[科普中国]-周边爆破

介绍

工程施工中，无论规模大小、地上地下，爆破开挖都是在有限的范围内进行的。因此，实施爆破需要解决两个同等重要的问题：①用最有效的方法将既定范围内的岩石适度破碎，必要时，再将破碎后的岩石抛掷，以达到预期的工程目的；②降低爆破对开挖范围以外岩石的破坏(损伤)，最大限度地保持岩石原有的强度和稳定性，以利于爆破后周围岩石的长期稳定，同时也包括i殳法降低爆破地震效应等。

经过长期的研究，人们提出并发展了光面爆破、预裂爆破等技术。这些爆破方法与技术均用于爆破歼挖范围的周边，统称为岩石周边爆破。

应用意义对周边爆破技术在不同条件下的爆破效果进行爆前、爆后的声波、光学和物理力学性试验，获得被爆岩体不同的结构构造对采下的条状块石的损伤程度不同的结论，这将有利于指导石材开采，充分利用资源，提高荒料率和出材率。

降低爆破对围岩的损伤十分必要，利用试验方法寻求周边爆破参数对围岩爆破损伤的影响规律是促进这一问题解决的有效方法。据此，介绍周边爆破造成围岩损伤研究的模型试验技术与测量方法，并对不同周边爆破参数条件下取得的试验结果进行分析，进而获得周边爆破参数影响围岩中爆破损伤分布的基本规律。研究结果对爆破工程实践、爆破参数优化和深入的周边爆破理论研究具有一定指导意义和参考价值。

周边爆破原理周边爆破原理是关于相邻炮孔之间贯通裂纹形成的理论，而且认为对光面爆破和预裂爆破是一致的。

1．应力波叠加原理
应力波叠加原理认为，当光面爆破相邻两炮孔同时起爆时，各炮孔爆炸产生的压缩应力波面，以柱面波的形式向四周扩散，并在两孔连心线的中点相遇，产生应力波叠加。在交会处，应力波切向分量合力的方向垂直于炮孔连心线，而且方向相背，促使岩体向外移动，产生拉应力，当合成应力超过岩石的抗拉强度时，便会在两炮孔的中间点首先产生裂缝．然后沿着连心线向两炮孔方向发展，最后形成断裂面。

应力波叠加原理是一种纯理论的分析，要使相邻炮孔的爆炸应力波在其连心线中点相遇，必须保证相邻两炮孔绝对同时起爆。这在生产实践中往往是很难做到的，即使采用瞬发电雷管或采川导爆索起爆，仍然或多或少地存在着一定时差。在光面、预裂爆破中，相邻两孔的间距一般都只有几十厘米，而应力波在岩体中的速度往往达到4000m/s以上，可知两孔之间的传播时间只有0．1～0．2ms，有时甚至还要更短些。而实际的起爆时差，要比上述数值大得多，冈此，在生产实践中，单纯用应力波替加的理沦来进行分析，是很难完全解释清楚的。这是应力波叠加理论的不足。

2．爆炸高压气体作用原理

爆炸高压气体作用原理认为应力波的作用是微小的，炮孔间贯通裂纹的形成主要是爆炸生成高压气体的准静态应力所致。该理论强调不耦合装药条件下的缓冲作用，由于空气间隙的存在，使得作用于孔壁的冲击波波峰压力大大地减小。尹藤一郎等人曾在锅块做的爆破试验表明，随着不耦合系数的不断增大，作用于孔壁的压力呈指数衰减急剧下降。当不耦合系数为2．5时，孔壁上的压力值约为不耦合系数等于1．1时的压力值的1/16。当不耦合系数大时，炮孔壁压力与时间的关系曲线已不再是冲击波的典型形式，而是呈台阶状，压力峰值下降，但作用时间延长，这主要是爆炸高压气体所造成的准静态压力的作用。此外，陔理沦还特别强调空孔的效应。炮孑L爆破时，若附近有空孔存在，则沿爆破孔与空孔的连心线将产生应力集中，此时，首先在孔壁上应力集中最大的地方出现拉伸裂隙．然后，这些裂隙沿着炮孔连心线方向延伸。如果孔距合适，则相向延伸的裂缝互相贯通，形成一个光滑的断裂面。但该原理不能解释周边爆破中实际存在的相邻炮孔的起爆时差对光面、预裂爆破效果的影响。

3．应力波与气体压力共同作用原理

应力波和爆炸气体压力共同作用的原理是目前得到较多认可的原理。该原理认为应力波的主要作用是在炮孔周围产生一些初始径向裂缝，随后，爆炸高压气体准静态应力的作用使初始径向裂缝进一步扩展。当相邻的两个炮孔爆炸时，不论是同时起爆，还是存在不同程度的起爆时差，由于应力集巾，沿炮孔的连心线方向首先出现裂缝，并且发展也最快。在爆炸气体压力的作用下，由于最长的径向裂隙扩展所需的能量最小，所以该处的裂缝将优先扩展。因此，连心线方向也就成为裂缝继续扩展的优先方向，而其他方向的裂缝发展甚微。从而保证了裂缝沿着连心线将岩体裂开，这种解释比较符合实际情况。2

光面爆破技术保持岩体轮廓面光滑平整、减少围岩应力和裂隙的控制爆破技术。光面爆破技术20世纪50年代起源于瑞典，60年代后中国广泛应用于采矿、水利水电、铁路交通等部门的地下硐室、井巷、隧道以及路堑等开掘爆破工程。

特点

在爆后新形成的轮廓面上残留清晰可见的半边孔壁痕迹;减少超挖量，一般可控制在5%以下;围岩破坏深度小，一般仅为普通爆破的1/3～1/2，能保持围岩的稳定性;围岩裂隙少，减小渗水性;新的轮廓面光滑平整，通风阻力减小，若需混凝土支护时，可节省支护工程量和费用。

技术措施

(1)选择合理的光面爆破孔网参数，并保证凿岩质量。布置在开掘工程设计轮廓线上的边眼称为光面眼。要严格控制光面眼方向，并保持其相互平行。光面眼数比普通爆破的周边眼数要多一些，密一些;光面眼直径40～100mm，井下孔取偏小值，露天孔取偏大值;炮眼间距约为炮眼直径的10～20倍，岩石节理发育取小值，整体性好取大值;光面层厚度相当于光面眼起爆时的最小抵抗线，它应等于或稍大于光面眼间距。

(2)采用低密度、低爆速、高体积威力和传爆性能好的光面爆破专用炸药，以减少爆破冲击波对孔壁的击碎作用和延长爆生气体产物膨胀作用时间，也可用普通硝铵炸药加以改制。用非耦合装药时，非耦合系数取1.5～2.5。

(3)采用较低的线装药密度。在保证沿相邻炮眼中心联线破裂的前提下，它比普通爆破装药少。在炮眼爆破时，每米炮眼装药量0.1～0.3kg。

(4)光面眼要同时起爆，在瞬间爆破共同作用下实现轮廓平整。

施工方案

(1)全断面一次爆破。多用于较小断面巷道掘进。周边眼参数按光面爆破设计，而掏槽眼和辅助眼等参数仍与普通爆破类同。

(2)预留光面层爆破。多用于大断面巷道或硐室掘进，先掘进超前导硐，然后加以扩大。光面层参数按光面爆破设计。当超前导硐高度不够，影响装岩时，可改用预裂爆破。

开挖岩石时，在主爆区爆破之前预先沿设计开挖轮廓线爆出一条贯穿裂缝，以控制对开挖区以外保留岩体或建筑物的破坏影响，并获得较平整的开挖轮廓的爆破技术。广泛应用于水电工程的露天及地下工程的岩石开挖施工中。

预裂爆破技术预裂爆破的成缝机理与光面爆破相同。预裂面不平整度不应大于15cm;预裂面上的爆孔痕迹保留率，对于节理不发育的岩体一般不应低于80%，且炮孔附近岩石不出现明显的爆破裂隙。

预裂爆破的主要内容和特点：①沿设计开挖轮廓线钻孔，先于开挖区主爆破孔起爆。②炮孔间距与岩石条件、钻孔直径、炸药特性有关，一般为7～12倍炮孔直径;孔径较小或岩石坚硬完整时取较大值，反之取较小值。③根据岩石的抗压强度、孔距或钻孔直径，通过经验公式计算线装药密度(即单位孔深的装药量)，也可用工程类比法采用经验数据。④采用药卷直径(d)小于钻孔直径(D)的不偶合装药结构、不偶合系数(D/d)一般取2～5;坚硬岩石选小值，松散岩石选大值。⑤预裂爆破常用的药包结构有连续装药和间隔装药两种，连续装药是比较理想的装药结构，但需使用低爆速，高传爆性的小直径专用药卷，中国通常采用间隔装药方式。为了克服预裂孔底部较强的夹制力，孔底部应适当增加装药量。预裂爆破封堵长度一般为0.8～1.5 m。⑥为保护保留区的岩体，预裂缝应有一定的超深和超长，一般情况下预裂孔超深值应大于10～20倍主爆区药卷直径，超长值应大于50～100倍主爆区药卷直径。为防止预裂壁面破坏，离预裂面最近的一排爆破孔，一般还要采用缓冲爆破，即减小孔径、抵抗线、孔距和减少装药量。⑦预裂孔一般应一次同时起爆，当预裂规模大，为了减轻预裂爆破过程中的爆破振动影响，可以分段起爆，在同一时段内用导爆索起爆，各段之间用毫秒电雷管起爆。⑧在开挖实践中，大量预裂爆破前，需通过现场试验，确定预裂爆破的各项参数。