预裂爆破技术参数的计算与选1

预裂爆破技术参数的计算与施工

技术开发部唐自平

摘要合理的确定预裂爆破参数是确保预裂爆破达到理想效果的关键因素。本文以理论计算和工程内比为列，简要介绍了预裂爆破技术参数的计算和施工方法。

关键词预裂爆破技术参数施工

1·概述

预裂爆破是指预先在爆破开挖区主炮孔引爆前，在开挖区与保留区之间形成一条与开挖区边界一致的、具有一定宽度要求的裂缝。以此达到防震、减震，提高一次起爆药量，减少开挖区爆破地震波对保留区内地下构筑物或地上建筑物的爆震危害;预防开挖区爆破时对保留区边坡的破坏，减少爆破对边坡稳定性的破坏和清邦工作量，加快施工进度的目的。预裂爆破和光面爆破都是属于工程控制爆破。合理的确定预裂爆破参数则是取得其理想效果的关键。预裂爆破技术的关键是预裂孔的破坏控制和预裂缝隙的形成及其质量，以达到满足保留区边坡面上的半孔率、坡面不平正度和裂纹深度及阻震、减震的技术要求。

预裂爆破的发展已有三十多年的历史，在工程实践中，技术人员从理论和运用技术方面已总结出了许多经验，并在水利工程建设、岩石基础、边坡甚至洞室等石方爆破开挖、石型材开采和城市保留控制爆破拆除等方面的运用取得了可喜的成果。但在理论上还不成熟，至今还没有一套公认通用的设计计算方法。本文试图从理论上和设计方法上做进一步的探讨。以供设计和施工参考。

2·预裂爆破的基本原理

预裂爆破的基本原理是综合利用缓冲原理、等能原理、断裂力学机理和应力叠加原理，结合爆破现场实际情况，通过合理的设计其爆破孔网参数、装药参数及装药结构和起爆网路,达到其主要技术要求。

所谓缓冲原理就是优选合适的炸药和装药结构，以缓和爆轰压力对岩石孔壁的冲击作用，减少或避免粉碎区和次生裂缝的产生，使爆炸能量得到合理得分配和利用。其方法一是选用爆速低、猛度小和威力大的炸药；二是采用具有合理的不耦合系数及装药结构形式的不耦合装药。

等能原理是指选择合适的装药量，使每个炮孔产生的爆炸能与每个孔担负的预裂面积所需要的能量相等，没有多余的能量造成其他破坏性裂隙；既预裂爆破的药量恰好等于分离岩体并形成一定的断裂面积所需要的药量。

应力叠加原理：为了控制裂隙面仅沿炮孔中心连线形成，应用应力叠加理论需要沿预裂面布置一排适当加密的炮孔，并同时起爆，在炮孔连线上形成应力叠加，使叠加后的拉应力大于岩石的抗拉强度，而其他方向的爆破拉力低于岩石的强度，裂隙仅沿炮孔中心连线形成。

断裂力学机理：由于岩石是一种各向异性的多裂隙脆性材料,岩体内存在着某些自然裂纹，在高压爆生气体作用下，孔间拉应力使原有裂纹呈张开型。如果其应力强度因子大于岩石的断裂韧性，裂纹将扩展；如果应力强度因子大于大于岩石的断裂韧性，裂纹将高速扩展；如果应力强度因子小于岩石的断裂韧性，裂纹将停止扩展。

总上所述，预裂爆破的力学理论是岩体爆破成缝机理的基础，在岩体爆破成缝过程中，应力波和爆生气体共同作用的结果形成了贯通裂缝，其中，爆生气体起着决定作用。预裂爆破裂隙形成的全过程大体可分为开裂、扩展和止裂三个阶段：在成排孔预裂爆破时，爆生气体以较高的压力峰值瞬间作用于炮孔壁上并使孔壁四周产生许多径向微裂纹，其大小和方向是随机的；随后在压力作用下继续扩展；由于相邻炮孔的存在，改变了炮孔壁附近环向应力

分布，造成炮孔间连心线方向上的拉应力集中，由于岩体的抗拉强度最小,最易发生拉断或剪断破坏。所以，岩体在爆生气体的准静态压力作用下,在炮孔间连线方向形成的集中拉应力首先大于岩体的动态抗拉强度，从而产生开裂裂缝。岩体在炮孔壁处产生开裂缝以后，改变了内部应力分布，此时，爆生气体尚未楔入裂缝内，然而，由于开裂缝的存在，使得裂缝尖端区域内的应力强度因子大于岩体的动态断裂韧性，导致岩体在炮孔连线方向上造成张开型断裂破坏。随着裂缝向相邻炮孔方向的扩展，爆生气体开始逐渐楔入裂缝内，进一步改变了岩体的受力状态。由于爆生气体的作用持续了一段时间，而且岩体内空腔体积增大，加之气体的泄漏等，作用于炮孔壁上的压力已有明显的降低，当裂缝扩展到一定长度（L）和孔壁压力降到一定值时，在此条件下，若裂缝尖端区域内的应力强度因子小于岩体动态平面应变断裂韧性值，就会发生裂缝止裂。

3、技术设计计算

合理的确定预裂爆破参数是保证预裂爆破取得理想效果的关键性工作。目前，在预裂爆破设计中，其参数的确定主要有理论计算法、工程类比法、模拟实验法和现场小型实验法等。上述方法虽各尤其独到之处，但由于现场情况复杂多变，无论单独采用那种方法，都将因各自的局限性而难以取得理想的效果。通常是以理论计算为依据，工程类比为参考，在小型试验的基础上综合确定的方法来确定预裂爆破参数。实践证明这是行之有效的，可确保预裂爆破的质量。

3·1理论计算

在岩体预裂爆破中，最主要的孔网参数有线装药密度、孔距和孔深、孔径等。这些参数的确定又与炸药的类型及装药形式和岩体的性质及凿岩机具密切相关。在进行预裂爆破参数计算时，在施工要求确定的条件下,首先要对岩体的力学参数做较精确的了解或测定，然后正确选用炸药类型，根据这两个条件并结合现场凿岩设备，确定钻孔直径和孔深；再根据理论计算出不耦合系数、线装药密度和孔间距。下面按上述原理给出各参数的数学关系式。

3·1·1不耦合系数

根据缓冲原理，为了适当降低炸药爆炸对孔壁的冲击压力，在预裂爆破中一般采用轴向不耦合系数。既炮孔直径与装药直径之比要大于１。

（1）为不使预裂坡面遭受到过大的粉碎性破坏，则要求作用于孔壁上的压力不大岩体的三轴抗压强度，此时的不耦和系数为：

P H1/（2r）

De=√Δ（σe/）（1）其中σe/------- :岩石三轴抗压强度。

r------绝热指数。

γb ---炮孔装药长度系数。

L Z------ 药卷总长度,

L k ------ 炮孔深度,

L x ------ 炮孔填塞长度,

P H--- 爆轰气体的初始压力(爆压)

P H=ρ0×D2/（8×980×1000）

ρ0 ------ 炸药的密度(克/厘米3)

D ----- 炸药爆轰速度(厘米/秒)

对2#硝铵(岩石)炸药, ρ0 =1g/cm3，D=36000厘米/秒，代入上式则:

P qk----- 爆轰气体作用于炮孔壁上的压力

D e/ --- 预选的不耦合系数,根据钻机直径和药卷初步选定一个值,代入上式可得出P qk值,从而得出不耦合系数D e值。

3·1·2 线装药密度的计算

根据原苏联A.A.费先柯理论,最佳装药密度计算公式如下:

σ压/10（2.5+√6.25+1400/(σ压/10)

Δ=

100Q

Δ单位，g/ml3--------- (2) 式中: σ压------------岩石极限抗压强度,千帕;

Q--------------炸药的爆热,千焦/千克。

3·1·3 炮孔间距

两个炮孔之间裂缝的形成,主要是应力波和爆生气体共同作用的结果,当两孔同时起爆时，炮孔间距计算式为:

nP μ

a=3.2×[σ拉×1-μ]2/3×γc

---------- (3)

式中: n为压力增长系数,n=2+6P/(P+7)

P---冲击波压力,千帕

P=25QΔ/δ（δ---炸药本身密度，g/ml3）

σ拉----岩石极限抗拉强度;

μ---泊桑比

γc---炮孔半径，厘米

当炮孔内的装药满足式（3）时，炮孔间距计算式为

a=3.2×γc×[(σ压/σ拉)( μ/(1-μ))]2/3

一般取孔径的8～12倍,硬岩取大值;软岩取小值。按有关规定,对强风化岩石a=0.8(m),弱风化、微风化岩石a=1.0(m)。

3·2 经验公式计算法

经验公式的基本形式如下:

Q线=K(σ压)α×(a)β×(d)γ

常见的经验公式有:

Q线=0.034×(σ压)0.63×(a)0.67 -----------------(4)

Q线=0.367×(σ压)0.5×(d)0.86 -----------------(5)

Q线=0.127×(σ压)0.5×(a)0.84×(d/2)0.24 -----------------(6)

3.3 工程类比法

工程类比法决就是利用国内外预裂爆破工程实践经验或经验公式,结合实际工程的实际请况来确定预裂爆破的参数,并在工程实践中不断修改公式中的参数,以此获得满意的预裂爆破效果。

3.4 孔底装药的确定

孔底装药量一般取线装药量的3～4 倍,加强装药的长度一般取1.0～1.5(m) 3·6缓冲孔设计

为了保证预裂效果和预裂面不受主爆孔爆破的损坏,一般在预裂孔与主爆孔之间要布设缓冲孔。并要对缓冲孔的孔网参数和装药参数进行计算和校核。

4 预裂爆破的施工

4·1 准确钻孔的技术措施

预裂爆破的钻孔质量,直接影响到预裂面的爆破质量。要确实保证孔位、孔距、孔角、孔向、孔长、孔底的准确性。钻孔基本定位后,开钻前再用测角仪、丁字尺、三角板、水平尺、米尺等测量工具进行孔位、孔角、孔向三要素的准确校核。准确无误后方可开钻。在钻孔过程中随时以基准线检查孔角,用测角仪检查孔向，以钻杆上的标记与基准线检查孔长与孔底。

4·2 装药结构设计

根据确定的线装药密度和不耦合系数,结合我国火工品生产情况来确定装药结构。常用的装药结构有以下几种:

(1) 导爆索药串式:将一定长度和直径的药卷按某种固定间隔绑在导爆索上形成药串,由导爆索起爆这些药串。如图

(2) 管状药卷式:它用一个小于炮孔直径的塑料软管或纸管装药形成在孔内装药长度上的连续径向不耦合布药,由导爆索或雷管起爆均可。

(3)全孔径散装式:它是将硝铵或铵油炸药以松散形式直接灌入孔内,上口不封,利用导爆索或电雷管起爆。此法简单易行,但对炮孔破坏大,只适用于坚硬岩和次坚硬岩。

预裂爆破装药结构图

4·3 起爆线路

4·3·1 起爆线路设计

常规爆破把主爆孔、拉裂孔或防震孔、辅助孔、预裂孔同联成网路起爆。合理的爆破网路可获得良好的爆破效果和实现安全爆破。选择爆破网路应考虑爆区的具体情况尤其是爆破地震效应和飞石破坏等问题。常用的有以下几种爆破网路可供选择时参考。

(1) 排间顺序微差起爆网路

该网路组特点是设计和施工简单，爆堆均匀整齐，但最后一排孔齐发时，大块率高，对后壁破坏性大。一般不宜用于预裂爆破。

(2) 孔间微差爆破网路

该网络的特点自由面增多，爆破方向交错，岩石爆后碰撞多，块度破碎均匀，减震效果好，但网路较复杂，耗质多，一般用于压碴较少或只有3～4排孔的爆破。

(3) 孔间顺序微差爆破网路

它由前排单孔开始起爆，也可以2～3孔同段起爆。各孔雷管按顺序排列，每排孔作一组，排与排之间可本排最大一段雷管与下一排首段串联，保证单孔微差起爆顺序。它可以等间差方法铺设：各排每孔用一段雷管连接，两孔间用2段雷管串联，各排按顺序分别用较大微差雷管起爆。这两种方法尽管操作比较复杂,但能根据工程需要,有效控制一段起爆药量,爆破效果好,多用于对爆破地震波严格控制的场合。

(4) 对角线顺序微差爆破网路

当自由面较多,飞石不危及周围建筑物及人员安全时,常用这种网络。此法爆破效果好,安全、灵活、操作方便。

(5) “V”型或梯形微差爆破网路

它适用于长条形爆区,先从爆区中部爆出一个“V”形或缺口,为后排起爆创造出较长的、

方向斜交的自由面,然后两侧对称起爆,加强了岩石碰撞和挤压,从而获得较好的破碎效果且爆堆集中,利于挖掘出碴。同时降低爆破地震效应和控制飞石方向。

(6) 径向微差爆破网路

该网路先起爆掏心孔形成自由面,然后按常规微差爆破由内向外爆破至周边。此网路只用于一层工作面完成,开辟下一层没有自由面的钻爆,如开挖竖井及打断面槽沟开挖。

4·3·2 起爆顺序

预裂爆破采用导爆索串连或非电雷管起爆,一般单独起爆。若与梯段孔齐爆时,需对预裂孔爆破网路作适当覆盖保护。同时采用双向起爆方式,即在预裂爆破网路两端均连接同段雷管一同起爆。但要求预裂爆破超前75～100ms起爆,以保证预裂面对主爆孔的防震作用。垂直面与水平面均有预裂孔时,水平预裂孔先爆。主爆孔与预裂孔齐爆时,一般让主爆孔前几排先起爆,到最后3～4排孔待预裂孔起爆5～100ms后再行起爆。在有拉裂孔或辅助孔时,则拉裂孔要与最后一排主爆孔同时起爆；辅助孔比拉裂孔后爆的效果优于与拉裂孔齐爆。

4·3·3 微差起爆时间间隔

起爆时间间隔过长过短都会影响爆破质量,选择合理的微差时间间隔主要与岩石性质、抵抗线及起爆器材有关。微差时间间隔主要应满足任何一孔起爆后,尚未起爆孔的起爆网路不能受到破坏,一般微差时间间隔为50～100ms,预裂孔爆破超前主爆孔380ms,整个爆破网路仍能完全爆轰。网路砸断雷管拒爆的原因大多是相邻孔拔走网路线或导爆索所致。

5结语

预裂爆破在高堑边坡的施工中用途非常广泛,它能有效降低路堑边坡爆破病害,特别是对大爆破产生的边坡病害。预裂效果好，不仅可以降低开挖成本，同时也可以减少边坡的整修和竣工后的维修成本。当然，就目前来说，对预裂爆破的理论研究还不够，设计计算方法也不很完善，大多需通过现场试验，才能获得较为满意的效果。

参考文献：[爆破工程] 中国力学学会工程爆破专业委员会编冶金工业出版社