第六章爆炸工程

1第6章爆破工程施工本章要求：（一）了解爆破基本原理；（二）了解爆破器材、炸药性能及装药量；（三）熟悉爆破的基本方法及提高爆破效率的措施；（四）掌握控制爆破技术的适用条件及方法；（五）掌握爆破安全技术措施现代水利水电工程施工中，越来越多地采用爆破方法来完成一些特定的施工任务，如基坑开挖，地下建筑物施工，石料开采，隧洞（隧道）的开挖，定向爆破筑坝或截流，库区清理，渠道开挖，松动爆破，水下爆破，控制拆除爆破等。探索和分析爆破机理，正确掌握各种爆破技术，可加快工程进度，保证工程质量和降低工程成本。6.1概述6.1.1爆破基本原理炸药爆炸属于化学反应。它是指炸药在一定起爆能（撞击、点火、高温等）的作用下，在瞬时发生化学分解，产生高温、高压气体(如CO2、CO、NO、NO2、H2O等)，对相邻的介质产生极大的冲击压力，并以波的形式向四周传播。若在空气中传播，称为空气冲击波，在岩土中传播，则称为地震波。爆破是炸药爆炸对周围介质的作用。它主要利用炸药爆炸瞬时释放的能量，使介质压缩、松动、破碎或抛掷等，以达到开挖或拆毁的目的。冲击波通过介质产生应力波，如果介质为岩土，当产生的压应力大于岩土的压限时，岩土被粉碎或压缩，当产生的拉应力大于岩土的拉限时，岩土产生裂缝，爆炸气体的气刃效应则产生扩缝作用。1.无限均匀介质中的爆破当爆破在无限均匀的理想介质（所谓“无限”是相对的，当炸药埋置很深或药量很少时，爆炸影响范围内无其它介质；“均匀”则是理想状态，本章主要讨论岩土介质）中进行时，冲击波以药包中心为球心，呈同心球向四周传播。由于各向同性介质的阻尼作用，随着距球心距离的增大，冲击压力波逐渐衰退，直至全部消逝。若用一平面沿爆心剖切，可将爆破作用的影响范围划分为如图3-1所示的三个作用圈。2(1)压缩圈（粉碎圈）爆炸冲击波产生的压应力大于岩土的压限时，紧邻药包的介质若为塑性体(土体)，将受到压缩，形成一空腔；若为脆性体(岩体)，将遭粉碎，形成粉碎圈，相应半径为压缩半径或粉碎半径Rc。(2)破坏圈由于冲击波逐渐衰减，该圈内爆炸冲击波产生的压应力小于岩土的压限，但爆炸冲击波产生的环向拉应力和在波阵面上产生的切向拉应力大于岩土的拉限时，将分别引起径向裂缝和弧状裂缝，紧随其后的爆炸气体产生扩缝作用，岩土被破坏。该圈内靠近粉碎圈的部分介质除了破坏外，介质中尚有余裕的抛掷势能，有临空面时，这部分介质将发生抛掷，这个范围称为抛掷圈，相应的半径称为抛掷半径R。抛掷圈外的一部分介质，爆炸作用只能使其松动破裂，这一范围称为松动圈或破裂圈，相应的半径称为松动半径或破裂半径Rp。(3)震动圈松动圈外的部分介质，随着冲击波作用的进一步衰减，爆炸冲击波产生的压应力和拉应力都分别小于岩土的压限和拉限，只能使这部分介质产生震动，称为震动圈，相应的半径称为震动半径Rz。以上各圈只是为说明爆破作用而划分的，并无明显界限，其作用半径的大小与炸药特性、炸药用量、药包结构、爆炸方式以及介质特性等密切相关。2.有限均匀介质中的爆破(1)自由面（临空面）土岩介质与空气介质的交界面往往称为自由面或临空面。当自由面（临空面）在爆破作用的影响范围以内时，自由面将对爆破产生聚能作用和反射拉力波作用。假若在无限介质中有两个空穴，A装有球形药包，B为空孔。药孔A爆炸后，由于空孔B表面没有阻力，冲击波不再呈球状向四周扩散，而是向B孔集中，犹3如空孔成了吸引介质流的中心，如图6-2所示。若将药包视为阳极，空孔视为阴极，二者相当于静电学上的电偶关系，所以聚能作用也称爆炸偶极子作用。自由面可看作是无限大的空穴。冲击波由岩石介质到空气介质，越过临空面时将产生反射，形成拉力波。此拉力波形成的拉应力与由药包传来的压力波产生的压应力之差超过岩石的抗拉强度时，便从临空面向药包反射，引起弧状裂缝。与此同时，压力波在岩石中的传播，其波阵面产生切向拉应力，从而引起径向裂缝。于是，环向裂缝和径向裂缝将岩石切割成碎块。加之天然岩体本身存在不规则的节理和裂缝，且与药包距离不等，能量分布不均，使实际爆后的岩石成为形状各异、大小不等的块体。(2)爆破漏斗有限介质中的爆破，当药包的爆破作用具有使部分介质抛向临空面的能量时，往往形成一个倒立圆锥形的爆破坑，形如漏斗，如图6-3所示。爆破漏斗的几何特征参数有：药包中心至临空面的最短距离，即最小抵抗线长度W，爆破漏斗底半径r,爆破作用半径R，可见漏斗深度P和抛掷距离L。爆破漏斗的几何特性反映了药包重量和埋深的关系，反映了爆破作用的影响范围。显然，爆破作用指数n=r/W最能反映爆破漏斗的几何特性，它是爆破设计中最重要的参数。n值大形成宽浅式漏斗，n值小形成窄深式漏斗，甚至不出现爆破漏斗，故可用n值大小对爆破进行分类。当n=1，称为标准抛掷爆破；当n1，称为加强抛掷爆破；当0.75n1，称为减弱抛掷爆破；当0.33n≤0.75，称为松动爆破；当n≤0.33，称为隐藏式爆破。以上各类爆破的药包分别称为标准抛掷药包、加强抛掷药包、减弱抛掷药包、松动药包和炸胀药包。图6-3爆破漏斗示意图抛掷爆破抛起的部分碴料回落到漏斗坑内，形成可见漏斗，其深度P可按式6-1计算：P=CW（2n-1）（6-1）式中，C为介质系数。对岩石C=0.33，对粘土C=0.4。抛掷堆积距药包中心的最大距离称为抛距L，可按式6-2计算：4L=5nW（6-2）式中，n为爆破作用指数，W为最小抵抗线长度。3.炸药及药量计算(1)炸药的主要性能指标爆破应根据岩石性质和施工要求选择不同特性的炸药。反映炸药特性的基本性能指标有威力、安定性、敏感度、最佳密度、氧平衡、殉爆距、稳定性等。1）威力。以爆力和猛度表示，前者又称静力威力，用定量炸药炸开规定尺寸铅柱体内空腔的容积来表示，它表征炸药破坏一定体积介质的能力。后者又称动力威力，用定量炸药炸塌规定尺寸铅柱体的高度来表示，它表征炸药爆炸时粉碎一定体积介质的能力。威力的大小主要反映在爆速、爆热、爆温、爆气量与爆压等几方面。2）安定性。是指炸药在长期贮存和运输过程中，保持自身物理和化学性质稳定不变的能力。物理安定性主要有吸湿、结块、挥发、渗油、老化、冻结、耐水等性能。化学安定性取决于炸药的化学性能。例如：硝化甘油类炸药在50℃时开始分解，如果热量不能及时散发，可能引起自燃与爆炸。3）敏感度。是指炸药在外界能量的作用下，发生爆炸的难易程度。不同的炸药对不同的外界能量的敏感程度往往是不可比的。炸药的敏感度常用爆燃点、发火性、撞击敏感度和起爆敏感度等来表示。爆燃点是指在规定时间内（5min）使炸药发生爆炸的最低温度；发火性是指炸药对火焰的敏感程度；撞击敏感度是指炸药对机械作用的敏感程度；起爆敏感度是指引起炸药爆炸的极限药量。炸药的敏感度，常随掺和物的不同而改变。例如：在炸药中掺有棱角坚硬物（砂、玻璃、金属屑等）时敏感度提高；当掺有水、石蜡、沥青、油、凡士林等柔软、热容量大、发火点高的掺和物时，敏感度降低。4）最佳密度。是指炸药能获得最大爆破效果的密度。炸药密度凡高于和低于此密度，爆破效果都会降低。5）氧平衡。是炸药含氧量和氧化反应程度的指标。当炸药的含氧量恰好等于可燃物完全氧化所需要的氧量，则生成无毒CO2和H2O，并释放大量热能，称零氧平衡。若含氧量大于需氧量，生成有毒的NO2，并释放较少的热量，称正氧平衡。若含氧量不足，只能生成有毒的CO，释放热量仅为正氧平衡的1/3左右。显然，从充分发挥炸药化学反应的放热能力和有利于安全出发，炸药最好是零氧平衡。考虑到炸药包装材料燃烧的需氧量，炸药通常配制成微量的正氧平衡。氧平衡可通过炸药的掺和来调整。例如TNT炸药是负氧平衡，掺入正氧平衡的硝酸铵，使之达到微量的正氧平衡。对于正氧平衡的炸药药卷，也可增加5包装纸爆炸燃烧达到零氧平衡。6）殉爆。是由于一个药包的爆炸引起与之相距一定距离的另一药包爆炸的现象。殉爆距是能够连续三次使该药包出现殉爆现象的最大距离。炸药起爆后，若能以恒定不变的速度自始至终保持完整的爆炸反应，称为稳定的爆炸。在钻孔爆破中影响爆炸稳定性的因素有药包直径（d）和炸药密度（ρ）。(2)常用工程炸药的种类炸药一般分为起爆炸药和主炸药。起爆炸药是用于制造起爆器材的炸药。其主要特点有：敏感度高；爆速增加快，易由燃烧转为爆轰；安定性好，特别是化学安定性好；有很好的松散性和压缩性。常用的起爆炸药主要有：雷贡Hg（CNO）2，50℃开始分解，160℃爆炸，对温度敏感；氮化铅Pb（N3）2，比雷贡迟钝，不溶于水；二硝基重氮酚C6H2O5N4，安定性好，起爆能力强，相对安全，价格便宜等。主炸药是产生爆破作用的炸药。其主要特点是：威力大，能被普通雷管引爆；成本低，种类多（适用于各种条件），安全可靠。工程中常用炸药主要有三硝基甲苯（TNT）、胶质炸药、铵梯炸药、浆状炸药、乳化炸药、黑火药等。TNT是一种烈性炸药，呈黄色粉末或鱼鳞片状，热安定性好，遇火能燃烧（特别条件下能转为爆炸），机械敏感度低，难溶于水，可用于水下爆破。爆炸后呈负氧平衡，故一般不用于地下工程。爆破爆速7000m／S，爆热950千卡／Kg，价格昂贵。由于威力大，常用来做副起爆药(雷管加强药)。胶质炸药的主要成份是硝化甘油，威力大、密度大、抗水性强，可做副起爆炸药，可用于水下和地下爆破工程。它价格昂贵,爆力500mL,猛度22-23mm。如国产SHJ—K水胶炸药，不仅威力大，抗水性好，且敏感度低，运输、贮存和使用均较安全。铵梯炸药是淡黄色粉末，本身有毒但爆炸气体无毒，敏感度小，价格低，易潮湿结块。主要成分是硝酸铵加少量的TNT（敏感剂）和木粉（可燃剂）混合而成。调整三种成份的百分比可制成不同性能的铵梯炸药。国产铵梯炸药品种有：露天铵锑炸药1＃、2＃、3＃、岩石铵锑炸药1＃、2＃和安全铵锑炸药等。主要性能指标如表6－1。表6－1铵锑炸药性能指标性能1＃岩２＃岩１＃露２＃露３＃露炸力（毫升）350320300250230猛度（毫米）13121185殉爆距（cm）65432密度（g/cm3）0.45～1.10.95～1.10.85～1.10.85～1.10.85～1.16硝酸铵加入一定配比的松香、沥青、石蜡和木粉，可改善炸药的吸湿性和结块性，用于潮湿和有少量水的地方，爆破中等坚固的岩石；加入一定成份的35号柴油，则可制成性能良好的铵-油炸药。浆状炸药可以是非粘稠的晶质溶液、粘稠化的胶体溶液或粘稠并交联的凝胶体。几乎所有的浆状炸药都含有增稠的胶凝剂，含有水溶性剂的浆状炸药又叫水胶炸药。水胶炸药性能主要取决于其配方和胶凝系统的制造工艺。其优点是炸药密度、形态及其性能可在较大的范围内调整，有突出的抗水性能，但其抗冻性和稳定性有待改善。乳化炸药是以氧化剂水溶液与油类经乳化而成的油包水型的乳胶体作爆炸性基质，再添加少量氯酸盐和过氯酸盐作辅助氧化剂。乳化剂胶体是乳化炸药中的关键组成部分。乳化剂是一种表面活性剂，用来降低水油的表面张力，形成水包油或油包水的乳化物。乳化炸药的爆速较高，且随药柱直径增大、炸药密度增大而提高。其抗水性能强，爆炸性能好。黑火药由60～75％硝石加10～15％硫磺再加15～25％木炭掺合而成，制作简单、成本低廉、易受潮、威力小，适用于爆破松软岩石和做导火索。(3)药量计算在进行药量计算时，应首先分清药包的类型，因为药包的类型不同，药量计算也不一样。按形状，药包分为集中药包和延长药包。当药包的最长边与最短边的比值L/a4时，为集中药包；当L/a〉4时，为延长药包。对于洞室爆破，常用集中系数Φ来区分药包的类型。当Φ0.41时为集中药包；反之，为延长药包或条形药包。中的计算见（6-3）式Φ＝0.62bv3(6-3)式中b―药包中心到药包最远点的距离，m；Ｖ―药包的体积，m3对单个集中药包，药量可按式6－4计算：Ｑ＝KW3f(n)(6-4)式中Ｋ―单位耗药量，kg/m3，Ｗ―最小抵抗线长度，m；f(n)－爆破作用指数函数。标准抛掷爆破f(n)＝１；加强抛掷爆破f(n)＝0.4+0.6n3；减弱抛掷爆破f(n)＝[（4+3n）/7]3；松动爆破f(n)＝n3。爆破设计时，标准抛掷爆破的单位用药量Ｋ