7 毫秒延时爆破理论

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。
1）概述
光面爆破效果见图组7.4~7.13
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
2）光面爆破及特点
4)光爆参数
(1)不耦合系数(Kb)
2
dc 由不耦合装药炮孔壁上产生的冲击压力知 P2 0 D n
6
令 P2 K b c 可求得Kb。一般取Kb＝1.5～2.5 (2)最小抵抗线(w)
8
db
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
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。
7.2.3 按增强碰撞作用原理确定间隔时间
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：
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)a
(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。
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。
§7.4 光面爆破和预裂爆破
7.4.1 光面爆破
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。
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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
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
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；
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。
7.2.2 按产生新自由面原理确定时间间隔
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0.8～1.0 cm宽的贯穿裂缝的时间为最优微差间隔时间，
即：
t1 t 2 t 3
式中：t1——弹性应力波传至自由面并返回所需的时间，ms；
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。
§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。
（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。
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。
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 ）。
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。
t 3.3Kw
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。
7.3 毫秒延时爆破的减震作用 7.3.1 爆破地震波的产生机理
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
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
，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
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
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。
3）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
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，
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
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。
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 。