露天礦臺階爆破根底產生原因分析

李海超 賈誠杰 張永兵 慕建林 曲宏略

（1.湖南核工業建設有限公司；2.西南石油大學地球科學與技術學院）

根底問題給露天礦山爆破進程帶來了一定的阻礙，其產生的原因也是非常復雜的，只有厘清根底與各影響因素之間的關系，才能不斷優化工程爆破參數設計，改善爆破效果。本研究通過調研根底產生的原因和消除措施，在此基礎上，使用有限元軟件對某實際工程案例進行模擬研究，結合有效應力曲線對根底產生的各影響因素進行分析。

1 根底產生原因

從眾多工程實踐中可以看出，產生根底的原因有很多，普遍存在的原因有超深不合理、孔網參數過大、填塞過短、底盤抵抗線過大、巖石巖性等。

1.1 超深不合理

超深不足是根底產生的一個重要原因，通過查閱文獻了解到超深過大時則會產生超挖問題［1-2］，且造成了炸藥成本的虛耗，而且還會因超挖影響下一個臺階的爆破，爆破效果及經濟性都將大打折扣；反之超深過小，炮轟波產生能量無法觸及到臺階下部，導致破損范圍無法達到臺階坡底線，造成根底的產

生［3］。

1.2 孔網參數選擇不合理

經過調研總結文獻，孔網參數相對較小時，由于應力波疊加，爆破效果相對良好，大塊碎石也相對有所減少，對周圍環境以及建筑物產生的振動危害也會有所降低［4］；但當孔網參數偏大時，中間部位應力波無法到達，巖石受到的破碎作用小，炸藥破壞作用無法到達兩炮孔中間部位，導致爆后此處大塊增多，出現根底的幾率較大。

1.3 底盤抵抗線過大

底盤抵抗線過大是導致根底產生的一個重要因素［5］。由于過大的底盤抵抗線導致靠近坡腳處部分區域爆破作用未觸及，壓縮波不會傳播到自由面，能量未被反射，未能形成拉伸波，而一般硬巖的抗拉強度比抗壓強度小得多，這就導致巖體得不到充足的爆破能量使其破碎，從而形成爆破根底。

1.4 堵塞長度過短

炮孔堵塞長度過短將導致爆破能量嚴重損失，容易造成根底現象。

潿洲島、斜陽島各2座燈樁均建在旅游核心景區范圍內，特別是潿洲島正在創建5A級景區，為兼顧打造景區亮麗名片，北海航標處精心策劃，配合設計單位優化設計方案，將航標元素與自然風光、旅游資源、當地文化與人文精神相結合，婆印燈樁取材于“海姑望郎”的造型，灣仔角燈樁與天主教堂（潿洲島旅游景點）遙相呼應，斜陽南燈樁與斜陽島南灣朝陽交相輝映，燕歸嶺燈樁取材于斜陽島“筑巢待燕”的傳說，四座燈樁已成為美麗海島新“地標”，其中婆印石燈樁航拍圖已登上潿洲島天氣預報畫面傳播。潿洲、斜陽島4座燈樁的建成，既服務群眾出行、又促進經濟發展，更是創建5A海島景區的點睛之筆和難得載體，旅客印象深刻。

1.5 其它因素

除了上述提及的因素外，鉆孔的施工質量問題以及巖石的可爆性差異都對根底的產生有一定影響。

1.5.1 施工質量問題

由于各種因素的影響，鉆孔無法達到設計標準，例如炮孔未在鉛垂方向、與設計位置有所偏差、其間距和排距均有超限的情況等，這將導致根底產生，從而影響爆破質量。

盲炮也是導致根底產生的一個重要因素［6］。鑒于炸藥本身在制造和保管上的缺陷或者操作有誤導致藥包拒爆，巖石未能受到松動作用，形成根底，還增加了穿爆成本。

1.5.2 巖體狀況

在巖體裂隙及節理發育的部位，應力波將會發生反射或者透射現象，嚴重阻礙了爆炸能量的均勻分布，發生能量的衰減損耗，影響巖體爆破塊度，留下根底。

1.5.3 巖石的可爆性差異

同一區域內存在的巖石并非完全相同，可能存在著多種不同巖性的巖石，這些巖石也并非均勻分布，可能存在夾層且交互出現，故而必然存在可爆性差異。但實際工程為了操作方便，均對巖石的可爆性差異有所忽視，這就導致了部分炮孔布置在巖層交界處，從而巖石爆破時爆破作用不夠均勻充分，巖石未破損，留下根底。

2 根底消除措施

在現階段已有的技術條件下，消除根底的措施有很多，通常工程中可以采取如下措施達到減少或消除爆破根底的目的。

2.1 做好地質勘測

為了摸清巖石巖性、產狀等要素，在生產實踐前，要做好地質勘測分析，將地質結構急劇變化的地段盡量標注出來［7］。設計人員根據具體巖性情況進行分區域爆區設計，將可爆性差異降到可控范圍內，保證炮孔能量均勻分布，從而提升破碎效果。

2.2 科學設置爆破參數

（1）選擇合理超深。超深的取值對于消除根底起著關鍵性作用［8］，可以將裝藥中心的高度進一步降低，在一定程度上克服臺階底部阻力，從而減少根底的產生，甚至是消除根底。

（2）選擇合理的孔徑。在設計時，保證鉆機允許條件下，考慮經濟效應以及方案的可行性，選擇孔徑相對較小的鉆機進行打孔。

（3）選擇合理的孔網參數。在爆破工程中，為實現良好的爆破效果，密集系數（孔距與排距之比）的選擇至關重要，其能利用應力波的疊加作用，充分發揮炸藥的相對能量，以達到有效改善爆破質量、減少根底問題。

（4）選擇合理底盤抵抗線。設計時要根據具體的巖性情況和安全規程不斷調整底盤抵抗線；如若爆后出現根底問題時，應適當配合孔網參數對抵抗線采取一定的減小措施。

2.3 裝藥結構優化

在保證炸藥單耗不變的情況下，要控制根底現象，可采用改變裝藥結構的方法，如工程中常用的以空氣間隔裝藥的方式來代替連續裝藥。該方式能降低藥柱的重心，增大應力波傳播的沖量，提高炸藥能量的有效利用率，對爆破根底現象有所改善；或者是將起爆點設置在藥柱底端［9］，反向起爆的方式與正向起爆相比，可以有效地避免臺階根部產生根底，爆破效果更好。

2.4 施工質量控制

對于因施工質量問題產生的爆破根底，采用加強施工質量管理的手段進行控制［10］?，F場施工人員應嚴格按照爆破設計規定或技術要求進行布孔、鉆孔，及時清孔，保證每個孔深在同一水平上，必要時可報請監理工程師進行現場檢查，經檢驗合格后方能裝藥。

3 工程實況分析

影響臺階開挖爆破根底生成的因素有很多，但對于根底的影響程度仍未理清。所以，以某負挖工程為依托，借助有限元軟件，選取超深、孔徑和孔網參數3個主要因素，通過有效應力曲線的變化情況，分析上述因素對根底產生的影響程度。

3.1 數值模型的建立

經現場勘探可知，該工程屬微傾斜戈壁平原地貌，主要地貌形態由沖洪積第四系地層形成，主要地層為第四系人工回填碎石土（Q4ml）、上更新統沖洪積礫砂夾角礫層（Q3al+pl）和海西中期侵入巖（γδ42）黑云母花崗閃長巖。

以現場實況為基礎，借助ANSYS/LS-DYNA建立不同工況的有限元模型（圖1），模型總高為10.0 m，孔深為7.6 m，其中裝藥4.0 m，填塞長度為3.6 m，數值模擬采用g-cm-μs單位制。模型由巖石、空氣、炸藥和填塞構成，這個模型用實體單元SOILD164建立，巖石和填塞部分均選取MAT_003號材料，炸藥為2#乳化炸藥，起爆點位于孔底。

通過在合理范圍內調整超深、孔徑、孔網參數，以臺階坡底線中部的某個單元（圖1）為監測點，觀察有效應力隨時間的變化規律，以最大有效應力值為判據，判斷不同參數下爆后根底產生情況。

3.2 超深對根底的影響

選取3個不同超深值進行建模試驗，監測點有效應力時程曲線見圖2。

從上述3組模擬結果可以看出，時程曲線增長趨勢、波形基本一致，達到最大有效應力所歷經的時間也幾乎相同，只有有效應力峰值大小不一，這驗證了超深大小對根底具有影響。在其他情況一定的條件下，隨著超深的增大，單元有效應力曲線峰值也隨之增大，且無超深時的最大有效應力近乎是超深-20 cm時的1.5倍，超深20 cm時的最大有效應力為-20 cm的2倍，即超深對根底的影響在一定范圍內呈正相關的趨勢。

3.2 孔徑對根底的影響

由于現場已有鉆孔設備的限制，孔徑變量的取值只能選取為90和110 mm。利用控制變量法以孔徑為實驗因素，保證其他因素不變的前提下，建立2組不同孔徑模型，所得到的單元有效應力—時間曲線見圖3。

結果表明，與90 mm孔徑相比，110 mm孔徑時的最大有效應力大得多，幾乎是前者的2倍。在一定范圍內，孔徑越大，填充的炸藥越多，爆破單元有效應力越大，即巖石破碎效果越好，故相對大的孔徑爆破質量較佳。

3.3 孔距、排距對根底的影響

依據工程現場經驗提供的數據，設置3組實驗進行爆破效果對比。監測點單元體有效應力時程曲線見圖4。

在孔徑和超深等爆破參數不變的條件下，當孔網參數為3.0 m×2.5 m時，相同位置的單元體峰值有效應力均小于孔網參數較小時的有效應力，其中孔距排距為2.5 m×2 m時的有效應力峰值最大?？拙W參數變小時，由于應力波疊加作用的影響，單元體有效應力相應增大。所以，在適當范圍內縮小孔網參數，可以降低根底率。

4 結 論

（1）經調研文獻，發現根底產生與巖性、底盤抵抗線、堵塞長度、超深、孔徑和孔網參數等因素有關，并根據相應因素提出了針對性措施。

（2）基于現場實況，通過數值模擬，發現合理設置超深、適當增大孔徑、適當縮小孔網參數可以降低根底率。