光面爆破与预裂爆破的方法研究

光面爆破与预裂爆破的方法研究摘要：在爆破工程当中，光面爆破和预裂爆破都是使爆破裂隙沿设计开挖面形成的控制爆破方法。两种方法有异有同。本文在对光面爆破以及预裂爆破原理理解研究的基础上，分析了两种方法在实际工程当中作用机理以及参数的确定。关键字：光面爆破，预裂爆破，影响因素，参数选择。TheresearchofsmoothblastingandpresplittingblastingAbstract：Amongtheblasting,smoothblastingandpresplittingblastingisdesignedsothatblastingexcavationsurfacecracksformedalongthecontrolledblastingmethods.Thesetwowayshavedifferentpointsandsamepoints.Inthispaper,basedontheunderstandingandresearchingofsmoothblastingandpresplittingblasting,themechanismandthechoosingofparametersinactualprojectareanalyzed.Keywords:smoothblasting,presplittingblasting,influencingfactor,choosingofparameters.1引言爆破法是开挖隧道施工当中最常用的方法，但对于不同的施工环境以及施工要求，我们对具体爆破方法的选择也有进一步要求。而具体采用哪一种方法进行爆破施工一直是爆破工程中不断讨论的课题。光面爆破和预裂爆破是其中重要的两种施工方法。两种方法由于其能控制沿设计开面形成裂缝的特点在多方面得到了广泛的应用。2.爆破方法介绍2.1光面爆破法2.1.1方法简介光面爆破起源于20世纪50~60年代的瑞典，并在日后的发展中得到不断改进。光面爆破是指通过正确选择爆破参数以及合理的施工方法，分区分段微差爆破，同时能使围岩不受到明显破坏，从而使爆破后的轮廓线能对应原设计要求的一种控制爆破技术。2.1.2施工工艺光面爆破是沿着周围的开挖孔布，利用一个掏槽眼和掘进孔爆破形成的良好的表面后，在光爆层轰炸炸药，改变药包的不耦合系数，从而减少光里面的岩石炸药层夹心层爆炸后产生的夹制作用，一方面可以降低炸药的使用量，降低爆炸后产生的振动效应的影响，另一方面可以沿着设计轮廓面炸出光整平滑的表面，为后续的施工提供方便。2.2预裂爆破法2.2.1方法简介当进行岩石开挖时，按照设计在主爆区爆破前首先爆破了依照轮廓线具有固定的宽度的裂缝，以缓冲反射开挖爆破产生的冲击波，控制其对不需要爆破岩体的破坏性影响，即可开挖获得更平滑的轮廓，这就是预裂爆破爆破技术。预裂爆破不仅在垂直，倾斜开挖被广泛应用于基坑壁；在弯曲，扭曲的面和水平面上，也常采用预裂爆破。2.2.2施工工艺预裂爆破要先沿着设计轮廓线密集布置炮孔，通过填装低威力或少量炸药以及使用不耦合装药的形式，当炮孔中炸药同时起爆后，孔中炸药应力波会以炮孔为中心放射传播，会使切线方向产生拉应力，相邻炮孔应力波的汇合处会产生垂直于两炮孔轴线的连接面，面两边的岩石朝相反方向移动，最终断裂。即在起爆区和保留区之间炸出一条具有一定宽度和一定深度的裂缝。起爆区的炸药爆炸后，应力波会在预爆的裂缝处衰减，从而使保留区的岩体不受到破坏。2.3主要特点光面爆破与预裂爆破的主要特点有：（1）能在多种围岩条件下进行施工；（2）开挖断面外观质量良好，对围岩扰动较小，施工安全性提高；（3）可以根据实际地形及岩体条件调整施工参数，具有较高的灵活性；（4）减少超挖欠挖，经济效益好。3.成缝机理关于光面爆破与预裂爆破的成缝机理，现在还没有一个准确的研究结论，实际爆破中应力波的作用以及岩石的应力应变状况十分复杂。现今的研究成果归纳起来有以下三种有代表性的解释。3.1应力波作用时的波峰干涉当两相邻钻孔同时爆炸时，相应的应力波沿相对钻孔线传播。经过一定时间后，孔壁上应力增加达到峰值，然后，由于应力波之间干扰对方，相邻炮孔连线中点处的压力开始增加，达到最大值，然后下降。3.2气体爆炸产生的高压静力作用裂缝从孔壁开始形成，沿着炮孔连线向相邻炮孔延伸。这一次可能产生的只是封闭的初始裂纹，但爆炸气体的静力作用会持续进行，使裂缝的发展速度进一步加快。在这种情况下，高压气体内已经渗透进了裂缝，在裂缝内继续膨胀，形成的裂纹尖端会产生所谓的“气刃效应”，从而使原来的裂缝扩展。并延伸通过，最后通过形成具有恒定宽度的裂缝。3.3爆炸气体与应力波的综合作用该理论认为，并非应力波在所有情况下都能产生良好的效果。只有在两相邻装药几乎同时爆炸时应力波才会叠加，为了保证这一条件，爆破时必须使用高精度毫秒雷管。但在实际工程当中，为了考虑经济性，多采用一般的毫秒雷管，由于其大的时间差（或有漂移现象），通过相邻装药的裂缝往往不是由于应力波的叠加形成，而是每个装药激发应力波在炮孔壁产生初始裂纹，然后在爆炸气体静力作用下扩大。4爆破过程中应力波与爆生气体对爆破的影响在爆炸过程中，存在爆生气体与应力波等影响爆破效果的因素，它们传递炸药爆炸的能量，对岩体做功。无论是使用耦合装药或是不耦合装药，炸药爆炸形成的爆轰波或爆炸的爆轰产物与岩石相撞，导致爆炸的应力波在岩石中传播。装药耦合条件下，孔壁初始峰值压力较高，但很快就开始下降，其次是压力变化很慢，或随着时间的推移，将不再发生。岩爆的作用影响，一定范围内产生破裂。随后，爆轰气体在准静态压力下膨胀，使原裂缝产生的增加。实验结果表明，该耦合装药条件下，膨胀作用使裂纹产生的裂纹产生的应力波增加二到六倍。因此，在爆破破碎过程中，爆轰气体的作用要比应力波作用更为突出。光面爆破和预裂爆破不同于普通爆破法，使用了低爆速、低密度稳定爆轰的特效炸药，或者使用小直径常规炸药的药量。在不耦合装药条件下，炸药冲击效应在药物和孔壁间隙间会出现很大的缓冲作用，使岩石应力波振幅大幅度降低。实验结果表明：与不耦合系数1.1时相比，若不耦合系数为1.7，炮孔壁的最大切向拉伸应力下降约80%。于是，周围的钻孔应力波产生的径向裂缝的数目和长度都大大减少。因此，在光面爆破和预裂爆破中，应力波的作用减弱，而爆破作用的准静态压力已得到加强。因此，爆炸产生的准静态压力气体在顺利爆破和预裂爆破过程中的作用是更加重要的。5爆破参数的选择在实际工程中，往往调整爆破参数，会对爆破结果产生很大影响。光面爆破与预裂爆破的一大优势就在于可以根据实际施工条件更改爆破参数，以达到最优爆破效果。对于本文提到的两种爆破技术，较为重要的爆破参数为炮孔直径d，孔距a，装药密度q，以及最小抵抗线w。5.1爆破参数选取瑞典兰格弗斯研究结果表明，不同的炮孔直径d有与之相对应的装药密度q，孔距a和最小抵抗线w来达到最优爆破效果。结果如表1所示。从表中可以看出，爆破参数a、d、w与装药密度的平方根基本成正比关系。这一结果可通过下式描述。表1光面爆破和预裂爆破参数的经验值及解析值当25d200mm时，对于光面爆破：d/q0.5=106q=(d/106)2a/q0.5=1.68a=1.68q2,mw/q0.5=2.30w=2.30q2,m对于预裂爆破a/q0.5=1.06a=1.06q2,m上式是常用的控制爆破设计的计算公式，但该公式依然有没有考虑岩石以及炸药性质的缺点。为了弥补这一缺点，我们引入波阻抗Z和炸药重量强度换算系数K这两个参数。其中，为爆破岩体密度，单位为t/m3；为弹性纵波通过岩体时的波速，单位为km/s其中，Q1,Q2为两种炸药的爆炸能量，单位为KJ/kg；V1,V2为两种炸药爆炸时产生的气体体积，单位为m3/kg.此时我们可以将上式做出修正。当25d200mm时，对于光面爆破：对于预裂爆破：5.2单炮孔装药量Q单炮孔装药量Q指的是底部装药量Qb与柱状装药两Qp的和。当d30mm时，可由经验公式得出以下结论：对于光面爆破：对于预裂爆破：L指炮孔长度，单位为m；d、Z、K含义同上；Lch指柱状装药长度，单位为m。因此：5.3不耦合系数Rd不耦合系数在光面爆破与预裂爆破中是一个需要认真考虑的非常重要的参数。不耦合系数指炮孔直径与药包直径之比。为了研究不耦合系数对工程中的爆破效果的影响，通过试验进行分析。用一定的微量炸药（w=0.1g；de=2mm）对d=2，3，4，5，6mm的丙烯睛模型版爆破。得出图1的结果。并通过使用不同种类的炸药，得到图2的结果。图1径向裂隙半径和不偶合系数间的关系图2不同烽药产生的裂缝范围从试验结果可以看出，当Rd3.0~3.5时，炮孔周围的岩体永久变形区可以尽可能缩小，也就是说最优装药应该是不超过炮孔体积的8%~11%最为合适。6结语光面爆破与预裂爆破已经在实际工程中得到了广泛的应用。其实际的施工流程也在不断的被改进，只要合理的选择参数进行爆破施工，就能真正实现控制爆破，使这两种方法更好的运用于地下或露天建筑工程、隧道工程、采矿及采石工程。参考文献：[1]凌伟明.光面爆破和预裂爆破破裂机理的研究[J],中国矿业大学学报,1990,19(4):79-87.[2]李彬峰,潘国斌.光面爆破和预裂爆破参数研究[J],爆破,1998,15(2):14-18.[3]卢文波,陶振宇.预裂爆破中炮孔压力变化历程的理论分析[J],爆炸与冲击,1994,14(2):140-147.[4]徐颖,宗琦.光面爆破软垫层装药结构参数理论分析[J],煤炭学报,2000,25(6):610-613.