土石方爆破工程的钻孔统计分析

大型土石方爆破工程的钻孔统计分析发布时间：2013-09-2617:20刘翼，卢磊，董金成(广东宏大爆破股份有限公司，广州510623)摘要：为了找出炸药单耗和延米爆破方量的实际值与预算值之间的差别原因。对我国北方一大型土石方爆破工程的钻孔按施工进度进行了统计。并对孔深与延米爆破方量的关系进行了分析。研究发现小于5m深的炮孔数量的比例较大，是降低综合延米爆破方量的一大主要因素。因此得出，缓斜坡的台阶爆破工程中，在孔网参数和台阶高度一定的条件下．通过优化组合，减少浅}L的数量，可以有效地提高项目综合延米爆破方量，从而为缓斜坡台阶爆破降低项目成本指明了方向。关键词：土石方爆破；延米爆破方量；孔网参数；台阶爆破；钻孔统计分析1工程概况我国北方一大型土石方爆破工程总工程量996万m3，其中清挖表土50万m3、石方爆破946万m3，工期7个月。爆破山体为一个孤立的山头，爆破开挖绝对高程最高+76m，开挖到底板高程+30m。山头东面濒临海湾，其他三面为需要平整的开阔场地，爆破开挖区基岩一般直接出露，覆盖层较薄，岩性主要以安山岩为主，中等风化。爆破区域平面图如图1所示。本工程工期为7个月，去掉前期表土剥离及后期底板处理的时间，实际石方爆破主要集中在2月10日至7月10日的5个月中，平均日爆破石方6．3万m3，最高日爆破石方达24万m3，消耗炸药122t。在6月底，当本工程石方主体爆破工程量完成约93％时，对炸药的总用量与石料的爆破总方量(即炸药平均单耗)，以及石料的爆破总方量与钻孔总长(综合延米爆破方量)进行了对比分析，发现炸药平均单耗和综合延米爆破方量都与预算值有很大的偏差。为了找出偏差产生的原因，决定依据钻孔记录和炸药领用记录对所有钻孔和炸药用茸进行统计和分析【1-4】。2炮孔统计本文钻孔统计截止于6月20日，总钻孔约5万个，钻孔总长约50万m3，爆破次数约500次。爆破钻孔以Ф140mm为主，孔网参数依孔深变化选取，局部因岩石性质变化大也作相应的调整，超深按孔深的10％计算。孔网参数与对应孔深如表1所示。本工程依山体地形分为A、B、C3个爆区(见图1)和30、45、60m3个爆破平台，爆破台阶高度15m，以便统筹规划运输道路，分区分层将整个山体爆破开挖。因各区岩石性质不同，为区别岩石性质对研究对象的影响，在炮孔统计时，除了按施工进度以月份分别统计外(见表2)，还按爆破区域进行了统计(见表3)，最后进行了整个项目的炮孔统计，如表4、5和图2所示。3统计结果分析3．1按施工进度进行炮孔统计分析从施工进度排列的不同孔深的炮孔数量分布表中可以看出，3月份不大于9m深的炮孔占当月炮孔数量的67％，而且各种深度的炮孔数量分布比较均匀，大于9m深的炮孔不到三分之一，说明该月爆破施工主要目的是在进行开拓台阶；4月份3～7m的炮孔占该月炮孔总数的54％，16～18m深的炮孔占12％，表明4月份是进行台阶开拓的高峰时期，同时也进行了一部分深孔爆破；5月份孔深4～6m的炮孔占该月炮孔总数的30％，而2～3m的炮孔占15％，表明该月台阶开拓基本结束，浅孔增加的原因主要是地脚炮(处理台阶爆破留下来的根脚所需另外钻的炮孔)增多，大多数地脚炮孔深4～6m，主要进行的是40m平台遗留山包的处理；6月份的浅孔占该月炮孔总数的35％，大量浅孔孔深小于4m，主要的浅孔消耗在地脚处理上，6月份大于14m的深孔占总炮孔的53％，说明该月是台阶爆破的高峰期。3．2按爆区分类进行炮孔统计分析B、C两区爆破面积相当，但C区山矮、平缓，爆破方量小于B区，A区爆破面积不到B区的一半，但A区较C区高、较B区稍矮，因此C区的平均孔深(15m)小于A、B区平均孔深(均为17m)约2m。B、C区的地脚炮数量相差无几，但在孔深5～7m范围内B区的浅孔多于C区，A区的浅孔和地脚炮数目都不到B、C区的一半，基本上和爆破面积比例一致，表明地脚炮主要用于最下层的底板处理。3．3不同孔深的炮孔数量统计分析由图2可见，地脚炮孔深基本上在7m以下，而且主要集中在小数位为0和5的孔深上，这主要是为方便操作的人为原因所致，在不包含地脚炮的孔深一孔数曲线图中，小于7m的炮孔孔深也有相同的现象，人为调整孔深的因素较多。3．4分段炮孔孔深统计分析从表5和表4中小于5m的炮孔数之差得出，地脚炮数量为5802个，占炮孔总数的13％，孔深占总钻孔深度的5．6％。包括地脚炮在内，三分之一的炮孔孔深小于5m，消耗炸药8．9％，爆破方量只占4．7％；40％的炮孔孔深大于10m，而大于10m的钻孔孔深占总孔深的66％。对比表4和表5，综合延米爆破方量从18．48m3／m降为17．45m3／m，降低5．6％，降低值相当于地脚炮长度占炮孔总长度的百分比(5．6％)。4结论通过本工程钻孔统计分析发现：影响延米爆破方量的因素很多，当台阶高度一定时，一般来说，主要是孔网参数；孔网参数大则延米爆破方量大，当孔网达到了极限时，延米爆破方量不可能再增大。实际爆破工程中，孔网也不是一成不变的，往往由于各爆破区域的岩石性质不同，孔网参数也各不相同，即使同一区域，相同的孔网参数也会产生不同的爆破效果，则要求调整孔网参数及填塞长度或起爆方式。因此决定延米爆破方量的因素，不仅取决于各个孔网参数，而且还与该孔网对应的孔数所占总孔数的比例有关。本项目根据孔深的不同，采用了不同的孔网参数，统计了在几种孔网参数下的炮孔数量及其爆破方量，并对其分布规律进行了分析，得出以下几点结论：(1)台阶高度一定时，延米爆破方量首先取决于孔网参数，孔网参数越大，则延米爆破方量越大。(2)延米爆破方量还取决于超深，在一定的孔网参数下，超深越大，延米爆破方量越小，延米爆破方量随超深与孔深的比例增大而减少。1.2深孔爆破增透技术工艺参数爆破孔和控制孔的布置一般要遵循以下原则：不仅要求在相邻炮孔连线方向形成贯通裂隙，而且要求在其它方向上产生尽可能多的裂隙；尽可能使爆破影响范围大，两帮控制范围要在2m以上；在保证爆破效果的前提下，尽可能减少孔数、缩小孔径、增大孔深。1.2.1钻孔布置参数（1）钻孔布置参数主要包括爆破孔和抽放孔孔径选择、爆破孔和抽放孔间距选择。由有限元数值计算结果可知,随着爆破孔孔径的增大,透气性系数提高,但不成正比关系。当孔径达到一定值后,透气性提高的幅度随着爆破孔孔径的增大而逐渐减小,说明单纯靠增大爆破孔孔径来提高透气性效果是有限的。一般爆破孔直径在75～100mm较为合理,抽放孔直径在90～100mm即可达到导向和补偿的目的。(2)理论分析和模拟实验表明:在煤层条件一定时,随着孔间距的增大,透气性系数迅速降低,当孔间距达到一定值时,透气性已接近原始煤体,即孔间没有形成新的裂隙,反之,当孔间距减少时,透气性迅速上升,但孔间距越小,工程量就越大,成本也就越高。因此,应在保证良好的预裂效果的同时,尽可能加大孔间距。现场试验表明,当爆破孔径为73mm、抽放孔直径为91mm时,贯通裂隙长度可达7m,合理的孔间距应为2～4m。1.2.2炸药的选择工程爆破中，炸药的选取应该结合最佳爆破效果、安全性及爆破成本等因素的综合考虑。首先，为得到最佳爆破效果，就要考虑爆破的岩体波阻抗大小：低透气性煤体为阻抗，适合选用爆速低、威力小的炸药，而且从爆破的目的看，松动爆破要求煤体产生大量的裂隙，而不是大面积的破坏，适合选用爆速低、直径小的炸药；其次，从安全性角度考虑，在深孔爆破钻孔打钻过程中往往采用水力排渣打钻，炮孔含水量较大，适合选用抗水性能较好、传爆能力较强的乳化炸药、水胶炸药。综上所述，在瓦斯煤层中进行深孔松动爆破要选用具有爆速低、威力小、抗水性能好、传爆能力强等特点的安全炸药。根据煤矿的现场实际情况，选用三级煤矿许用乳化炸药。1.2.3药量计算在一定的岩石条件和装药量条件下，爆落的岩体体积与所用的炸药成正比，即：。爆破漏斗体积，；单位耗药量，式中，33m-Vkg/m-q)53(qVQ公式（3-5）是目前爆破工程中采用各种类型爆破时计算装药量的基本公式，对于松动、加强松动、标准抛掷、加强抛掷爆破等不同效果的要求，根据岩性的不同，都有单位耗药量的经验值或经验公式。对于长钻孔松动爆破，每段钻孔的装药量的经验公式为：Q=（0.33~0.55）qw^3（3-6）式中，Q-每段钻孔的装药量，kg；Q-普通爆破所用的单位耗药量，kg/m^3；W-炮眼深度，m。1.2.4装药结构装药结构是指炸药在炮眼内的装填情况，按炮眼直径与装药直径的不同，可分为耦合装药和不耦合装药；按炸药在炮眼中是否连续，分为连续装药和间隔装药；按爆轰波的传播方向的不同，分为正向起爆和反向起爆装药。1）耦合装药和不耦合装药所谓耦合装药就是装药直径与炮眼直径相同。不耦合装药就是装药直径小于炮眼直径。炮眼直径与装药直径之比，称为不耦合值或不耦合系数，即mm-----dmm-----d------K7-3ddKcbdcbd装药直径，爆破孔直径，不耦合系数；式中，）（在煤岩体爆破中采用耦合装药结构时，爆破瞬间产生爆轰波，强大的作用力会形成较大的压碎区，这样炸药的性能没有被有效的利用，也不符合松动爆破的要求；而采取不耦合装药结构时，周围环形的空气结构会对爆破孔周围的煤体起到一个缓冲作用，不仅使得压碎区的范围大大缩小，而且加强了应力波在煤岩体内的振荡作用，炸药的性能得以有效的利用。在光面爆破中，周边眼就常常采用不耦合装药结构，煤体的松动爆破同样适合采用不耦合装药。另外，大量的实验结果表明，一些硝铵类的混合炸药在采用小直径的连续装药时，如果不耦合系数选取不当，会由于管道效应发生爆轰中断，发生“残炮”现象。所以，现场实践中要结合炸药的性能、不耦合系数和岩体性质，对装药结构进行设计改良，尽量避免和消除管道效应。2）连续装药和间隔装药在间隔装药中，一般可以采用炮泥间隔、木垫间隔和空气柱间隔三种方式。实验表明，在较深的炮眼中采用孔底间隔装药结构可以使炸药在炮眼全长分布的更均匀，产生的裂隙扩展度就更均匀。采用空气柱间隔装药结构爆破时可以有效提高炸药能量的利用率，节约爆破成本，其作用原理如下:（1）降低了爆破孔周围的爆轰波压力峰值。内部非连续的空气结构会对爆破孔周围的煤体起到一个缓冲作用，使得压碎区的范围大大缩小。（2）增加了应力波在岩体中的传播时间。起爆点的炸药起爆后，各个炸药之间的空气柱产生两组相向传播的压力波，各组压力波在爆破孔内同时产生多次反射和碰撞，增加了压力波在岩体中的作用时间，使得岩体产生更多的微小裂隙。（3）正向起爆装药和反向起爆装药连续的柱状药包起爆后，会形成以起爆点为中心的爆炸应力波，该爆炸应力在对爆破孔四周岩体作用的同时，孔的轴向上也受到爆生气体的强大压力。当采用反向起爆时，由于封孔段A相对于煤岩体为抗压能力较小，炸药产生的爆轰波产物以起爆点B为中心集中向封孔段A处作用，会加强外围岩石的破碎度，而且如果封孔质量不佳，爆生气体可能会逸出，影响爆破效果；采用正向起爆时，爆轰波是从起爆点A向孔底B传播，爆炸应力波主要作用于岩体内部，不容易发生爆生气体的逸出，有利于深部岩体的裂隙扩展。所以，深孔松动爆破一般采用正向起爆装药结构。1.2.5封孔长度炮泥的作用是保证炸药的充分反应，使之放出最大热量和减少有毒气体生成量；降低爆破气体逸出自由面的温度和压力，使炮眼内保持较高的爆轰压力和较长的作业时间。实验表明，爆炸应力波参数与炮泥材料、炮泥封孔长度和封孔质量有关，合理的封孔长度应与装药长度或炮眼直径成一定的比例关系。生产中常取封孔长度相当于0.35~0.50倍的装药长度。在有瓦斯的工作面，可以采用水泡泥，以降低喷出气体的温度，有利于安全。柱状药包爆炸时，煤体抗爆力随炮孔深度增加而增加，而炸药破煤能力与封孔长度和煤体抗爆力有关。如果封孔长度过短而装药量大，高压爆生气体可能造成孔口成漏斗形状的危险，降低炸药能量利用率；如果封孔长度过长而装药量较小，爆炸时炮孔深部的煤体就不能形成较多的裂隙。因此，深孔松动爆破中，需要考虑封孔长度与装药量、封孔质量的关系，既要使煤体内部产生足够多的裂隙，又不能产生抛掷爆破漏斗，需保证工作面附近的煤体不被破坏