任务三　爆破方法设计

采用爆破方法破碎介质,根据不同工程任务的需要,一般有裸露爆破法、炮眼爆破法、药壶爆破法和洞室爆破法等基本方法,其中以炮眼爆破方法最为常用。如基岩开挖、洞室开挖、石料开采等工程都采用炮眼爆破的方法进行。

炮眼爆破根据炮眼深度大小(或台阶高度大小)区分为浅孔爆破和深孔爆破。

爆破工程中通常将孔径在50mm以上及深度在5m以上的钻孔称为深孔。

开挖起爆存在时差的爆破称为梯段爆破。在水电工程建设施工中,当基岩开挖厚度较大时,常以深孔梯段爆破作为主要的开挖方法,对开挖深度不大的基岩可采用浅孔爆破的方法。

为达到某种质量目标,按炮眼起爆的时间顺序和作用方式又表现出不同的形式,常见的有齐发爆破、微差爆破、小抵抗线宽孔距爆破和微差挤压爆破等,对周边起控制作用的还有预裂爆破和光面爆破。

一、露天小台阶炮眼(浅孔)爆破

露天小台阶炮眼(浅孔)爆破在露天多以台阶形式进行爆破开挖,每个台阶至少有水平的和倾斜的两处自由面。可能由于地形条件或者出于开挖的需要,小台阶炮眼开挖方法也是经常用到的。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1-19所示。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(也称超钻)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

炮眼排列形式可分为单排眼和多排眼两种。一次爆破量较小时用单排眼,一次爆破量较大时,则要布置多排眼,一般不宜超过3～4排,多排眼的排列可以是平行的,也可以是交错的。图1-20为常用的炮眼布置形式。

(二)爆破参数

爆破参数应根据施工现场的具体条件和类似矿山的经验选取,并通过实验检验修正,以取得最佳参数值。

1.单位炸药消耗量q

q值与岩石性质、台阶自由面数目、炸药种类、炮眼直径等多种因素有关。在大孔径深孔台阶爆破中,q值在0.2～0.6kg/m3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。

2.炮眼直径d和炮眼深度L

露天小台阶炮眼爆破的炮眼直径和炮眼深度都比较小,炮眼直径多在50mm内,眼深多在5m之内,此时台阶高度H也在5m以内,若台阶底部辅以倾斜炮眼,台阶高度可适当增加,如图1-21所示。

3.底盘抵抗线W底

在台阶爆破中,一般都用这一参数代替最小抵抗线进行有关计算,以便保证台阶底部能获得预期的爆破效果,W底与台阶高度H有如下关系:

在坚硬难爆的岩体中,若台阶高度较高时,计算时应取较小的系数。

4.炮眼超深h

如前所述,为了克服台阶底部岩石对爆破的阻力,炮眼深度要适当超出台阶高度H,其超出部分h为超深,h一般取台阶高度的10%～15%,即

5.炮眼孔距a与排距b

同一排炮眼间的距离称为炮眼间距,常用a表示。通常a不大于L,不小于W底,并有以下关系:

6.装药量计算

浅孔爆破药量按延长药包计算,单孔药量为

装药长度通常为孔深的1/3～1/2,雷管置于自上部算起装药全长的1/3～1/2处。孔口用炮泥堵塞。

7.起爆网路

浅孔台阶爆破现多采用导爆管起爆网路,进行微差间隔起爆。常用的微差间隔起爆方法包括排间微差和V形起爆,如图1-22所示。

二、预裂爆破和光面爆破

为保证保留岩体按设计轮廓面成型并防止围岩破坏,须采用轮廓控制爆破技术。常用的轮廓控制爆破技术包括预裂爆破和光面爆破。

所谓预裂爆破,就是首先起爆布置在设计轮廓线上的预裂爆破孔药包,形成一条沿设计轮廓线贯穿的裂缝,再在该人工裂缝的屏蔽下进行主体开挖部位的爆破,保证保留岩体免遭破坏。

光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体,然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包,将光爆层炸除,形成一个平整的开挖面。

预裂爆破和光面爆破在坝基、边坡和地下洞室岩体开挖中获得了广泛应用。

(一)成缝机理

预裂爆破和光面爆破都要求沿设计轮廓产生规整的爆生裂缝面,两者成缝机理基本一致。现以预裂缝为例论述它们的成缝机理。

预裂爆破采用不耦合装药结构,其特征是药包和孔壁间有环状空气间隔层,该空气间隔层的存在削减了作用在孔壁上的爆炸压力峰值。因为岩石的抗压强度远大于抗拉强度,因此可以控制削减后的爆压不致使孔壁产生明显的压缩破坏,但切向拉应力能使炮孔四周产生径向裂纹。加之孔与孔间彼此的聚能作用,使孔间连线产生应力集中,孔壁连线上的初始裂纹进一步发展,而滞后的高压气体的准静态作用,使沿缝产生气刃劈裂作用,使周边孔间连线上的裂纹全部贯通成缝。

(二)质量控制标准

(1)开挖壁面岩石的完整性用岩壁上炮孔痕迹率来衡量,炮孔痕迹率也称半孔率,为开挖壁面上的炮孔痕迹总长与炮孔总长的百分比率。在水电部门,对节理裂隙极发育的岩体,一般要求炮孔痕迹率达到10%～50%;节理裂隙中等发育者应达50%～80%;节理裂隙不发育者应达80%以上。围岩壁面不应有明显的爆生裂隙。

(2)围岩壁面不平整度(又称起伏差)的允许值为±15cm。

(3)在预裂面上,预裂缝宽度一般不宜小于1cm。实践表明,对软岩(如葛洲坝工程软岩)预裂缝宽度可达2cm以上,而坚硬岩石预裂缝难以达到1cm。

(三)预裂爆破与光面爆破参数选择及装药量计算

1.经验数据法

预裂爆破装药量建议按表1-5选用。光面爆破装药量不仅与钻孔直径、孔距有关,还与最小抵抗线有关,建议参照表1-6选用。

2.装药量计算的经验公式

我国于20世纪70年代末期提出许多依据不同岩石抗压强度与孔径和孔距等有关的预裂爆破装药量计算公式,现推荐下式:

在岩体内进行预裂爆破,用岩石极限抗压强度显然是不合理的,应当用岩体抗压强度,因岩体内存在节理裂隙,影响预裂的效果。因此,若用岩体抗压强度代替岩石极限抗压强度,可将岩石极限抗压强度减低10%～30%计算。

光面爆破药量计算在国内尚没有较为成熟的经验公式,按水电工程的应用经验,一般用式(1-16)计算,然后再减少10%～30%进行施工。

(四)装药结构设计

合理的装药结构应满足下列要求:从孔口到孔底线装药密度的变化应与岩性的变化相适应;导爆索上的药卷应均匀分布,药卷间的中心距离不大于50cm。设计的线装药密度q,可作为中段装药密度q中。在岩性均匀部位,装药结构分成三段,如图1-23所示。

(1)孔口段。根据地面岩石风化程度确定线装药密度。一般q孔口=(1/2～1/3)q中,装药长度1～2m。在地面岩石坚硬完整部位,q孔口=q中。

(2)中间段。是预裂爆破的主要装药段,对预裂缝的形成和预裂缝的宽度起控制作用,q中=q。

(3)孔底段。底部装药量随着孔深增加而加大,集中分布在孔底1～2m范围内,以克服岩体底部对预裂缝面的夹制力。底部线装药密度可参照下列数据:

当孔深超过20m时,可根据地质等条件酌情处理。

全孔为不耦合装药,不耦合系数m(孔径与药卷直径之比)一般取2～3。

预裂爆破中还须注意以下几个方面:

(1)为了保证预裂缝面能延伸至建基面,又不伸入基础,均钻至建基面终孔。药卷底部与建基面间预留0.2m的空隙。

(2)紧邻预裂缝面的梯段爆破最后一排炮孔称为缓冲孔。缓冲孔与预裂缝的距离应考虑岩石性质、药包直径大小、梯段爆破起爆方式及炮孔排数等综合因素。对于岩性软弱、节理裂隙发育的岩石,在爆炸力作用下,岩体稍松动即可挖除,缓冲孔与预裂缝间距可控制在2m内。对于中等强度,整体性较好的岩石,如砂岩、砾岩等,间距应控制在1.0m以内。

缓冲孔的药包直径应小于梯段爆破主爆孔的药包直径,一般为主爆孔药径的1/2～2/3。为了根除炮根和防止爆破对后冲方向岩体的破坏,底部1～2m药包直径应同主爆孔,上部1～2m视炮孔至预裂缝面的距离而定,距离近,应布置小直径药包。缓冲孔单位耗药量同主爆孔,单孔药量应为主爆孔的1/2～2/3,因此其抵抗线和孔距均小于主爆孔。缓冲孔距应不小于抵抗线。

(3)有临空面条件的预裂爆破。在有临空面的情况下,进行预裂爆破时,爆炸应力有可能使缝面前的岩体向临空面方向移动或坍塌,这主要取决于岩石的性质与台阶宽度。台阶宽度小于5m时,不论何种岩石,预裂爆破均应与松动爆破同一次进行,预裂炮孔提前75～100ms起爆,若不同次进行,会给后期造成困难;台阶宽度5～10m时预裂爆破与梯段爆破也可同次进行;若台阶宽度大于10m,岩体内无软弱水平层时,可按一般施工程序进行。

(4)预裂爆破振动大于光面爆破,某些条件下,采用预裂爆破减振微弱而不适宜,采用光面爆破可有效控制边坡坡面平整和稳定。