在铁路建设、水利工程、
采矿工程以及其它土石方工
程中,爆破是目前应用最为
广泛、最为有效的一种破岩
手段。为了优化爆破参数,
必须了解岩石在爆破作用下
的破碎机理、装药量的计算
原理以及各种相关因素对爆
破效果的影响。
第四章 岩石爆破作用原理
施工人员正在钻孔
录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供
武
汉
理
工
大
学
爆
破
研
究
所
在
山
东
博
莱
进
行
高
速
公
路
边
坡
光
面
爆
破
由于岩石是一种非均质、各向异性的介质,
爆炸本身又是一个高温高压高速的变化过程,炸
药对岩石破坏的整个过程在几十微秒到几十毫秒
内就完成了,因此研究岩石爆破作用机理是一项
非常复杂和困难的工作。
钻
孔
工
人
正
在
进
行
光
面
爆
破
的
钻
孔
随着测试技术的进步,相关科学的发展和引
入,以及各类工程对爆破规模和质量要求的不断
提高,岩石爆破作用原理的研究取得了许多新的
进展,建立了一些新的学说和理论体系,提出了
很多计算模型和计算公式,尽管这些研究成果还
不很完善,但它们基本上反映了岩石爆破作用中
的某些客观规律,对爆破实践具有一定的指导意
义和应用价值。
第一节 岩石爆破破碎原因的几种学说
一、爆轰气体压力作用学说 ( explosion gas
failure theory)
这种学说从静力学观点出发,认为岩石的破碎
主要是由于爆轰气体( explosion gas)的膨胀压力
引起的。这种学说忽视了岩体中冲击波和应力波
( stress wave)的破坏作用,其基本观点如下:
某
待
爆
破
的
山
体
药包爆炸时,产生大量的高温高压气体,
这些爆炸气体产物迅速膨胀并以极高的压力
作用于药包周围的岩壁上,形成压应力场。
当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的
拉应力时,将产生径向裂隙。
作用于岩壁上的压力引起岩石质点的径向位
移,由于作用力的不等引起径向位移的不等,导
致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过
岩石的抗剪强度时,岩石就会产生剪切破坏。当
爆轰气体的压力足够大时,爆轰气体将推动破碎
岩块作径向抛掷运动。
某
山
体
爆
破
二、应力波作用学说( shock wave failure theory)
这种学说以爆炸动力学为基础,认为应力波是引起岩石
破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作用,其
基本观点如下:
爆轰波冲击和压缩着药包周围的岩壁,
在岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为应力
波。 此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时
向前传播,当应力波传到自由面时,产生反
射拉应力波(图 4-1)。
当拉应力波的强度超过自由面处岩石的
动态抗拉强度时,从自由面开始向爆源方向
产生拉伸片裂破坏,直至拉伸波的强度低于
岩石的动态抗拉强度处时停止。
缺陷
应力波作用学说只考虑了拉应力波在
自由面的反射作用,不仅忽视了爆轰气体
的作用,而且也忽视了压应力的作用,对
拉应力和压应力的环向作用也未予考虑。
实际上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作
用为主。
三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说
这种学说认为,岩石的破坏是应力波和爆轰气
体共同作用的结果。这种学说综合考虑了应力波和
爆轰气体在岩石破坏过程中所起的作用,更切合实
际而为大多数研究者所接受。其基本观点如下:
理论研究
爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高
于爆轰气体产物的压力和传播速度。 爆轰波
首先作用于药包周围的岩壁上,在岩石中激
发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波
在药包附近的岩石中产生, 压碎, 现象,应
力波在压碎区域之外产生径向裂隙。
随后,爆轰气体产物继续压缩被冲击波
压碎的岩石,爆轰气体, 楔入, 在应力波作
用下产生的裂隙中,使之继续向前延伸和进
一步张开。当爆轰气体的压力足够大时,爆
轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。
对于不同性质的岩石和炸药,应力波与爆轰气
体的作用程度是不同的。
在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不
偶合系数(本章第五节)较小的条件下,应力波的
破坏作用是主要的;
在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较
大的条件下,爆轰气体的破坏作用是主要的。
某
土
石
方
爆
破
后
形
成
的
爆
堆
图 4-1 反射拉伸波破坏过程示意图
1-压应力波波头; 2-反射拉应力波波头
(b)(a)
1
2
(c)(c)
第二节 单个药包的爆破作用
为了分析岩体的爆破破碎机理,通常假定岩
石是均匀介质,并将装药简化为在一个自由面条
件下的球形药包。球形药包的爆破作用原理是其
它形状药包爆破作用原理的基础。
R0 R2
R1
图 4-2 爆破的内部作用
R0-药包半径; R1-粉碎区半径; R2-破裂区半径
σ
`
θ
σ
θ
σ
r
r
σ
θθ
(a)
σ
σσ
r
`
σ
r
`
σ
σ
`
r
r
θ
`
σ
σ
θ
(b)
`
图 4-3 破裂区裂隙的形成(管伯伦)
σr-径向压应力; σθ-切向拉应力;
σ’r-径向拉应力; σ’θ-切向压应力
某
经
过
光
面
爆
破
的
岩
石
一、爆破的内部作用
当药包在岩体中的埋臵深度很大,其爆破
作用达不到自由面时,这种情况下的爆破作
用叫作爆破的内部作用,相当于单个药包在
无限介质中的爆破作用。岩石的破坏特征随
离药包中心距离的变化而发生明显的变化。
根据岩石的破坏特征,可将偶合装药
(见本章第五节)条件下,受爆炸影响的岩
石分为三个区域(图 4-2)。
粉碎区
当密闭在岩体中的药包爆炸时,爆轰压力在
数微秒内急剧增高到数万兆帕,并在药包周围的
岩石中激发起冲击波,其强度远远超过岩石的动
态抗压强度。在冲击波的作用下,对于坚硬岩石,
在此范围内受到粉碎性破坏,形成粉碎区;对于
松软岩石(如页岩、土壤等),则被压缩形成空
腔,空腔表面形成较为坚实的压实层,这种情况
下的粉碎区又称为 压缩区 。
一些学者的理论研究表明:对于 球形装药,
粉碎区半径一般是药包半径的( 1.28~ 1.75)倍;
对于 柱形装药,粉碎区半径一般是药包半径的
( 1.65~ 3.05)倍。虽然粉碎区的范围不大,但
由于岩石遭到强烈粉碎,能量消耗却很大。因此,
爆破岩石时,应尽量 避免形成压碎区 。
破裂区
在粉碎区形成的同时,岩石中的冲击波衰减成
压应力波。在应力波的作用下,岩石在径向产生压
应力和压缩变形,而切向方向将产生拉应力和拉伸
变形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的十至
五十分之一,当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时,
该处岩石被拉断,形成与粉碎区贯通的径向裂隙
( crack),如图 4-3( a)所示。
随着径向裂隙的形成,作用在岩石上的压力迅
速下降,药室周围的岩石随即释放出在压缩过程中
积蓄的弹性变形能,形成与压应力波作用方向相反
的拉应力,使岩石质点产生反方向的径向运动。
当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时,该处岩
石即被拉断,形成环向裂隙,如图 4-3(b)所示。
在应力波和爆轰气体的共同作用下,
随着径向裂隙、环向裂隙和切向裂隙的形
成、扩展和贯通,在紧靠粉碎区处就形成
了一个裂隙发育的区域,称为 破裂区 。
震动区
在破裂区外围的岩体中,应力波和爆轰气体
的能量已不足以对岩石造成破坏,应力波的能量
只能引起该区域内岩石质点发生弹性振动,这个
区域称为震动区。在震动区,由于地震波的作用,
有可能引起地面或地下建筑物、构筑物的破裂、
倒塌,或导致路堑边坡滑坡、隧道冒顶片帮等灾
害。
某
土
石
方
爆
破
后
形
成
的
爆
堆
二,爆破漏斗( crater)
当单个药包在岩体中的埋臵深度不大时,可以
观察到自由面上出现了岩体开裂、鼓起或抛掷现象。
这种情况下的爆破作用叫作爆破的外部作用,其特
点是在自由面上形成了一个倒圆锥形爆坑,称为 爆
破漏斗,如图 4-4所示。
(一 )爆破漏斗的几何要素
自由面( free face)是指被爆破的介质与空
气接触的面,又叫 临空面 。
最小抵抗线( minimum burden)是指药包中心
距自由面的最短距离。爆破时,最小抵抗线方向
的岩石最容易破坏,它是爆破作用和岩石抛掷的
主导方向 。
3,爆破漏斗半径( crater radius)是指形成倒锥形爆
破漏斗的底圆半径。常用 r表示爆破漏斗半径。
4,爆破漏斗破裂半径,又叫破裂半径,是指从药包中
心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。图 4-4中的 R表示爆
破漏斗破裂半径。
5,爆破漏斗深度。爆破漏斗顶点至自由面的最短距离
叫爆破漏斗深度。图 4-4中的 H表示爆破漏斗深度。
H
h
R
W
θ
r
图 4-4 爆破漏斗的几何要素
6,爆破漏斗可见深度。爆破漏斗中碴堆表
面最低点到自由面的最短距离叫爆破漏斗可
见深度。,如图 4-4中 h所示。
7,爆破漏斗张开角,即爆破漏斗的顶角,
如图 4-4中的 θ 所示。
(二)爆破作用指数( crater index)。爆破漏斗底圆半
径与最小抵抗线的比值称为 爆破作用指数,用 n表示,即:
( 4-1)
爆破作用指数 n在工程爆破中是一个极重要的参数。
爆破作用指数 n值的变化,直接影响到爆破漏斗的大小、
岩石的破碎程度和抛掷效果。
n rW?
(三)爆破漏斗的分类。根据爆破作用指数 n
值的不同,将爆破漏斗分为以下四种。
1,标准抛掷爆破漏斗。如图 4-5之 (a)所
示,当 r=W,即 n=1时,爆破漏斗为标准抛掷
爆破漏斗,漏斗的张开角 θ=90 ° 。形成标准
抛掷爆破漏斗的药包叫做 标准抛掷爆破药包 。
2.加强抛掷爆破漏斗。如图 4— 5(b)所示,
当 r> W,即 n> 1时,爆破漏斗为加强抛掷爆
破漏斗,漏斗的张开角 θ > 90° 。形成加强
抛掷爆破漏斗的药包,叫做 加强抛掷爆破药
包 。
3.减弱抛掷爆破漏斗。如图 4— 5(c)所
示,当 0.75< n< 1时,爆破漏斗为减弱抛掷
爆破漏斗,漏斗的张开角 θ < 90° 。形成减
弱抛掷爆破漏斗的药包,叫做 减弱抛掷爆破
药包,减弱抛掷爆破漏斗又叫加强松动爆破
漏斗。
4.松动爆破漏斗。如图 4— 5(d)所示,当
0< n< 0.75时,爆破漏斗为松动爆破漏斗,
这时爆破漏斗内的岩石只产生破裂、破碎而
没有向外抛掷的现象。从外表看,没有明显
的可见漏斗出现。
工程中常用二三个以上炮孔或峒室的群药包
进行爆破。群药包爆破是单个药包爆破的组合,
通过调整群药包的药包间距和起爆时间顺序,采
用诸如光面爆破、预裂爆破、微差爆破、挤压爆
破等爆破技术,可以充分发挥单个药包的爆破作
用,达到单个药包分次起爆所不能达到的爆破效
果(详见后续章节的内容,此不赘述)。
某
土
石
方
爆
破
工
程
(c)
(a)
θ
r
W
θ
W
°
45
°
45
r
W
(d)
(b)
θ
r
W
θ
r
图 4-5 爆破漏斗分类
第三节 体积公式
目前,在岩土工程爆破中,精确计算装药量
(charge quantity)的问题尚未得到十分圆满的解决。
工程技术人员更多的是在各种经验公式的基础上,
结合实践经验确定装药量。其中,体积公式是装药
量计算中最为常用的一种经验公式。
一、体积公式的计算原理
在一定的炸药和岩石条件下,爆落的土石方体积与所用
的装药量成正比。这就是体积公式的计算原理。体积公式的
形式为:
Q=k· V ( 4-2)
式中,Q — 装药量,kg ;
k — 单位体积岩石的炸药消耗量,kg/m3 ;
V — 被爆落的岩石体积,m3 。
二、集中药包的药量计算
1.集中药包( concentrated charge)的标
准抛掷爆破,根据体积公式的计算原理,对于采用
单个集中药包进行的标准抛掷爆破,其装药量可
按照下式来计算:
Qb= kb· V ( 4-3)
式中:
Qb — 形成标准抛掷爆破漏斗的装药量,kg;
kb — 形成标准抛掷爆破漏斗的单位体积岩石
的炸药消耗量,一般称为标准抛掷爆破
单位用药量系数,kg/m3;
V — 标准抛掷爆破漏斗的体积,m3。
式( 4-3)中 V值的大小为:
( 4-4)
式中,r — 爆破漏斗底圆半径,m;
W — 最小抵抗线; m。
对于标准抛掷爆破漏斗,,即 r= W,
所以 ( 4-5)
V r W? ? ?13 2?
n rW? ? 1
V W W W W W? ? ? ? ? ?? ?3 3 1 0472 3 3 3.
将( 4-5)式代入( 4-3)式,得
Qb= kb· W3 (4-6 )
式( 4-6)即集中药包的标准抛掷爆破装
药量计算公式。
2,集中药包的非标准抛掷爆破
在岩石性质、炸药品种和药包埋臵深度都不
变动的情况下,改变标准抛掷爆破的装药量,就
形成了非标准抛掷爆破。当装药量小于标准抛掷
爆破的装药量时,形成的爆破漏斗底圆半径变小,
n < 1,为 减弱抛掷爆破或松动爆破 ;当装药量大
于标准抛掷爆破的装药量时,形成的爆破漏斗底
圆半径变大,n > 1,为 加强抛掷爆破 。
可见非标准抛掷爆破的装药量是爆破作用指
数 n的函数,因此可以把不同爆破作用的装药
量用下面的计算通式来表示:
Q = f(n)· k-b· W3 (4-7)
式中,f(n) — 爆破作用指数函数
对于标准抛掷爆破 f(n)= 1.0,减弱抛掷爆破
或松动爆破 f(n)< 1,加强抛掷爆破 f(n) >1。
f(n)具体的函数形式有多种,各派学者的观
点不一,我国工程界应用较为广泛的是前苏联学
者鲍列斯阔夫提出的经验公式:
f(n) = 0.4+ 0.6n3 (4-8)
鲍列斯阔夫公式 适用于抛掷爆破装药量
的计算,将( 4-8)式代入( 4-7)式,得到
集中药包抛掷爆破装药量的计算通式:
Qp-= (0.4+ 0.6n3)kbW3 (4-9)
应用 (4-9)式计算加强抛掷爆破的装药量
时,结果与实际情况比较接近。但是,当最
小抵抗线 W大于 25m时,用( 4-9)式计算出来
的装药量偏小,应乘以修正系数 ?
Qp = (0.4+ 0.6n3)? kbW3
? ?
?
?
?
?
?
1
25
25
25W
W m
W m/
(4-10)
集中药包松动爆破的装药量可按下式计算:
Qs= ksW3 (4-11)
式中,Qs— 集中药包形成松动爆破的装药量,kg;
ks — 集中药包形成松动爆破的单位体积
岩石的炸药消耗量,一般称为松动爆破的单位用药
量系数,kg/m3 ;
工程经验表明,ks与 kb之间存在着以下关系:
ks= f(n)· kb = kb ( 4-12)
即集中药包松动爆破的单位用药量约为
标准抛掷爆破单位用药量的三分之一到二分
之一。松动爆破的装药量公式可以表示为:
Qs= ( 0.33~ 0.5) kbW3 ( 4-13)
1
3
1
2~
?
??
?
??
三、延长药包的药量计算
延长药包( extended charge)是在工程
爆破中应用最为广泛的药包。如炮眼爆破法
和深孔爆破法中使用的柱状药包 (column
charge)以及峒室爆破法中使用的条形药包
( linear charge)都属于延长药包。
延长药包是相对于集中药包而言的,当药包的
长度和它横截面的直径(或最大边长)之比值 大
于某一值时,叫做 延长药包 。
值大小的规定目前尚未统一。就圆柱形装药而
言,通常当 > 4时,即视为延长药包。
实际上,要真正起到延长药包的作用,药包的
长度要超过药包直径 17倍以上。
?
?
1,延长药包垂直于自由面
掘进隧道时,炮眼爆破法的柱状装药就是延长
药包垂直于自由面的一种形式(图 4-6)。这种情况
下炸药爆炸时易受到岩体的夹制作用,但一般仍能
形成倒圆锥的漏斗,只是易残留炮窝。
计算装药量时,仍可按体积公式来计算。
Q=kbf(n)W3 ( 4-14)
式中,Q-----装药量,kg;
W-----最小抵抗线,m;
l l2 112?
W=
l2----- 堵塞长度,m;
l1----- 装药长度,m。
需要说明 的是,在浅眼爆破中,由于凿
岩机所钻的眼径较小,炮眼内往往容纳不
下由( 4-14)式计算所得的装药量。在这
种情况下,需要多打炮眼以容纳计算的药
量。
在隧道爆破设计时,常用( 5-4)式计算每
掘进循环的总装药量,然后根据断面尺寸和
循环进尺确定单孔装药量。
延长药包垂直于自由面的爆破,实际上
是在一个自由面条件下的密集炮眼群爆破。
2
1
r
W
2r
W
图 4-6 柱状装药垂直自由面 图 4-7 柱状装药平行于自由面
2,延长药包平行于自由面
深孔爆破靠近边坡炮孔的装药和峒室爆破采用
的条形药包都是延长药包平行于自由面的具体形式。
延长药包爆破后形成的爆破漏斗是一个 V形横截面
的爆破沟槽。设 V形沟槽的开口宽度为 2r,沟槽深
度 W,当 r= W 时,=1,称为标准抛掷爆破沟
槽。如图 4-7所示。
n rW?
Q = kbV=kbr Wl = kbW 2l
即 Q = kbW2l ( 4-15)
对于形成非标准抛掷爆破沟槽的情况,装药量的计算公
式应考虑爆破作用指数 n的影响,于是:
Q = f(n)kbW2l ( 4-16)
式中,Q — 延长药包的装药量,kg;
f(n) — 与爆破作用指数有关的经验公式;
W — 延长药包的最小抵抗线,m;
l — 延长药包的装药长度,m。
对于硐室爆破中使用的条形药包,装药量的计算
公式可以表示为:
Qt = = f(n)kbW2 ( 4-17)
式中,Qt ---- 条形药包单位长度装药量,kg/m;
式( 4-17)中的 f(n)为经验公式,形式多样,各不相
同。
Q
l
我国使用较多的是原苏联学者鲍列斯阔夫和
阿夫捷也夫提出的经验公式:
0 4 0 6
0 55 1
3.,
,( )
?
?
n
n ?
f(n)=
鲍列斯阔夫公式
阿夫捷也夫公式
2 0 4 0 6
1
3(,, )?
?
n
n
?f(n)=
( 4-18)
( 4-19)
上述公式中,n为爆破
作用指数,
? ?
?
?
?
?
?
1
25
25
25W
W m
W m/
? ?
?
?
?
?
??
1 25
250 0032 25W
W m
W mW,( )
我国爆破工程技术人员也提出了一些 f(n)
经验公式,其中由铁道科学研究院提出的公
式如下:
? ?? ?n n1
2
2?f(n)=
? n
n
n
n
?
?
?
?
??
?
? ?
?
1 0
1 1
1 2
1
1 1 3
1 3
.
.
.
.
.
( 4-20)
第四节 爆破参数的意义和选择
一、单位用药量系数 kb和 ks
kb是指单个集中药包形成标准抛掷爆破
漏斗( n= 1)时,爆破每一立方米岩石或土
壤所消耗的 2号岩石铵梯炸药的重量,称作标
准抛掷爆破单位用药量系数,简称 标准单位
用药量系数 。
ks则是指单个集中药包形成松动爆破漏斗
时(一般 0<n<0.75),爆破每一立方米岩
石或土壤所消耗的 2号岩石铵梯炸药的重量,
称作 松动爆破单位用药量系数 。
kb与 ks相对于同类岩石来讲,存在式
( 4-12)的关系。
因此,工程实际中常先选择 kb值再决定
ks的值。
选择 kb或 ks时,应考虑多方面的影响因素来加
以确定,主要有以下几个途径:
1,查表。对于普通的岩土爆破工程,kb和 ks的
值可由查表得出。拆除爆破中有关砖混结构、钢筋
混凝土结构的单位用药量系数可由第八章的相关表
格中查处。这些表都是对 2号岩石铵梯炸药而言的,
使用其它炸药时应乘以炸药换算系数 e(见表 4-1)。
2,采用工程类比的方法,参照条件相近工程
的单位用药量系数确定 kb或 ks的值。在工程实际
中,用这个途径更为现实、可靠。
3,采用标准抛掷爆破漏斗试验确定 kb。理论
上讲,形成标准抛掷爆破漏斗的装药量 Q与其所爆
落的岩体体积之比即为 kb的值。 ( 接下
页)
但是,在试验中恰好爆成一个标准抛掷爆破漏斗是
很困难的,因此,在试验中常根据( 4-9)式计算 kb
的值,即
? ?q
Q
n Wb
?
?0 4 0 6 3 3.,
( 4-21)
试验时,应选择平坦地形,地质条件要
与爆区一样,选取的最小抵抗线 W应大于 1米,
采用集中药包。根据最小抵抗线 W、装药量 Q
以及爆后实测的爆破漏斗底圆半径 r,计算 n
值并由式( 4-21)计算 kb值。试验应进行多
次,并根据各次的试验结果选取接近标准抛
掷爆破漏斗的装药量。
需要指出的是,kb和 ks都只是集中药包爆破时
装药量与所爆落岩体体积之间的一个关系系数。当
群药包共同作用时,群药包的总装药量与群药包一
次爆落的岩体总体积的比值称为单位耗药量,简称
炸药单耗,用字母 q来表示,即:
Q
V
?
?q= ( 4-22)
式中 q —— 单位耗药量;
— 群药包总装药量,kg;
— 群药包一次爆落的岩体总体积。
一般只有在单个集中药包爆破时,kb或 ks才与
q相等。在群药包爆破设计中,kb和 ks只用来计算单
个药包的装药量。单位耗药量也是一个经济指标,
可用来衡量爆破工程的经济效益,是爆破工程预算
的重要指标之一。
Q?
V?
二、最小抵抗线 W
最小抵抗线 W的确定方法根据爆破方法的不同
而有所区别。对于硐室爆破、药壶法爆破以及其
它采用集中药包的爆破方法,最小抵抗线 W是从药
包中心到地面或临空面的的最短距离 [图 4-8
( a) ];而采用延长药包爆破的炮眼法爆破(浅
眼爆破、深孔爆破),最小抵抗线 W则是从药包长
度的中心到距该中心最近临空面的最短距离 [图 4-
8( b) ]。
(a)
W
o
(b)
W
W
图 4-8 各种爆破方法的最小抵抗线
三、爆破作用指数 n值
n值是表示爆破漏斗大小的一个 重要指标,是一
个无量纲参数。通过 n值,我们可以判断爆破工程的
性质。同时,也是分析爆破的效果和经济效益的重
要依据。为了获得良好的爆破效果,在选择 n值时,
可参考以下原则:
1.对于抛掷爆破,n值的大小可根据地面坡度的大
小选取:
≤ 20° 时 n = 1.75~ 2.0
= 20° ~ 30° 时 n = 1.5~ 1.75
= 30° ~ 45° 时 n = 1.25~ 1.5
= 45° ~ 60° 时 n = 1.0~ 1.25
> 60° 时 n = 0.75~ 1.0
?
?
?
?
?
对于多排药包爆破,后排药包的 n值应比前
排药包加大 0.25,以克服前排药包爆破产生
的阻力。但是在任何情况下,对于抛掷和扬
弃爆破 n值都不应大于 3。因为当 n> 3后,n值
对爆破效果的影响就不大了。
2.松动爆破的 n值。式( 4-12)表明,松动爆
破的爆破作用指数函数 f(n)的形式与鲍列斯阔夫的
经验公式( 4-8)不同。事实上,松动爆破后通常不
出现可见的爆破漏斗,即多数情况下松动爆破的爆
破作用指数 n= = 0,所以就无法用 n值表达爆破
松动的情况。因此,在工程中一般只是借用爆破作
用指数函数 f(n)的形式来计算松动爆破的装药量。
r
W
下面是不同类型松动爆破的 f(n)值
最大的内部作用药包 f(n)=0.125~ 0.2;
减弱松动药包 f(n)=0.2~ 0.44
正常松动药包 f(n)=0.44
加强松动药包 f(n)=0.44~ 0.64;
为了达到松动爆破的爆破目的,对于上述取值范围,
f(n)一般不宜超过上限 0.25,即使在岩石坚硬完整的情况下
也应遵守这个原则。
第五节 影响爆破效果的因素
影响爆破效果的因素很多,本节就炸药性
能、地质条件、装药结构、堵塞以及起爆方式
等爆破工程中影响爆破效果的共性问题进行阐
述。后面的章节中还将对影响爆破效果的其它
一些因素进行论述。
一、炸药性能对爆破效果的影响
炸药的密度、爆热、爆速、作功能力和
猛度等性能指标,反映了炸药爆炸时的作功
能力,直接影响炸药的爆炸效果。增大炸药
的密度和爆热,可以提高单位体积炸药的能
量密度,同时提高炸药的爆速、猛度和作功
能力。
煤矿许用铵梯炸药
2号岩石炸药
岩石膨化硝铵炸药
但是品种、型号一定的工业炸药其各项性能指标符
合相应的国家标准或行业标准,做为工业炸药的用
户,工程爆破领域的技术人员一般不能变动这些性
能指标。
即使象铵油炸药、水胶炸药或乳化炸药这些可
以在现场混制的炸药,过分提高其爆热,也会造成
炸药成本的大幅度提高。
另外,工业炸药的密度也不能进行大幅
度的变动,例如当铵梯炸药的密度超过其极
限值后,就不能稳定爆轰。因此,根据爆破
对象的性质,合理选择炸药品种并采取适宜
的装药结构,从而提高炸药能量的有效利用,
是改善爆破效果的有效途径。
爆速是炸药本身影响其能量有效利用的一
个 重要性能指标 。不同爆速的炸药,在岩
体内爆炸激起的冲击波和应力波的参数不
同,从而对岩石爆破作用及其效果有着明
显的影响。
岩石(或其它介质)的密度同岩石(或
其它介质)纵波速度的乘积,称为该岩石
(或介质)的 波阻抗 (wave impedance)。它
的 物理意义 是:在岩石(或其它介质)中引
起扰动使质点产生单位振动速度所必需的应
力。
波阻抗大,产生单位振动速度所需的应力就
大;反之,波阻抗小,产生单位振动速度所
需的应力就小。因此,波阻抗反映了岩石
(或其它介质)对波传播的阻尼作用。炸药
的密度与其爆速的乘积称作炸药的 波阻抗 。
实验表明,当炸药或凿岩机钎杆的波阻抗值同
岩石的波阻抗值愈接近,炸药或钎杆传给岩石的能
量就愈多,在岩石中所引起的破碎程度也愈大。从
能量观点来看,为提高炸药能量的有效利用,炸药
的波阻抗应尽可能与所爆破岩石的波阻抗相匹配。
因此,岩石的波阻抗愈高,所选用炸药的密度和爆
速应愈大。
求算 e值。也可以根据上述两式的平均值
求算 e值,即 。常用炸药的换算系
数 e值列于表 4-2中。事实上,用作功能力和
猛度两个指标确定炸药的换算系数具有一定
的局限性,必要时,可以通过比较爆破漏斗
试验法确定 e值。
e e eb m? ?2
二、地质条件对爆破效果的影响
露天工程爆破的实践证明,爆破效果的好坏,
在很大程度上取决于爆区地质条件的好坏以及爆破
设计是否充分考虑到地质条件与爆破作用之间的的
关系。
国内外爆破专业人员越来越多地认识到爆破与
地质结合的重要性。爆破工程地质正在朝着形成一
个新学科的方向发展。
爆破工程地质着重研究地形地质条件对
爆破效果、爆破安全及爆破后岩体稳定性的
影响,涉及地形、岩性、地质构造和水文地
质诸方面。这里仅举几个例子,说明自由面
及不良地质构造对爆破效果的影响。
1,自由面对爆破效果的影响
在爆破工程中自由面的作用是非常重要的。
有了自由面,爆破后的岩石才能向这个面破坏和
移动。增加自由面的个数,可以在明显改善爆破
效果的同时,显著地降低炸药消耗量。合理地利
用地形条件或人为地创造自由面,往往可以达到
事半功倍的效果。
图 4-9 很形象地说明了自由面个数对爆破效果的影
响。图中( a)表示只有一个自由面时的情况,图中
( b)表示具有两个自由面时的情况。如果岩石是均
质的,而且其它条件相同,那么图中( b)条件下所
爆下的岩石体积几乎为( a)条件下的两倍。
(a)
W
RR
(b)
W
W
R
RR
图 4-9 自由面对爆破效果的影响
2,断层对爆破效果的影响
实践证明,在药包爆破作用范围内的断层
( fault)或大裂隙能影响爆破漏斗的大小和形
状,从而减少或增加爆破方量,使爆破不能达到
预定的抛掷效果甚至引起爆破安全事故。因此,
在布臵药包时,应查明爆区断层的性质、产状和
分布情况,以便结合工程要求尽可能避免其影响。
图 4-10中的药包布臵在断层的破碎带中。当断
层内的破碎物胶结不好时,爆炸气体将从断层破碎
带冲出,造成冲炮并使爆破漏斗变小。图 4-11中的
药包位于断层的下面。爆破后,爆区上部断层上盘
的岩体将失去支撑,在重力的作用下顺断层面下滑,
从而使爆破方量增大,甚至造成原设计爆破影响范
围之外的建筑物损坏。
3,溶洞对爆破效果的影响
在岩溶地区进行大爆破时,地下溶洞对爆破
效果的影响不容忽视。溶洞能改变最小抵抗线的
大小和方向,从而影响装药的抛掷方向和抛掷方
量(图 4-12)。爆区内小而分散的溶洞和溶蚀沟
缝,能吸收爆炸能量或造成爆破漏气,造成爆破
不匀,产生大块。
溶洞还可以诱发冲炮、塌方和陷落,严重
时会造成爆破安全事故。对于深孔爆破,
地下溶洞会使炮孔容药量突然增大,产生
异常抛掷和飞石(图 4-13)。
F
1
R1
R2
R ` 1
R ` 2
R
R `
F
图 4-10 药包布置在断层中 图 4-11药包布置在断层下
1-药室; F-断层; R1-实际下破裂线
R2-设计下破裂线; R‘1-实际上破裂线
R‘2-设计上破裂线
炸
药
溶
洞
堵
塞
W2
R '
R
溶
洞
飞
石 w
w
图 4-12 溶洞对抛掷方向的影响 图 4-13 溶洞对深孔爆破的影响
三、装药结构对爆破效果的影响
炸药在被爆介质内的安臵方式称为装药
结构。这里着重讨论炮眼爆破法中装药结构
对爆破效果的影响。根据炮眼内药卷与炮眼、
药卷与药卷之间的关系,炮眼爆破法中的装
药结构可以分为以下几种:
温
州
阑
尾
楼
装
药
结
构
一
瞥
按药卷与炮眼在径向的关系分为
偶合装药( coupling charge):药卷与炮眼
在径向无间隙 [图 4-14( a) ],如散装药。
不偶合装药 (decoupling charge):药卷与炮
眼在径向有间隙,间隙内可以是空气或其它缓冲
材料 [图 4-14( b) ],如水、砂等。
按药卷与药卷在炮眼轴向的关系分为
连续装药( continuos charge):药卷与药卷
在炮眼轴向紧密接触 [图 4-14( c) ]。
间隔装药( spaced charge):药卷(或药卷组)
之间在炮眼轴向存在一定长度的空隙,空隙内可以
是空气、炮泥、木垫或其它材料 [图 4-14( d) ] 。
87
(e)
(d)
23 45
6
2345
6
(c)
6
5 4 3 2
2 3
2
1
(b)
(a)
图 4-14 装药结构
(a)偶合装药;
(b) 不偶合装药;
(c) 正向连续装药;
(d) 正向空气间隔装药;
(e) 反向连续装药
1-炸药; 2-炮眼壁;
3-药卷; 4-雷管;
5-炮泥; 6-脚线;
7-竹条; 8-绑绳
偶合装药 [或散装药 (bulk loading)]时,装药
直径即炮眼直径;
不偶合装药时,装药直径一般指药卷直径
(cartridge diameter)。炮孔直径与装药直径之比
称为 不偶合系数 (decoupling index)。散装药时,
不偶合系数为 1。
理论研究、实验室试验和工程实践证明,在一
定的岩石和炸药条件下,采用不偶合装药或空气间
隔装药具有下列优点:
1.可以增加炸药用于破碎或抛掷岩石能量的比
例,提高炸药能量的有效利用率。
2.改善岩石破碎的均匀度,降低大块率,从而
使装岩效率得到提高。
3.降低炸药消耗量。
4,能有效地保护爆破时形成的新自由面。
这两种装药结构,特别是不偶合装药结构在光
面爆破和预裂爆破中得到广泛的应用。
堵塞( tamping)就是针对不同的爆破方法采
用相应的材料,将岩体中通向药室 (chamber)的通道
填实。 堵塞的目的是,保证炸药充分反应,使之产
生最大热量,防止炸药不完全爆轰;防止高温高压
的爆轰气体过早地从炮眼或导洞中逸出,使爆炸产
生的能量更多地转换成破碎岩体的机械功,提高炸
药能量的有效利用率。
四、堵塞对爆破效果的影响
图 4-16表示在有堵塞和无堵塞的炮孔中,压力
随时间变化的关系。从图中可以看出,在有堵塞和
无堵塞两种条件下,爆炸作用对炮孔壁的初始冲击
压力虽然没有很大的影响,但是堵塞却明显增大了
爆轰气体作用在孔壁上的压力和压力作用的时间,
从而大大提高了它对岩石的破碎和抛掷作用。
不同的爆破方法所使用的堵塞材料、堵塞长度
和堵塞方式不完全相同。
时
间
0
b
炮
孔
压
力
a
图 4-16 堵塞对爆破作用的影响
a-有堵塞; b-无堵塞
五、起爆点位臵对爆破效果的影响
起爆用的雷管或起爆药柱在装药中的位臵称为
起爆点 (initiation point)。在炮眼爆破法中,根
据起爆点在装药中的位臵和数目,将 起爆方式 分为
正向起爆( collar firing )、反向起爆( bottom
firing )和多点起爆 (multipoint priming)。
单点起爆时,如果起爆点位于装药靠近炮眼口的一
端,爆轰波传向眼底,称为正向起爆 [图 4-14(c)、
(d)]。反之,当起爆点臵于装药靠近眼底的一端,
爆轰波传向眼口,就称为反向起爆 [图 4-14(e) ]。
当在同一炮眼内设臵一个以上的起爆点时,称为多
点起爆。沿装药全长敷设导爆索起爆,是多点起爆
的一个极端形式,相当于无穷多个起爆点。
试验和经验表明,起爆点位臵是影响爆破效果
的重要因素 。在岩石性质、炸药用量和炮眼深度一
定的条件下,与正向起爆相比,反向起爆可以提高
炮眼的利用率,降低岩石的夹制作用,降低大块率。
在炮眼较深,起爆间隔时间较长以及炮眼间距较小
的情况下,反向起爆可以消除采用正向起爆时容易
出现的一些情况,如起爆药卷被邻近炮眼内的装药
爆破, 压死( dead pressed), 或提前炸开的现象。
与正向起爆相比,反向起爆也有其不足之处。
例如,需要长脚线雷管,装药比较麻烦;在有水深
孔中起爆药包容易受潮;装药操作的危险性增加,
机械化装药时静电效应可能引起早爆( prematare
explosion)等。
无论是正向起爆,还是反向起爆,岩体内的应
力分布都是很不均匀的,如果相邻炮眼分别采用正、
反向起爆,就能改善这种状况。
采用多点起爆,由于爆轰波发生相互碰撞,可
以增大爆炸应力波参数,包括峰值应力,应力波作
用时间及其冲量,从而能够提高岩石的破碎度。
第六节 控制爆破技术
控制爆破
( controlled
blasting):对爆
破效果和爆破危险
进行双重控制的爆
破技术,称为控制
爆破技术。 广东省东莞市水泥厂拆除工程
武
汉
饭
店
拆
除
爆
破
录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供
危害:地震、飞石、空气冲击波、噪音、毒气、
粉尘、盲炮、粉碎性破坏、不定向裂隙、超欠挖。
分类:土石方控制爆破(采矿、岩土、交通、
水利);城市控制爆破。
概念及特点
一、微差爆破 ( millisecond delay blasting)
1.
( 1)定义:以毫秒数量级来控制相邻炮孔或炮
排之间的起爆间隔时间,这样的顺序起爆技术称为
微差爆破,又称 毫秒爆破 。
宁
宿
徐
高
速
公
路
路
基
爆
破
录像资料由滁州爆破公司提供
( 2)特点(优)
( 1)地震效应低(指在等药量的前提下)
( 2)一次爆破量大(同震级条件下)
( 3)单耗低
( 4)爆破块度均匀,大块率低
( 5)爆堆整齐、集中
( 6)能将飞石、空气冲击波危害减少
2.微差爆破作用机理(为何能改善爆破效果)
1)新自由面的产生
( 1)岩石的夹制力变小
( 2)岩石的强度下降
( 3)提高了反射波能,使破坏加强
图4- 17 微 差爆破自由面产生
2)应力场叠加
先爆的炮孔产生的动态(静态)应力场尚
未消失之前,后爆炮孔产生的动态(静态)
应力场能交叉叠加使应力加强。
3)运动岩石的相互碰撞
( 1)补充破碎
( 2)使飞石和冲击波能变为有用功
( 3)爆堆集中
4)从时间、空间上分散了地震波能计算
地震,用最大一段起爆药量 Q。
3.微差间隔时间的确定
1)按产生应力叠加
先爆孔内压力下降,岩石回弹出现拉伸应力波时,
再起爆后排孔。
计算偏小( Cp= n米 /ms)
2)按形成补充自由面
观测研究表明:从起爆到岩石被破坏和发生位移
的时间,大约是应力波传到自由面( W)所需时间的
5-10倍。
经验公式,ms
K-统计数字,露天台阶常取 2~5;
先爆孔刚好形成破裂漏斗,已明显脱离瞬
间,再起爆后一组,间隔 20~60ms。
KWt ??
3)按降低地震效应最小的原则确定
( 1)主震相刚好错开 30-50ms
( 2)地震波相互干扰
以最大限度降低地震效应
t1-震动周期
实际中,由器材决定,一般孔间 25-50 ms( 1-2
段);排间 50-100 ms( 2-4段)
'
2
1 tnt ??
4.控制微差间隔时间的方法
1)器材上:
( 1)毫秒电雷管
( 2)导爆管雷管
( 3)导爆索 +毫秒继爆管
( 4)电力微差起爆器 → 网路复杂
2)形式上分
( 1)孔内微差:微差雷管在孔内(电雷管、导
爆管雷管)
( 2)孔外微差:微差雷管在孔外(导爆管、导
爆索、微差起爆器)
( 3)孔内分段微差:孔内分段间隔装药
二、挤压爆破(留渣多排孔微差爆破)
定义:在 W自由面前方留有一定厚度的爆
堆,增加第一排炮孔装药量(增加单耗)和
相对延长微差时间(第一排响后与第二排之
间的时间),从而提高炸药能量利用率和改
善爆破效果,称为 多排孔微差挤压爆破 。
堆渣
图4 -18 挤压爆破原理
炮孔
地面
原理:
阻止岩石前期运动,增加准静应力场作用时间。
使空气冲击波、飞石能变成有用功,补充破碎,
减少了大块。
优点:
1.爆堆集中整齐,根底少;
2.块度较小,爆破质量好;
3.个别飞石飞散距离小;
4.能贮存大量已爆矿岩,有利于均衡生产。
50年代出现,煤炭
系统规定:永久性
巷道必须用光面爆
破,矿山边坡。
三、光面爆破
柳州一桂林高速公路山石质路爆破
光面爆破( smooth blasting)是一种使爆出的新
壁面保持平整,而不受明显破坏的爆破技术,其特
点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距与最小抵抗
线相匹配的光爆孔并采用不偶合装药或其它特殊的
装药结构,在开挖主体的装药响炮之后,光爆孔内
的装药同时起爆,从而形成一个贯穿光爆炮孔,光
滑平整的开挖面。
1.优点(特点)
爆面平整,凹凸度小,隧道 ≯ 5cm,边坡 ≯ 20cm,
光爆孔痕迹 >50%。
保持了围岩的完整性和稳定性。
避免应力集中,在深部岩壁表面可减少岩爆危
险。
施工安全性好。
总掘进成本低,巷道支护、维修费用小。
2.光面爆破形成条件与机理
1)光面裂隙的形成条件和力学条件
形成条件 力学条件
避免压缩粉碎破坏 σ r<[σ 动压 ]
避免不定向径向裂隙 σ T<[σ 动拉 ]
沿炮孔连心线形成贯通裂隙 σ T合 >[σ 动拉 ]
2)保证光面裂隙形成的措施
减小爆破孔网参数
光面孔孔距 a取( 10~20) d孔; W≥a 。
减弱装药
选用 D↓,ρ↓,q↓ 炸药。
线装药密度:软,70— 120 g/m
中硬,100— 150 g/m
硬,150— 250 g/m
不偶合装药
不耦合系数
同时起爆光面孔
0.3~1.1??
药
孔
d
d
3)机理
1 不偶合装药中,空气间隔层缓冲消弱了
爆炸冲击作用,单孔使 σr<[σ 动压 ],孔壁
不致压碎,σT<[σ 动拉 ],单拉不成缝。
2 相邻炮孔连心线上应力加强 σT 合 >[σ
动拉 ],形成一条裂隙。
3 气体尖劈作用,促进加速发展连心线上的
裂隙。
4 相邻的(密集)炮孔互为导向空孔作
用,沿炮孔连心线上岩石强度下降,为光面
裂隙形成提供了原始条件。
3.光面爆破参数设计
不偶合系数
合理的不偶合系数应使炮孔压力低于孔壁岩石
的动抗压强度而高于动抗拉强度。不偶合系数通常
采用 1.1~ 3.0,其中以 l.5~ 2.5用的较多。
光面炮孔间距 a
炮孔间距一般为孔眼直径的 10~ 20倍。在节理
裂隙比较发育的岩石中应取小值,整体性好的岩石
可取大值。
最小抵抗线 W
光面层厚度或周边眼至相邻辅助眼间的距离
是光面爆破的最小抵抗线,一般应大于光面孔眼
的间距。在爆破中,为了使保留区岩壁光滑而不
致破坏,抵抗线 W也不宜过大,通常取 W=( 1~ 3)
m,否则爆破后不能形成光滑的岩壁,达不到光面
爆破的目的。因此对于露天深孔光面爆破的抵抗
线 W最好采用与钻孔直径 d有关的关系式计算,
即 W=( 7~ 20) d 。
炮孔密集系数 m
m过大,爆后可能在光面眼间留下岩埂,造成欠
挖; m过小,则会在新岩面上造成凹坑。实践表明,
当炮孔密集系数 m= 0.8~ 1.0时,光爆效果较好;硬
岩取大值,软岩取小值。
单位装药量 q
单位装药量又叫线装药密度和装药集中度,
它是指单位长度孔眼中装药量的多少 ( g/ m或 kg/
m)。为了控制裂缝的发展,保持新壁面的完整稳
固,在保证沿孔眼连线破裂的前提下,应尽可能
减少装药量。软岩一般用 70~ 120g/ m,中硬岩为
100~ 150g/ m,硬岩为 150~ 25Og/ m。
起爆间隔时间
实验研究表明,齐发起爆的裂缝表面最平整,
微差起爆次之,而秒延期起爆最差。齐发起爆时,
孔眼贯通裂缝较长,可抑制其它方向裂隙的发展,
有利于减少孔眼周围裂隙的产生和形成平整的壁面。
所以在实施光面爆破时,时间间隔越短,壁面平整
的效果越有保证。
四、预裂爆破
预裂爆破( presplitting)是预先沿设计轮廓线
用爆破方法形成一条裂缝后再起爆主炮孔的一种控
制爆破方法,其特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一
排孔距合适的预裂孔并采用不偶合装药或其它特殊
的装药结构,在开挖主体爆破之前,同时起爆预裂
炮孔内的装药,从而形成一条贯穿预裂炮孔的裂缝,
通过这条裂缝降低开挖主体爆破时对保留岩体的破
坏。
概念:沿设计轮廓线打一排减小了孔距
的平行炮孔,采用不偶合装药,先起爆预裂
孔,形成裂缝后( 1— 2cm),再起爆主爆孔,
使预裂缝在一定范围内减小主爆孔的地震效
应 50— 80%以上。
1.预裂爆破参数设计
正确选择预裂爆破参数是取得良好爆破效果的
保证,但影响预裂爆破的因素很多,如钻孔直径、
钻孔间距、装药量、钻孔直径与药包直径的比值
(称不偶合系数)、装药结构、炸药性能、地质构
造与岩石力学强度等。目前,一般根据实践经验,
并考虑这些因素中的主要因素和它们之间的相互关
系来进行参数的确定。
1)钻孔直径 d
目前,孔径主要是根据台阶高度和钻机性能来决
定。对于质量要求高的工程,采用较小的钻孔。一
般工程钻孔直径以 80~ 150mm为宜,对于质量要求较
高的工程,钻孔直径以 32~ 100mm为宜,最好能按药
包直径的 2~ 4倍来选择钻孔直径。
2)钻孔间距 a
预裂爆破的钻孔间距比光面爆破要小一些,它
与钻孔直径有关。通常一般工程取 a=( 5~ 7) d;
质量要求高的工程取 a=( 7~ 10) d。选择 a时,钻
孔直径大于 100mm时取小值,小于 60mm时取大值;软
弱破碎的岩石取小值,坚硬的岩石取大值;质量要
求高的取小值,要求不高的取大值。
3)不偶合系数 n
不偶合系数 n为炮孔内径与药包直径的比值。 n
值大时,表示药包与孔壁之间的间隙大,爆破后对
孔壁的破坏小;反之对孔壁的破坏大。一般可取 n=
2~ 4。实践证明,当 n≥2 时,只要药包不与保留的
孔壁(指靠保留区一侧的孔壁)紧贴,孔壁就不会
受到严重的损害。如果 n< 2,则孔壁质量难以保证。
药包应放在炮孔中间,绝对不能与保留区的孔壁紧
贴,否则 n值再大一些,就可能造成对孔壁的破坏。
4)线装药密度 q
装药量合适与否关系到爆破的质量、安全和
经济性,因此它是一个很重要的参数。装药密度
可用以下经验公式进行计算:
( 1)证不损坏孔壁(除相邻炮孔间连线方向
外)的线装药密度
38.053.075.2 rq
y??
式中 δy —— 岩石极限抗压强度,MPa;
r—— 预裂孔半径,mm。
q—— 线装药密度,Kg/m。
该式适用范围是 δy = 10~ 15Mpa,r=46~
170mm。
5)预裂孔孔深
预裂孔孔深的确定以不留根底和不破坏台阶底
部岩体的完整性为原则,因此应根据具体工程的岩
体性质等情况来确定。
6)堵塞长度
良好的堵塞不但能充分利用炸药的爆炸能量,
而且能减少爆破有害效应的产生。一般情况下,堵
塞长度与炮孔直径有关,通常取炮孔直径的 12~ 20
倍。
2.预裂爆破的质量标准及效果评价
1)预裂爆破的质量标准
对于铁路、矿山、水利等露天石方开挖工程,预裂爆破
的质量标准主要有以下几点:
( 1)预裂缝缝口宽度不小于 1cm;
( 2)预裂壁面上较完整地留下半个炮孔痕迹,药包附近
岩体不出现严重的爆破裂隙;
( 3)预裂壁面基本光滑、平整,不平整度(相邻钻孔之
间的预裂壁面与钻孔轴线平面之间的线误差值)应不大于
± 15cm。
放映完毕,谢谢观看!
采矿工程以及其它土石方工
程中,爆破是目前应用最为
广泛、最为有效的一种破岩
手段。为了优化爆破参数,
必须了解岩石在爆破作用下
的破碎机理、装药量的计算
原理以及各种相关因素对爆
破效果的影响。
第四章 岩石爆破作用原理
施工人员正在钻孔
录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供
武
汉
理
工
大
学
爆
破
研
究
所
在
山
东
博
莱
进
行
高
速
公
路
边
坡
光
面
爆
破
由于岩石是一种非均质、各向异性的介质,
爆炸本身又是一个高温高压高速的变化过程,炸
药对岩石破坏的整个过程在几十微秒到几十毫秒
内就完成了,因此研究岩石爆破作用机理是一项
非常复杂和困难的工作。
钻
孔
工
人
正
在
进
行
光
面
爆
破
的
钻
孔
随着测试技术的进步,相关科学的发展和引
入,以及各类工程对爆破规模和质量要求的不断
提高,岩石爆破作用原理的研究取得了许多新的
进展,建立了一些新的学说和理论体系,提出了
很多计算模型和计算公式,尽管这些研究成果还
不很完善,但它们基本上反映了岩石爆破作用中
的某些客观规律,对爆破实践具有一定的指导意
义和应用价值。
第一节 岩石爆破破碎原因的几种学说
一、爆轰气体压力作用学说 ( explosion gas
failure theory)
这种学说从静力学观点出发,认为岩石的破碎
主要是由于爆轰气体( explosion gas)的膨胀压力
引起的。这种学说忽视了岩体中冲击波和应力波
( stress wave)的破坏作用,其基本观点如下:
某
待
爆
破
的
山
体
药包爆炸时,产生大量的高温高压气体,
这些爆炸气体产物迅速膨胀并以极高的压力
作用于药包周围的岩壁上,形成压应力场。
当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的
拉应力时,将产生径向裂隙。
作用于岩壁上的压力引起岩石质点的径向位
移,由于作用力的不等引起径向位移的不等,导
致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过
岩石的抗剪强度时,岩石就会产生剪切破坏。当
爆轰气体的压力足够大时,爆轰气体将推动破碎
岩块作径向抛掷运动。
某
山
体
爆
破
二、应力波作用学说( shock wave failure theory)
这种学说以爆炸动力学为基础,认为应力波是引起岩石
破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作用,其
基本观点如下:
爆轰波冲击和压缩着药包周围的岩壁,
在岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为应力
波。 此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时
向前传播,当应力波传到自由面时,产生反
射拉应力波(图 4-1)。
当拉应力波的强度超过自由面处岩石的
动态抗拉强度时,从自由面开始向爆源方向
产生拉伸片裂破坏,直至拉伸波的强度低于
岩石的动态抗拉强度处时停止。
缺陷
应力波作用学说只考虑了拉应力波在
自由面的反射作用,不仅忽视了爆轰气体
的作用,而且也忽视了压应力的作用,对
拉应力和压应力的环向作用也未予考虑。
实际上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作
用为主。
三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说
这种学说认为,岩石的破坏是应力波和爆轰气
体共同作用的结果。这种学说综合考虑了应力波和
爆轰气体在岩石破坏过程中所起的作用,更切合实
际而为大多数研究者所接受。其基本观点如下:
理论研究
爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高
于爆轰气体产物的压力和传播速度。 爆轰波
首先作用于药包周围的岩壁上,在岩石中激
发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波
在药包附近的岩石中产生, 压碎, 现象,应
力波在压碎区域之外产生径向裂隙。
随后,爆轰气体产物继续压缩被冲击波
压碎的岩石,爆轰气体, 楔入, 在应力波作
用下产生的裂隙中,使之继续向前延伸和进
一步张开。当爆轰气体的压力足够大时,爆
轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。
对于不同性质的岩石和炸药,应力波与爆轰气
体的作用程度是不同的。
在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不
偶合系数(本章第五节)较小的条件下,应力波的
破坏作用是主要的;
在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较
大的条件下,爆轰气体的破坏作用是主要的。
某
土
石
方
爆
破
后
形
成
的
爆
堆
图 4-1 反射拉伸波破坏过程示意图
1-压应力波波头; 2-反射拉应力波波头
(b)(a)
1
2
(c)(c)
第二节 单个药包的爆破作用
为了分析岩体的爆破破碎机理,通常假定岩
石是均匀介质,并将装药简化为在一个自由面条
件下的球形药包。球形药包的爆破作用原理是其
它形状药包爆破作用原理的基础。
R0 R2
R1
图 4-2 爆破的内部作用
R0-药包半径; R1-粉碎区半径; R2-破裂区半径
σ
`
θ
σ
θ
σ
r
r
σ
θθ
(a)
σ
σσ
r
`
σ
r
`
σ
σ
`
r
r
θ
`
σ
σ
θ
(b)
`
图 4-3 破裂区裂隙的形成(管伯伦)
σr-径向压应力; σθ-切向拉应力;
σ’r-径向拉应力; σ’θ-切向压应力
某
经
过
光
面
爆
破
的
岩
石
一、爆破的内部作用
当药包在岩体中的埋臵深度很大,其爆破
作用达不到自由面时,这种情况下的爆破作
用叫作爆破的内部作用,相当于单个药包在
无限介质中的爆破作用。岩石的破坏特征随
离药包中心距离的变化而发生明显的变化。
根据岩石的破坏特征,可将偶合装药
(见本章第五节)条件下,受爆炸影响的岩
石分为三个区域(图 4-2)。
粉碎区
当密闭在岩体中的药包爆炸时,爆轰压力在
数微秒内急剧增高到数万兆帕,并在药包周围的
岩石中激发起冲击波,其强度远远超过岩石的动
态抗压强度。在冲击波的作用下,对于坚硬岩石,
在此范围内受到粉碎性破坏,形成粉碎区;对于
松软岩石(如页岩、土壤等),则被压缩形成空
腔,空腔表面形成较为坚实的压实层,这种情况
下的粉碎区又称为 压缩区 。
一些学者的理论研究表明:对于 球形装药,
粉碎区半径一般是药包半径的( 1.28~ 1.75)倍;
对于 柱形装药,粉碎区半径一般是药包半径的
( 1.65~ 3.05)倍。虽然粉碎区的范围不大,但
由于岩石遭到强烈粉碎,能量消耗却很大。因此,
爆破岩石时,应尽量 避免形成压碎区 。
破裂区
在粉碎区形成的同时,岩石中的冲击波衰减成
压应力波。在应力波的作用下,岩石在径向产生压
应力和压缩变形,而切向方向将产生拉应力和拉伸
变形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的十至
五十分之一,当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时,
该处岩石被拉断,形成与粉碎区贯通的径向裂隙
( crack),如图 4-3( a)所示。
随着径向裂隙的形成,作用在岩石上的压力迅
速下降,药室周围的岩石随即释放出在压缩过程中
积蓄的弹性变形能,形成与压应力波作用方向相反
的拉应力,使岩石质点产生反方向的径向运动。
当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时,该处岩
石即被拉断,形成环向裂隙,如图 4-3(b)所示。
在应力波和爆轰气体的共同作用下,
随着径向裂隙、环向裂隙和切向裂隙的形
成、扩展和贯通,在紧靠粉碎区处就形成
了一个裂隙发育的区域,称为 破裂区 。
震动区
在破裂区外围的岩体中,应力波和爆轰气体
的能量已不足以对岩石造成破坏,应力波的能量
只能引起该区域内岩石质点发生弹性振动,这个
区域称为震动区。在震动区,由于地震波的作用,
有可能引起地面或地下建筑物、构筑物的破裂、
倒塌,或导致路堑边坡滑坡、隧道冒顶片帮等灾
害。
某
土
石
方
爆
破
后
形
成
的
爆
堆
二,爆破漏斗( crater)
当单个药包在岩体中的埋臵深度不大时,可以
观察到自由面上出现了岩体开裂、鼓起或抛掷现象。
这种情况下的爆破作用叫作爆破的外部作用,其特
点是在自由面上形成了一个倒圆锥形爆坑,称为 爆
破漏斗,如图 4-4所示。
(一 )爆破漏斗的几何要素
自由面( free face)是指被爆破的介质与空
气接触的面,又叫 临空面 。
最小抵抗线( minimum burden)是指药包中心
距自由面的最短距离。爆破时,最小抵抗线方向
的岩石最容易破坏,它是爆破作用和岩石抛掷的
主导方向 。
3,爆破漏斗半径( crater radius)是指形成倒锥形爆
破漏斗的底圆半径。常用 r表示爆破漏斗半径。
4,爆破漏斗破裂半径,又叫破裂半径,是指从药包中
心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。图 4-4中的 R表示爆
破漏斗破裂半径。
5,爆破漏斗深度。爆破漏斗顶点至自由面的最短距离
叫爆破漏斗深度。图 4-4中的 H表示爆破漏斗深度。
H
h
R
W
θ
r
图 4-4 爆破漏斗的几何要素
6,爆破漏斗可见深度。爆破漏斗中碴堆表
面最低点到自由面的最短距离叫爆破漏斗可
见深度。,如图 4-4中 h所示。
7,爆破漏斗张开角,即爆破漏斗的顶角,
如图 4-4中的 θ 所示。
(二)爆破作用指数( crater index)。爆破漏斗底圆半
径与最小抵抗线的比值称为 爆破作用指数,用 n表示,即:
( 4-1)
爆破作用指数 n在工程爆破中是一个极重要的参数。
爆破作用指数 n值的变化,直接影响到爆破漏斗的大小、
岩石的破碎程度和抛掷效果。
n rW?
(三)爆破漏斗的分类。根据爆破作用指数 n
值的不同,将爆破漏斗分为以下四种。
1,标准抛掷爆破漏斗。如图 4-5之 (a)所
示,当 r=W,即 n=1时,爆破漏斗为标准抛掷
爆破漏斗,漏斗的张开角 θ=90 ° 。形成标准
抛掷爆破漏斗的药包叫做 标准抛掷爆破药包 。
2.加强抛掷爆破漏斗。如图 4— 5(b)所示,
当 r> W,即 n> 1时,爆破漏斗为加强抛掷爆
破漏斗,漏斗的张开角 θ > 90° 。形成加强
抛掷爆破漏斗的药包,叫做 加强抛掷爆破药
包 。
3.减弱抛掷爆破漏斗。如图 4— 5(c)所
示,当 0.75< n< 1时,爆破漏斗为减弱抛掷
爆破漏斗,漏斗的张开角 θ < 90° 。形成减
弱抛掷爆破漏斗的药包,叫做 减弱抛掷爆破
药包,减弱抛掷爆破漏斗又叫加强松动爆破
漏斗。
4.松动爆破漏斗。如图 4— 5(d)所示,当
0< n< 0.75时,爆破漏斗为松动爆破漏斗,
这时爆破漏斗内的岩石只产生破裂、破碎而
没有向外抛掷的现象。从外表看,没有明显
的可见漏斗出现。
工程中常用二三个以上炮孔或峒室的群药包
进行爆破。群药包爆破是单个药包爆破的组合,
通过调整群药包的药包间距和起爆时间顺序,采
用诸如光面爆破、预裂爆破、微差爆破、挤压爆
破等爆破技术,可以充分发挥单个药包的爆破作
用,达到单个药包分次起爆所不能达到的爆破效
果(详见后续章节的内容,此不赘述)。
某
土
石
方
爆
破
工
程
(c)
(a)
θ
r
W
θ
W
°
45
°
45
r
W
(d)
(b)
θ
r
W
θ
r
图 4-5 爆破漏斗分类
第三节 体积公式
目前,在岩土工程爆破中,精确计算装药量
(charge quantity)的问题尚未得到十分圆满的解决。
工程技术人员更多的是在各种经验公式的基础上,
结合实践经验确定装药量。其中,体积公式是装药
量计算中最为常用的一种经验公式。
一、体积公式的计算原理
在一定的炸药和岩石条件下,爆落的土石方体积与所用
的装药量成正比。这就是体积公式的计算原理。体积公式的
形式为:
Q=k· V ( 4-2)
式中,Q — 装药量,kg ;
k — 单位体积岩石的炸药消耗量,kg/m3 ;
V — 被爆落的岩石体积,m3 。
二、集中药包的药量计算
1.集中药包( concentrated charge)的标
准抛掷爆破,根据体积公式的计算原理,对于采用
单个集中药包进行的标准抛掷爆破,其装药量可
按照下式来计算:
Qb= kb· V ( 4-3)
式中:
Qb — 形成标准抛掷爆破漏斗的装药量,kg;
kb — 形成标准抛掷爆破漏斗的单位体积岩石
的炸药消耗量,一般称为标准抛掷爆破
单位用药量系数,kg/m3;
V — 标准抛掷爆破漏斗的体积,m3。
式( 4-3)中 V值的大小为:
( 4-4)
式中,r — 爆破漏斗底圆半径,m;
W — 最小抵抗线; m。
对于标准抛掷爆破漏斗,,即 r= W,
所以 ( 4-5)
V r W? ? ?13 2?
n rW? ? 1
V W W W W W? ? ? ? ? ?? ?3 3 1 0472 3 3 3.
将( 4-5)式代入( 4-3)式,得
Qb= kb· W3 (4-6 )
式( 4-6)即集中药包的标准抛掷爆破装
药量计算公式。
2,集中药包的非标准抛掷爆破
在岩石性质、炸药品种和药包埋臵深度都不
变动的情况下,改变标准抛掷爆破的装药量,就
形成了非标准抛掷爆破。当装药量小于标准抛掷
爆破的装药量时,形成的爆破漏斗底圆半径变小,
n < 1,为 减弱抛掷爆破或松动爆破 ;当装药量大
于标准抛掷爆破的装药量时,形成的爆破漏斗底
圆半径变大,n > 1,为 加强抛掷爆破 。
可见非标准抛掷爆破的装药量是爆破作用指
数 n的函数,因此可以把不同爆破作用的装药
量用下面的计算通式来表示:
Q = f(n)· k-b· W3 (4-7)
式中,f(n) — 爆破作用指数函数
对于标准抛掷爆破 f(n)= 1.0,减弱抛掷爆破
或松动爆破 f(n)< 1,加强抛掷爆破 f(n) >1。
f(n)具体的函数形式有多种,各派学者的观
点不一,我国工程界应用较为广泛的是前苏联学
者鲍列斯阔夫提出的经验公式:
f(n) = 0.4+ 0.6n3 (4-8)
鲍列斯阔夫公式 适用于抛掷爆破装药量
的计算,将( 4-8)式代入( 4-7)式,得到
集中药包抛掷爆破装药量的计算通式:
Qp-= (0.4+ 0.6n3)kbW3 (4-9)
应用 (4-9)式计算加强抛掷爆破的装药量
时,结果与实际情况比较接近。但是,当最
小抵抗线 W大于 25m时,用( 4-9)式计算出来
的装药量偏小,应乘以修正系数 ?
Qp = (0.4+ 0.6n3)? kbW3
? ?
?
?
?
?
?
1
25
25
25W
W m
W m/
(4-10)
集中药包松动爆破的装药量可按下式计算:
Qs= ksW3 (4-11)
式中,Qs— 集中药包形成松动爆破的装药量,kg;
ks — 集中药包形成松动爆破的单位体积
岩石的炸药消耗量,一般称为松动爆破的单位用药
量系数,kg/m3 ;
工程经验表明,ks与 kb之间存在着以下关系:
ks= f(n)· kb = kb ( 4-12)
即集中药包松动爆破的单位用药量约为
标准抛掷爆破单位用药量的三分之一到二分
之一。松动爆破的装药量公式可以表示为:
Qs= ( 0.33~ 0.5) kbW3 ( 4-13)
1
3
1
2~
?
??
?
??
三、延长药包的药量计算
延长药包( extended charge)是在工程
爆破中应用最为广泛的药包。如炮眼爆破法
和深孔爆破法中使用的柱状药包 (column
charge)以及峒室爆破法中使用的条形药包
( linear charge)都属于延长药包。
延长药包是相对于集中药包而言的,当药包的
长度和它横截面的直径(或最大边长)之比值 大
于某一值时,叫做 延长药包 。
值大小的规定目前尚未统一。就圆柱形装药而
言,通常当 > 4时,即视为延长药包。
实际上,要真正起到延长药包的作用,药包的
长度要超过药包直径 17倍以上。
?
?
1,延长药包垂直于自由面
掘进隧道时,炮眼爆破法的柱状装药就是延长
药包垂直于自由面的一种形式(图 4-6)。这种情况
下炸药爆炸时易受到岩体的夹制作用,但一般仍能
形成倒圆锥的漏斗,只是易残留炮窝。
计算装药量时,仍可按体积公式来计算。
Q=kbf(n)W3 ( 4-14)
式中,Q-----装药量,kg;
W-----最小抵抗线,m;
l l2 112?
W=
l2----- 堵塞长度,m;
l1----- 装药长度,m。
需要说明 的是,在浅眼爆破中,由于凿
岩机所钻的眼径较小,炮眼内往往容纳不
下由( 4-14)式计算所得的装药量。在这
种情况下,需要多打炮眼以容纳计算的药
量。
在隧道爆破设计时,常用( 5-4)式计算每
掘进循环的总装药量,然后根据断面尺寸和
循环进尺确定单孔装药量。
延长药包垂直于自由面的爆破,实际上
是在一个自由面条件下的密集炮眼群爆破。
2
1
r
W
2r
W
图 4-6 柱状装药垂直自由面 图 4-7 柱状装药平行于自由面
2,延长药包平行于自由面
深孔爆破靠近边坡炮孔的装药和峒室爆破采用
的条形药包都是延长药包平行于自由面的具体形式。
延长药包爆破后形成的爆破漏斗是一个 V形横截面
的爆破沟槽。设 V形沟槽的开口宽度为 2r,沟槽深
度 W,当 r= W 时,=1,称为标准抛掷爆破沟
槽。如图 4-7所示。
n rW?
Q = kbV=kbr Wl = kbW 2l
即 Q = kbW2l ( 4-15)
对于形成非标准抛掷爆破沟槽的情况,装药量的计算公
式应考虑爆破作用指数 n的影响,于是:
Q = f(n)kbW2l ( 4-16)
式中,Q — 延长药包的装药量,kg;
f(n) — 与爆破作用指数有关的经验公式;
W — 延长药包的最小抵抗线,m;
l — 延长药包的装药长度,m。
对于硐室爆破中使用的条形药包,装药量的计算
公式可以表示为:
Qt = = f(n)kbW2 ( 4-17)
式中,Qt ---- 条形药包单位长度装药量,kg/m;
式( 4-17)中的 f(n)为经验公式,形式多样,各不相
同。
Q
l
我国使用较多的是原苏联学者鲍列斯阔夫和
阿夫捷也夫提出的经验公式:
0 4 0 6
0 55 1
3.,
,( )
?
?
n
n ?
f(n)=
鲍列斯阔夫公式
阿夫捷也夫公式
2 0 4 0 6
1
3(,, )?
?
n
n
?f(n)=
( 4-18)
( 4-19)
上述公式中,n为爆破
作用指数,
? ?
?
?
?
?
?
1
25
25
25W
W m
W m/
? ?
?
?
?
?
??
1 25
250 0032 25W
W m
W mW,( )
我国爆破工程技术人员也提出了一些 f(n)
经验公式,其中由铁道科学研究院提出的公
式如下:
? ?? ?n n1
2
2?f(n)=
? n
n
n
n
?
?
?
?
??
?
? ?
?
1 0
1 1
1 2
1
1 1 3
1 3
.
.
.
.
.
( 4-20)
第四节 爆破参数的意义和选择
一、单位用药量系数 kb和 ks
kb是指单个集中药包形成标准抛掷爆破
漏斗( n= 1)时,爆破每一立方米岩石或土
壤所消耗的 2号岩石铵梯炸药的重量,称作标
准抛掷爆破单位用药量系数,简称 标准单位
用药量系数 。
ks则是指单个集中药包形成松动爆破漏斗
时(一般 0<n<0.75),爆破每一立方米岩
石或土壤所消耗的 2号岩石铵梯炸药的重量,
称作 松动爆破单位用药量系数 。
kb与 ks相对于同类岩石来讲,存在式
( 4-12)的关系。
因此,工程实际中常先选择 kb值再决定
ks的值。
选择 kb或 ks时,应考虑多方面的影响因素来加
以确定,主要有以下几个途径:
1,查表。对于普通的岩土爆破工程,kb和 ks的
值可由查表得出。拆除爆破中有关砖混结构、钢筋
混凝土结构的单位用药量系数可由第八章的相关表
格中查处。这些表都是对 2号岩石铵梯炸药而言的,
使用其它炸药时应乘以炸药换算系数 e(见表 4-1)。
2,采用工程类比的方法,参照条件相近工程
的单位用药量系数确定 kb或 ks的值。在工程实际
中,用这个途径更为现实、可靠。
3,采用标准抛掷爆破漏斗试验确定 kb。理论
上讲,形成标准抛掷爆破漏斗的装药量 Q与其所爆
落的岩体体积之比即为 kb的值。 ( 接下
页)
但是,在试验中恰好爆成一个标准抛掷爆破漏斗是
很困难的,因此,在试验中常根据( 4-9)式计算 kb
的值,即
? ?q
Q
n Wb
?
?0 4 0 6 3 3.,
( 4-21)
试验时,应选择平坦地形,地质条件要
与爆区一样,选取的最小抵抗线 W应大于 1米,
采用集中药包。根据最小抵抗线 W、装药量 Q
以及爆后实测的爆破漏斗底圆半径 r,计算 n
值并由式( 4-21)计算 kb值。试验应进行多
次,并根据各次的试验结果选取接近标准抛
掷爆破漏斗的装药量。
需要指出的是,kb和 ks都只是集中药包爆破时
装药量与所爆落岩体体积之间的一个关系系数。当
群药包共同作用时,群药包的总装药量与群药包一
次爆落的岩体总体积的比值称为单位耗药量,简称
炸药单耗,用字母 q来表示,即:
Q
V
?
?q= ( 4-22)
式中 q —— 单位耗药量;
— 群药包总装药量,kg;
— 群药包一次爆落的岩体总体积。
一般只有在单个集中药包爆破时,kb或 ks才与
q相等。在群药包爆破设计中,kb和 ks只用来计算单
个药包的装药量。单位耗药量也是一个经济指标,
可用来衡量爆破工程的经济效益,是爆破工程预算
的重要指标之一。
Q?
V?
二、最小抵抗线 W
最小抵抗线 W的确定方法根据爆破方法的不同
而有所区别。对于硐室爆破、药壶法爆破以及其
它采用集中药包的爆破方法,最小抵抗线 W是从药
包中心到地面或临空面的的最短距离 [图 4-8
( a) ];而采用延长药包爆破的炮眼法爆破(浅
眼爆破、深孔爆破),最小抵抗线 W则是从药包长
度的中心到距该中心最近临空面的最短距离 [图 4-
8( b) ]。
(a)
W
o
(b)
W
W
图 4-8 各种爆破方法的最小抵抗线
三、爆破作用指数 n值
n值是表示爆破漏斗大小的一个 重要指标,是一
个无量纲参数。通过 n值,我们可以判断爆破工程的
性质。同时,也是分析爆破的效果和经济效益的重
要依据。为了获得良好的爆破效果,在选择 n值时,
可参考以下原则:
1.对于抛掷爆破,n值的大小可根据地面坡度的大
小选取:
≤ 20° 时 n = 1.75~ 2.0
= 20° ~ 30° 时 n = 1.5~ 1.75
= 30° ~ 45° 时 n = 1.25~ 1.5
= 45° ~ 60° 时 n = 1.0~ 1.25
> 60° 时 n = 0.75~ 1.0
?
?
?
?
?
对于多排药包爆破,后排药包的 n值应比前
排药包加大 0.25,以克服前排药包爆破产生
的阻力。但是在任何情况下,对于抛掷和扬
弃爆破 n值都不应大于 3。因为当 n> 3后,n值
对爆破效果的影响就不大了。
2.松动爆破的 n值。式( 4-12)表明,松动爆
破的爆破作用指数函数 f(n)的形式与鲍列斯阔夫的
经验公式( 4-8)不同。事实上,松动爆破后通常不
出现可见的爆破漏斗,即多数情况下松动爆破的爆
破作用指数 n= = 0,所以就无法用 n值表达爆破
松动的情况。因此,在工程中一般只是借用爆破作
用指数函数 f(n)的形式来计算松动爆破的装药量。
r
W
下面是不同类型松动爆破的 f(n)值
最大的内部作用药包 f(n)=0.125~ 0.2;
减弱松动药包 f(n)=0.2~ 0.44
正常松动药包 f(n)=0.44
加强松动药包 f(n)=0.44~ 0.64;
为了达到松动爆破的爆破目的,对于上述取值范围,
f(n)一般不宜超过上限 0.25,即使在岩石坚硬完整的情况下
也应遵守这个原则。
第五节 影响爆破效果的因素
影响爆破效果的因素很多,本节就炸药性
能、地质条件、装药结构、堵塞以及起爆方式
等爆破工程中影响爆破效果的共性问题进行阐
述。后面的章节中还将对影响爆破效果的其它
一些因素进行论述。
一、炸药性能对爆破效果的影响
炸药的密度、爆热、爆速、作功能力和
猛度等性能指标,反映了炸药爆炸时的作功
能力,直接影响炸药的爆炸效果。增大炸药
的密度和爆热,可以提高单位体积炸药的能
量密度,同时提高炸药的爆速、猛度和作功
能力。
煤矿许用铵梯炸药
2号岩石炸药
岩石膨化硝铵炸药
但是品种、型号一定的工业炸药其各项性能指标符
合相应的国家标准或行业标准,做为工业炸药的用
户,工程爆破领域的技术人员一般不能变动这些性
能指标。
即使象铵油炸药、水胶炸药或乳化炸药这些可
以在现场混制的炸药,过分提高其爆热,也会造成
炸药成本的大幅度提高。
另外,工业炸药的密度也不能进行大幅
度的变动,例如当铵梯炸药的密度超过其极
限值后,就不能稳定爆轰。因此,根据爆破
对象的性质,合理选择炸药品种并采取适宜
的装药结构,从而提高炸药能量的有效利用,
是改善爆破效果的有效途径。
爆速是炸药本身影响其能量有效利用的一
个 重要性能指标 。不同爆速的炸药,在岩
体内爆炸激起的冲击波和应力波的参数不
同,从而对岩石爆破作用及其效果有着明
显的影响。
岩石(或其它介质)的密度同岩石(或
其它介质)纵波速度的乘积,称为该岩石
(或介质)的 波阻抗 (wave impedance)。它
的 物理意义 是:在岩石(或其它介质)中引
起扰动使质点产生单位振动速度所必需的应
力。
波阻抗大,产生单位振动速度所需的应力就
大;反之,波阻抗小,产生单位振动速度所
需的应力就小。因此,波阻抗反映了岩石
(或其它介质)对波传播的阻尼作用。炸药
的密度与其爆速的乘积称作炸药的 波阻抗 。
实验表明,当炸药或凿岩机钎杆的波阻抗值同
岩石的波阻抗值愈接近,炸药或钎杆传给岩石的能
量就愈多,在岩石中所引起的破碎程度也愈大。从
能量观点来看,为提高炸药能量的有效利用,炸药
的波阻抗应尽可能与所爆破岩石的波阻抗相匹配。
因此,岩石的波阻抗愈高,所选用炸药的密度和爆
速应愈大。
求算 e值。也可以根据上述两式的平均值
求算 e值,即 。常用炸药的换算系
数 e值列于表 4-2中。事实上,用作功能力和
猛度两个指标确定炸药的换算系数具有一定
的局限性,必要时,可以通过比较爆破漏斗
试验法确定 e值。
e e eb m? ?2
二、地质条件对爆破效果的影响
露天工程爆破的实践证明,爆破效果的好坏,
在很大程度上取决于爆区地质条件的好坏以及爆破
设计是否充分考虑到地质条件与爆破作用之间的的
关系。
国内外爆破专业人员越来越多地认识到爆破与
地质结合的重要性。爆破工程地质正在朝着形成一
个新学科的方向发展。
爆破工程地质着重研究地形地质条件对
爆破效果、爆破安全及爆破后岩体稳定性的
影响,涉及地形、岩性、地质构造和水文地
质诸方面。这里仅举几个例子,说明自由面
及不良地质构造对爆破效果的影响。
1,自由面对爆破效果的影响
在爆破工程中自由面的作用是非常重要的。
有了自由面,爆破后的岩石才能向这个面破坏和
移动。增加自由面的个数,可以在明显改善爆破
效果的同时,显著地降低炸药消耗量。合理地利
用地形条件或人为地创造自由面,往往可以达到
事半功倍的效果。
图 4-9 很形象地说明了自由面个数对爆破效果的影
响。图中( a)表示只有一个自由面时的情况,图中
( b)表示具有两个自由面时的情况。如果岩石是均
质的,而且其它条件相同,那么图中( b)条件下所
爆下的岩石体积几乎为( a)条件下的两倍。
(a)
W
RR
(b)
W
W
R
RR
图 4-9 自由面对爆破效果的影响
2,断层对爆破效果的影响
实践证明,在药包爆破作用范围内的断层
( fault)或大裂隙能影响爆破漏斗的大小和形
状,从而减少或增加爆破方量,使爆破不能达到
预定的抛掷效果甚至引起爆破安全事故。因此,
在布臵药包时,应查明爆区断层的性质、产状和
分布情况,以便结合工程要求尽可能避免其影响。
图 4-10中的药包布臵在断层的破碎带中。当断
层内的破碎物胶结不好时,爆炸气体将从断层破碎
带冲出,造成冲炮并使爆破漏斗变小。图 4-11中的
药包位于断层的下面。爆破后,爆区上部断层上盘
的岩体将失去支撑,在重力的作用下顺断层面下滑,
从而使爆破方量增大,甚至造成原设计爆破影响范
围之外的建筑物损坏。
3,溶洞对爆破效果的影响
在岩溶地区进行大爆破时,地下溶洞对爆破
效果的影响不容忽视。溶洞能改变最小抵抗线的
大小和方向,从而影响装药的抛掷方向和抛掷方
量(图 4-12)。爆区内小而分散的溶洞和溶蚀沟
缝,能吸收爆炸能量或造成爆破漏气,造成爆破
不匀,产生大块。
溶洞还可以诱发冲炮、塌方和陷落,严重
时会造成爆破安全事故。对于深孔爆破,
地下溶洞会使炮孔容药量突然增大,产生
异常抛掷和飞石(图 4-13)。
F
1
R1
R2
R ` 1
R ` 2
R
R `
F
图 4-10 药包布置在断层中 图 4-11药包布置在断层下
1-药室; F-断层; R1-实际下破裂线
R2-设计下破裂线; R‘1-实际上破裂线
R‘2-设计上破裂线
炸
药
溶
洞
堵
塞
W2
R '
R
溶
洞
飞
石 w
w
图 4-12 溶洞对抛掷方向的影响 图 4-13 溶洞对深孔爆破的影响
三、装药结构对爆破效果的影响
炸药在被爆介质内的安臵方式称为装药
结构。这里着重讨论炮眼爆破法中装药结构
对爆破效果的影响。根据炮眼内药卷与炮眼、
药卷与药卷之间的关系,炮眼爆破法中的装
药结构可以分为以下几种:
温
州
阑
尾
楼
装
药
结
构
一
瞥
按药卷与炮眼在径向的关系分为
偶合装药( coupling charge):药卷与炮眼
在径向无间隙 [图 4-14( a) ],如散装药。
不偶合装药 (decoupling charge):药卷与炮
眼在径向有间隙,间隙内可以是空气或其它缓冲
材料 [图 4-14( b) ],如水、砂等。
按药卷与药卷在炮眼轴向的关系分为
连续装药( continuos charge):药卷与药卷
在炮眼轴向紧密接触 [图 4-14( c) ]。
间隔装药( spaced charge):药卷(或药卷组)
之间在炮眼轴向存在一定长度的空隙,空隙内可以
是空气、炮泥、木垫或其它材料 [图 4-14( d) ] 。
87
(e)
(d)
23 45
6
2345
6
(c)
6
5 4 3 2
2 3
2
1
(b)
(a)
图 4-14 装药结构
(a)偶合装药;
(b) 不偶合装药;
(c) 正向连续装药;
(d) 正向空气间隔装药;
(e) 反向连续装药
1-炸药; 2-炮眼壁;
3-药卷; 4-雷管;
5-炮泥; 6-脚线;
7-竹条; 8-绑绳
偶合装药 [或散装药 (bulk loading)]时,装药
直径即炮眼直径;
不偶合装药时,装药直径一般指药卷直径
(cartridge diameter)。炮孔直径与装药直径之比
称为 不偶合系数 (decoupling index)。散装药时,
不偶合系数为 1。
理论研究、实验室试验和工程实践证明,在一
定的岩石和炸药条件下,采用不偶合装药或空气间
隔装药具有下列优点:
1.可以增加炸药用于破碎或抛掷岩石能量的比
例,提高炸药能量的有效利用率。
2.改善岩石破碎的均匀度,降低大块率,从而
使装岩效率得到提高。
3.降低炸药消耗量。
4,能有效地保护爆破时形成的新自由面。
这两种装药结构,特别是不偶合装药结构在光
面爆破和预裂爆破中得到广泛的应用。
堵塞( tamping)就是针对不同的爆破方法采
用相应的材料,将岩体中通向药室 (chamber)的通道
填实。 堵塞的目的是,保证炸药充分反应,使之产
生最大热量,防止炸药不完全爆轰;防止高温高压
的爆轰气体过早地从炮眼或导洞中逸出,使爆炸产
生的能量更多地转换成破碎岩体的机械功,提高炸
药能量的有效利用率。
四、堵塞对爆破效果的影响
图 4-16表示在有堵塞和无堵塞的炮孔中,压力
随时间变化的关系。从图中可以看出,在有堵塞和
无堵塞两种条件下,爆炸作用对炮孔壁的初始冲击
压力虽然没有很大的影响,但是堵塞却明显增大了
爆轰气体作用在孔壁上的压力和压力作用的时间,
从而大大提高了它对岩石的破碎和抛掷作用。
不同的爆破方法所使用的堵塞材料、堵塞长度
和堵塞方式不完全相同。
时
间
0
b
炮
孔
压
力
a
图 4-16 堵塞对爆破作用的影响
a-有堵塞; b-无堵塞
五、起爆点位臵对爆破效果的影响
起爆用的雷管或起爆药柱在装药中的位臵称为
起爆点 (initiation point)。在炮眼爆破法中,根
据起爆点在装药中的位臵和数目,将 起爆方式 分为
正向起爆( collar firing )、反向起爆( bottom
firing )和多点起爆 (multipoint priming)。
单点起爆时,如果起爆点位于装药靠近炮眼口的一
端,爆轰波传向眼底,称为正向起爆 [图 4-14(c)、
(d)]。反之,当起爆点臵于装药靠近眼底的一端,
爆轰波传向眼口,就称为反向起爆 [图 4-14(e) ]。
当在同一炮眼内设臵一个以上的起爆点时,称为多
点起爆。沿装药全长敷设导爆索起爆,是多点起爆
的一个极端形式,相当于无穷多个起爆点。
试验和经验表明,起爆点位臵是影响爆破效果
的重要因素 。在岩石性质、炸药用量和炮眼深度一
定的条件下,与正向起爆相比,反向起爆可以提高
炮眼的利用率,降低岩石的夹制作用,降低大块率。
在炮眼较深,起爆间隔时间较长以及炮眼间距较小
的情况下,反向起爆可以消除采用正向起爆时容易
出现的一些情况,如起爆药卷被邻近炮眼内的装药
爆破, 压死( dead pressed), 或提前炸开的现象。
与正向起爆相比,反向起爆也有其不足之处。
例如,需要长脚线雷管,装药比较麻烦;在有水深
孔中起爆药包容易受潮;装药操作的危险性增加,
机械化装药时静电效应可能引起早爆( prematare
explosion)等。
无论是正向起爆,还是反向起爆,岩体内的应
力分布都是很不均匀的,如果相邻炮眼分别采用正、
反向起爆,就能改善这种状况。
采用多点起爆,由于爆轰波发生相互碰撞,可
以增大爆炸应力波参数,包括峰值应力,应力波作
用时间及其冲量,从而能够提高岩石的破碎度。
第六节 控制爆破技术
控制爆破
( controlled
blasting):对爆
破效果和爆破危险
进行双重控制的爆
破技术,称为控制
爆破技术。 广东省东莞市水泥厂拆除工程
武
汉
饭
店
拆
除
爆
破
录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供
危害:地震、飞石、空气冲击波、噪音、毒气、
粉尘、盲炮、粉碎性破坏、不定向裂隙、超欠挖。
分类:土石方控制爆破(采矿、岩土、交通、
水利);城市控制爆破。
概念及特点
一、微差爆破 ( millisecond delay blasting)
1.
( 1)定义:以毫秒数量级来控制相邻炮孔或炮
排之间的起爆间隔时间,这样的顺序起爆技术称为
微差爆破,又称 毫秒爆破 。
宁
宿
徐
高
速
公
路
路
基
爆
破
录像资料由滁州爆破公司提供
( 2)特点(优)
( 1)地震效应低(指在等药量的前提下)
( 2)一次爆破量大(同震级条件下)
( 3)单耗低
( 4)爆破块度均匀,大块率低
( 5)爆堆整齐、集中
( 6)能将飞石、空气冲击波危害减少
2.微差爆破作用机理(为何能改善爆破效果)
1)新自由面的产生
( 1)岩石的夹制力变小
( 2)岩石的强度下降
( 3)提高了反射波能,使破坏加强
图4- 17 微 差爆破自由面产生
2)应力场叠加
先爆的炮孔产生的动态(静态)应力场尚
未消失之前,后爆炮孔产生的动态(静态)
应力场能交叉叠加使应力加强。
3)运动岩石的相互碰撞
( 1)补充破碎
( 2)使飞石和冲击波能变为有用功
( 3)爆堆集中
4)从时间、空间上分散了地震波能计算
地震,用最大一段起爆药量 Q。
3.微差间隔时间的确定
1)按产生应力叠加
先爆孔内压力下降,岩石回弹出现拉伸应力波时,
再起爆后排孔。
计算偏小( Cp= n米 /ms)
2)按形成补充自由面
观测研究表明:从起爆到岩石被破坏和发生位移
的时间,大约是应力波传到自由面( W)所需时间的
5-10倍。
经验公式,ms
K-统计数字,露天台阶常取 2~5;
先爆孔刚好形成破裂漏斗,已明显脱离瞬
间,再起爆后一组,间隔 20~60ms。
KWt ??
3)按降低地震效应最小的原则确定
( 1)主震相刚好错开 30-50ms
( 2)地震波相互干扰
以最大限度降低地震效应
t1-震动周期
实际中,由器材决定,一般孔间 25-50 ms( 1-2
段);排间 50-100 ms( 2-4段)
'
2
1 tnt ??
4.控制微差间隔时间的方法
1)器材上:
( 1)毫秒电雷管
( 2)导爆管雷管
( 3)导爆索 +毫秒继爆管
( 4)电力微差起爆器 → 网路复杂
2)形式上分
( 1)孔内微差:微差雷管在孔内(电雷管、导
爆管雷管)
( 2)孔外微差:微差雷管在孔外(导爆管、导
爆索、微差起爆器)
( 3)孔内分段微差:孔内分段间隔装药
二、挤压爆破(留渣多排孔微差爆破)
定义:在 W自由面前方留有一定厚度的爆
堆,增加第一排炮孔装药量(增加单耗)和
相对延长微差时间(第一排响后与第二排之
间的时间),从而提高炸药能量利用率和改
善爆破效果,称为 多排孔微差挤压爆破 。
堆渣
图4 -18 挤压爆破原理
炮孔
地面
原理:
阻止岩石前期运动,增加准静应力场作用时间。
使空气冲击波、飞石能变成有用功,补充破碎,
减少了大块。
优点:
1.爆堆集中整齐,根底少;
2.块度较小,爆破质量好;
3.个别飞石飞散距离小;
4.能贮存大量已爆矿岩,有利于均衡生产。
50年代出现,煤炭
系统规定:永久性
巷道必须用光面爆
破,矿山边坡。
三、光面爆破
柳州一桂林高速公路山石质路爆破
光面爆破( smooth blasting)是一种使爆出的新
壁面保持平整,而不受明显破坏的爆破技术,其特
点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距与最小抵抗
线相匹配的光爆孔并采用不偶合装药或其它特殊的
装药结构,在开挖主体的装药响炮之后,光爆孔内
的装药同时起爆,从而形成一个贯穿光爆炮孔,光
滑平整的开挖面。
1.优点(特点)
爆面平整,凹凸度小,隧道 ≯ 5cm,边坡 ≯ 20cm,
光爆孔痕迹 >50%。
保持了围岩的完整性和稳定性。
避免应力集中,在深部岩壁表面可减少岩爆危
险。
施工安全性好。
总掘进成本低,巷道支护、维修费用小。
2.光面爆破形成条件与机理
1)光面裂隙的形成条件和力学条件
形成条件 力学条件
避免压缩粉碎破坏 σ r<[σ 动压 ]
避免不定向径向裂隙 σ T<[σ 动拉 ]
沿炮孔连心线形成贯通裂隙 σ T合 >[σ 动拉 ]
2)保证光面裂隙形成的措施
减小爆破孔网参数
光面孔孔距 a取( 10~20) d孔; W≥a 。
减弱装药
选用 D↓,ρ↓,q↓ 炸药。
线装药密度:软,70— 120 g/m
中硬,100— 150 g/m
硬,150— 250 g/m
不偶合装药
不耦合系数
同时起爆光面孔
0.3~1.1??
药
孔
d
d
3)机理
1 不偶合装药中,空气间隔层缓冲消弱了
爆炸冲击作用,单孔使 σr<[σ 动压 ],孔壁
不致压碎,σT<[σ 动拉 ],单拉不成缝。
2 相邻炮孔连心线上应力加强 σT 合 >[σ
动拉 ],形成一条裂隙。
3 气体尖劈作用,促进加速发展连心线上的
裂隙。
4 相邻的(密集)炮孔互为导向空孔作
用,沿炮孔连心线上岩石强度下降,为光面
裂隙形成提供了原始条件。
3.光面爆破参数设计
不偶合系数
合理的不偶合系数应使炮孔压力低于孔壁岩石
的动抗压强度而高于动抗拉强度。不偶合系数通常
采用 1.1~ 3.0,其中以 l.5~ 2.5用的较多。
光面炮孔间距 a
炮孔间距一般为孔眼直径的 10~ 20倍。在节理
裂隙比较发育的岩石中应取小值,整体性好的岩石
可取大值。
最小抵抗线 W
光面层厚度或周边眼至相邻辅助眼间的距离
是光面爆破的最小抵抗线,一般应大于光面孔眼
的间距。在爆破中,为了使保留区岩壁光滑而不
致破坏,抵抗线 W也不宜过大,通常取 W=( 1~ 3)
m,否则爆破后不能形成光滑的岩壁,达不到光面
爆破的目的。因此对于露天深孔光面爆破的抵抗
线 W最好采用与钻孔直径 d有关的关系式计算,
即 W=( 7~ 20) d 。
炮孔密集系数 m
m过大,爆后可能在光面眼间留下岩埂,造成欠
挖; m过小,则会在新岩面上造成凹坑。实践表明,
当炮孔密集系数 m= 0.8~ 1.0时,光爆效果较好;硬
岩取大值,软岩取小值。
单位装药量 q
单位装药量又叫线装药密度和装药集中度,
它是指单位长度孔眼中装药量的多少 ( g/ m或 kg/
m)。为了控制裂缝的发展,保持新壁面的完整稳
固,在保证沿孔眼连线破裂的前提下,应尽可能
减少装药量。软岩一般用 70~ 120g/ m,中硬岩为
100~ 150g/ m,硬岩为 150~ 25Og/ m。
起爆间隔时间
实验研究表明,齐发起爆的裂缝表面最平整,
微差起爆次之,而秒延期起爆最差。齐发起爆时,
孔眼贯通裂缝较长,可抑制其它方向裂隙的发展,
有利于减少孔眼周围裂隙的产生和形成平整的壁面。
所以在实施光面爆破时,时间间隔越短,壁面平整
的效果越有保证。
四、预裂爆破
预裂爆破( presplitting)是预先沿设计轮廓线
用爆破方法形成一条裂缝后再起爆主炮孔的一种控
制爆破方法,其特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一
排孔距合适的预裂孔并采用不偶合装药或其它特殊
的装药结构,在开挖主体爆破之前,同时起爆预裂
炮孔内的装药,从而形成一条贯穿预裂炮孔的裂缝,
通过这条裂缝降低开挖主体爆破时对保留岩体的破
坏。
概念:沿设计轮廓线打一排减小了孔距
的平行炮孔,采用不偶合装药,先起爆预裂
孔,形成裂缝后( 1— 2cm),再起爆主爆孔,
使预裂缝在一定范围内减小主爆孔的地震效
应 50— 80%以上。
1.预裂爆破参数设计
正确选择预裂爆破参数是取得良好爆破效果的
保证,但影响预裂爆破的因素很多,如钻孔直径、
钻孔间距、装药量、钻孔直径与药包直径的比值
(称不偶合系数)、装药结构、炸药性能、地质构
造与岩石力学强度等。目前,一般根据实践经验,
并考虑这些因素中的主要因素和它们之间的相互关
系来进行参数的确定。
1)钻孔直径 d
目前,孔径主要是根据台阶高度和钻机性能来决
定。对于质量要求高的工程,采用较小的钻孔。一
般工程钻孔直径以 80~ 150mm为宜,对于质量要求较
高的工程,钻孔直径以 32~ 100mm为宜,最好能按药
包直径的 2~ 4倍来选择钻孔直径。
2)钻孔间距 a
预裂爆破的钻孔间距比光面爆破要小一些,它
与钻孔直径有关。通常一般工程取 a=( 5~ 7) d;
质量要求高的工程取 a=( 7~ 10) d。选择 a时,钻
孔直径大于 100mm时取小值,小于 60mm时取大值;软
弱破碎的岩石取小值,坚硬的岩石取大值;质量要
求高的取小值,要求不高的取大值。
3)不偶合系数 n
不偶合系数 n为炮孔内径与药包直径的比值。 n
值大时,表示药包与孔壁之间的间隙大,爆破后对
孔壁的破坏小;反之对孔壁的破坏大。一般可取 n=
2~ 4。实践证明,当 n≥2 时,只要药包不与保留的
孔壁(指靠保留区一侧的孔壁)紧贴,孔壁就不会
受到严重的损害。如果 n< 2,则孔壁质量难以保证。
药包应放在炮孔中间,绝对不能与保留区的孔壁紧
贴,否则 n值再大一些,就可能造成对孔壁的破坏。
4)线装药密度 q
装药量合适与否关系到爆破的质量、安全和
经济性,因此它是一个很重要的参数。装药密度
可用以下经验公式进行计算:
( 1)证不损坏孔壁(除相邻炮孔间连线方向
外)的线装药密度
38.053.075.2 rq
y??
式中 δy —— 岩石极限抗压强度,MPa;
r—— 预裂孔半径,mm。
q—— 线装药密度,Kg/m。
该式适用范围是 δy = 10~ 15Mpa,r=46~
170mm。
5)预裂孔孔深
预裂孔孔深的确定以不留根底和不破坏台阶底
部岩体的完整性为原则,因此应根据具体工程的岩
体性质等情况来确定。
6)堵塞长度
良好的堵塞不但能充分利用炸药的爆炸能量,
而且能减少爆破有害效应的产生。一般情况下,堵
塞长度与炮孔直径有关,通常取炮孔直径的 12~ 20
倍。
2.预裂爆破的质量标准及效果评价
1)预裂爆破的质量标准
对于铁路、矿山、水利等露天石方开挖工程,预裂爆破
的质量标准主要有以下几点:
( 1)预裂缝缝口宽度不小于 1cm;
( 2)预裂壁面上较完整地留下半个炮孔痕迹,药包附近
岩体不出现严重的爆破裂隙;
( 3)预裂壁面基本光滑、平整,不平整度(相邻钻孔之
间的预裂壁面与钻孔轴线平面之间的线误差值)应不大于
± 15cm。
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