松动爆破理论研究

松动爆破理论研究

宋勃

中国华冶科工集团有限公司天津矿业分公司   天津市武清区   301700

摘要：松动爆破是广泛应用的一种爆破方式，分普通松动及加强松动爆破，常用于采矿、土方开挖等工程。它的装药量只有标准抛掷爆破的40%—50%。松动爆破的爆堆比较集中，对爆区周围未爆部分的破坏范围较小。

松动爆破又分普通松动及加强松动爆破。松动爆破后岩石只呈现破裂和松动状态，可以形成松动爆破漏斗。加强松动爆破形成可见的爆破漏斗并产生少量抛掷作用。

松动爆破是广泛应用的一种爆破方式，它常用于采矿、土方开挖等工程。

关键词：松动爆破、抛掷爆破

1岩石破碎过程和特点

耦合装药的情况下，炸药包埋于地下一定深度时，炸药包在岩石中爆炸，由内而外，除药室空腔外，依次形成粉碎圈、裂隙圈和弹性震动圈。

1.1粉碎圈的形成

炸药爆炸后，爆轰波和高压气体膨胀形成的冲击波以突加载荷的形式没有经过缓冲而直接作用在孔壁上，压力达到103～104MPa量级，现在测定的硬度最大的岩石的抗压强度也只有102MPa量级，炸药爆炸产生的冲击波远远大于岩石的极限抗压强度。高应力的突加荷致使炮孔周围岩石受到强烈压缩，结构完全受到破坏，同时炸药爆炸释放的巨大热量使周围岩石呈塑性状态，然后伴随温度的急剧降低，岩石彻底粉碎成粉末状，形成粉碎圈。

1.2裂隙圈的形成

炮孔周围岩石在冲击波作用下在形成了粉碎圈，同时也消耗了大量的能量。在粉碎圈外部，冲击波衰减为压缩应力波，强度小于岩石的动载抗压强度，岩石不会继续被粉碎。然而压缩应力波能够将岩石往外推移，使得岩石出现径向扩张和切向拉伸应变，当岩石的动态抗拉强度极限小于产生的切向拉伸应力时，就会产生径向裂隙。岩石的动抗拉强度为定值，当其小于产生的径向拉伸应力时，岩体中就会形成环状裂隙。同样，爆生气体会使得径向裂隙得到进一步的发育和延伸。

1.3弹性震动圈的形成

爆炸应力波和爆生气体在经过对岩石作用形成粉碎圈和裂隙圈时，能量得到很大的消耗，此后应力波的衰减变得比较平缓。应力波此时的强度大小不能破坏岩石的结构，只能使岩石质点出现弹性震动状态，形成弹性震动圈。随着距离的增加，岩石将不再受到炸药爆炸的影响。

1.4岩石破碎过程的特点

通过以上的分析可以知道，当炸药爆炸时产生的冲击波初始应力峰值越高，爆生气体压力越大，在两者的共同作用下，在炮孔周围岩体中形成的粉碎圈和裂隙圈的范围就会越大，爆破震动影响的距离就会越远。为了充分利用炸药爆炸产生的能量，使得岩石的破裂更加充分，应该尽量避免在岩石中形成粉碎圈。因此，需要降低爆轰波初始压力峰值和爆生气体压力，减小粉碎圈的形成范围，使得炸药爆炸的能量更多的应用在形成裂隙圈的过程中。

2大孔径小台阶松动爆破模型

2.1建立模型

在爆破理论中，大部分都是以孔径和孔深来区分浅孔爆破和深孔爆破。孔径以50mm为界，孔深以5m为界。孔径不超过50mm、孔深不超过5m的爆破称之为浅孔爆破；孔径超过50mm、孔深超过5m的爆破称之为深孔爆破。在此定义孔径大于50mm而孔深小于5m的岩石松动爆破称之为大孔径小台阶松动爆破。

炸药悬空放置的原因是采用了绳索悬吊的方法。本论文的研究与试验过程均是采取的此种方法。大孔径小台阶松动爆破一般应用于工程规模较大而台阶高度小于5m的岩土松动爆破中，可以有减少爆破工作量、保证工期和增加经济效益的优势。由于炮孔孔径和单孔装药量较大，炸药爆炸会使得单个炮孔周围岩石破碎松动的范围增加，可以增大孔距，从而减少炮孔数量。

2.2大孔径小台阶松动爆破的特点

大孔径小台阶松动爆破的单孔负担面积比较大，孔网参数与其他岩土爆破方法相比更大。它具有一些特点：

第一，岩土在炸药爆炸作用下生成的爆破漏斗角度增大，同时，在台阶外侧形成弧形自由面，增大自由面面积，有利于下排炸药爆炸充分破碎岩石。在其他条件相同时，增大孔径，增加单孔装药量，能够使得炸药爆炸产生的冲击波和在自由面处形成的反射波强度加大，从而使得爆破漏斗角度增大，有利于压缩应力波在自由面处得到更充分的反射，使炸药能量更多的用于破碎岩石，改善了爆破效果。

第二，炸药爆炸能量利用率提高。在使用大孔径小台阶松动爆破时，由于单孔装药量大，使得孔距适当的加大。这样就可以避免爆炸生成的气体产物因为相邻炮孔之间的裂隙过早贯通而逸散。高压的爆生气体充满岩石因冲击应力波生成的裂隙，使得裂隙进一步发展和延伸，提高了炸药能量利用率，岩石的爆破质量得到提高。

第三，二次破碎作用增强。一方面，装药量大，炸药爆炸产生的能量多，而台阶高度偏小，使得冲击波和反射波强度大，岩石裂开后形成的碎块移动速度较大；另一方面，爆生气体生成量大，炮孔内气体压力高，爆生气体对岩石碎块的推移作用大，能够具有很大的移动速度，改善爆破效果。

3装药结构的选择

评价一次爆破的质量好坏，关键的指标是看爆后的岩石块度、飞石数量和距离、根底残留量和爆破振动。在大型的水坝、水电站和核电站等大型建筑设施的基坑开挖过程中，为了保护基坑底部岩石的完整性，在基坑底部预留了一层保护层来另外进行开挖。因此，我们选择使用大孔径小台阶松动爆破来开挖保护层时，需要特别注意保护基坑底部岩石的完整性，使其最小限度的受到炸药爆炸的影响。

3.1耦合装药结构

装药结构一般可以分为耦合装药和不耦合装药,耦合装药可以分为连续装药和混合装药。对于连续装药结构，炮孔中除堵塞段外，其余空间全部用炸药填充，使炸药与炮孔壁和孔底完全贴合，且单一炮孔中填充的炸药种类是唯一的。混合装药结构的情况与连续装药结构相似，但是单一炮孔中填充的炸药不是唯一的。例如在炮孔底部，岩石所受到的夹制作用比较大，来自自由面的反射波对其影响比较小，岩石的松动破裂比较困难，很容易在炮孔底部形成根底残留，给后续作业带来困难，因此需要在炮孔底部使用高威力炸药。

3.2不耦合装药结构

不耦合装药可以分为径向不耦合装药和轴向不耦合装药。径向不耦合装药结构中，由于药柱与孔壁之间存在着空气间隔，两者没有直接贴合，炸药爆炸产生的爆轰波和爆生气体经过空气间隔的缓冲，能够降低爆轰应力峰值，减小粉碎圈的范围，可以使得炮孔周围岩石生成更充分的裂隙，改善爆破效果。

3.3大孔径小台阶松动爆破的装药结构

影响装药结构的选择因素有很多，在很大程度上主要考虑爆破岩体的岩性和具体的工程应用要求。使用大孔径小台阶爆破的方法主要是在水电站、核电站等大型的建筑设施的基坑开挖中。这类工程对基坑底部岩石的完整性要求特别高，所以在开挖基坑标高的上部一般会选择采用预留一层3～5m高的保护层另外进行开挖的方法。在开挖保护层的时候，不仅要挖掘速度够快，同时要注意保护基坑底部岩石的完整性，装药结构的优化是一个很好的方向。

4孔底空气间隔装药技术分析

孔底空气间隔装药技术就是按照岩石的破碎过程和特点，以及炸药爆炸产生的能量突变作用在炮孔周围岩石以产生损伤与破坏的原理，在炮孔底部留下一部分空间，用空气或者其他柔性垫层填充的一种爆破新技术。这种新爆破技术能够很好的调节炸药能量的分布，降低初始应力波峰值，增加作用时间，岩石破碎更充分，同时能够很好的保护孔底岩石，减小其受到的损伤。

4.1空气柱的作用

由于有空气柱的存在，炸药爆炸产生的应力波和爆生气体共同形成的准静态压力在空气间隔中膨胀并压缩空气间隔的过程中，准静态压力峰值会有所降低。同时，压缩应力波随着传播距离的加大，在通过空气柱的时候，压缩应力波会衰减。因此，在孔底采用空气间隔装药技术，选用合理的不耦合系数，能够减小粉碎圈的范围，提高能量利用率。一般来讲，空气柱有三个方面的作用：

第一是可以降低作用在孔壁岩石上的应力波峰值，避免过多的能量用于粉碎岩石，减小粉碎圈的范围，未消耗的炸药爆炸产生的能量增加，能够改善粉碎圈以外岩体的爆破质量。

第二是可以延长应力波作用时间。由于有空气柱的存在，在孔底形成了一个临界面，爆轰波在此发生反射，形成反射波，转移部分作用于孔底岩石的能量到孔壁岩石中，一方面可以保护孔底岩石，另一方面可以改善爆破效果。

第三是应力波作用到炮孔周围岩体的冲量得到提高。这是前面两点共同作用的结果。在选用空气间隔装药的情况下，比冲量沿炮孔全长的分布更加的合理，这就使得在炮孔全长范围内比冲量分布更加均衡，爆破质量提高而大块率减小，爆破效果得到很大改善。

4.2空气柱长度对爆破效果的影响
无论哪一种爆破方法，在采用空气间隔装药时，都必须考虑空气柱长度的计算问题。在深孔爆破中，如果空气柱长度过长，则可能会使得合理分配炮孔壁上冲击作用力的效果减小，虽然能够有效降低对孔底岩石的损伤，但是在空气柱长度范围内，孔壁有些部位岩石很难出现裂纹，甚至有可能会使得孔壁上所受到的压力过小，爆破松动岩石效果反而变差；如果空气柱长度过短，则起不到空气柱降低孔壁岩石所受应力波峰值的作用，对孔底岩石的损伤也没有明显降低。在浅孔爆破中，空气柱长度的选择则显得尤为重要。在装药长度一定的条件下，空气柱长度太大，将会使得堵塞长度过小，影响堵塞效果，降低炸药能量的利用率；空气柱长度太小，孔底岩石的完整性受到炸药爆炸的冲击影响将加大，不能起到应有的保护作用。由此可见，在应用空气间隔装药结构的爆破中，空气柱的长度存在一个最佳值或者最佳范围。能使得炸药爆炸降低对孔底岩石的破坏作用，同时对炮孔周围岩石产生的破岩效果最好。

参 考 文 献：

[1]骆中洲.露天采矿学，北京：中国矿业大学出版社，1986

[2]张富民. 采矿设计手册（2），北京：中国建筑工业出版社，1986

[3]钟良俊.王荣祥，露天矿设备选型配套计算，北京：冶金工业出版社，1988

[4]解世俊. 采矿手册，北京：冶金工业出版社出版，1990

[5]张国立. 采矿工程设计手册，北京：冶金工业出版社，2003

[6]刘殿中.爆破安全规程实施手册，北京：人民交通出版社，2004

[7]宁恩渐.工程爆破实用手册（第二版），北京：冶金工业出版社，1999

[8]王运敏.中国采矿设备手册，北京：科学出版社，2007

[9]张世雄. 固体矿物资源开发工程，武汉：武汉理工大学出版社，2005

[10]中国国际工程集团沈阳设计研究院.煤炭工业露天矿设计规范， 2005

作者简介：

宋勃，男，汉族，1990年9月30日出生于辽宁省铁岭市，中国地质大学土木工程专业，主要研究方向为矿山掘进、采场爆破，中国华冶科工集团有限公司天津矿业分公司技术质量科。