洞室爆破详解

自20世纪50年代以来，我国已将硐室爆破(chamberblasting)技术广泛应用于矿山、交通、水利水电、农田基本建设和建筑工程等领域，并成功地实施了多次万吨级的爆破。第七章硐室爆破惠州大亚湾芝麻洲3250吨炸药硐室大爆破录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供土石方定向抛掷爆破单击播放窗口控制播放和暂停硐室爆破是将大量炸药装入专门开凿的硐室或巷道中进行爆破的方法。根据爆破总装药量把硐室爆破分为A、B、C、D四级。第一节硐室爆破特点及设计要求1.装药量大于1000ｔ，属于A级；2.装药量在500～1000ｔ，属于B级；3.装药量在50～500ｔ，属于C级；4.装药量小于50ｔ，属于D级。一、硐室爆破的特点１．硐室爆破的优点（1）爆破方量大、施工速度快,尤其是在土石方数量集中的工点，如铁路、公路的高填深挖路基、露天采矿的基建剥离和大规模的采石工程等，从导硐、药室开挖到装药爆破，能在短期内完成任务，对加快工程建设速度有重大作用。（2）施工简单、适用性强,在交通不便、地形复杂的山区，特别是对于地势陡峻地段、工程量在几千立方米或几万立方米的土石方工程，由于硐室爆破使用设备少，施工准备工作量小，因此具有较强的适用性。（3）经济效益显著对于地形较陡、爆破开挖较深、岩石节理裂隙发育、整体性差的岩石，采用硐室爆破方法施工，人工开挖导硐和药室的费用大大低于深孔爆破的钻孔费用，因此，可以获得显著的经济效益。2．硐室爆破的缺点（1）人工开挖导硐和药室，工作条件差，劳动强度高；（2）爆破块度不够均匀，容易产生大块，二次爆破工作量大；（3）爆破作用和震动强度大，对边坡的稳定及周围建（构）筑物可能造成不良影响。二、硐室爆破设计要求及内容设计工作要求硐室爆破设计，必须按规定的设计程序、内容和工程要求进行。在设计前，必须对爆破区进行地形地质勘测。勘测的范围包括：爆破开挖区和抛填区域，爆破临近的深沟陡坡和可能波及的不稳定岩体。硐室爆破技术设计阶段，一般应采用1:500的地形图。装药前，对各主药室应补测最小抵抗线方向1:200的地形剖面图，以保证装药量的计算精度。《大爆破安全规程》还规定，D级硐室爆破设计也应进行地形测量，地形图的比例和精度为1:200～1:500。地质测绘应查明：爆破区岩土介质的类别、性质、成分和产状分布及物理力学指标；爆破影响区的地质构造（断层、溶洞、层理、裂隙和不稳定岩体的产状分布和形态），水文地质条件等。２．设计内容硐室爆破设计应编制成爆破设计书，设计书由设计说明书和图纸组成。说明书的主要内容包括：工程概况及技术要求；爆破区地形、地质、水文地质及环境状况，技术特征与条件；设计方案选择与论证；药室及硐室布置、爆破参数选择与计算；药室、导硐开挖设计；（接下页）爆破工程量与爆破器材需要量计算；装药、堵塞、起爆网路设计；爆破安全距离计算；安全技术与措施；爆破施工组织；工程投资概算；主要技术经济指标等。设计图纸有：爆破区平面图和剖面图、药室布置平面图和剖面图、药室和导硐开挖图、装药结构图、起爆网路敷设图、爆破危险范围图等。一、爆破类型选择硐室爆破按爆破作用可划分为如下形式：第二节爆破类型选择与药包布置标准松动爆破减弱松动爆破加强松动爆破标准抛掷爆破扬弃爆破定向抛掷爆破松动爆破抛掷爆破按爆破目的或爆破作用划分集中药包条形药包按药室形状划分硐室爆破进行硐室爆破时，应根据爆区的地质地形条件，爆区所处的环境及爆破技术要求等因素确定爆破类型。主要爆破类型的适用条件如下：1．正常松动爆破在解理裂隙发育、可以保证爆岩大块率较低的地方，宜采用松动爆破；在爆岩可以靠重力作用滑移出爆破漏斗的陡坡地段，也可采用松动爆破。一般药包的最小抵抗线小于15～20m。单位耗药量应在0.5kg/m3左右、爆堆集中、对爆区周围岩体破坏较小。2．加强松动爆破加强松动爆破在矿山应用较为广泛，其单位耗药量可以达到0.8～1.0kg/m3。一般当药包的最小抵抗线大于15～20m时，为了充分破碎矿岩和降低爆堆高度，采用加强松动爆破。3．抛掷爆破根据爆破作用指数的取值，抛掷爆破分为：加强抛掷爆破、标准抛掷爆破和减弱抛掷爆破。在工程实践中，根据地面坡度的不同，抛掷爆破的爆破作用指数一般在1～1.5之间，抛掷率为60%左右。凡条件允许布置抛掷药包，能将部分岩石抛出爆区者，应考虑采用抛掷爆破方案。抛掷爆破对路堑边坡的稳定性有较大影响，因此，在较陡的地形条件下，用加强松动爆破也能将大量岩石抛出时，就不应采用标准抛掷爆破或加强抛掷爆破。４．扬弃爆破在平坦地面或坡度小于30°的地形条件下，将开挖的沟渠、路堑、河道等各种沟槽及基坑内的挖方部分或大部分扬弃到设计开挖范围以外，基本形成工程雏形的爆破方法，称为扬弃爆破。扬弃爆破需要利用炸药能量将岩石向上抬起并扬弃出去，故其单位耗药量高，爆破作用指数大，扬弃爆破的抛掷率一般在80％左右。在平坦地面，当爆破作用指数时，抛掷率为83％，单位耗药量在1.4～2.2kg/m3之间。５．定向抛掷爆破利用爆炸能量将大量土石方按照指定方向，抛掷到一定位置并堆积成一定形状的建筑物的爆破方法，称为定向抛掷爆破。定向抛掷爆破减少了挖、装、运等工序，有着很高的生产效率。二、硐室爆破药包布置方式1．平坦地面扬弃爆破的药包布置平坦地面的扬弃爆破，通常是指横向坡度小于30°的加强抛掷爆破，可用于溢洪道与沟渠的土石方开挖。根据开挖断面的深度和宽度之间的关系，可布置单排药包、单层多排药包或者两层多排药包等形式，见图7-1a、b、c。W2(c)双层多排药包(a)单层单排药包(b）单层双排药包平坦地面扬弃爆破药包布置(c)双层单排单侧作用药包(a)单层单排单侧作用药包图7-2斜坡地形药包布置(b)单层双排单侧作用药包WW2W1W2W1根据铁路公路爆破的经验，对于开挖断面底宽在8m以内的单线路堑，或者岩石边坡为1：0.5～1：0.75挖深在16m以内的路堑，以及边坡为１：１挖深在20m以内的路堑，均可布置单层药包。当挖深超过上述数据，或者底宽小于８ｍ挖深却大于10m时，可布置两层药包。（e）单层双排单侧作用的不等量药包（b）单层多排药包主药包双侧作用辅助药包单侧作用W2（C）单层双排单侧作用药包W1图7-3山脊地形药包布置Ws（d）单层单排双侧不对称作用药包WpWpW（a）单层单排双侧作用药包W2WW1W3Ws2．斜坡地形的药包布置当地形平缓、爆破高度较小，最小抵抗线与药包埋置深度之比=0.6～0.8时，可布置单层单排或多排的单侧作用药包。如图7-2a、b所示。当地形陡，＜０.6时，可布置单排多层药包，如图7-2ｃ所示。3．山脊地形的药包布置当山脊两侧地形坡度较陡时，可布置单排双侧作用药包，药包两侧的最小抵抗线应相等，如图7-3ａ。当地形下部坡度较缓时，可在主药包两侧布置辅助药包，如图7-3ｂ；或者布置双排并列单侧作用药包，如图7-3c所示。当工程要求一侧松动，一侧抛掷（或一侧加强松动，一侧松动）时，可布置单排双侧不对称作用药包，如图7-3ｄ，或布置双排单侧作用的不等量药包，如图7-3ｅ。4．联合作用药包的布置在一些露天剥离爆破或平整场地的爆破中，当爆破范围很大时，可把整个爆破范围分为几个爆区，在各个爆区内根据地质地形条件，布置多层多排主药包和部分辅助药包。图7-4为贵州营盘坡山体松动爆破时西侧爆区一典型断面上的药包布置图，图中各种形式药包联合作用，达到松动石方、平整场地的目的。W=13mW=13mW=10mW=8m图7-4某硐室爆破工程典型断面上的药包布置基46+1201209.2W=24mW=17mW=26mW=17.5m116611381188W=30mW=19mW=25mW=30mW=17m基45+110W=10m5．定向抛掷爆破的药包布置定向抛掷爆破，药包布置的基本原理有下列几个方面：（1）最小抵抗线原理单药包爆破时，土岩向最小抵抗线方向隆起，形成以最小抵抗线为对称轴的钟形鼓包，然后向四方抛散，爆堆分布对称于最小抵抗线的水平投影，在最小抵抗线方向抛掷最远。根据此原理，工程上提出了“定向坑”或“定向中心”的设计方法，它是在自然的或者人为的凹面附近布置主药包，使主药包的最小抵抗线垂直于凹面，凹面的曲率中心就是定向中心，按这种形式布置药包，爆落土岩会朝着定向中心抛掷，并堆积在定向中心附近，获得定向抛掷和堆积的爆破效果。图7-5是根据最小抵抗线原理设计的水平地面定向爆破药包布置图。Q1为辅助药包，其最小抵抗线为W1，爆破漏斗AOB为主药包的定向坑。Q2为主药包，主药包以为OB临空面，其最小抵抗线为W2，主药包的埋置深度为H。为了保证爆破土岩沿方向抛出，并获得最大的抛掷距离，一般主药包的埋置深度和最小抵抗线之间应满足，且最小抵抗线与水平面的夹角以45°为宜。辅助药包一般提前于主药包1～2s爆破，以便形成定向坑，从而准确引导主药包的抛掷方向，实现定向抛掷爆破。2)8.1~3.1(WHCBAW1图7-5水平地面定向抛掷爆破药包布置定向坑OQ1Q2W2H主要抛掷方向(2）群药包作用原理两个或多个对称布置的等量药包爆破时，其中间的土岩一般不发生侧向抛散，而是沿着最小抵抗线的方向抛出。根据这一规律，布置等量对称的群药包，可将大部分土岩抛掷到预定地点，这种布置药包的设计方法，称为群药包作用原理。（3）重力作用原理在陡峭、狭窄的山间，定向爆破可以不使用抛掷爆破方法，而是布置松动爆破药包，将山谷上部岩石炸开，靠重力作用使爆松的土岩滚落下来，形成堆石坝体。实践表明，用这种方法筑成的坝体不会抛散，经济效果较好。这种利用重力作用的爆破方法，也称为崩塌爆破。图7-7是在山谷两侧布置松动爆破药包，实现定向爆破筑坝的工程示意图。图7-7定向爆破筑坝药包布置拟建大坝图7-6移挖作填定向爆破药包布置路基一、装药量计算（一）松动爆破装药量计算方法标准松动爆破的装药量计算公式为：（7-1）式中：—标准抛掷爆破的单位用药量系数，下同；—最小抵抗线，下同。式7-1也称为正常松动药包的药量计算公式。344.0kWQ第三节硐室爆破参数的选择与计算在松动爆破中，当药量大于这一标准时称为加强松动药包，小于这一标准称为减弱松动药包。多面临空和陡崖地形的崩塌爆破，装药量可按减弱松动爆破计算：（7-2）3)44.0~125.0(kWQ在比较完整的岩石或者矿山覆盖层剥离时，装药量可按加强松动爆破计算：(7-3）3)0.1~44.0(kWQ（二）抛掷爆破装药量计算平坦地面和山脊地形的双侧作用药包，装药量按公式（7-4）进行计算：（7-4）式中n——爆破作用指数。当0.75n1时，属于减弱抛掷（或加强松动）爆破；当n=1时，属于标准抛掷爆破；当n1时，属于加强抛掷爆破。)6.04.0(33nkWQ斜坡地面的抛掷爆破，当地面自然坡度大于30°时，由于爆破漏斗上方岩体的滑塌作用，装药量可按公式（7-5）修正计算：（7-5）(7-6))()6.04.0(33fnkWQ6363101025.05.010425.05.0)(f（坚硬完整岩体）（土质、软岩或中硬岩）式中：――斜坡地面爆破漏斗体积的增量函数，根据岩石的坚固性分别按下列公式计算：――地面坡度（°）。)(f（三）扬弃爆破装药量计算平坦地面或地面坡度小于30°的扬弃爆破，装药量的计算仍使用公式（7-4）。但有的文献提出，当时，应进行重力修正，即：15)6.04.0(33WnkWQmW15（岩石，）（7-7）20)6.04.0(33WnkWQ（土壤，mW20）（7-8）二、硐室爆破的爆破参数（一）最小抵抗线最小抵抗线W是药包布置的核心，它直接决定了硐室爆破是采用单层药包还是采用两层或多层药包布置方案。药包最小抵抗线的取值与山体的高度有关，对露天矿剥离和平整工业广场的硐室爆破，最小抵抗线W与山体高度H的比值控制在0.6到0.8之间。在爆破区域中心或最大挖深处，大药包的最小抵抗线可以在范围内，而在爆破区域边缘或挖深较小处，一般应保证最小抵抗线8～10ｍ，最小不宜小于5ｍ。药包布置时，在合理的范围内