破飞石距离根据式(2)计算。

式中:Kt为爆破方式、填塞长度、地质和地形条件有关的系数,取1.0～1.5；q为炸药单耗,kg/m3；D为炮孔直径,mm。

深孔爆破中q=0.30 kg/m3,D=90 mm,为增加安全系数,Kt取值1.5,此时Rf=40.5 m。本工程中,深孔爆破区域距离输电线路最近距离为55 m,大于40.5 m,故深孔爆破飞石不会对输电线路造成影响。同时,施工方案规划中选定了安全的爆破方向和开挖顺序,能有效避免飞石对周边建(构)筑物的影响。

4 爆破效果

上述施工方案节省了炸药雷管使用量,减少了综合钻孔深度,节省了大量的人力、物力和工作时间,且振动得到有效控制。爆破后石块块度适中,适合挖运,爆破效果良好。

5 成本核算

核算施工方案的实际成本,两种方案的成本对比见表6。

表6 两方案的成本对比

“枣荷高速”与“大孤山”对比,炸药单价5 309元/t,节省炸药费用为47.41×5 309=251 700元；7 m雷管单价18.58元,节省雷管费用为1 300×18.58=24 154元；钻孔单价18元/m,节省钻孔费用为13 122×18=236 196元。综合计算,按照本方案施工,预计节省费用512 050元。

6 结语

在大孤山项目中,通过合理控制总药量、最大单孔装药量、孔排距和排间微差时间,设置减振孔等方案,有效控制了爆破振动,节省了人力物力。