7 毫秒延时爆破理论

7毫秒延时爆破理论（教材目录）7.1毫秒延时爆破原理7.2毫秒延时爆破间隔时间的确定7.3毫秒延时爆破的减震作用7.5光面爆破和预裂爆破学习要点：1、了解毫秒延时爆破的特点和破岩机理的几种假说；2、熟悉毫秒延时爆破减震机理；3、掌握光爆实质、特点、成缝机理和评价标准；4、掌握预裂爆破的概念、特点以及与光面爆破的区别。§7.1毫秒延时爆破原理毫秒延时爆破是一种相邻药包以极短的毫秒级时间间隔顺序起爆，使各药包造成的能量场相互影响而产生一系列良好的爆破效果，称之为毫秒爆破或微差爆破。7.1.1毫秒延时爆破破碎原理目前，国内外对毫秒延时爆破原理的分析意见尚不一致，现以露天台阶单排深孔爆破为例对目前公认的观点加以论述。有四种假说：应力波干涉假说自由面假说岩块碰撞假说剩余应力假说1）应力波干涉假说若相邻两装药同时爆炸，由于应力波的相互干涉，在两装药中间岩体某区域内将形成无应力或应力降低区，从而容易产生大块。但若使相邻的两装药间隔一定时间爆炸，即当先期爆炸装药在岩体内激起压缩波从自由面反射成拉伸波后，再引爆后期爆炸的装药，不仅能消除无应力区，而且能增大该区内的拉应力，改善破碎块度（图7.1）。图7.1瞬发爆破和微差爆破时相邻装药产生应力波干涉的比较a—瞬发爆破；b—微差爆破；1、2—起爆顺序2）自由面假说该假说认为，微差爆破能够改善岩石的破碎质量，是由于先期爆炸装药在岩体内已造成了某种程度的破坏，形成了一定宽度的裂隙和附加自由面，为后期装药爆炸创造了有利的破岩条件。按照这种假说，在各种微差爆破形式中（图7.2），以间孔或波形微差爆破的效果最好。此外，除间排微差爆破外，由于先期爆炸产生的新自由面改变了后期爆炸装药的作用方向（不再垂直原有自由面），故能减小岩石的抛掷距离和爆堆宽度，并为运动岩块相互碰撞、利用动能使之发生二次破碎创造了条件。图7.2微差爆破的各种型式a—间孔；b—波形；c—楔形；d—梯形；e—间排。3）剩余应力假说该假说的主要内容包括：（1）先期爆炸激起的爆炸应力波在岩体内形成动态应力场并产生一系列裂缝；（2）其后，岩体承受高压爆炸气体的作用，使裂缝进一步扩展，但随着爆炸气体的膨胀，压力不断降低；（3）后期爆炸装药应在先期爆炸装药产生的静态应力场尚未消失前起爆，利用先期爆炸装药在岩体产生的剩余应力来改善岩石的破碎质量。该假说与自由面假说是相辅相成的。4）岩块碰撞假说当先爆炮孔爆落的岩石尚未落地时，后爆炮孔爆下的岩石朝新形成的自由面方向飞散，利用其动能产生碰撞破碎，并使爆堆比较集中。其它由于微差爆破能够在很大程度上降低爆破震动的危害，于是又提出了地震波相互干扰的观点。该观点认为由于相邻炮孔之间有一个短的时间间隔，使得地震波相互干扰，因而减弱爆破地震效应。7.1.2微差爆破的特点1）增强了破碎作用，减小了岩石块度，降低了单耗；2）降低了地震效应；3）减小了抛掷，爆堆集中；4）能实现全断面一次爆破，缩短了爆破、通风时间；5）在有瓦斯、煤尘的工作面，总延时只要不超过130ms，可以采用微差爆破。7.2毫秒延时爆破间隔时间的确定7.2.1按应力波叠加原理确定时间间隔前苏联学者波克洛夫斯基提出，自由面岩石在先爆炸药产生的压应力波及气楔作用下，发生强烈变形，随着爆生气体的逸散，孔内空腔压力下降，在岩石弹性恢复力作用下，自孔壁向围岩产生拉伸波，此时是后爆炸药起爆的最佳时间。按此原理，间隔时间应由下式确定：式中：a——炮孔间距，m；Cp——应力波传播速度，m/s；Q——单孔装药量，Kg。34105QCatp苏联学者哈努卡耶夫认为，先爆炸药爆破裂隙使岩石脱离原岩形成0.8～1.0cm宽的贯穿裂缝的时间为最优微差间隔时间，即：式中：t1——弹性应力波传至自由面并返回所需的时间，ms；t2——形成裂缝所需的时间，ms；t3——破碎的岩块离开原岩，裂隙宽度达到S=0.8～1.0cm时，所需的时间。7.2.2按产生新自由面原理确定时间间隔321ttt国内外学者在总结实践经验的基础上，认为合理的间隔时间与岩石性质、最小抵抗线和爆破参数有关，并提出间隔时间的经验公式。波克罗弗斯基提出能够增强破碎效果的合理间隔时间公式：式中：a——炮孔间距，m；Cp——岩石纵波波速，m/s；w——最小抵抗线，m。7.2.3按增强碰撞作用原理确定间隔时间pCwat224以达到爆破块度均匀的目的，在实践资料的基础上，瑞典的兰格福斯提出在最小抵抗线为0.5～0.8m的条件下，能保证产生较好的爆破效果的的计算公式：7.2.4为改善爆破效果确定间隔时间Kwt3.3式中：K——系数，ms/m，矿岩的f值较大时，取K=3，f值较小时，取K=6；w——最小抵抗线，m。K—各因素影响系数取（1~2）一般取15～75ms，自由面少、孔深时可取100ms。Kwt爆炸能量经过粉碎区与破裂区，大部分能量耗散掉了，剩余小部分能量以球面波或柱面波的形式在介质内继续传播，随着曲面半径的增大，单位曲面上的能量不断减小。由于岩土介质都是不均匀、不连续的，在其中传播的波动现象也是非常复杂的，波的能量不断耗散，因此，地震波向外传播的过程是一个指数不断衰减的过程。毫秒延时爆破的地震效应是一个比较复杂的问题，影响振速和频率的因素很多，例如炸药性能、介质特性、总药量及最大一段药量、距爆心的距离、爆区与测点的相对位置、微差间隔时间、迟发段数、起爆方式及测试系统性能等。由于影响因素较多，所以到目前为止，国内外尚无一个统一的精确公式来计算微差爆破的地震效应。7.3.1爆破地震波的产生机理7.3毫秒延时爆破的减震作用7.3.2毫秒延时爆破的减震机理关于毫秒延时爆破的减震机理，主要有以下观点。1）提高了炸药能量的有效利用率这种观点认为，毫秒延时爆破在合理延期时间条件下能够减小震动的原因，如图7.3，图中，对每种岩石，相应地都存在有使振速达到最小的合理延期时间。主要是爆破过程中更多的能量用在了岩石的二次破碎上，使炸药能量获得了较充分的利用，从而减小了地震波的能量和强度。图7.3延期时间与振速2)相反相位震动的叠加这种观点认为，毫秒延时爆破的减震作用主要取决于炸药先后爆炸产生地震波的相位差，与岩石破碎质量或爆破效果无关。当相位相反时，地震波叠加后的强度和质点振速将减小。如果这种观点成立的话，那么同样也存在着使强度和振速加强的可能性，然而在实际中并未观测到有这种现象的发生。然而，在井下粘土页岩试验巷道内的观测资料表明，一次爆炸产生震动过程的延续时间只有4～8毫秒，而微差爆破采用的间隔时间远比该时间大，这说明实际不可能发生震动的叠加。173）减小了一次齐爆药量这种观点认为，由于震动过程的延续时间很短，可将每组装药爆炸激起的地震波看作是孤立的，相互之间没有影响。当一次齐爆的药量愈大时，距爆源相同距离处产生的振速就愈大。但这种观点不能用来说明毫秒延时爆破与秒延时爆破在减震作用方面的区别。7.3.3井巷微差爆破的安全性及减震作用在有瓦斯危险的工作面内进行爆破工作，以瞬发爆破最安全，但在这种情况下，全断面只能分次放炮。爆破次数愈多对巷道开挖进度影响愈大，爆破次数愈少对爆破效果和震动作用影响愈大。研究指出，若爆破前瓦斯浓度已达爆炸极限，则总延期时间超过75～100ms，就有可能引燃瓦斯。因此，在有瓦斯危险工作面内采用微差爆破时，总延期时间有明确规定：＜130ms。爆破前必须严格检查工作面内瓦斯含量，并按安全规程规定进行装药、放炮。从理论上讲，相邻两段爆破引起的爆破地震，若时间间隔等于爆破振动周期T的一半和T/2的奇数倍，可以使两次爆破峰谷相消，最大程度地降低地震效应。微差爆破不仅可以改善岩石破碎质量，提高爆破效果，而且可以减小在巷道围岩内产生的震动。瑞典从20世纪50年代开始，率先研究一种能按设计轮廓线爆破岩体，使巷道周壁或开挖面平整，并使围岩不受明显破坏的控制爆破技术，即光面爆破技术。美国、加拿大等国也相继进行了研究。我国自1970年以来，在矿山、水利、地下工程中获得了广泛应用光面爆破技术，至今成为控制开挖轮廓线的主要爆破方法之一。特别是光面爆破与锚喷支护相结合后，已成为井巷工程中一项重大技术改进。§7.4光面爆破和预裂爆破7.4.1光面爆破图7.4普通爆破和光面爆破的效果(a)普通爆破(b)光面爆破1）概述光面爆破效果见图组7.4~7.132）光面爆破及特点光爆实质是在断面设计的轮廓线上布置间距较小相互平行的炮孔，控制装药量及不耦合装药结构，选用低密度、低爆速（低威力）炸药并同时起爆，沿炮孔连线将岩石切断崩落。适用于断面周边一层岩石，爆后断面符合设计要求、围岩形状规整。表面光滑、损伤小、保持稳定。特点：减少超欠挖；井巷成形规整、质量高；围岩稳定，自身承载能力强，减少支护及用材；掘进速度快、成本低、施工安全；钻孔质量要求高。3）光爆原理光面爆破的基本原理是合理选择周边眼爆破参数（即眼间距、抵抗线、装药量），在井巷掘进轮廓线上钻凿相互平行的炮眼；控制炸药的爆破作用，选用低密度和低爆速的炸药或专用药包，控制每个炮眼的装药量和装药结构，降低炸药爆炸的初始冲量；保证周边眼同时起爆，使炸药的爆炸作用刚好切断周边炮眼连线上的岩石，形成贯穿裂缝，从而减少了对炮眼眼壁岩体的破坏，并将井巷轮廓线内岩石崩落下来，爆后形成围岩形状规整、表面光滑，符合设计要求的井巷断面。关于裂缝形成的机理有以下三种观点：应力波叠加原理相邻两孔装药同时爆炸时，应力波沿炮孔连线相向传播，相互干涉叠加，当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，切断岩石形成贯穿裂缝，图7.14。以高压气体为主要作用的理论U.兰格福斯、山口梅太郎等人认为，爆生气体的作用对预裂爆破和光面爆破成缝的影响更大。试验证明，两圆孔连线与孔壁的交点在切线方向产生很大的拉应力。因此，裂缝应首先在孔壁上出现。预裂爆破与光面爆破时岩石的开裂，可认为是由孔壁切向拉应力造成的，而且孔的间距与裂缝的开裂关系很大。据上得出以下结论：不论是单孔或是两孔同时起爆，裂缝均能产生，后者更易形成裂缝；强调堵塞和不耦合装药结构，使爆破气体在炮孔内作用时间延长；要求使用爆速低、生成气体量多的炸药；他们认为应力波不会形成孔间贯穿裂缝，仅能形成潜在的闭合裂缝，对于单孔而言，这些裂隙是无规则的，对于双孔而言，两孔连线方向的裂缝最长，裂缝的贯穿是在气体作用下完成的；裂缝是由孔壁向中间发展的。应力波与爆生气体共同作用原理实际爆破时，两孔难以保证同时，故连线上应力波叠加难以实现。因此，认为贯穿裂缝的形成，是基于各装药爆炸所激起的应力波先在孔壁上产生初始裂缝，然后，在爆生气体静压作用下，形成“气楔”使裂缝扩展，最终贯通。图7.14.2光面爆破断裂面的形成a－炮孔和装药；b－孔边初始裂纹；c－贯穿裂缝形成4)光爆参数(1)不耦合系数(Kb)由不耦合装药炮孔壁上产生的冲击压力知令可求得Kb。一般取Kb＝1.5～2.5(2)最小抵抗线(w)在爆破中，为了使保留区岩壁光滑而不致破坏，抵抗线w也不宜过大，否则爆破后不能形成光滑的岩壁，达不到光面爆破的目的。因此对于露天深孔光面爆破的抵抗线w最好采用与钻孔直径d有关的关系式计算，即w=(7~20)d；或w=(1.5~2.0)anddDPbc62028cbKP2(3)钻孔直径(d)深孔爆破时，公路、铁路与水电取80~100mm，大直径150~300mm多用于矿山；浅孔爆破取42~50mm。(4)台阶高度(H)与主爆区台阶高度相同，一般情况，深孔不大于15m，浅孔取1.5~5.0m为宜。(5)炮孔超深(h)h=1.5~1.5m，孔深大、岩石坚硬完整者取大值，反之取小值。(6)炮眼间距(E)根据不同的光爆原理有不同的确定方法。炮孔间距一般为孔眼直径的10～20倍；也可按E=mW确定（m取0.6~0.8），如图7.15。在节理裂隙比较发育的岩石中应取小值，整体性好的岩石可取大值。图7.15光爆参数示意图EW(7)起爆时差()周边眼最好同时起爆，周边眼与相邻孔，一般在50～100ms，随孔深不同变化。时差越短则壁面平整效果越有保证,图7.16。图7