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1、第七章 地下工程爆破技术,综合机械化施工法(TBM)钻眼爆破法,炮眼的分类,按用途不同，将工作面的炮眼分为三种:掏槽眼：用于爆出新的自由面，为其他后爆炮眼创造有利的爆破条件。崩落眼：是破碎岩石的主要炮眼。崩落眼利用掏槽眼和辅助眼爆破后创造的平行于炮眼的自由面，爆破条件大大改善，故能在该自由面方向上形成较大体积的破碎漏斗。周边眼：控制爆破后的巷道断面形状、大小和轮廓，使之符合设计要求。巷道中的周边眼按其所在位置分为顶眼、帮眼和底眼。,斜眼掏槽,单向掏槽 由数个炮眼向同一方向倾斜组成。适用于中硬（f 4）以下具有层、节理或软夹层的岩层中。掏槽角度在450650，间距在3060cm范围内，尽量同时起
2、爆。锥形掏槽 数个共同向中心倾斜的炮眼组成，爆破后槽腔呈角锥形。锥形掏槽适用于f8的坚韧岩石，其掏槽效果较好，但钻眼困难。楔形掏槽 由数对（一般为24对）对称的相向倾斜的炮眼组成，爆破后形成楔形的槽腔。适用于各种岩层，特别是中硬以上的稳定岩层。这种掏槽方法，爆力比较集中，爆破效果较好，槽腔体积较大。扇形掏槽 扇形掏槽各糟眼的角度和深度不同，主要适用于煤层、半煤岩或有软夹层的岩石中。此种掏槽需要多段延期雷管顺序起爆各掏槽眼，逐渐加深槽腔。,斜眼掏槽的优缺点,优点：适用于各种岩层并获得较好的掏槽效果；所需掏槽眼数目较少，单位耗药量小于直眼掏槽；槽眼位置和倾角的精确度对掏槽效果的影响较小。缺点：钻眼
3、方向难以掌握，要求钻眼工具有熟练的技术水平；炮眼深度受巷道断面的限制，尤其在小断面巷道中更为突出；全断面巷道爆破下岩石的抛掷距离较大，爆堆分散，容易损坏设备和支护，尤其是掏槽眼角度不对称时。,直眼掏槽,炮眼垂直于工作面且相互平行，距离较近。其中有一个或几个不装药的空眼。空眼的作用是给装药眼创造自由面和作为破碎岩石的膨胀空间。缝隙掏槽或龟裂掏槽 掏槽眼布置在一条直线上且相互平行，隔眼装药，各眼同时起爆，爆破后，在整个炮眼深度范围内形成一条稍大于炮眼直径的条形槽口，为辅助眼创造临空面。适用于中硬以上或坚硬岩石和小断面巷道。角柱状掏槽（目前应用最多的一种）掏槽眼按各种几何形状布置，使形成的腔呈角柱体
4、或圆柱体，所以又称为桶状掏槽，装药眼和空眼数目及其相互位置与间距是根据岩石性质和巷道断面来确定的。空眼直径可以采用等于或大于装药服的直径。,螺旋掏槽 所有装药眼围绕中心空眼呈螺旋状布置，并从距空眼最近的炮眼开始顺序起爆，使槽腔逐步扩大。此种掏槽方法优点是可以用较少的炮眼和炸药获得较大体积的槽腔，各后续起爆的装药眼，易于将碎石从腔内抛出。双螺旋构槽 当需要提高掘进速度时，可采用装药眼围绕中心大空眼沿相对的两条螺旋线布置，其原理与螺旋掏槽相同。中心空眼一般采用大直径钻孔，或采用两个相互贯通的小直径空眼（形成“8”字形空眼）。此种掏槽适用于岩石坚硬、密实，无裂缝和层节理。,直眼掏槽的优缺点,优点：炮
5、眼垂直于工作面布置，方式简单，易于掌握和实现多台钻机同时作业和钻眼机械化；炮眼深度不受巷道断面限制，可以实现中深孔爆破；当炮眼深度改变时，掏槽布置可不变，只需调整装药量即可；有较高的炮眼利用率；全断面巷道爆破，岩石的抛掷距离较近，爆堆集中，不易崩坏井筒或工作面内的设备和支架。缺点：需要较多的炮眼数目和较多的炸药；炮眼间距和平行度的误差对掏槽效果影响较大，必须具备熟练的钻眼操作技术。,直眼掏槽大都利用平行装药眼的空眼作自由面来破碎岩石的,但由于自由面很小,装药所受的夹制作用较大。存在最优抵抗（岩石破碎体积达到最大的最小抵抗线），与炸药和岩石性质有关，与自由面的大小有关。地下工程的爆破施工过程中，
6、选择在某一施工条件下合理的掏槽形式，应考虑以下几方面的因素：地质条件的适应性；施工技术的可行性；爆破效果的可靠性和经济合理性等。,爆破参数,主要的钻眼爆破参数还有：单位炸药消耗量、炮眼深度、炮眼直径、装药直径、炮眼数目等。单位炸药消耗量 爆破每立方米原岩所消耗的炸药量称为单位炸药消耗量，通常以q表示。单位炸药消耗量不仅影响岩石破碎块度、岩块飞散距离和爆堆形状，而且影响炮眼利用率、井巷轮廓质量及围岩的稳定性等。合理确定单位炸药消耗量决定于多种因素，其中主要包括：炸药性质（密度、爆力、猛度、可塑性）、岩石性质、井巷断面、装药直径和炮眼直径、炮眼深度等。,常用经验公式：,修正的普氏公式：,井巷掘进的
7、单位炸药消耗量定额：,明捷利公式：,炮眼直径 炮眼直径主要根据装药直径来确定。装药爆轰性能影响：装药直径不能小于炸药的临界直径；应力波参数的影响：应力波峰值、作用时间及其冲量。爆破参数和爆破效果的影响：全断面炮眼数目、炸药的单耗、爆破岩石块度与岩壁平整度。钻眼爆破经济技术指标的影响：其大小直接影响钻眼效率、掘进速度和成本。我国多用3545 mm的炮眼直径（选用时钻头比孔径小23mm）。,炮眼深度 炮眼深度是指孔底到工作面的垂直距离。炮眼深度是决定掘进循环次数的重要因素。我国目前实行有浅眼多循环和深眼少循环两种工艺，采用那种工艺要视具体条件而定。以掘进每米巷道所需劳动量或工时最小、成本最低的炮眼
8、深度称为最优炮眼深度。通常根据任务要求或循环组织来确定炮眼深度。,按任务要求确定炮眼深度,按循环组织确定炮眼深度,钻眼所需时间,装岩所需时间,考虑钻眼与装岩的平行作业过程，则钻眼与装岩时间为:,考虑钻眼与装岩的平行作业过程，则钻眼与装岩时间为:,则有：,炮眼数目,炮眼数目的多少，直接影响凿岩工作量和爆破效果。孔数过少，大块增多，井巷轮廓不平整甚至出现爆不开的情形；孔数过多，将使凿岩工作量增加。炮眼数目的选定主要同井巷断面、岩石性质及炸药性能等因素有关。确定炮眼数目的基本原则是在保证爆破效果的前提下，应尽可能地减少炮孔数目。通常可以按下式估算：,炮眼数目也可以根据每循环所需炸药量和每个炮眼装药量
9、来计算：,因为,故有,明捷利经验公式,炮眼利用率,炮眼利用率是合理选择钻眼爆破参数的一个重要准则。炮眼利用率区分为：个别炮眼利用率和井巷全断面炮眼利用率。,前者定义为：,后者定义为：,通常所说的炮眼利用率系指井巷全断面的炮眼利用率。试验表明，单位炸药消耗量、装药直径、炮眼数目、装药系数和炮眼深度等参数对炮眼利用率的大小产生影响。井巷掘进的较优炮眼利用率为0.850.95。,装药结构,连续装药装药在炮眼内连续装填，没有间隔；间隔装药装药在炮眼内分段装填，装药之间有炮泥、木垫或空气使之隔开。耦合装药装药直径与炮眼直径相同；不耦合装药装药直径小于炮眼直径。正向起爆装药起爆雷管在炮眼眼口处，爆轰向眼底
10、传播；反向起爆装药起爆雷管在炮眼眼底必，爆轰向眼口传播。,间隙效应,对于混合炸药，特别是硝铵类混合炸药，在细长连续装药时，如果不耦合系数选取不当，就会发生爆轰中断，在炮眼内的装药会有一部分不爆炸，这种现象称为间隙效应，或称管道效应。间隙效应的产生与炸药性能、不耦合系数值和岩石性质有关。在实际爆破中，应避免和消除间隙效应。其方法主要有：采用散装药，即不耦合系数值为1；在连续装药的全长上，每隔一定距离放上一个硬纸板做成的档圈，档圈外径和炮眼直径相同，以阻止间隙内空气冲击波的传播，削弱其强度；采用临界直径小，爆轰性能好的炸药；减小炮眼直径或增大装药直径，避开产生间隙效应的不耦合系数值范围。,炮眼的填
11、塞 用水、粘土、砂或土砂混合材料将装好炸药的炮眼封闭起来称为填塞，所用材料统称为炮泥。炮泥的作用是保证炸药充分反应，使之放出最大热量和减少有毒气体生成量；降低爆炸气体逸出自由面的温度和压力，使炮眼内保持较高的爆轰压力和较长的作用时间。瞎炮的处理 炮眼中装好炸药经引爆而未能爆炸，这类炸药未发生爆炸的炮眼，叫做瞎炮。瞎炮的产生原因是多方面的，如：炸药的质量问题、雷管爆炸没有引爆炸药、起爆器材的质量差、连线质量和炮眼布置等都有可能产生瞎炮。发现瞎炮应及时处理，如瞎炮是由联线不良或错联所造成，则可重新联线补爆；如不能补爆，则应在距原炮眼0.3m处钻一个平行的炮眼，重新装药放炮，严禁手拉或掏挖瞎炮。,爆
12、破说明书和爆破图表,爆破说明书和爆破图表是井巷施工组织设计中的一个重要组成部分，是指导、检查和总结爆破工作的技术文件。编制爆破说明书和爆破图表时，应根据岩石性质、地质条件，设备能力和施工队伍的技术水平等，合理选择爆破参数，尽量采用先进的爆破技术。爆破说明书的主要内容爆破工程的原始资料：包括井巷名称、用途、位置、断面形状和尺寸，穿过岩层的性质、地质条件及瓦斯情况等；选用的钻眼爆破器材：包括凿岩机具的型号和性能，炸药、雷管的品种；爆破参数的计算：包括掏槽方式和掏槽爆破参数，光面爆破参数，崩落眼的爆破参数；爆破网路的计算和设计爆破安全措施等 根据爆破说明书绘出爆破图表。在爆破图表中应有炮眼布置图和装
13、药结构图；炮眼布置参数和装药参数的表格；以及预期的爆破效果和经济指标。,微差爆破,装药的起爆顺序 提高爆破效果,顺序起爆 炮眼分类,分组按序起爆 秒延期爆破、毫秒延期爆破（微差爆破）充分利用自由面微差爆破优点：增加了破碎作用，能够减小岩石爆破块度，降低单位炸药消耗量；能够降低爆破产生的地震效应，防止对围岩或地面建筑物造成破坏；减小了抛掷作用，爆堆集中，既能提高装岩效率，又能防止崩坏支架或损坏其他设备；在有瓦斯与煤尘的工作面采用微差爆破，可实现全断面一次爆破，缩短爆破和通风时间，提高掘进速度。,微差爆破的破岩机理,目前几种假说：应力波干涉假说 若相邻两装药间隔若干毫秒爆炸，先起爆的装药在岩体内形
14、成的应力场尚未消失，而后起爆装药又立即起爆，使两者所产生的应力波相互叠加，从而加强了破碎效果。自由面假说 先起爆的装药在岩体内已造成了某种程度的破坏，形成了一个新的爆破漏斗，对后起爆装药创造一个有利的破碎条件，相当于新增加自由面并处于应力状态作用了。同时，后起爆装药的最小抵抗线方向和爆破作用方向都发生了改变，朝向了新形成的附加自由面，即新形成爆破漏斗的斜边。由于附加自由面的出现，岩石的夹制作用减小，爆炸能量能较充分地加以利用来破碎岩石，有利于降低大块率，减小抛掷距离和爆堆宽度。按照这种假说，在微差爆破各种形式中，以台阶爆破的炮孔间隔起爆或波浪形微差爆破的效果最好。除运动岩块能够发生相互碰撞这点
15、外，自由面假说不能说明微差爆破和秒延期爆破的区别。,微差爆破的破岩机理,岩块碰撞假说 该假说认为，在微差爆破过程中，先后相继爆破下的岩块在运动过程中发生相互碰撞，利用动能使其再次发生破碎，导致运动速度降低，因而抛掷距离减小，爆堆集中。按这种假说，微差爆破最好的起爆方式和起爆间隔时差应能为岩块发生碰撞创造条件。残余应力假说 先期爆炸激起的爆炸应力波在炮孔周围的岩体内形成动态应力场，并产生径向裂缝向外扩展；其后，高温高压的爆生气体渗入裂缝，在较长时间内使岩体处于准静应力状态，使裂缝进一步扩展。后期装药若在此刻爆炸，就可利用岩体内已形成的残余应力来改善岩石的破碎质量。,微差爆破参数,微差爆破爆破效果
16、除与装药起爆方式和起爆顺序有关外，还决定于所采用的爆破参数。确定方法同一般爆破，但在相同的爆破参数条件下，微差爆破能减小岩石的破碎块度；反之，在保持岩石块度不变的条件下，采用微差爆破可增大炮眼间距或增大装药的最小抵抗。选择合理的微差间隙时间，是实现微差爆破的关键，但到目前为止，还不能完全从理论上计算，还需要在实践中不断摸索总结，加以修正。按应力波干涉假说，波克罗夫斯基给出能增强破碎效果的合理间隔延期时间为 兰格福斯总结瑞典应用的经验，提出以下能达到最优破碎的合理延期时间的经验公式：Qt3.3 KW,光面爆破,光面爆破是控制爆破中的一种方法，目的是使爆破后留下的围岩具有光滑表面，并保护它不受损伤
17、。在地下工程开挖中，光面爆破只限于断面周边一层岩石（主要是顶部和两帮），所以又称为轮廓爆破或周边爆破。光面爆破特点爆破后成形规整，符合设计轮廓，特别适用于松软岩层，能减少超挖；爆破后围岩不产生或很少产生裂缝，提高围岩自身稳定性和承载力，降低了支护的要求；保证了施工的安全，提高了掘进速度。,光面爆破原理,光面爆破的实质，是在井巷掘进设计断面的轮廓线上布置间距较小、相互平行的炮眼，控制每个炮眼的装药量，选用低密度和低爆速的炸药，采用不耦合装药，同时起爆，使炸药的爆炸作用刚好产生炮眼连线上的贯穿裂缝，并沿各炮眼的连线-井巷轮廓线，将岩石崩落下来。普通光面爆破的质量决定于周边眼的爆破参数：装药量、炮眼
18、间距和最小抵抗。在地下工程中采用普通光面爆破时，全断面炮眼的起爆顺序和普通爆破相同，但周边眼的爆破参数按下述原理来确定。降低对隧道、巷道壁面的破坏沿周边眼布置线形成贯穿裂缝，确保岩面光滑使光爆层脱离原岩体，并防止在反射波作用下产生超挖,降低对隧道、巷道壁面的破坏,在爆炸载荷作用下，炮眼壁上产生的冲击压力不应大于处于体积应力状态下岩石的抗压强度。（与不耦合系数有关）不耦合系数 不耦合系数选取的原则是使作用在孔壁上的压力低于岩石的抗压强度，而高于抗拉强度。已知在不耦合装药条件下，炮眼壁上产生的冲击压力为：令,可求得装药不耦合系数,沿周边眼布置线形成贯穿裂缝，确保岩面光滑,应力波作用原理 合适的炮眼
19、间距是以两眼在连线上叠加的切向应力大于岩石的抗拉强度为原则，设若作用于炮眼壁上的初始应力峰值为p2，则在相邻装药连线中点上产生的最大拉应力为：,若以应力波和爆炸气体共同作用理论采用秒延期或普通毫秒雷管时，由于雷管时差较大，难以保证应力波在装药连线上发生相互作用。相邻装药的贯穿裂缝通常不是靠应力波的叠加形成的，而是各装药激起的应力波先在各自炮眼壁上产生初始裂缝，然后在爆生气体在静压使之扩展贯穿。,光爆层脱离原岩体，防止超挖,光面爆破炮眼的最小抵抗线是指周边眼至邻近崩落眼的垂直距离，或称光爆层厚度。最小抵抗线过大，光爆层的岩石将得不到适当破碎；反之，最小抵抗线过小，则在反射波作用下，围岩内将产生较
20、多的裂缝，影响围岩稳定，甚至造成围岩的片落、超挖和巷道壁的凹凸不平。合理的最小抵抗线是与装药邻近系数相关的。实践中多取m0.81.0，此时光爆效果最好。所以，合适的抵抗线为眼距的11.25倍。光爆层岩石的崩落类似于露天台阶爆破，可以采用下列经验公式（豪柔公式）来确定最小抵抗线W，即：,起爆时差 模型试验和实际爆破表明：周边眼同时起爆时，贯穿裂缝平整；微差起爆次之；秒延期起爆最差。同时起爆时，炮眼间的贯穿裂缝形成得较早，一旦裂缝形成，使其周围岩体内的应力下降，从而抑制了其他方向裂缝的形成和扩展，爆破形成的壁面就较平整。若周边眼起爆时差超过0.1S时，各炮眼就如同单独起爆一样，炮眼周围将产生较多的
21、裂缝，并形成凹凸不平的壁面。因此，在光面爆破中应尽可能减小周边眼的起爆时差。,光面爆破施工,光面爆破质量标准 光面爆破一般应达到三条标准：岩石上留下具有均匀眼痕的周边眼数不应小于其总数的50；超挖尺寸不得大于150mm，欠挖不得超过质量标准规定；岩石上不应有明显的炮震裂缝。钻眼的要求 要达到钻眼的“平、直、齐、准”，得按照以下要求施工：所有周边眼应彼此平行，并且其深度一般不应比其他炮眼深。各炮眼均应垂直于工作面。实际施工时，周边眼不可能完全与工作面垂直，必然有一个角度，根据炮眼深度一般此角度要取3050。如果工作面不齐，应按实际情况调整炮眼深度及装药量，力求所有炮眼底落在同一个横断面上。开眼位
22、置要准确，偏差值不大于30 mm。对于周边眼开眼位置均应位于井巷断面的轮廓线上，不允许有偏向轮廓线里面的误差。掘进巷道时有两种施工方案，即全断面一次爆破和预留光爆层分次爆破。,预裂爆破,预裂爆破是沿设计开挖轮廓打一排小间距的平行深孔，减少装药量，采用不耦合装药结构，在开挖区主爆破孔爆破之前同时起爆，在这一排预裂孔间连线的方向上形成一条平整的预裂缝。预裂缝形成后，再起爆缓冲炮孔和主爆孔。预裂爆破的效果一般根据预裂缝的宽度、新壁面的平整度、孔痕率以及减震效果等指标来衡量。,炮眼布置,对炮眼布置的要求合理的炮眼布置应能保证：有较高的炮眼利用率；先爆炸的炮眼不会破坏后爆炸的炮眼，或影响其内装药爆轰的稳
23、定性；爆破块度均匀，大块率少；爆堆集中，飞石距离小，不会损坏支架或其他设备；爆破后断面和轮廓符合设计要求，壁面平整并能保持井巷围岩本身的强度和稳定性。,炮眼布置的方法和原则工作面上各类炮眼布置是“抓两头、带中间”。即首先选择适当的掏槽方式和掏槽位置，其次是布置好周边眼，最后根据断面大小布置崩落眼。掏槽眼的位置会影响岩石的抛掷距离和破碎块度，通常布置在断面的中央偏下，并考虑崩落眼的布置较为均匀。周边眼一般布置在断面轮廓线上。按光面爆破要求，各炮眼要相互平行，眼底落在同一平面上。底眼的最小抵抗线和炮眼间距通常与崩落眼相同，为保证爆破后在巷道底板不留“根底”，并为铺轨创造条件，底眼眼底要超过底板轮廓线。布置好周边眼和掏槽眼后，再布置崩落眼。崩落眼是以槽腔为自由面而层层布置的，均匀地分布在被爆岩体上，并根据断面大小和形状调整好最小抵抗线和邻近系数。崩落眼最小抵抗线可按式计算：,
