大孔距小抵抗线大区微差爆破方法在苏丹的应用分析

大孔距小抵抗线大区微差爆破方法在苏丹的应用分析
杨才亮 杨忠
（中国水利水电第七工程局 四川成都 611730）
摘要: 为获得理想的物料，保证施工质量，降低施工消耗，加快施工进度等，在苏丹麦络维大坝工程中，改变传统常规深孔台阶爆破方法，推广采用大孔距小抵抗线大区域微差爆破方法，取得了较好的经济效益和社会效益。

关键词: 大孔距 抵抗线 中深孔 台阶爆破 微差爆破
The Application Analysis of Millisecond Blasting with Wide Borehore Distance and Small Burden in SuDan
YANG Cai-liang ， YANG Zhong
（the Seventh Bureau of sin-hydro Corporation, Chendu 611730, China ）
Abstract: To obtain perfect materiel, assure construction quality, reduce construction consumption, quicken construction plan, and so on. traditional deep-hole bench blasting is modified, millisecond blasting with borehore distance and small burden in Merowe dam in Sudan is widely adopted, and economical benefit and social benefit are obtained.
Keywords: Wide Borehore Distance, Burden, Medium-Deep Hole, Bench Blasting, Millisecond Blasting
1 引言
随着水利水电工程的发展，在山区河谷地带越来越多的选用堆石坝挡水，用于生产混凝土骨料的毛料、填筑堆石坝石料及围堰用石碴料等，大多采用露天深孔台阶爆破进行开采，要求爆后石料粒径控制在一定块度范围内，一般大粒径不超过 800mm ，以利于开挖、铲装、运输、破碎机破碎和填筑等，尤其是用于填筑堆石坝的石料，因为坝体不同填筑部位所需石料有不同粒径范围和级配要求，所以采用爆破方法获得的石料粒径要求级配良好，不均匀系数大，有一定细粒含量，超径率要很低。

传统常规深孔台阶爆破方法，炮孔邻近系数 M ＜ 1.2，孔间排距相差很小，相邻炮孔在爆破过程中互相抑制，使炸药能量不能充分发挥，利用率较低，炸药爆炸后产生的能量除了用于爆破岩体和抛掷岩石外，有相当一部分能量转变成空气冲击波和声响。

由于爆破裂隙首先在相邻两孔间贯通，爆后大块径增多，二次解炮量大。

而大孔距小抵抗线爆破方法则不同，在减小抵抗线的前提下，加大孔距，增加单孔爆破量。

其关键在于根据岩石物理力学性质和地质结构产状，确定合理的炮孔邻近系数 M 值。

M = a/w ，a 为炮孔间距，w 为底盘抵抗线。

图 1 是反映炮孔邻近系数 M 与大块率 λ 的关系曲线[1]
：
图1 λ- 曲线
大块率λ（%）
炮孔密集系数
从图1中可以看出M 取1.2～1.4不太合理，是产生大块的一个重要原因。

当M=2～4时，爆破效果较理想。

因此，在非洲苏丹麦洛维大坝工程中，推广采用国内外近来普遍研究和应用的大孔距小抵抗线大区域微差爆破方法[1~5]。

实践表明，与传统常规深孔台阶爆破方法相比，这种爆破方法能明显改善破碎质量、降低施工时间和生产成本、加快施工进度等。

2 工程概况
苏丹麦洛维水电站工程位于苏丹王国北方省北纬15.20度之间，距苏丹首都喀土穆（KHARTOUM）350km，位于卡瑞玛（KARIMA）城东北部27km的尼罗河上。

该工程是苏丹最大水电工程项目，也是目前尼罗河干流上仅次于埃及阿斯旺水电站大坝的第二大水电站，其土建工程第二号合同总额为 5.5亿欧元，是中国国际工程承包史上中国企业承包的最大单项国际工程，主要包括大坝和厂房。

大坝包括混凝土重力坝、粘土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝与土坝等几种混合坝型，最大坝高67m，挡水坝坝轴线长9285m。

为满足工程需要，石料场覆盖层剥离及石料开采月平均量须在320000m3以上。

施工区环境恶劣，年平均气温为 29.1～29.2 ℃，6月份绝对最高气温达到48.1℃。

最大降雨量在7～8月份达到27～76mm/天,11月至第二年4月无降雨量记录。

年平均湿度为23～24%，而且12月份平均湿度最高达到33%，5～6月份最小为15-16%，日平均水气蒸发量从23.9mm/天至13.9mm/天。

风速为1-2级，春天和秋天沙尘暴扬尘高度在水电站坝址达到600m，沙尘暴平均要持续 3 小时左右。

石料场岩石类型主要为花岗岩、花岗片麻岩以及少量黑云母片麻岩、侵入性伟晶岩岩脉等。

由于爆破石方主要用于坝体填筑料和供生产混凝土骨料的毛料，用料大、工期紧张、施工环境恶劣，同时炸药、雷管等火工产品及凿岩、铲装、运输等设备和器件需从国内或国外运抵苏丹，路程远、运量大、运输时间长、成本高，所以对火工产品、各种设备和器件的高效使用显得特别重要，尤其填筑石料级配要求高，因此，爆破技术要求较高。

针对以上情况，在后来的石方爆破开挖中，改变传统常规爆破方法，推广采用大孔距小抵抗线大区域微差爆破技术，基本上达到了快速、经济、合理的目的。

2.1 大孔距小抵抗线大区域微差爆破破岩机理
大孔距小抵抗线爆破破碎机理理论，目前主要有临空面理论、几何学理论、减小抵抗线增强自由面应力波反射作用理论、减小抵抗线排除应力降低区理论、成梁假设基础爆破破碎理论等[1～5]，这些理论说明大孔距小抵抗线爆破在岩石破碎方面比其它爆破方法具有更多优点。

根据岩石爆破破碎机理，岩石破坏是爆炸反射应力波和爆轰气体产物膨胀共同作用所致。

缩小抵抗线，加大装药高度，增加单孔装药量，药包距自由面较近，药量在空间均匀分布，爆破应力波和爆炸气体作用时间长，相互抑制变小，爆破产生的反射拉伸波作用变强，炸药爆炸所释放的能量得到充分发挥，可使岩体中由应力波产生的径向裂隙发育程度相对增多，在爆炸气体产物的“气楔作用”下，初始裂隙继续向前延伸和进一步张开，使裂隙在岩体的脆弱面上能够延伸接近自由面，并在高压气体作用下，得到块度较为均匀的矿岩。

而加大孔距，增加孔底距，可以延长高速爆轰产物膨胀作功时间，在岩体中形成较高应力值，相对提高了爆破能量利用率，使矿岩得到充分破碎，有利于减少大块生成。

同时，大孔距小抵抗线爆破中，由于孔距相对抵抗线很大，炮孔间爆炸应力波共同作用较小，药量相对集中，相当于单个炮孔起爆，则当同排炮孔同时起爆时，实际上形成了连续加强爆破漏斗，炮孔间贯穿裂缝的开裂方向与炮孔连线稍有偏离，爆破后形成的自由面呈弧形，使岩体不能以一个平面而以一个弯曲面破碎和向前运动。

每一个炮孔起爆后，岩体就被炸出一个凹痕，而将要起爆的炮孔前形成了近似弧形凸面临空面，使后排孔接近于多临空面爆破，岩石破碎效果更好。

同时，根据梁弯曲理论，大孔距条件下，炮孔前方所爆岩体抗弯刚度大大降低，在相同外力作用下，岩石更容易破碎。

不过，应当注意的是，大孔距爆破的炮孔邻近系数 M 不能盲目确定，并不是 M 越大，破碎质量越好，当 M值增大到某一极限时，
孔间贯穿裂缝将不能形成，破碎质量反而会下降。

实际工程爆破中，可通过小型现场试验确定最佳 M 值。

微差爆破，使相邻多个或多排药包在微差时间里先后起爆。

由于后爆药包较先爆药包延迟起爆，是在相邻先爆药包应力作用处于预应力状态中起爆，先后炮孔爆破产生的爆炸应力波互相迭加，使岩石破碎效果加强；先爆孔形成的爆破破裂面，使后爆孔临空面数目增加、最小抵抗线和爆破作用方向都有所改变、入射压力波和反射拉伸波在自由面方向的破碎岩石作用增强、周围岩石夹制作用减少，因而有效改善了岩石破碎质量、提高岩石破碎效果、减少爆破震动作用、加大一次爆破规模等。

大区域微差爆破岩石就是利用微差爆破优点，一次爆破岩石方量较大，有利于加强岩石破碎程度，减少放炮警戒次数，避免由于多次放炮造成自由面大块率增多，减少场地平整、凿岩、爆破、挖装、运输、调度等工序的停顿次数，提高生产效率，降低施工时间和生产成本，加快施工进度等。

2.2 石料需求种类及一种较典型石料爆破设计
2.2.1 石料需求种类
苏丹麦洛维大坝工程中，用于填筑堆石坝的石料，因为坝体填筑部位不同而有不同粒径范围、级配要求、获取方式、填筑厚度等，以面板堆石坝为例，其坐落在侵蚀岩石上的典型断面如图 2。

SILTY M ATE R IAL (N ILE SILT)PLIN TH
FILTE R
C O AR SE R O C KFILL
G R AD E D R O C KFILL
TR AN SITIO N ZO N E
FIN E R O C KFILL
C O N C R E TE FAC E SLAB
C O N C R E TE C U R BS
R AN D O M FILL
砼面板
过渡料
细堆石料
粗堆石料
级配堆石料
淤泥料
任意填筑料
反虑料
趾板
砼边墙
图 2 坐落在侵蚀岩石上的面板堆石坝典型断面图
图中表明了不同坝料名称及其填筑位置。

填筑料包括2 区料、3A 区料、3B 区料、3C 区料、4A 区料、5 区料、6区料等。

其中，2 区料主要是将砂石骨料系统生产的粒径76mm以下碎石和人工砂掺配而成；4A 区料为淤泥料；6 区料为反滤料，利用左岸砂料场的料质；而级配和强度要求较低的取自面板堆石坝的石方开挖的5 区料、以及在石料场进行爆破开采的3A区料、3B区料、3C 区料需要通过控制爆破得到，其爆破参数不同。

本文以3B料开采的一种代表性简化爆破设计为例来说明大孔距小抵抗线爆破方法。

3B料粒径范围分布在5mm～1000mm，其平均粒径范围分布在200mm～500mm，上下包络线范围较窄，是一种窄级配要求石料。

2.2.2 3B料的一种简化爆破设计
主炮孔采用梅花形布孔，第一排钻倾斜孔，倾角85º，从第二排开始钻垂直孔；炮孔邻近系数M=2；炮孔直径d=90mm；底盘抵抗线W1=(20～40)d =(20～40)x0.09=1.8～3.6 m，取W1=2m；台阶高度H=10m；超深h=（0.15～0.35）W1=（0.15～0.35）x2=0.3～0.7，取h=0.5m；炮孔深度取L=H + h=10.5m；炮孔孔距a=MW1=2x2=4m；排距b=（0.6～1.0）W1=(0.6～1)x2=（1.2～2）m，取b=2m；炸药单耗取q=0.44kgm-3；使用炸药为2#岩石乳化炸药,药卷直径φ65；采用连续装药形式；添塞长度l2≧0.75 W1=0.75x2 =1.5m，取l2=1.5m；主炮孔单孔装药量Q=（1.1～1.2）q a b L=（=(40.7～44.4) kg，取Q=45kg。

临近最终边坡处，周边孔通常采用光面爆破，光爆孔外使用非电毫秒塑料导爆管雷管与孔内导爆索连接，并保证光爆孔滞后于主炮孔起爆。

主炮孔采用V型起爆方式和导爆管并串联起爆网络，孔内通常选用2发同段非电毫秒延期导爆管雷管，孔外采用2发瞬发非电导爆管连接雷管。

整个爆破网络是非电毫秒导爆管雷管、导爆索混合起爆网络，使用导火索先引爆火雷管，火雷管再激发导爆索和非电毫秒雷管、一次分段起爆的方法。

2.2.3 施工中应主要注意问题
1. 开钻前尽可能平整好工作面，处理好前排炮留下的根底和撑子面。

2. 采取大孔距原则布孔，钻孔按照“准”“正”“平”“直”“齐”的要求使孔位、孔深、孔斜控制在允许误差范围内，并严格按照爆破设计布孔、装药、堵塞、联线、爆破等。

3. 必须保证堵塞长度，当堵塞长度不够时，须对药量进行调整。

2.2.4 爆破效果
麦洛维大坝工程项目部实验室会定期对料场不同料石爆破后的级配关系进行确定，以下是由其中的一次试验结果所得出的3B料级配曲线图3。

图3 3B料级配曲线图
从图3中可以看出，料石级配关系曲线处于包络线范围内，符合3B料的粒径要求范围，级配良好，满足了工程要求。

由其他级配曲线图反映的情况也是如此。

同时，在其他级配料的生产中也提倡推广采用这种大孔距小抵抗线大区域微差爆破方法并取得了一些成效。

相信随着这种方法的深入推广，取得的成效将会越来越明显。

3 结论
采用大孔距小抵抗线大区域微差爆破技术和适当控制措施，一次爆破岩石方量较大，场地平整、布孔、凿岩、警戒、装药、堵塞、联线、起爆、铲装、运输和调度等工序停顿次数减少，时间和费用降低，爆破质量得到改善，爆后岩石破碎块度小，铲装方便，节约了大块解体破碎费用，能较好满足石料需求，并为清运创造了良好条件，钻具、轮胎、火工材料和燃料等资源消耗减少，凿岩设备、铲装设备、运输设备等故障率降低、生产效率提高、总体成本下降，施工进度加快，基本上达到了快速、经济、合理的目的，值得进一步推广和深入研究。

致谢
对水电五局宋维众、水电七局李介立、程勇清等在该爆破方法的具体实施中给予的大力帮助和支持表示衷心感谢！
参考文献
[1] 徐坤明，姜丽颖. 减少中深孔爆破大块的措施[J]. 山东冶金，1998, 20(5)，5-7.
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作者简介：杨才亮（1973-）男、江苏、硕士研究生、工程师、从事爆破工程。

杨忠（1964-）男、四川三台、七局副局长、高级工程师、苏丹麦络维水电站项目经理，从事工程管理工作。