工程爆破实用手册68-120.doc

第四章 露天岩石爆破技术 露天爆破是以多边界条件爆破的理论和体系为基础，是根据石方的集中程度、地质、地形条件、路基断面的形状、结合各种工程爆破方法的特性，因地制宜，综合配套使用的一种比较先进的爆破方法。一般包括小炮和洞室炮两大类。 小炮主要包括浅孔炮、深孔炮、药壶炮、和猫洞炮以及最近发展起来的毫秒微差爆破、宽孔距爆破，光面、预裂爆破，拆除爆破，石方开挖控制爆破等。 洞室炮则随药包性质、断面形状和微地形的变化而不同。用药量1t以上为大炮，1t以下为中小炮。现将几种爆破方法在综合爆破中的作用与特性分述如下 第一节 露天台阶爆破 在路基工程中，浅孔炮通常指炮孔直径小于7.5cm和深度小于5m的爆破方法。一般情况下，单独使用浅孔炮爆破石方是不大经济的，其原因是（1）炮眼浅，用药少，每次爆破的石方不多，并全靠人工清除，所以工效低。（2）不利于爆破能量的利用。由于眼浅，爆破时爆炸气体很容易冲出，变成不做功的声波，以致响声大而炸下的石方不多，个别石块飞得很远。因此，在路基工程中，应尽可能少用浅孔台阶爆破。 一、露天浅孔小台阶爆破 露天浅孔小台阶爆破与台阶深孔爆破，两者原理基本是相同的，爆破工作是在露天的台阶（也称为梯段）上进行的，每个台阶至少有水平的和倾斜的两个自由面。在水平面上进行钻眼、装药、堵塞及起爆作业；爆破时岩石朝着倾斜自由面的方向崩落，然后形成新的倾斜自由面，如图4-1-1所示。图中符号意义见图注说明，其中W底表示炮孔中心至台阶底部表面的距离，是爆破阻力最大的地方。h为炮眼超深（也叫超钻）长度，超深的目的是为了降低装药高度，以利于克服底部的阻力，使爆后能形成平整的台阶面。 （一）、炮眼排列方式 布眼形式可分为单排眼和多排眼两种。一次爆破量较少时用单排眼，一次爆破量较大时，则要布置多排眼。多排眼的排列可以是平行的，也可以是交错的。图4-1-2给出了炮眼布置的最简形式。 （二）、爆破参数 爆破参数应根据施工现场的具体条件和爆破经验选取，并通过实践检验修正，以取得最佳参数值。 ①、单位炸药消耗量q 在大孔径深孔台阶爆破中，q值在0.2～0.6千克/米3范围内变化，浅眼小台阶爆破可参照此数值或稍高一些选取。IV类以下围岩取0.3～1.0 Kg/m3，V类以上围岩取1～1.6Kg/m3。 ②、炮眼直径d和炮眼深度L的关系及抵抗线W见表4-1-1 。若台阶底部辅以倾斜炮眼，台阶高度尚可增加，如图4-1-3所示。 ③、炮眼超深h h（0.1～0.15）H 台阶高 （4-1-1） ④、炮眼间距a 通常a不大于L、不小于W底，并有以下关系 a1.0～2.0 W底 （4-1-2） 或a（0.5～1.0）L （4-1-3） 但近年来，小抵抗线大孔距的布孔方案逐步得到推广应用，在台阶爆破中采用2W底14 12 7.4～9.7 7.4～9.7 7～9.8 5.3～6.4 0.87～1.2 1～1.62 1～3.1 0.37～0.59 4～6.5 南山矿岩 12～14 12 8.5～8.8 8.5～8.8 7.5～8.6 6.0～6.1 1.02～1.13 1.42～1.44 2～2.2 0.44～0.56 5.3～6.2 德兴铜矿 北山矿岩 12～14 12 8.1～10.0 8.1～10.0 6.9～8.0 5.0～6.4 1.08～1.3 1.33～1.6 2.2～3.0 0.35～0.55 5.5～8.0 I类矿岩 10～12 10.9 7.5～8.5 7.5～8.5 10 6.0～7.0 2～2.5 0.77 装填比10.7～0.8 115 深孔爆破有关技术数据 表4-1-4 1、炮孔布置及其特点 项目 垂直深孔爆破 倾斜深孔爆破 水平深孔爆破 高梯段深孔爆破示意图 特点 1、钻孔方便，炸块不均匀，炸后边坡不太稳定； 2、沿梯段全高抵抗线Wd不一致。 1、炸块较均匀，边坡亦较稳定； 2、堵塞L1应大于Wd； 3、h1（0.1～0.3）Wd 1、炸块较集中，施工亦较难，采用少； 2、梯段H采用10～20m，钻凿炮孔较水平深孔方便很多 2、计算数据 项目 内容 计算方式 说明 深孔高梯段爆破时的有关数据 底盘抵抗线Wd（m） Wd＝（0.6～0.9）Ht Ht梯段高度，一般10～20m，农田基建多用6～10m 孔深（m） 土壤中 L＝Ht＋（0.1～0.2）Wd 岩石中 L＝Ht＋（0.15～0.35）Wd 孔径（mm） dk100～200 当采用洛阳铲穿凿深孔时的孔径 孔间距（m） a （0.7～1.4）Wd 排间距（m） b0.8～0.9 Wd 深孔高梯段爆破采用松动爆破类型的装药量，每个炮孔（Kg） QeqtaHtWd Q每个炮孔装药量（Kg）； qt深孔高梯段松动爆破时的单位耗药量，根据统计，当采用2号岩石铵锑炸药时如下表 深孔高梯段爆破时的单位耗药量（Kg/m3） 岩土类型 土壤f4 f＝4～8 f＝8～14 F＝14～20 qt（Kg/m3） 0.15～0.25 0.25～0.35 0.35～0.45 0.45～0.60 注采用多排孔爆破时，第二排孔以后各排炮孔装药量应较前一排增加。采用齐发起爆时可按增加20～50％计；采用毫秒起爆时，可按增加10～30％计算。 部分深孔爆破设计参数 表4-1-5 项目 台阶高度H（米） 5～6 7～8 9～10 11～12 13～14 15～16 17～18 19～20 超钻h米 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 孔深L米 6.2～7.2 8.5～9.5 10.8～11.8 13～14 15.2～16.2 17.5～18.5 19.8～20.8 22～23 底板抵抗线W米 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.5 邻近系数m 0.82 0.81 0.79 0.78 0.77 0.75 0.74 0.72 孔间距a＝mW米 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.5 4.6 4.7 前排孔药量QqWHa千克 56 82 110 142 176 210 250 300 装药长度L1米 3.1 4.5 6.1 7.8 9.8 11.6 13.9 16.7 堵塞长度L2 L- L1米 3.5 4.5 5.2 5.7 5.9 6.4 6.4 5.8 L2/W 0.7 0.87 0.96 1.02 1.02 1.06 1.03 0.89 排距 b0.87a米 3.6 3.6 3.7 3.8 3.9 3.9 4.0 4.1 后排孔装药量Q1.2qbHa千克 49 68 91 115 142 163 193 226 装药长度 L后1 米 2.7 3.8 5.1 6.4 7.9 9.1 10.7 12.5 堵塞长度L后2L后-L后1米 4.0 4.2 6.2 7.1 7.8 8.9 9.6 10 L后2/a 0.98 1.0 1.44 1.61 1.73 1.98 2.08 2.13 注孔径 d150毫米，单位炸药消耗量为q＝0.5千克/米3 三、爆破工艺 露天深孔爆破工艺包括装药前钻孔检查、装药、堵塞、敷设网络与起爆。整个工艺过程的施工质量将会直接影响爆破安全与效果，每一道工序必须遵守爆破安全规程与操作技术规程的有关规定。 1、钻孔检查 装药前必须检查孔位、深度、倾角是否符合设计要求，孔内有无堵塞、孔壁是否有掉块以及孔内有无积水和积水深度如何。如发现孔位和深度不符合设计要求时，应及时处理，进行补孔或透孔。 孔口周围的碎石、杂物应清除干净，对于孔口岩石破碎不稳固段，应进行维护，应避免孔口形成喇叭状。钻孔结束后应封盖孔口或设立标志以防人员坠入孔内。 2、装药 （1）装药方法 装药方法有人工与机械化装药法。人工装药法劳动强度大，装药效率低，装药质量也差，特别是水孔装药会产生药柱不连续，影响炸药的稳定爆轰。因此人工装药法将逐步为机械化装药法所代替。我国已在部分地区采用了机械化装药法，这种方法提高了装药效率，改善了装药质量，爆破效果比人工装药时有显著提高。 无论是人工或机械化装药都必须严格控制每孔的装药量，并在装药过程中检查装药高度。 在装药过程中如发现堵塞时，应停止装药并及时处理。在未装入雷管或起爆药柱等敏感的爆破器材以前，可用木制长杆处理，严禁用钻具处理装药堵塞的钻孔。 （2）装药结构 按装药种类则有单一装药结构与组合装药结构。单一装药结构是在孔内装同一品种和密度的炸药；组合装药结构是在孔底装高威力炸药，在孔上部装威力较低的炸药。 按装药形式则有连续装药结构、间隔装药结构和耦合及不耦合装药结构。 各种装药结构对改善爆破效果均有一定效果，如果没有特殊的要求，装药一般采用单一连续的装药结构，这种装药结构操作方便，工艺简单。对需要克服底盘夹制作用加大的炮孔，则宜采用组合装药结构。不匀质的层状岩层有时则宜采用间隔装药结构，将药包装在较坚硬的部位，而软弱部位则应进行堵塞。有时为了提高装药高度以改善台阶上部的破碎质量，应分成两段装药结构。上部的装药量仅为炮孔总装药量的1/3～1/4，中间用堵塞料将炸药分开。此时上部药包顶至孔口的垂直距离应当不小于其至台阶坡面的垂直距离。 有些矿山为改善爆破效果采用空气间隔装药。空气间隔长度与台阶高度有关，一般为药包长度的20～30％，底部装药量为60～70％。空气间隔部分可采用中空塑料管或支撑托。这种方法工艺复杂，特别是采用机械化装药法或在有水的孔中装药更难于推广。 3、堵塞 深孔爆破的堵塞应达到设计要求的长度。除深孔扩壶爆破外，严禁不堵塞而进行爆破。 堵塞料多用钻孔的岩屑，有的矿山也采用尾矿砂或专门破碎的碎石，但禁止使用石块和易燃材料，在有水炮孔堵塞时，还应防止堵塞料悬空。 4、爆破网路敷设与起爆 深孔爆破采用电力、导爆索、继爆管、导爆管起爆网路或复式起爆网路。雷雨季节宜采用非电起爆法。网路敷设所使用的起爆器材应事先进行检验。网路敷设应按设计要求进行，并严格遵守爆破安全规程中有关起爆方法的规定。经检查确认起爆网路完好，具备安全起爆条件时方准起爆。 （四）、露天深孔爆破经验 目前在冶金、有色露天矿和其他开挖工程中广泛应用大区多排孔微差爆破，排数一般为3～5排，爆破矿岩量达20万吨以上。爆破质量不断得到改善，经济效益也有显著提高，下面以几个实例，说明改善爆破参数后，所取得的技术经济效果。 1、水厂铁矿 矿石为磁铁石英岩，f12～14，岩石为片麻岩、混合花岗岩，f8～10，台阶高度12米，钻孔直径为250毫米。1982年后试验大区多排孔微差爆破，扩大了孔网参数，采取了调整堵塞长度，增加装药长度，增加炮孔装药量等措施。使前排孔密集系数增加至1～1.25，后排孔增至1.4～1.6。取得了良好的爆破效果。一次爆破量超过20万吨，大块率由原来的2％降低为0.32％，延米爆破量为50.6米3/米，提高了33％，炸药单耗为0.513千克/米3，降低10％，电铲效率提高10～37％，每年节约费用达100万元。 2、金堆城钼矿 矿岩为花岗岩玢岩、安山玢岩，f6～12，台阶高度12米，钻孔直径250毫米，该矿以扩大孔网参数、提高深孔密集系数，采用非电导爆管起爆为重点，开展了扩大爆破规模、改善爆破质量和降低炮孔与炸药单耗的试验研究工作，使延米爆破量达219.5吨/米，提高63.4％，炸药单耗降为0.11千克/吨，降低19.7％；大块率由1.4％降至0.5％以下，电铲效率提高26.7％，每年的经济效益达210多万元。 3、船山石灰石矿 石灰岩f8～10，台阶高度10米，钻孔直径为150毫米，采用排间小抵抗线宽孔距爆破后，延米爆破量达80.5吨/米。提高50％，炸药单耗降至0.33～0.42千克/米3，降低15～20％；大块率降至1.5～1.8％，降低30～50％，粉碎率也相应减少；电铲效率提高18～20％，按扩建规模计算每年可节约80万元。 第二节 露天深孔微差爆破 微差爆破在各种爆破工程爆破中应用广泛，已成为露天工程爆破的一种主要方法，其定义及作用原理见第一章论述。 一、微差爆破间隔时间的确定 确定合理的微差爆破间隔时间，对改善爆破效果与降低地震效应具有重要的作用。在确定间隔时间时主要要考虑岩石性质、布孔参数、岩体破碎和运动的特征等因素。微差间隔时间过长则可能造成先爆孔破坏后爆孔的起爆网路，过短则后爆孔可能因先爆孔未形成新自由面而影响爆破质量。间隔时间的长短一般根据经验或经验公式来确定。 △ttdL/VcKW底L/Vc 4-2-1 或△t＝KpW底（24－f） （4-2-2） 式中 △t－微差间隔时间，毫秒； td－从爆破到岩体开始移动的时间，毫秒； K－系数，一般为2～4毫秒/米，也可通过观测确定； W底－台阶底盘抵抗线，米； L－裂缝宽度，米，一般取0.01米； Vc－裂缝开裂速度，米/毫秒； Kp－岩石裂隙系数。对于裂隙少的岩石，Kp0.5；对于中等裂隙岩石，Kp＝0.75 ；对于裂隙发育的岩石，Kp＝0.9； f－岩石坚固性系数。 我国矿山生产中采用的微差间隔时间一般为25～50毫秒，近年来，由于起爆器材的不断改进，从而提高了起爆网路的可靠性，对多排微差爆破来说适当延长微差间隔时间将会改善爆破质量和降震效果。 二、大区、多排微差爆破的起爆方案 随着开挖工程规模的不断扩大，大区多排孔微差爆破愈加显示其优越性，为保证达到良好的爆破质量，必须正确选择起爆方案。起爆方案是与深孔布置方式和起爆顺序紧密结合的，要根据岩石性质、裂隙发育程度、构造特点、对爆堆要求和破碎程度等因素进行选择。 常用的起爆方案见图4-2-1 方形或三角形布孔方式中也可以采用单孔顺序微差起爆方案。 目前多采用三角形布孔对角起爆或V型起爆方案，以形成小抵抗线宽孔距爆破，使深孔实际的密集系数增大到3～8，以保证围岩破碎质量。 三、露天深孔微差爆破实例 （一）德兴铜矿 矿岩为强蚀变千枚岩、花岗闪长斑岩、细粒闪长岩和石英闪长玢岩，f10～12，台阶高度为12米，钻孔直径为250毫米。对大区多排孔微差爆破进行了多年的试验研究工作处，采用了V型起爆方案，空气间隔装药、适当扩大孔网参数和选择合理的微差间隔时间等措施，显著地改善了爆破效果。延米爆破量达106.9吨/米，提高了17.6％，平均炸药单耗为0.294千克/吨，降低23.64％；平均大块率降低51.9％；电铲作业效率提高14.5％。按改善后的指标计算，每年节约爆破费用45.7万元。 （二）歪头山铁矿 矿岩为2～4层铁矿层及阳起石英片岩、角闪片岩等，f8～16，台阶高度12米，钻孔直径为250毫米。该矿在工业试验中应用爆破漏斗试验的方法确定难爆矿岩的合理破碎抵抗线和最佳炸药单耗，采用小抵抗线宽孔距三角形布孔方式（第一排除外），应用单孔孔间顺序微差起爆方法，取得了良好的技术经济效果。延米爆破量提高了30％以上；炸药单耗降低30％左右，大块率降低一半，电铲效率提高4％。仅穿爆直接费用每立方米可节省0.3元，每年可达100万元以上。 （三）京秦铁路 京秦铁路七家岭段路堑深孔多排微差挤压爆破，总爆破方量为91244立方米，总装药量为34.69吨，平均单孔为0.38千克/米3。共进行12次爆破，一次最大装药量为7.77吨，一次起爆最多排数为26排。 路堑总长为456.5米，开挖深度为5～10米，设计底宽为13.8米和15.8米两种，边坡坡度为10.75和11。岩体为白云岩， f8～10。采用YQ-150型潜孔钻机和YQ-100型潜孔钻机钻孔。采用矩形布孔，抵抗线为2～4米，孔距2～4米，超深0.6～1.0米，采用2岩石炸药连续装药结构，孔内外采用延期的复式网路起爆，延期间隔时间为50～100毫秒。 这次路堑深孔爆破取得了令人满意的效果。大块率显著减小，除第一排孔的大块率为3～6.2％以外，其余各排孔的大块率都不超过0.5％。爆堆均匀而集中，提高了铲装效率。同时加快了施工进度，降低了成本。 第三节 露天预裂爆破和光面爆破 一、 预裂爆破 （一）预裂爆破的设计计算 影响预裂爆破效果的因素很多，有钻孔直径、孔距、装药量、岩石的物理力学性质、地质构造、炸药品种、装药结构以及施工因素等等。预裂爆破设计的要点，就是根据工地的岩石种类，地质构造情况，以及施工机具等条件，恰当地确定钻孔直径、炮孔距离、装药量以及装药结构等。在预裂爆破中，岩体的构造特性对爆破效果的影响将比其他爆破工程更为明显，这是一个非常值得重视的问题。例如，在成层的岩石中，裂缝较易于沿着本身的层理方向裂开，如果预裂缝正位于层理的垂直方向，那么成缝就要困难得多，这就需要从炮孔间距、装药量等各个方面予以调整，选出合适的参数，才能获得预期的效果。 目前，确定预裂爆破主要参数的方法，大致有下列三种理论计算法,经验公式计算法,经验类比法。 1、理论计算法 苏联A.A.费先柯和B.C.艾里斯托夫提出一个计算方法，是以预裂孔同时起爆为基础，根据爆炸应力波的动力作用推导出来的。为了保证形成理想的预裂面，且孔壁不受或少受破坏，必须满足下面的力学方程 σr≤σ压 σT≥σ拉 4-3-1 式中 σr－预裂孔壁受到的最大径向压应力，千帕； σT－预裂孔连心线上岩体受到的切向最大拉应力，千帕； σ压－岩石极限抗压强度，千帕； σ拉－岩石的极限抗拉强度，千帕； 根据冲击波对障碍物作用的理论，可以写出 P＝25QΔ/δ （4-3-2） 如果炸药密度为1.5～1.6克/毫升，P值将为P＝58QΔ/δ 式中 P-冲击波压力，千帕； Δ-爆破孔内的装药密度，克/毫升； δ- 炸药本身的密度，克/毫升； Q-炸药的爆热，千焦/千克。 当空气冲击波碰到固定的刚性障碍物时，压力增长系数的公式为 4-3-3 为使孔壁不被压碎，必须满足下面的关系 nP≤σ压 将式5-4-2，5-4-3代入，得 据此，可求得最佳的装药密度值 求出孔内的装药密度后，只要给定一个孔径，就可以直接求出钻孔的装药量。 另一个主要参数是孔距a，可根据连心线中点σTˊ≥σ拉 这一条件进行计算。当相邻两孔连心线上的切向拉应力超过岩石的抗拉强度时，那么形成裂缝将是可能的。 拉应力值依赖于冲击波的压应力，根据轴向对称应力波的理论，由柱状波产生的最大压应力与最大拉应力之间的关系为 式中－岩体内某一点的切向拉应力，千帕； －岩体内某一点的径向压应力，千帕； －泊桑比。 爆破时岩层中的压应力随距离的增大而降低。 式中 r－岩体内某一点至药包中心的距离，厘米； rc－炮孔半径，厘米； k－衰减指数，一般可取k1.5。 两孔同时起爆，连心线中点的拉应力为单孔的两倍，则 据此可求出炮孔间距的计算式为 4-3-5 式中 －炮孔间距，厘米； －炮孔半径，厘米。 当炮孔内的装药满足按（5-4-4）式计算的最优装药密度时，炮孔间距的计算式将为 （4-3-6） 从上列诸公式推导的情况来看，都是以爆炸冲击波作为计算依据的，对于爆炸高压气体准静态应力场的作用，则未予考虑。同时，在考虑极限强度时，外力是瞬间动荷载，而岩石抗拉强度则是静力条件下的数值，没有考虑它的动载强度，显然是不合理的。另外，地质构造等因素，在计算公式中也没有得到反映，这都是该计算式欠缺的地方。 2、经验公式计算法 预裂爆破主要参数的影响因素复杂，很难从理论上得出一个完整无缺的解释，有不少爆破工作者根据各自积累的经验，针对几个 最主要的影响因素，归纳了一些经验计算式，在这些计算式中，主要是考虑线装药密度与岩石的抗压强度，炮孔间距以及孔径之间的关系，基本形式是 （4-3-7） 式中 -炮孔的线装药密度，千克/米； －岩石的极限抗压强度，兆帕； a－炮孔间距，米； －炮孔直径，米； 、、、r－均为系数。 这类计算公式，常见的有 （1）长办长科院提出的计算式 （4-3-8） （2）葛洲坝工程局提出的计算式 （4-3-9） （3）武汉水利电力学院提出的计算式 （4-3-10） 3、经验类比法 在预裂爆破设计中，炮孔的装药量除了用理论公式或经验公式计算外，往往还需要参考某些已成工程的实际经验数据，进行分析对比。这是因为爆破的影响因素太复杂，计算的出入比较大。例如在理论计算公式中，考虑的因素只是有限几项，如地质构造这样重要的因素，它对预裂效果的影响是大家所公认的，但计算式中却很难确切地反映。而经验公式，则往往受到在归纳整理这些公式所处条件的限制，使它只能在一定范围内使用，不能包罗万象，当偏离这些条件太远时，就会给这些公式的应用带来困难。特别是对于初次从事预裂爆破的人们来说，困难就更大。此时，参考一些已成工程的实际试验资料，从地质条件、钻孔机具以及爆破规模等等各个方面进行类比，从中找出适合于本工地条件的近似数据，作为工程使用的参考，也是一种行之有效的方法。现将国内外一些学者推荐的数据和一部分工程实例列举如下，以供参考。（见表4-3-1～4-3-4） 兰格弗尔的经验数据 表4-3-2 炮孔直径（毫米） 线装药密度①（千克/米） 炸药种类 药卷直径（毫米） 炮孔间距（米） 30 古力特 0.25～0.4 37 0.12 古力特 0.3～0.5 44 0.77 古力特 0.3～0.5 50 0.25 古力特 0.45～0.7 62 0.35 纳比特 22 0.55～0.8 75 0.5 纳比特 25 0.6～0.9 87 0.7 代纳米特 25 0.7～1.0 100 0.9 代纳米特 25 0.8～1.2 125 1.4 纳比特 40 1.0～1.5 150 2.0 纳比特 50 1.2～1.8 200 3.0 代纳米特 52 1.5～2.1 注此处的线装药密度为全孔的平均线装药密度。 古斯塔夫的经验数据 表4-3-3 炮孔直径（毫米） 线装药密度①（千克） 炸药种类 炮孔间距（米） 25～32 0.07 11毫米古力特 0.2～0.3 25～43 0.16 17毫米古力特 0.35～0.6 40 0.16 17毫米古力特 0.35～0.5 51 0.32 半个炮孔 0.16 半个炮孔 217毫米古力特 17毫米古力特 0.4～0.5 64 0.36 22毫米纳比特 0.6～0.8 注此处的线装药密度为全孔的平均线装药密度。 我国某些工程采用的光爆参数表 表4-3-1 工程名称 地质条件 孔深（米） 孔径（毫米） 孔距（厘米） 全孔装药量（千克） 堵塞长度（米） 顶部减弱装药 中部正常装药 底部加强装药 全孔平均线装药密度（克/米） 中部正常段线装药密度（克/米） 炸药品种 爆破效果 长度（米） 装药量（克） 长度（米） 装药量（克） 长度（米） 装药量（克） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 146/3① 1511/10② 16 17 船坞工程 花岗岩 7 50 60 2.52 360 南山矿 闪长玢岩f 8～12 17 150 130～150 17.0 2.0