阳江核电项目厂平工程海工石料开采的爆破方案.docx
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阳江核电项目厂平工程海工石料开采的爆破方案
阳江核电项目厂平工程海工石料
开采的爆破方案优化
1.引言
多年来,各国专家和生产者在岩体爆破的过程中,通过优化爆破参数的研究,试图达到控制爆破块度的目的,以求得提高生产过程的铲装、运输,机械破碎等后续工序的效率,并节约整个生产的成本,而岩体的爆破块度很大程序上取决于岩体的特征参数(岩体、节理等)。
由于所有的岩体都被不同方向和宽度的裂隙所分割,而且裂隙的宽度和频率随着岩体由内向外而逐步发育(即岩体的风化影响程度)。
而为了达到较好的爆破块度,就需要根据岩体的特征参数,分析节理岩体的结构特点,通过爆破试验的方式取得最佳爆破方案,提高爆破块度的需求值(块石获得率)。
2.厂平工程的主要概况
2.1工程概况
阳江核电项目是在广东省阳江市东平镇的东南角建设6台百万级以上的核电机组,以缓解和平衡广东西部的电力需求,阳江核电厂平工程是为今后建设6台核电机组而进行的场地平整和回填工作。
厂平工程分为两期进行施工,工程量为1490万m3土石方开挖,其中一期为672万m3土石方,工期为24个月。
一期场平工程将土石方开挖与今后的电厂的海域工程(防波堤、护岸、东平台等)相结合,充分利用厂平过程中所产生的石料来进行海域工程的施工,以达到降低工程成本和对海上回填区形成及时保护,满足环保的要求。
由于海域工程中的防波堤、护岸等构筑物的海上填筑对石料的要求很高,规格石和堤心石均要求为新鲜及微风化的中细料花岗岩石料,且堤心料为含泥量及10kg以下的块石含量小于5%(重量比),并具有良好级配(见表1所示)。
表1主要的海工岩工程石料的需求量表(一期工程)
名称
规格
数量
堤心石
0~1000kg
垫层及护底块石
800~1200kg
垫层及护底块石
1.8t~2.5kg
基础块石
100~150kg
由于海域工程对石料的规格品种要求较多和较高,而且今后的海域工程项目仍需要大量的规格石料,整体海域工程的石料需求总量为1603万m3,这就需要在厂平工程中加强对岩体爆破块度的控制,提高块石的获得率。
2.2地质情况
阳江核电厂址区域的开挖范围内主要为坡残土层,全风化及强风化岩石。
就岩性而言,开挖范围为出露花岗斑岩、中细粒黑云母二长花岗岩和中粗粒斑状黑云母二长花岗岩,但由于斑岩的斑状颗粒在岩脉或岩体侵入接触带附近,岩性的变化较大,中细粒黑云母二长花岗岩是较好的规格料和堤心料开挖岩体。
从风化角度而言,石材应该是新鲜的,至少也要是微风化的岩体。
按照《阳江核电站工程土石方工程说明书》界定开挖界线,把整个开挖区简单分为五个山头。
从厂区的地质图和工程地质图上可知,花岗斑岩主要出露在1#山头,另外在2#山头的中部有两条平行排列的北东向花岗斑岩岩脉,宽度约十多米,长约250m左右。
所以除了1#山头外,2#山头的中间部分由于这两条花岗斑岩岩脉的存在,在其侵入时将局部影响围岩的岩性,从而改变周围石材质量,同时也会使得围岩变脆,容易产生破碎。
另外2#山头和3#山头上中细粒黑云母二长花岗岩和中粗粒斑状黑云母二长花岗岩都有,它们的分界线在2#山头开挖区的中间,呈北东向,到了3#山头就向边坡线靠拢并切入,而4#和5#山头都是中粗粒斑状黑云母二长花岗岩。
从2#山头50m平台以上开挖的石材来看,除了局部地方出露灰黑色的花岗斑岩外,靠边坡开挖线的中细粒黑云母二长花岗岩较为破碎,而外侧的中粗粒斑状黑云母二长花岗岩颗粒粗大、石英含量较多、岩体较为完整。
另外,在2#山头北面的花岗斑岩岩脉的两端有两条小断裂F5、F6,估计在其断层的周围岩石将较为破碎。
而4#和5#山头则全部是中粗粒斑状黑云母二长花岗岩。
从现场的岩石出露和4#山头部分开挖的情况来看,斑状花岗岩的风化较为强烈,其表面基本是土夹石。
从对已爆破的岩石石质分析结果来看,3#、4#和5#山头的石材质量较好,颗粒比较细,石英含量适中,适宜作为海域工程和今后骨料石材使用。
地质情况及地形见附图。
3.方案需进行优化的原因和目的
3.1地质情况的缺陷与原爆破设计方案的不匹配。
3.1.1地质缺陷造成块石获得率不够
由于在规划期内对厂址地质的钻探工作集中在反应堆的基础和边坡稳定分析的工作上,而对花岗斑岩能否真正作为合格堤心料及厂平一期33.6m以上部分的中细粒黑云母二长花岗岩和中粗粒斑黑云母二长花岗岩的风化程度和范围的分析不够,实际施工过程中花岗斑岩区(主要集中1#山头区域)在爆破后,除能形成个别较大的规格石外,10kg以下的石块达到30%~50%(重量比),大大超过海域工程所要求的标准,致使1#山头区域的194万m3的石料被迫作为弃料,无法达到充分合理利用开山石料降低工程造价的目的。
同时,对回填弃料区的布置和平衡造成极大的压力,而分布在2#山头33.6mPRD以上部分的中细粒是云母二长花岗岩和中粗粒斑黑云母二长花岗岩受山体冲沟位置的影响,风化程度较高,同时又有两条带状花岗斑岩岩脉侵入该区域,造成岩体脆性加大,爆破可满足海域工程技术要求的石料含量也仅为15%~20%左右,规格石料的获得率也非常低,尽管每日石方爆破量较大,但仍难以达到供应同期海域施工所需要的日需求量。
3.1.2爆破方案中选取的爆破参数针对岩体爆破块度的要求不够合理。
爆破参数的选取对爆破块度的影响是非常大的。
应综合考虑各种因素,从控制爆破块度的角度合理的选取各爆破参数。
由于阳江核电项目厂平工程爆破现场的岩体地质条件较为复杂,且不同爆破区域的岩质变化大,这就要求在爆破参数选取上应慎重选择,区别对待。
3.2土石方动态平衡的要求
首先,由于厂平土石方工程是与海域工程相结合,土石方开挖的1490万m3的万1266.5m3石方需供应海域工程使用,而海域工程的石料需求量为1608万m3(自然方×1.5=使用方量)。
这也意味着在石方爆破过程中应取得80%的石料可用率,这样需要通过爆破的优来提高块石获得率(爆破块度)。
其次,由于厂平一期工程要求在33.6mPRDm以上部位进行开挖。
由于高程较高,岩石风化的程度也较高,对爆破块度的形成产生影响。
再次,由于工期及台风期的施工要求,在7、8、9三个月整体土石方的施工完全要因海域工程的防护堤的施工而进行,只有防护堤正常推进才能对回填区形成保护,这就需要在限量的石方爆破中尽大可能取得块石获得率。
3.3优化爆破方案的目的
首先,优化爆破方案可以提高可用石料的开采率,满足所有海域施工的工程需要,其次,可以提高工效,为场平工程提前完成1#2#土石方开挖,具备反应堆基础负挖开工创造条件。
再次,满足厂平土石方各阶段不同的石料需求和部分石料储备,
4.影响爆破块度的各相关因素分析
大量的实验结果和现场统计分析证实,岩体爆破块度在很大程度上取决于爆区岩体节理分布,对均质连续介质岩体来说,爆破参数的优化对爆破块度的分布起决定作用,而节理岩体则不同,爆破块度的分布主要受岩体节理裂隙(即天然块度)的控制。
而爆破方案中的相关参数也只能根据爆区岩体节理分布的情况通过调整以达到提高和改善爆破块度,也就是说爆区岩体的地质结构(节理、风化程度)对爆破块度的取得起决定作用。
4.1岩体的天然块度和爆破块度关系的影响
天然岩体的特征块度对爆破后岩体的特征块度有明显影响,爆破后的大块率和平均块度主要受裂隙长度和间距控制。
裂隙长度和孔距决定着大块率,而裂隙间距和平均块度的关系最密切。
岩体的天然块度与爆破块度的关系比较密切,爆破块度是地质作用和爆破作用共同作用的结果。
地质作用使岩石裂隙化和风化,也是形成天然块度的主要原因,是比较漫长的变质过程;爆破作用使岩体裂隙重新分布,是一个突变过程。
前者为后者奠定基础,并严重影响后者。
在爆破过程中,由于节理宕体裂隙较发育,贯通裂隙多,爆破作用通过节理面,使得裂隙间的岩块保持完整,不会产生进一步破碎破裂。
综上所述,岩体的地质条件和形成地质构造的因素对爆破块度的影响是非常大的。
由于地质构造因素形成的天然块度对爆破块度起着非常重要的牵制作用。
在岩体的节理裂隙发育显著、风化严重的地质条件下,通过对爆破方案的优化和对爆破参数的调整达到控制爆破块度的目的是有一定限度的。
4.2节理岩体的特性参数、力学特性对爆破的影响
许多实验表明,均质岩体爆破块度的分布主要受最小抵抗线、孔距等爆破参数的影响,但对于节理裂隙岩体爆破,节理裂隙的分布状态对爆破块度的分布起决定性的作用。
节理岩体中的节理裂隙,既控制着岩体力学性质,又控制着岩体的破坏形式。
因为岩体内的节理面,能限定发育的裂隙,并为爆炸气体提供通道。
不同形状的节理面,对岩体爆破质量的影响程度不一样。
节理间距的影响:
主要表现为密集节理对爆破破坏有决定性影响,而密实和填充的节理产生的超爆量较少。
因此,对有边坡要求的爆破,应使孔距小于裂隙间距,否则会使边坡发生严重的超欠挖问题。
节理走向的影响:
实验证实,相对于最终岩面的非连续面的走向,对爆破周边的控制结果有很大的影响。
节理走向为60~90。
时,周边控制没有什么困难;走向小于60。
时,要控制周边形状会有较大困难;走向小于15”时,随岩石和节理质量而定,通常不能进行控制爆破。
节理状况的影响:
含夹泥的开口节理,可能引起大量超爆。
开口节理也可能阻止或引起周边孔间距产生分支裂隙,风化的节理壁更易于开裂而破坏。
在有宽裂隙、不坚固、大节理块的岩体中爆破时,不仅需要很高的单位炸药消耗量,而且需要更换成高威力炸药,因为小节理块硬岩体的爆破,只需将小节理块位移和散开,而大节理块岩体的爆破,还必须把大节理块破碎成许多小块,以满足爆破块度的要求。
4.3节理岩体的爆破机理
众所周知,任何岩体都由岩块和弱面组成,始于起爆药包的应力波,传播过程中通过弱面形成的裂隙,将能量以不同形式传递到分界面。
定性研究表明:
当药包爆炸作用到最靠近的节理块时,这些节理块被破碎成许多小块,在裂隙之外的节理块被破碎成3~5个块体。
如果裂隙宽度足够大时,节理块只可能被抛出,而不会被破碎。
人们经过大量实验表明:
节理岩体爆破时,主要依赖两种破碎机理:
在应力波作用下的爆炸破碎机理和靠破碎岩块相互碰撞达到破坏的破碎机理。
4.4爆破参数与爆破块度的关系
爆破参数中的台阶高度、孔网距、单耗、孔直径、孔尺、方位、角度对爆破块度起相当一定的作用,而其它如炸药参数、台阶几何尺寸、起爆顺序、穿孔布置、充填、分段装药结构、起爆深度等对爆破块度的分布有一定影响。
台阶高度是指深孔爆破中两个开挖平台之间的高度差,通常用H表示。
台阶高度取决于开挖山体的总高度、挖装运机械设备的工作性能、运输道路的坡道设计及布局等。
台阶高度对爆破块度的影响主要体现在两个方面:
一是当台阶高度过大时,在爆破塌落过程中由于重力的存在增加了岩块在爆破过程中的碰撞作用,从而降低了岩石的块度;二是当岩石地质构造较为复杂时,高台阶高度容易产生钻孔成孔和装药施工的困难,进一步对控制岩石块度造成影响。
因此,应根据工程的具体要求合理确定台阶高度。
孔网参数是指炮孔位置排与排、孔与孔之间的距离,体现了炮孔之间位置的相对关系。
孔网参数主要是指炮孔的孔距、排距、药包最小抵抗线等。
其中,对岩石爆破块度的影响较大的是炮孔排距、最小抵抗线。
当岩石的节理裂隙不发育、完整性较好时,该参数的取值与块度的大小成正比,即参数取较大值时,爆破块度也较大,反之较小。
一般而言,在确定的炸药爆破单耗指标下,应通过合理调整排距以及前排孔的最小抵抗线来控制岩石的爆破块度。
孔径是炮孔的直径,通常比钻机钻头的直径大一些。
深孔爆破的孔径与钻孔机械的性能指标相关。
在完全耦合装药的条件下,炮孔直径较大时,往往使得炸药爆炸产生的破碎范围增大,炸药爆炸用于粉碎岩石的能量较大,爆炸能量的利用不够合理。
因此,在要求适度增大岩石爆破块度的前提下,应选用合理的炮孔直径,使之与炮孔的孔网参数合理搭配,以获得理想的岩石块度。
单耗是衡量岩石爆破质量的重要的经济和技术指标,体现爆破破碎岩石所需要消耗的爆炸能量。
炸药单耗的确定应综合考虑岩石的破坏强度、岩体的地质构造条件、要求的岩石爆破块度、以及与爆破方式、炸药与起爆器材的选用等因素,通过现场实验确定,并在以后的工程实施中在逐步调整。
很显然,当其他条件不变时,炸药的单耗指标的变化将改变岩石的块度。
除上述影响因素外,炸药品种、炸药装药的结构、段间延期时间、药孔填塞长度、药孔超钻深度等也都从不同角度影响岩石的爆破块度。
5.主要技术改进措施和优化爆破方案的提出
5.1基本分析结论
在上述深入分析的基础上,针对广核集团阳江核电项目场平一期工程石方爆破主要存在的爆破块度偏小、块石获取率偏低等问题,我们认为应根据爆区现场岩石地质构造和石质的具体情况具体分析,提出相应的改进措施和优化方案。
爆区山体表层的较大一部分为土层及全风化和强风化花岗斑岩,风化及弱风化山体部分,其节理裂隙亦很发育,且间有大量破碎带存在。
对于全风化和强风化部分,以及节理裂隙极为发育且有破碎带的山体,爆后易被粉碎,成块较难,无论采用何种爆破技术,爆后都难以保证大块率,即使不爆破,开挖后亦不能保证出大块,这是其岩性本身决定的,主观努力不能改变由天然块度决定的爆破块度。
从开挖区暴露的情况看,1#山头风化程度最严重,块石利用率很低,即使采取技术措施,爆破效果也不会有较大改善。
但尚有一小部分山体风化程度较弱,可采用一定的技术措施,获取一定的能够满足块度要求的块石;2#山头33.6米以下部分风化程度相对弱一点,应采取一定的技术措施来获取需要的块石;3#山头岩石完整性相对较好,可通过改变爆破方式、调整爆破参数和改进施工工艺来提高大块率。
5.2主要的技术改进措施
⑴研究表明,采用全耦合连续装药结构进行爆破,爆炸产生的冲击波直接对岩石进行冲击破碎,不利于块石的成型。
因此,对于钻孔孔径为115~138mm的炮孔,应采用径向间隔的不耦合装药结构,使爆炸冲击波经径向空气间隙衰减后再作用到岩石上,避免爆炸冲击波对岩体的直接冲击粉碎作用,从而提高大块率。
实现径向间隔不耦合装药结构的措施就是使用卷装炸药,保证药径小于孔径(不耦合系数取2~3)。
由于现使用的炸药基本为散装铵油炸药,无法实现径向不耦合装药结构,可通过改炸药目前的大包装为卷状包装,进而通过调整孔径和药包直径实现不耦合装药。
在目前尚未改装之前,可考虑采用轴向间隔的装药结构,即孔内分上下两段装药,下段装药约占单孔药量的2/3(用2个雷管起爆),中间填土,上段装药约占单孔药量的1/3(用1个雷管起爆),顶部进行填塞,同孔雷管可同时起爆。
⑵目前采用的台阶高度偏大,一是爆后岩块的势能较大,使节理裂隙较发育的岩石爆破之后落地容易产生碰撞摔碎,二是底部挤压作用较大,中下部岩石在爆破时容易被挤压破碎,不利于块石的获取。
因此,其爆破台阶高度宜取小一点,以减小势能及充分利用地表临空面,降低底部装药爆破时的挤压作用。
根据施工单位的机械特点和现场实际,台阶高度可取8~10m,超深1m,炮孔深度为9~11m(垂孔)。
⑶从爆区岩性看,现采用的炸药单耗(0.33kg/m3)可能有些偏大。
根据爆区岩性和岩石结构,以及该爆区实际爆破情况来看,1#山头炸药单耗取0.2~0.22kg/m3为宜;2#山头炸药单耗取0.25~0.28kg/m3为宜;3#山头炸药单耗取0.28kg/m3左右为宜。
此建议值应通过现场试验进一步确定。
⑷爆区的花岗斑岩颗粒度较大,可钻性较差,但其可爆性好,从能量匹配角度出发,宜采用低爆速炸药。
应尽量少用爆速较高的岩石硝铵炸药和乳化炸药,在没有其它低爆速炸药的情况下,主要应采用铵油炸药。
需要说明的是,如果采用径向不耦合装药结构,岩石硝铵炸药和乳化炸药亦能与该岩石达到较好的能量匹配效果(因为爆速较高的炸药产生的冲击波经衰减后再作用到岩石上与低爆速炸药作用效果基本相同)。
⑸采用的钻机孔径较大,与孔径较小的炮孔相比,在装药结构相同、使用同种炸药的情况下,虽然比冲量(单位面积冲量)相同,但炮孔过大则装药比较集中,总冲量较大,爆后因爆炸能量集中,炮孔周围的岩石会在较大一个范围内造成粉碎性破坏,无法保证大块的形成。
因此,根据施工单位设备情况,本工程宜采用孔径Φ76mm或Φ115mm孔径的钻机施工(如采用径向不耦合装药结构,也可采用Φ138mm孔径的钻机)。
⑹现有爆破方案中采用的大孔距、小抵抗线布孔孔网参数,有利于改善(减小)爆破块度。
而本工程要求相反,即需要的是块度较大的岩石。
因此,应改变常规的布孔方式,应使孔距和排距尽量接近(孔距稍大于排距即可)。
⑺现有爆破方案中采用孔内微差起爆技术的排间微差选用低段的隔段雷管保证,在爆破过程中会造成过多地相互冲击碰撞。
因此,建议排间微差微起爆时间应增大一点,可采取110ms微差时间的雷管用孔外接力延期起爆(孔内同段雷管,孔外排间用MS5段雷管接力起爆保证)。
⑻应根据爆破区域岩石的石质分布情况合理安排不同口径的钻机进行钻孔施工。
对于岩石完整性好的岩石爆破区域,应完全采用
Φ76mm口径的钻机钻孔。
对于风化严重的岩石,可采用大口径钻机施工。
5.3爆破参数优化
爆破方案优化的核心是爆破参数的优化。
通过研究认为,充分认识爆破参数之间的关系,保持其中关键参数的稳定,协调其他参数的变化,最终实现爆破方案的优化。
根据爆破区域岩石的石质分布情况和对爆破施工数据的分析,认为应保持台阶高度、炸药单耗、起爆方式等参数的相对稳定,针对不同的孔径,调整孔网参数和其他参量。
由此提出了几种参数组合供实验研究和验证,如表2所示。
表2爆破方案优化参数表
序号
炮孔及爆破参数
情况1
情况2
情况3
1
孔径D(mm)
76
115
138
2
台阶高度H(mm)
10
10
10
3
超钻深度ΔL(m)
1.0
1.0
1.0
4
炮孔深度L(m)
11
11
11
5
钻孔倾角α(0)
900
900
900
6
孔距a(m)
3.2
4.5
5.5
7
排距b(m)
2.8
3.8
4.2
8
前排最小抵抗线W(m)
3.0
3.5
4.0
9
单耗药量q(kg/m3)
0.261
0.27
0.281
10
线装药密度QL(kg/m)
3.6
8.4
13
11
顶部填塞长度L顶(m)
3.0
3.5
4.0
12
中间填塞长度L中(m)
1.5
2.0
2.0
13
排间微差起爆时间Td(ms)
110
110
110
14
单孔雷管设置
下段装药2个、上段装药1个
同左
同左
15
单孔药量Q1(kg)
23.4
46.2
65
注:
1、应尽可能在岩石完整性好的爆破区域采用“情况1”之参数;
2、表中参数特别是单耗药量q仅为参考值,其最优值应通过现场试验确定。
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