一般巖土工程爆破技術(shù)理論分析與應(yīng)用

王思海 盧興亮 于泰鵬

（1.福建鑫祥建設(shè)工程有限公司，福建 南平 353000；2.廣東宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州 510623)

1 概況

進(jìn)入新世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃興起，各種工程建設(shè)方興未衰，爆破工程也隨之發(fā)展壯大。由于爆破作業(yè)人員的技術(shù)水平參差不齊，所以有些爆破工程不能達(dá)到炸藥最高有效利用率，進(jìn)而造成爆破效果差。主要表現(xiàn)在：炸藥單耗高、大塊率高，既浪費(fèi)了有限的炸藥資源又消耗了大量的人力。為了改變這一現(xiàn)象，我們可以提高爆破作業(yè)人員的技術(shù)理論水平和實(shí)際操作技能。

2 一般巖土對爆破的要求

隨著潛孔鉆機(jī)、牙輪鉆機(jī)等鉆機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，爆破器材向著安全、高質(zhì)量、多品種、低成本、生產(chǎn)工藝連續(xù)化這個(gè)方向發(fā)展，以及城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)、高速公路、高速鐵路和海洋工程的日新月異，爆破逐漸成為土石方開挖的主角，爆破工程也由傳統(tǒng)的爆破向精細(xì)化爆破發(fā)展，這就對爆破效果有了更高的質(zhì)量要求。主要有以下幾個(gè)方面：在改善爆破質(zhì)量方面，應(yīng)做到無后沖，無側(cè)裂，無巖坎，巖石介質(zhì)有良好的破碎，大塊率符合工程要求，爆堆集中且有一定松散系數(shù)，能滿足挖運(yùn)設(shè)備高效率的挖運(yùn)要求；在降低爆破危害效應(yīng)方面，要做到控制爆破地震、爆破個(gè)別飛散物（主要是爆破飛石）、爆破沖擊波、爆破噪音、爆破煙塵的危害；在提高爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，應(yīng)做到提高延米爆破量，選取合理的炸藥單耗，嚴(yán)格控制工程爆破綜合成本，使之降到最低。

由于我國對爆破沖擊波、噪音、塵煙的危害沒有引起足夠的重視，因此安全控制方面最常見的就是爆破飛石和爆破地震問題，幾乎每個(gè)施爆工地都要做爆破地震和爆破飛石的防護(hù)。此外，由于電雷管的逐步退出以及非電導(dǎo)爆雷管、電磁雷管、數(shù)碼電子雷管的進(jìn)入，提高爆破網(wǎng)絡(luò)的可靠性也是保障爆破安全的基礎(chǔ)。

2.1 安全控制

2.1.1 爆破飛石產(chǎn)生的因素與控制

爆破飛石主要產(chǎn)生于炮孔口部，前排炮孔。造成孔口產(chǎn)生飛石的因素有四個(gè)方面：其一是沒有做到有效優(yōu)質(zhì)的填塞，填塞不嚴(yán)或填塞物混有比較大的石塊，產(chǎn)生沖炮孔口松動石塊在高溫高壓爆破氣體的作用下飛出：其二是單孔裝藥量過大，填塞長度不夠，造成炮孔口石塊飛出；其三是由于前次爆破施工為了克服炮孔底部的夾制力超深過多，破壞了巖石的結(jié)構(gòu)完整性，在又一次爆破時(shí)改變了炮孔口部巖石破裂線方向和量值;其四就是先爆炮孔掀翻了后爆炮孔的覆蓋物。造成前排炮孔飛石原因是：前排臨空面凹凸不平形成薄弱面、最小抵抗線差異太大，以及炮孔與臨空面之間有溶洞、巖石軟硬結(jié)合面的存在改變了抵抗線方向和量值（由于最小抵抗線距臨空面的距離最短，爆破應(yīng)力波在這一段進(jìn)行傳播時(shí)損耗最小，所以在最小抵抗線方向的巖石最先被壓縮凸起，對巖石介質(zhì)實(shí)施爆破，巖石的運(yùn)動有兩個(gè)方向，前沖和上沖，如果抵抗線過大如果巖石不能前沖勢必要上沖形成飛石，如果抵抗線過小勢必形成遠(yuǎn)距離拋擲造成遠(yuǎn)距離飛石），或因前排結(jié)構(gòu)面被前次爆破爆破施工切割形成與炮孔相貫通的裂縫造成局部裝藥量過大，導(dǎo)致遠(yuǎn)距離飛石。

2.1.2 減少飛石的技術(shù)與措施

其一，合理設(shè)計(jì)。根據(jù)鉆孔期間的地形變化及時(shí)調(diào)整孔位和炮孔傾角，根據(jù)暴露的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)（鉆孔速度變化及巖粉）以及現(xiàn)場試爆的結(jié)果及時(shí)調(diào)整炸藥單耗、單孔實(shí)際裝藥量、最小抵抗線、孔距和排距、毫秒位差間隔時(shí)間的選取值。其二，精心施工，仔細(xì)觀察前排最小抵抗線和結(jié)構(gòu)面是否變化，采用毫秒微差多拍擠壓爆破技術(shù)以減少前排炮孔的出現(xiàn)率，在薄弱結(jié)構(gòu)面地方采用間隔裝藥，發(fā)現(xiàn)炮孔有貫通裂縫或與空洞連接，應(yīng)將該段炮孔填塞進(jìn)行分段裝藥；檢查炮孔旳孔位、傾斜角是否與原設(shè)計(jì)一致，差別過大的要重新補(bǔ)孔，保證炮孔填塞長度不小于地盤抵抗線，做到有效優(yōu)質(zhì)的炮孔填塞，采用用水浸濕的草簾、橡膠簾竹排、沙袋等加強(qiáng)爆破區(qū)域覆蓋防護(hù)。表面覆蓋也是防護(hù)飛石的措施，只有做好裝藥，填塞的控制，被動防護(hù)才是有效的，不然再嚴(yán)密的覆蓋也無法阻擋大量飛石的沖擊。其三，嚴(yán)格管理，分工明確責(zé)任到人。

2.1.3 爆破地震的安全性與控制

炸藥在固體介質(zhì)中爆炸后，由于爆轟波的逐步衰減對質(zhì)點(diǎn)只能造成彈性擾動，這種彈性擾動以彈性波的方式向外傳播形成爆破地震，當(dāng)爆破地震頻率衰減到與質(zhì)點(diǎn)固有頻率（質(zhì)點(diǎn)固有頻率為4～12Hz）接近或相同時(shí)，以及爆破振速超過被保護(hù)介質(zhì)的安全保護(hù)振速時(shí)，就會造成破壞。降低爆破地震的有效辦法就是減小最大一次齊爆藥量，使用與巖石性質(zhì)相匹配的炸藥，其次采用大孔距小排距毫秒排間微差爆破也是降低爆破地震有效辦法。爆破地震的危害還與巖石的性質(zhì)結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系，結(jié)構(gòu)性好、硬度系數(shù)高的巖石爆破地震危害就會降低，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性好的巖石波阻抗大，爆破地震波在其間傳播是以波導(dǎo)方式傳播的，這樣地震波衰減就會加快，所以危害就小；巖石結(jié)構(gòu)性差硬系數(shù)度較低的巖石爆破地震危害就會高，結(jié)構(gòu)性差、硬度系數(shù)低的巖石爆破地震危害就會上升，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性差的巖石波阻抗小，爆破地震波在其結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)面之間傳播是以波道方式傳播的，這樣地震波衰減就會降低，所以危害就大。由于爆破地震波是一個(gè)等價(jià)橢圓，爆點(diǎn)位于橢圓的中心，所以爆破地震造成的危害在施爆區(qū)后方最大，兩邊次之，前面最小。因此，在做設(shè)計(jì)時(shí)要選對起爆方向，盡量做到爆點(diǎn)垂直于質(zhì)點(diǎn)、布孔方向、起爆方向平行于地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

2.2 降低大塊率

2.2.1 大塊產(chǎn)生的原因與控制

一般正常爆破施工設(shè)計(jì)方案，爆堆內(nèi)部的不合格大塊率很低，除個(gè)別特殊地質(zhì)地段，幾乎不會形成大塊。大塊產(chǎn)生的原因主要來自三個(gè)方面：一是結(jié)構(gòu)面的軟硬結(jié)合帶，二是孔口填塞段，三是邊幫反坡塌落與側(cè)裂。

前排結(jié)構(gòu)面形成大塊的主要原因：結(jié)構(gòu)立面凹凸不平，最小抵抗線不均，這是產(chǎn)生大塊第一個(gè)原因；由于前施暴區(qū)對本施暴區(qū)前結(jié)構(gòu)面的損傷和切割，有的部位被直接切割成單元體，在爆破正應(yīng)力波到達(dá)前排結(jié)構(gòu)面轉(zhuǎn)化成負(fù)應(yīng)力波時(shí)，不能對其產(chǎn)生拉伸破壞，由正應(yīng)力波的壓縮凸出形成塌落大塊。孔口填塞長度一般為炮孔直徑的20～30倍，根據(jù)條形藥包爆破的研究，條形藥包端部軸線方向爆炸應(yīng)力波的衰減最快，當(dāng)孔口軸線半徑距離與藥包半徑之比R/r=55～65時(shí)，條形藥包端部軸線方向應(yīng)力波僅為端部徑向的1/3，但考慮到孔口飛石的防護(hù)，頂部填塞段不可能為降低大塊率而隨意縮短，所以較長的孔口填塞段是產(chǎn)生大塊另一主要原因。由于起爆時(shí)，施暴區(qū)面受到轄制，而造成后沖形成后區(qū)塌落大塊。

2.2.2 降低大塊率的技術(shù)途徑

綜合上述大塊形成的原因，選好前排抵抗線、控制超深和后排炮孔裝藥量余高，在做爆破施工設(shè)計(jì)時(shí)，要采用深孔大孔距小排距，多排微差擠壓爆破，以及在填塞段加輔助藥包的爆破方法。大孔距小排距爆破方法使兩個(gè)相鄰炮孔不能過早地貫通，這樣就增加了爆破應(yīng)力波和高溫高壓的爆破氣體對巖石的作用時(shí)間。由于最小抵抗線距臨空面的距離最短，爆破應(yīng)力波在這一段進(jìn)行傳播時(shí)損耗最小，所以在最小抵抗線方向巖石最先被壓縮凸起增加了破碎率。這是降低大塊形成的技術(shù)之一；多排微差擠壓爆破時(shí)，拋擲巖石在空中相互創(chuàng)擊，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)面，有效的增加了余應(yīng)力波作用，進(jìn)而增加了巖石的破碎度，這是降低大塊率的第二有效方法。其三，在填塞段加輔助藥包，當(dāng)藥包起爆時(shí)彌補(bǔ)了炮孔口部爆破應(yīng)力的不足，增強(qiáng)了對炮孔口部巖石的破碎能力，同時(shí)對填塞物起到壓實(shí)作用，使炮孔內(nèi)高溫高壓的爆炸氣體不能過早的從孔口溢出，增加了爆炸產(chǎn)物對巖石的作用時(shí)間，有效地降低了大塊形成率。輔助藥包應(yīng)設(shè)置在距填塞物底部1.0米處，其藥量為Q=KL2,K=0.08～0.1kg/m2,L為填塞長度。

2.2.3 起爆網(wǎng)絡(luò)的可靠性

起爆網(wǎng)絡(luò)的可靠性也是保障爆破安全和降低大塊形成的關(guān)鍵。一旦起爆網(wǎng)絡(luò)可靠性低，進(jìn)而出現(xiàn)拒爆，就使爆破參數(shù)發(fā)生變化，從而造成筒狀爆破形成沖炮，沖炮加大了產(chǎn)生爆破飛石系數(shù)和大塊石的形成率。由于電爆網(wǎng)絡(luò)的退出，非電導(dǎo)爆網(wǎng)絡(luò)又沒有專用檢測設(shè)備，因此在設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用孔內(nèi)延時(shí)、捆綁連接方式，操作時(shí)要有經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)人員進(jìn)行操作，網(wǎng)絡(luò)連接完畢要進(jìn)行仔細(xì)的反復(fù)檢查2～3遍，防止漏接而產(chǎn)生盲炮。一旦綁扎在集族導(dǎo)爆接點(diǎn)的雷管出現(xiàn)問題將會導(dǎo)致10～20個(gè)炮孔拒爆，為確保起爆網(wǎng)絡(luò)的安全，可根據(jù)接力雷管延期時(shí)間的倍數(shù)在此倍數(shù)節(jié)點(diǎn)加補(bǔ)綁扎接力傳爆雷管。

2.3 降低爆破成本費(fèi)用

通過對一大型露天煤礦剝離工程大量的爆破成本核算得知：鉆孔費(fèi)用所占成本比例最高，幾乎占到總成本的一半，其次為炸藥成本，所以要降低爆破成本最有效的辦法就是提高鉆孔延米爆破量。要想提高延米爆破量，改善爆破效果，只有采用炮眼水壓爆破有潛可挖。因?yàn)楸Z波在水中衰減的很慢，水又是近似不可壓縮介質(zhì)，加之滲水壓力可以提高炸藥的有效利用率、爆破應(yīng)力波在水中是等能傳播，一方面水有緩沖作用，當(dāng)炸藥與介質(zhì)直接接觸爆炸時(shí)，炸藥爆炸后在高溫高壓作用下，介質(zhì)產(chǎn)生塑性流動和過粉碎，消耗大量的能量。這部分介質(zhì)破碎所需要的能量屬于無用功。而水壓爆破靠水的傳能作用，水中沖擊波均勻地作用于介質(zhì)，介質(zhì)只發(fā)生破裂，而不產(chǎn)生塑性流動和過粉碎，從而提高了能量的利用率；另一方面，由于水的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的密度，因而炸藥在水中爆炸后氣體的膨脹速度比空氣中要小得多。例如，空氣沖擊波波陣面超壓為9.8×105MPa時(shí)，波陣面空氣質(zhì)點(diǎn)的速度為772m/s，而當(dāng)水中沖擊波波陣面壓力為9.8×105MPa時(shí)，波陣面水質(zhì)點(diǎn)的速度僅為67m/s。由于水的滲流速度低，同時(shí)又阻礙了爆轟氣體的滲流，因此可以降低噪音，抑制飛石的產(chǎn)生，起到緩沖作用采用炮眼水壓爆破時(shí)，沖擊波作用于介質(zhì)后首先在介質(zhì)上產(chǎn)生裂縫，水和爆轟氣體（炮眼水壓爆破時(shí)有爆轟氣體）滲流到裂縫中，使裂縫得以擴(kuò)展和延伸，這種作用可以認(rèn)為是“水楔”的劈裂作用。根據(jù)巖石爆破機(jī)理，當(dāng)爆轟氣體滲流到裂縫中，對裂縫有擴(kuò)展和延伸作用，這種作用稱為“氣楔”。由于水?dāng)y帶的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣體攜帶的能量，因此，“水楔”的劈裂作用要大于“氣楔”的劈裂作用。用乳化炸藥裝填炮孔，由于是不偶合裝藥又降低了炸藥的使用量。這樣就可使爆破成本大大降低。

3 結(jié)束語

綜合上述分析，目前提高土石方爆破效率主要有以下幾個(gè)方面：(1)采用深孔多排微差擠壓爆破，裝藥采用有水不偶合裝填法。(2)填塞處采用設(shè)置輔助藥包法，以降低孔口大塊形成率。(3)選用高效可靠，優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的爆破器材。

[1]王曉雷.河北理工學(xué)院碩士論文，2003.