一般巖土工程爆破技術理論分析與應用

王思海 盧興亮 于泰鵬

（1.福建鑫祥建設工程有限公司，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

進入新世紀，我國經濟迅速發展，基礎建設蓬勃興起，各種工程建設方興未衰，爆破工程也隨之發展壯大。由于爆破作業人員的技術水平參差不齊，所以有些爆破工程不能達到炸藥最高有效利用率，進而造成爆破效果差。主要表現在：炸藥單耗高、大塊率高，既浪費了有限的炸藥資源又消耗了大量的人力。為了改變這一現象，我們可以提高爆破作業人員的技術理論水平和實際操作技能。

2 一般巖土對爆破的要求

隨著潛孔鉆機、牙輪鉆機等鉆機的發展與應用，爆破器材向著安全、高質量、多品種、低成本、生產工藝連續化這個方向發展，以及城鎮基礎建設、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，爆破工程也由傳統的爆破向精細化爆破發展，這就對爆破效果有了更高的質量要求。主要有以下幾個方面：在改善爆破質量方面，應做到無后沖，無側裂，無巖坎，巖石介質有良好的破碎，大塊率符合工程要求，爆堆集中且有一定松散系數，能滿足挖運設備高效率的挖運要求；在降低爆破危害效應方面，要做到控制爆破地震、爆破個別飛散物（主要是爆破飛石）、爆破沖擊波、爆破噪音、爆破煙塵的危害；在提高爆破技術經濟指標方面，應做到提高延米爆破量，選取合理的炸藥單耗，嚴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，幾乎每個施爆工地都要做爆破地震和爆破飛石的防護。此外，由于電雷管的逐步退出以及非電導爆雷管、電磁雷管、數碼電子雷管的進入，提高爆破網絡的可靠性也是保障爆破安全的基礎。

2.1 安全控制

2.1.1 爆破飛石產生的因素與控制

爆破飛石主要產生于炮孔口部，前排炮孔。造成孔口產生飛石的因素有四個方面：其一是沒有做到有效優質的填塞，填塞不嚴或填塞物混有比較大的石塊，產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，破壞了巖石的結構完整性，在又一次爆破時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，爆破應力波在這一段進行傳播時損耗最小，所以在最小抵抗線方向的巖石最先被壓縮凸起，對巖石介質實施爆破，巖石的運動有兩個方向，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距離拋擲造成遠距離飛石），或因前排結構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，導致遠距離飛石。

2.1.2 減少飛石的技術與措施

其一，合理設計。根據鉆孔期間的地形變化及時調整孔位和炮孔傾角，根據暴露的深層地質結構（鉆孔速度變化及巖粉）以及現場試爆的結果及時調整炸藥單耗、單孔實際裝藥量、最小抵抗線、孔距和排距、毫秒位差間隔時間的選取值。其二，精心施工，仔細觀察前排最小抵抗線和結構面是否變化，采用毫秒微差多拍擠壓爆破技術以減少前排炮孔的出現率，在薄弱結構面地方采用間隔裝藥，發現炮孔有貫通裂縫或與空洞連接，應將該段炮孔填塞進行分段裝藥；檢查炮孔旳孔位、傾斜角是否與原設計一致，差別過大的要重新補孔，保證炮孔填塞長度不小于地盤抵抗線，做到有效優質的炮孔填塞，采用用水浸濕的草簾、橡膠簾竹排、沙袋等加強爆破區域覆蓋防護。表面覆蓋也是防護飛石的措施，只有做好裝藥，填塞的控制，被動防護才是有效的，不然再嚴密的覆蓋也無法阻擋大量飛石的沖擊。其三，嚴格管理，分工明確責任到人。

2.1.3 爆破地震的安全性與控制

炸藥在固體介質中爆炸后，由于爆轟波的逐步衰減對質點只能造成彈性擾動，這種彈性擾動以彈性波的方式向外傳播形成爆破地震，當爆破地震頻率衰減到與質點固有頻率（質點固有頻率為4～12Hz）接近或相同時，以及爆破振速超過被保護介質的安全保護振速時，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結構存在一定的關系，結構性好、硬度系數高的巖石爆破地震危害就會降低，因為結構性好的巖石波阻抗大，爆破地震波在其間傳播是以波導方式傳播的，這樣地震波衰減就會加快，所以危害就??；巖石結構性差硬系數度較低的巖石爆破地震危害就會高，結構性差、硬度系數低的巖石爆破地震危害就會上升，因為結構性差的巖石波阻抗小，爆破地震波在其結構面與結構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等價橢圓，爆點位于橢圓的中心，所以爆破地震造成的危害在施爆區后方最大，兩邊次之，前面最小。因此，在做設計時要選對起爆方向，盡量做到爆點垂直于質點、布孔方向、起爆方向平行于地質結構面。

2.2 降低大塊率

2.2.1 大塊產生的原因與控制

一般正常爆破施工設計方案，爆堆內部的不合格大塊率很低，除個別特殊地質地段，幾乎不會形成大塊。大塊產生的原因主要來自三個方面：一是結構面的軟硬結合帶，二是孔口填塞段，三是邊幫反坡塌落與側裂。

前排結構面形成大塊的主要原因：結構立面凹凸不平，最小抵抗線不均，這是產生大塊第一個原因；由于前施暴區對本施暴區前結構面的損傷和切割，有的部位被直接切割成單元體，在爆破正應力波到達前排結構面轉化成負應力波時，不能對其產生拉伸破壞，由正應力波的壓縮凸出形成塌落大塊?？卓谔钊L度一般為炮孔直徑的20～30倍，根據條形藥包爆破的研究，條形藥包端部軸線方向爆炸應力波的衰減最快，當孔口軸線半徑距離與藥包半徑之比R/r=55～65時，條形藥包端部軸線方向應力波僅為端部徑向的1/3，但考慮到孔口飛石的防護，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生大塊另一主要原因。由于起爆時，施暴區面受到轄制，而造成后沖形成后區塌落大塊。

2.2.2 降低大塊率的技術途徑

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，在做爆破施工設計時，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相鄰炮孔不能過早地貫通，這樣就增加了爆破應力波和高溫高壓的爆破氣體對巖石的作用時間。由于最小抵抗線距臨空面的距離最短，爆破應力波在這一段進行傳播時損耗最小，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之一；多排微差擠壓爆破時，拋擲巖石在空中相互創擊，同時增加了結構面，有效的增加了余應力波作用，進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，當藥包起爆時彌補了炮孔口部爆破應力的不足，增強了對炮孔口部巖石的破碎能力，同時對填塞物起到壓實作用，使炮孔內高溫高壓的爆炸氣體不能過早的從孔口溢出，增加了爆炸產物對巖石的作用時間，有效地降低了大塊形成率。輔助藥包應設置在距填塞物底部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 起爆網絡的可靠性

起爆網絡的可靠性也是保障爆破安全和降低大塊形成的關鍵。一旦起爆網絡可靠性低，進而出現拒爆，就使爆破參數發生變化，從而造成筒狀爆破形成沖炮，沖炮加大了產生爆破飛石系數和大塊石的形成率。由于電爆網絡的退出，非電導爆網絡又沒有專用檢測設備，因此在設計時盡量采用孔內延時、捆綁連接方式，操作時要有經驗豐富的作業人員進行操作，網絡連接完畢要進行仔細的反復檢查2～3遍，防止漏接而產生盲炮。一旦綁扎在集族導爆接點的雷管出現問題將會導致10～20個炮孔拒爆，為確保起爆網絡的安全，可根據接力雷管延期時間的倍數在此倍數節點加補綁扎接力傳爆雷管。

2.3 降低爆破成本費用

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。因為爆轟波在水中衰減的很慢，水又是近似不可壓縮介質，加之滲水壓力可以提高炸藥的有效利用率、爆破應力波在水中是等能傳播，一方面水有緩沖作用，當炸藥與介質直接接觸爆炸時，炸藥爆炸后在高溫高壓作用下，介質產生塑性流動和過粉碎，消耗大量的能量。這部分介質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，介質只發生破裂，而不產生塑性流動和過粉碎，從而提高了能量的利用率；另一方面，由于水的密度遠遠大于空氣的密度，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，波陣面空氣質點的速度為772m/s，而當水中沖擊波波陣面壓力為9.8×105MPa時，波陣面水質點的速度僅為67m/s。由于水的滲流速度低，同時又阻礙了爆轟氣體的滲流，因此可以降低噪音，抑制飛石的產生，起到緩沖作用采用炮眼水壓爆破時，沖擊波作用于介質后首先在介質上產生裂縫，水和爆轟氣體（炮眼水壓爆破時有爆轟氣體）滲流到裂縫中，使裂縫得以擴展和延伸，這種作用可以認為是“水楔”的劈裂作用。根據巖石爆破機理，當爆轟氣體滲流到裂縫中，對裂縫有擴展和延伸作用，這種作用稱為“氣楔”。由于水攜帶的能量遠遠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)填塞處采用設置輔助藥包法，以降低孔口大塊形成率。(3)選用高效可靠，優質價廉的爆破器材。

[1]王曉雷.河北理工學院碩士論文，2003.