爆破工程

第二章爆破工程在水利工程施工中，爆破是经常采用的一种施工方法。它可用于开挖，如，基坑和明渠的开挖、地下工程（包括隧洞、地下厂房等）的开挖、石料开采（用于截流、混凝土的骨料）、定向爆破、水下爆破和拆除爆破等等。所以，探索爆破机理，掌握爆破技术，具有十分重要的意义。第一节爆破基本原理及药量计算第二节钻孔机具和爆破器材第三节爆破的基本方法第四节特种爆破技术第五节爆破安全控制(略)本章内容第一节爆破基本原理及药量计算•一、无限介质中的爆破•二、有限介质中的爆破作用•三、药包种类和药量计算基本概念：爆炸、爆破•爆炸：经过化学反应，将炸药的化学能转变为机械能和其它形式的能，产生高温高压气体，并伴有声光效应的现象。•爆破：利用爆炸产生的能量，改变和破坏周围介质的过程。一、无限介质中的爆破•1、两个假设(介质无限、介质均匀)•2、爆破结果：压缩圈(粉碎圈)、抛掷圈、松动圈、震动圈•3、分析•①爆炸能量以冲击形式作用于介质，在介质中产生应力波，产生裂缝；•②高温高压膨胀气体，使介质挤压，裂缝扩大；•③a.压缩圈：最靠近药包的介质变为熔融状的塑性状态(30000C高温、5~10万个大气压），随着冲击波的外移，温度、压力降低，介质向中心运动形成压缩圈或粉碎圈；b.破碎圈（抛掷圈、松动圈）：随冲击波传播，一方面介质回弹，产生径向拉应力，形成环向裂缝。另一方面向外膨胀形成环向拉应力产生径向裂缝；c.震动圈：冲击波已减弱，仅使其产生震动。二、有限介质中的爆破作用1、临空面-两种介质分界面。•①反射拉力波：弧状裂缝—使临空面形成一个弧状板块—新临空面—向纵深发展；•②聚能作用a.爆炸偶极子(电偶极子)b.临空面聚能2、爆破漏斗•①定义：在有限介质中埋设集中药包进行爆破，将炸成以药包中心为顶点的倒圆锥形爆破坑，形如漏斗，称为爆破漏斗。•②成因分析：a弧状裂缝依次向纵深发展、径向裂缝、环向裂缝、临空面上裂缝、非均质无规律裂缝；b高压高温气体产生抛掷。•③爆破作用指数及爆破分类(按n值)爆破漏斗的几何特征•W—最小抵抗线，即药包中心至临空面的最短距离；•r—爆破漏斗底半径；•R—爆破作用半径；•P—可见漏斗深度；•L—抛掷距离。爆破作用指数比值最能反映爆破漏斗的几何特征，称之为爆破作用指数。当n=1，即r=W时，称为标准抛掷爆破；当n1，即rW时，称为加强抛掷爆破；当0.75n1时，称为减弱抛掷爆破；当0.33n0.75时，称为松动爆破；当n0.33，即r=W时，称为隐藏式爆破。隐藏式爆破：岩石的临空面没有被破坏，仅是药包周围的岩石被炸碎。抛掷爆破多用于爆破筑坝及开渠;松动爆破多用于开挖基坑、隧洞、开采石料。Wrn三、药包种类及药量计算1.药包的种类根据形状的不同，药包分为集中药包和延长药包。(1)一般爆破用药包的最长边L与最短边b的比值来进行划分：L/b：L/b4时，为延长药包L/b4时,为集中药包（2）大爆破常用集中系数来区分药包的类型，式中，b—药包中心至药包最远点的距离，m；V—药包的体积，m3。当Φ：≥0.41时，为集中药包；0.41时，为延长药包。bV362.02、药量计算•药包药量与爆落体体积成正比：Q＝KVQ—药量；V—爆落体体积；K—系数，隐含了各种因素（1）集中药包A、标准抛掷爆破（n=1，即r=W）Q＝KW3注：V=(1/3)πr3≈W3，式中，K—单位体积耗药量，m3；为标准情况下的K值；W—最小抵抗线长度，m。B、其它爆破药量计算（基于标准抛掷爆破药量计算公式，引入n的函数f(n)，计算其它爆破药量）其它爆破药量计算：Q＝KW3f(n)a、标准抛掷爆破：f(n)=1b、加强抛掷爆破：f(n)=0.4+0.6n3c、减弱抛掷爆破：f(n)=((4+3n)/7)3d、松动爆破：f(n)=n3(2)延长药包（略）第二节钻孔机具和爆破器材一、钻孔机具•浅孔：轻型手提式风钻（向下垂直孔）、支架式重型风钻（向上及倾斜孔）•深孔：1）回转式钻机X—300型（钻孔深度300m）；可取岩芯（岩芯钻孔）；装不同钻头；可钻斜孔；直径90-100mm2）冲击式钻机只钻垂直孔；借助偏心的传动，结构完成向下冲击、向上提升；直径130—500mm3）潜孔钻既有回转，又有冲击；孔深不超过8m；可钻斜孔；效率高；直径170mm常用钻孔机械适用范围凿岩机类型适用范围相应岩石级别及f手提式风钻轻型(20-22kg)中等或中等难钻岩石V-VIIf=1-4中型(20-28kg)中上等和难钻岩石VII-Xf=4-12支架式重型风钻重型(25-35kg)难和很难IX-XIIIf=8-18回转式钻机很难和极难XII-XVIf14冲击式钻机很难和极难XII-XVIf14潜孔钻很难和极难XII-XVIf14100gRf钻进牢固系数（普氏牢固系数）Rg—岩石试件轴向抗压强度（kg/cm2）主要考虑因素1）岩石物理力学性能2）钻孔作业所需生产率3）开挖断面尺寸4）掘进方法5）炮孔直径和深度二、爆破器材（一）炸药1、炸药的性能指标(1)威力，以爆力和猛度表示。爆力—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。猛度—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。(2)最佳密度，炸药获得最佳爆破效果的密度。(3）氧平衡，炸药含氧量和氧化反应程度的指标。炸药的性能指标•零氧平衡：当炸药含氧量正好等于可燃物完全氧化所需的氧量，生成无毒的CO2和H2O，并释放大量热能。•正氧平衡：含氧量大于需氧量，生成有毒的NO2，释放较少的能量。•负氧平衡：含氧量不足，只生成有毒的CO，释放的热量仅为正氧平衡的1/3左右。(4)安定性，保持自身性质稳定不变的能力。(5)敏感性，在外界条件激发下，引起爆炸的难易程度。(6)殉爆距，相邻的爆炸引起药包爆炸的最大距离。2、常用的工业炸药①TNT(三硝基甲苯)(威力大，但不敏感，枪弹贯穿亦不爆炸)特点：难溶于水，爆炸气体中有co，威力大。适用：水下爆破，不能用于地下爆破。②胶质炸药(硝化甘油炸药)特点：抗水性强，炸气无有害气体、威力大，冻结温度高(13.2oc)适用：地下、水下冻结后敏感性增大，为了安全常加入二硝基乙二醇形成难冻结状态。③硝铵炸药(铵梯炸药)特点：敏感性小，爆气含毒少，易受潮(运输，保存中注意防潮)适用：地下常常加入35号柴油配成铵油炸药。2%(重量比)：敏感度最高；5~6%：爆力最大，且是零氧平衡④黑火药：硝石（60～75%)、硫磺(10～15%)、木炭(15～20%)。适用：导火线、爆破松软岩石。⑤乳化炸药，用于岩塞爆破。（二）起爆器材1、雷管根据点火装置的不同，分为火雷管和电雷管：火雷管：导火索—[正起爆药—副起爆药]即时电雷管：电线—[点火电桥—正起爆药—副起爆药]延发电雷管：电线—[点火电桥—缓燃剂—正起爆药—副起爆药]安全电雷管：电线—[安全电路—点火电桥—正起爆药—副起爆药]2、其他起爆器材•导火索–点燃黑火药或起爆火雷管，燃速一般为1m/s。•传爆线–高敏感性炸药卷成，外表涂成红色或红白间色已便与导火索区别。爆速大于6000m/s。必须用雷管引爆。•导爆管–外径为3mm、内径为1.4mm的塑料管，内壁涂有薄层炸药，爆速2000m/s，接头有专用连接元件。（三）起爆方式起爆方式有同时起爆，延期起爆1、同时起爆所有药包爆炸产生的应力迭加，增强爆破效果；但震动半径大，可能会影响周围岩石或建筑物，常常限制一次爆破的药量。2、延期起爆控制一次起爆的炸药量，减小震动影响；人为创造临空面。（四）起爆方法•1、火花起爆–火花点燃导火索—火雷管—[药包]–设备简单，操作方便，用于小规模爆破。•2、传爆线起爆–雷管（火或电雷管）引爆—传爆线—（雷管）—[药包]•3、导爆管起爆–雷管（火或电雷管）引爆—导爆管—（雷管）—[药包]传爆线、导爆管起爆网路连接简单，操作安全，但成本比电气起爆昂贵。为了准爆常布置复式网络。•4、电气起爆–通电—电雷管—[药包]–适用于远距离、同时或分段起爆大规模药包群。–电爆网络联接方式及设计计算电爆网路联结常用电爆网路联结有串联法、并联法和混合法。电爆网路准爆条件同一串联线路内雷管间的电阻差不得大于0.25W；不同种类的延发雷管不能接在同一串联线路内；并联的各支路电阻应保持平衡。电爆网路联结示意图第三节爆破的基本方法一、孔眼爆破二、洞室爆破三、改善爆破效果的方法和措施一、孔眼爆破（炮孔布置原则，布孔的技术参数，药量计算，堵塞长度验算）根据孔径的大小和孔眼的深度可分为浅孔爆破法和深孔爆破法。浅孔爆破法：孔径小于等于75mm，孔深小于等于5m。适用于小规模爆破，适应性较强，有利于控制开挖面的形状和规格，使用的钻孔机具简单易操作；但生产效率低。深孔爆破法：孔径大于75mm，孔深大于5m。适用于大规模、高强度爆破，如料场和基坑的采挖。上述两种爆破方法可以起到互补的作用。（一）炮孔布置原则1.充分利用临空面；2.创造更多的临空面；3.可能的情况下，形成阶梯式开挖。（二）布孔的技术参数（WP、H、L、a、b）1.计算抵抗线长度WP(m)浅孔WP=KWd深孔式中，KW—岩石性质对抵抗线的影响系数，通常用15~30，岩性越软弱取值越大；d—炮孔直径，浅孔以m计，深孔以mm计；H—阶梯高度，m；D—岩石硬度影响系数，一般取0.46~0.56；h—阶梯高度系数，见表2-2。150dHDWp阶梯高度2.阶梯高度H(m)浅孔H=KHWP式中，KH为防止爆破顶面逸出的系数，通常采用1.2-2.0。深孔爆破的阶梯高度，主要根据总挖深、地层岩石情况以及挖掘机对掌子面的要求等因素综合考虑。炮孔深度3.炮孔深度L(m)浅孔（竖直钻孔）L=KLH深孔(竖直钻孔)L=H+DH式中，KL—岩性对孔深的影响系数；通常，对于坚硬岩石取KL=1.1~1.15,中等坚硬岩石取KL=1.0,松软硬岩石取KL=0.85~0.95。DH—超钻深度,m,DH=(0.12~0.3)WP炮孔间距4.炮孔间距a(m)浅孔a=KaWP深孔a=(0.7~1.4)WP式中，Ka—起爆方式对孔距的影响，对火花起爆，取Ka=1.0~1.5；对电气起爆，取Ka=1.2~2.0。炮孔排距5.炮孔排距b(m)孔眼爆破，无论浅孔、深孔，双排布孔呈等边三角形，多排呈梅花形。b=asin60o=0.87a(三)药量计算孔眼爆破的药量计算（群孔松动爆破）Q=0.33KV=0.33KHWPa•根据孔径及最小堵塞长度，进行复核，是否满足允许最大装药长度的要求，否则应调整参数。（四）堵塞长度验算炮孔的最小堵塞长度Lmin(m)浅孔深孔2/minLLPWLmin二、洞室爆破（导洞与药室、参数计算、洞室爆破施工要点）进行大规模的采料，则要开凿洞室，在洞室中装药进行爆破，该洞室即为药室，药室用平洞或竖井相连。在药室中装药后，将平洞或竖井堵塞。（一）导洞与药室导洞与药室•在同样条件下，尽量用平洞；•平洞或竖井皆不宜太长；•有明显可利用的自由面时，则采用平行自由面的平洞进行条形布药。•集中装药的药室以立方体为好。（二）洞室参数计算1、洞室体积的计算：式中：V—药室体积，m3；C—炸药的装填系数；它与药室支护及装药方式有关；有支护，取1.5~1.8,无支护，取1.1~1.25；散装炸药取小值,袋装炸药取大值；Q—装药量，t；D—炸药密实度。DQCV2、药室间距与排距药室间距a(m)a=(1.1-1.2)WP药室排距b(m)b=(1.3-1.4)WP式中，WP—相邻药室的平均最小抵抗线长度，m。WP=(0.6-0.8)H（三）洞室爆破施工要点1.装药2.堵塞3.起爆系统三、改善爆破效果的方法和措施1.合理利用或创造自由面；2.利用毫秒微差挤压爆破；3.分段装药爆破；4.采用不耦合装药；5.保证堵塞长度和堵塞质量。第四节特种爆破技术特种爆破技术包括定向爆破、光面爆破、预裂爆破、岩塞爆破和拆除爆破。又称控制爆破。定向爆破原理及筑坝技术定向爆破原理爆破时，被炸介质总是沿药包中心至临空面的最短距离，即最小抵抗线的方向抛射。定向爆破正是利用该原理，在爆破过程中合理