第3章石方工程

1、第三章第三章 石方工程石方工程 在水利水电工程、港口工程、地下工程等在水利水电工程、港口工程、地下工程等施工中，施工中，石方工程常采用爆破方法石方工程常采用爆破方法，如开挖基，如开挖基坑和地下建筑物，开采石料以及完成某些特定坑和地下建筑物，开采石料以及完成某些特定的施工任务等。探索爆破机理，正确掌握各种的施工任务等。探索爆破机理，正确掌握各种爆破技术，对石方工程的顺利进行有十分重要爆破技术，对石方工程的顺利进行有十分重要的意义。的意义。 第一节第一节 爆破基本原理及药量计算爆破基本原理及药量计算 一、爆破作用原理一、爆破作用原理 爆破：爆破：炸药爆炸属于化学爆炸。炸药在一定炸药爆炸属于化学爆炸

2、。炸药在一定起爆能的作用下，在瞬时内发生化学分解，产生起爆能的作用下，在瞬时内发生化学分解，产生强烈的冲击波和高温高压的气体，冲击波作用于强烈的冲击波和高温高压的气体，冲击波作用于周围的介质，使介质产生应力波，若应力波的压周围的介质，使介质产生应力波，若应力波的压应力或拉应力超过介质的抗拉或抗压极限强度，应力或拉应力超过介质的抗拉或抗压极限强度，介质就破裂，产生径向裂缝，而高压气体膨胀挤介质就破裂，产生径向裂缝，而高压气体膨胀挤压介质，扩大裂缝，使介质破碎，这就是爆破。压介质，扩大裂缝，使介质破碎，这就是爆破。 (a) (a)无限介质内无限介质内 (b)(b)有限介质内有限介质内 1药包；2压

3、缩圈；3抛掷圈；4松动圈；5震动圈；6表面环向裂缝；7内部径向裂缝；8内部环向裂缝；9爆破漏斗；10临空面；11临空面裂缝图图3-1 爆破作用示意图爆破作用示意图 1) 1)压缩圈压缩圈Rc（粉碎圈）（粉碎圈） 紧邻药包的介质若为塑性紧邻药包的介质若为塑性体，将受到压缩，形成一空腔；若为脆性体，将遭粉碎，体，将受到压缩，形成一空腔；若为脆性体，将遭粉碎，形成粉碎圈，相应半径为压缩半径或粉碎半径。形成粉碎圈，相应半径为压缩半径或粉碎半径。 2)2)抛掷圈抛掷圈R0 除了使介质破坏，介质中尚有余裕的除了使介质破坏，介质中尚有余裕的抛掷势能。有临空面时，这部分介质将发生抛掷，这个抛掷势能。有临空面时

4、，这部分介质将发生抛掷，这个范围称为抛掷圈，相应的半径称为抛掷半径。范围称为抛掷圈，相应的半径称为抛掷半径。 3)3)松动圈松动圈Rp（破裂圈）（破裂圈） 抛掷圈外的部分介质，爆抛掷圈外的部分介质，爆炸作用只能使其松动破裂，这一范围称为松动圈或破裂炸作用只能使其松动破裂，这一范围称为松动圈或破裂圈，相应的半径称为松动半径或破裂半径。圈，相应的半径称为松动半径或破裂半径。 4)4)震动圈震动圈Rz 动圈外的部分介质，随着冲击波作动圈外的部分介质，随着冲击波作用的进一步衰减，只能使这部分介质产生震动，称为震用的进一步衰减，只能使这部分介质产生震动，称为震动圈，相应的半径称为震动半径。动圈，相应的半

5、径称为震动半径。 二、爆破漏斗二、爆破漏斗 爆破漏斗爆破漏斗：有限介质中的爆破，当药包的爆破作用：有限介质中的爆破，当药包的爆破作用具有使部分介质抛向临空面的能量时，往往形成一个倒具有使部分介质抛向临空面的能量时，往往形成一个倒立圆锥形的爆破坑，形如漏斗。立圆锥形的爆破坑，形如漏斗。几何特征参数：几何特征参数： 最小抵抗线长度最小抵抗线长度W 爆破漏斗底半径爆破漏斗底半径r 爆破作用半径爆破作用半径R 可见漏斗深度可见漏斗深度P 抛掷距离抛掷距离L1 1药包；药包；2 2飞碴回落充填体；飞碴回落充填体；3 3坑外堆积体坑外堆积体图图3-2 3-2 爆破漏斗示意图爆破漏斗示意图 爆破漏斗的几何特

6、征反映了药包重量和埋深的关爆破漏斗的几何特征反映了药包重量和埋深的关系，反映了爆破作用的影响范围。系，反映了爆破作用的影响范围。 爆破作用指数：爆破作用指数： nr/W 当当n=l 即即r=W时，称为标准抛掷爆破；时，称为标准抛掷爆破； 当当n1即即rW时，称为加强抛掷爆破；时，称为加强抛掷爆破； 当当 0.75nl 时，称为减弱抛掷爆破；时，称为减弱抛掷爆破； 当当0.33n0.75时，称为松动爆破；时，称为松动爆破； 当当 n0.33 时，称为隐藏式爆破。时，称为隐藏式爆破。 隐藏式爆破只在介质内部引起破坏，不产生爆破坑，隐藏式爆破只在介质内部引起破坏，不产生爆破坑，故又称内部爆破，可用于

7、炸胀药壶。故又称内部爆破，可用于炸胀药壶。 三、药包种类及药包重量三、药包种类及药包重量 按形状，药包分为集中药包和延长药包。按形状，药包分为集中药包和延长药包。 用药包的最长边用药包的最长边L与最短边与最短边a的比值进行划分：的比值进行划分： 当当La4时，为集中药包；时，为集中药包； 当当La4时，为延长药包。时，为延长药包。 集中系数集中系数： 式中式中 V V 药包中心至药包最远点的距离，药包中心至药包最远点的距离，m m； b b 药包的体积，药包的体积，m m3 3。 bV362. 0药包重量计算，对单个集中药包可按下式计算：药包重量计算，对单个集中药包可按下式计算： 式中式中 K

8、单位耗药量，单位耗药量，kgm3； W最小抵抗线长度，最小抵抗线长度，m； f(n)爆破作用指数函数。爆破作用指数函数。 标准抛掷爆破：标准抛掷爆破： f(n) = 1 加强抛掷爆破：加强抛掷爆破： f(n) = 0.4+0.6n3 减弱抛掷爆破：减弱抛掷爆破： 对于松动爆破：对于松动爆破： f(n) = n3； )(3nfKWQ 3)734()(nnf第二节第二节 爆破的基本方法爆破的基本方法一、孔眼爆破一、孔眼爆破 （一）炮孔布置原则（一）炮孔布置原则 布孔时，宜使炮孔与岩布孔时，宜使炮孔与岩石层面和节理面正交，不宜石层面和节理面正交，不宜穿过与地面贯穿的裂缝，以穿过与地面贯穿的裂缝，以防

9、漏气，影响爆破效果。防漏气，影响爆破效果。图图3-3 3-3 梯段爆破布孔示意图梯段爆破布孔示意图 ( (二二) )布孔的技术参数布孔的技术参数1计算抵抗线长度计算抵抗线长度WP(m) 浅孔浅孔 Wp=KWd 深孔深孔 Wp=HDd/150 式中式中 KW岩石性质对抵抗线的影响系数岩石性质对抵抗线的影响系数 d炮孔直径炮孔直径 H阶梯高度阶梯高度 D岩石硬度影响系数岩石硬度影响系数 阶梯高度系数阶梯高度系数2阶梯高度阶梯高度 H H(m)(m) 浅孔浅孔 H=KHWp 深孔根据具体情况而定。深孔根据具体情况而定。 KH为防止爆破顶面逸出的系数为防止爆破顶面逸出的系数 3炮孔深度炮孔深度L(m)

10、 浅孔浅孔(竖直钻孔竖直钻孔) L=KLH 深孔深孔(竖直钻孔竖直钻孔) L=H+H 式中式中 KL岩性对孔深的影响系数；岩性对孔深的影响系数； H超钻深度。超钻深度。 4炮孔间距炮孔间距 浅孔浅孔 a=KaWp 深孔深孔 a=(0.71.4)Wp 式中式中 Ka起爆方式对孔距的影响系数。起爆方式对孔距的影响系数。5炮孔排距炮孔排距 双排布孔呈等边三角形，多排呈梅花形。双排布孔呈等边三角形，多排呈梅花形。 排距：排距： b=asin60=0.87a6炮孔的最小堵塞长度炮孔的最小堵塞长度 浅孔浅孔 LminL/2L/2 深孔深孔 LminWWp 孔眼梯段爆破多采用群孔松动爆破，考虑孔间联孔眼梯段

11、爆破多采用群孔松动爆破，考虑孔间联合作用，其单孔装药量按下式计算：合作用，其单孔装药量按下式计算： Q=0.33KHWpa( (三三) )孔眼爆破的药量计算孔眼爆破的药量计算二、洞室爆破法二、洞室爆破法 (a) (a)竖井布置竖井布置 (b)(b)平洞布置平洞布置 (c)(c)条形药包布置条形药包布置1平洞；平洞；2竖井；竖井；3药室药室图图3-4 3-4 洞室布置示意图洞室布置示意图集中装药的药室以接近立方体为好。集中装药的药室以接近立方体为好。药室容积药室容积V( (m3) ) ： 式中式中 C炸药的装填系数；炸药的装填系数； Q装药量，装药量，t； 炸药密实度，炸药密实度，tm3。 QC

12、V药室间距药室间距a( (m) ) ： 式中式中 Wp相邻药室的平均最小抵抗线长度，相邻药室的平均最小抵抗线长度，m。 药室排距药室排距 b( (m) )： pWa)2 . 11 . 1 (HWp)8 . 06 . 0(pWb)4 . 13 . 1 (三、改善爆破效果的方法和措施三、改善爆破效果的方法和措施 (1)(1)合理利用或创造人工自由面；合理利用或创造人工自由面； (2)(2)采用毫秒微差挤压爆破；采用毫秒微差挤压爆破； (3)(3)分段装药爆破；分段装药爆破； (4)(4)采用不耦合装药；采用不耦合装药； (5)(5)保证堵塞长度和堵塞质量。保证堵塞长度和堵塞质量。 (a) (a)竹

13、节炮竹节炮 (b)(b)竹节坛子炮竹节坛子炮1-1-药包药包 2-2-空穴空穴 3-3-药壶药壶 4-4-堵塞段堵塞段 5 5底部药包底部药包图图3-5 3-5 分段装药药包分段装药药包第三节第三节 特种爆破技术特种爆破技术 一、定向爆破一、定向爆破 假若在无限介质中有两个空假若在无限介质中有两个空穴。穴。 A装有球形药包，装有球形药包，B为空孔。为空孔。药孔药孔A爆炸后，由于空孔爆炸后，由于空孔B表面表面没有阻力，介质流将向没有阻力，介质流将向B孔集中，孔集中，犹如空孔成了吸引介质流的中心。犹如空孔成了吸引介质流的中心。若将药包视为正极，空孔视为负若将药包视为正极，空孔视为负极，二者相当于静

14、电学中的电偶，极，二者相当于静电学中的电偶，故称爆炸偶极子，如图所示。故称爆炸偶极子，如图所示。 A-A-药包（药包（+C+C实际药包）实际药包）B-B-空孔（空孔（-C-C虚拟药包）虚拟药包）图图3-6 3-6 爆炸偶极子爆炸偶极子 实际工程中，药包与临空面的关系，相当于爆实际工程中，药包与临空面的关系，相当于爆炸偶极子。设临空面的曲率半径为炸偶极子。设临空面的曲率半径为R0，药包中心到，药包中心到临空任意点的距离为临空任意点的距离为R，其最短距离为最小抵抗线，其最短距离为最小抵抗线长度长度W。当进行抛掷爆破时，介质从爆破漏斗中抛。当进行抛掷爆破时，介质从爆破漏斗中抛出，其抛掷速度出，其抛掷

15、速度V，由爆破流体力学推求可得如下，由爆破流体力学推求可得如下关系式：关系式：漏斗内介质获得的抛掷动能漏斗内介质获得的抛掷动能EK可表达为：可表达为： )21 (031RWRWCV2062212)21 (22RWRWCmmVEK( (二二) )定向爆破筑坝定向爆破筑坝 (1)(1)定向爆破筑坝的基本要求定向爆破筑坝的基本要求 (2)(2)定向爆破筑坝的药包布置定向爆破筑坝的药包布置 (a) (a)单岸爆破单岸爆破 (b)(b)双岸爆破双岸爆破 1-1-药包；药包；2-2-爆破漏斗；爆破漏斗；3-3-爆堆顶部轮廓线；爆堆顶部轮廓线；4-4-鞍点；鞍点；5-5-坝顶高程；坝顶高程；6-6-导流隧洞

16、导流隧洞图图3-7 3-7 定向爆破筑坝的药包布置定向爆破筑坝的药包布置 (3)(3)定向爆破筑坝参数选择定向爆破筑坝参数选择1)1)爆破作用指数爆破作用指数n值的选择值的选择 2)2)最小抵抗线长度最小抵抗线长度W值值3)3)药包的水平间距药包的水平间距a(m)和层或垂直间距和层或垂直间距b(m)； 应满足：应满足： 4)4)单个集中药包药量：单个集中药包药量： 条形药包药量：条形药包药量：21) 1(5 . 0nWbnWnWanW25)6 . 04 . 0(33WnKWQ)1(55.025)6 .04 .0(33nWnKWQ二、光面爆破（多用于地下工程开挖）二、光面爆破（多用于地下工程开挖

17、） 定义：主体工程爆破之后，利用布定义：主体工程爆破之后，利用布置在开挖轮廓线上的炮孔准确地把预留置在开挖轮廓线上的炮孔准确地把预留的先爆层在岩石上切下来。的先爆层在岩石上切下来。 施工方法：沿设计开挖线布置小孔施工方法：沿设计开挖线布置小孔径，密间距的周边孔，不耦合装药或间径，密间距的周边孔，不耦合装药或间隔装药，弱震爆破，炸除沿洞周留下的隔装药，弱震爆破，炸除沿洞周留下的厚度为最小抵抗线的光爆层，形成光面。厚度为最小抵抗线的光爆层，形成光面。 优点：优点：超挖少，减少工程量；超挖少，减少工程量；降低开挖后的糙率；降低开挖后的糙率；对围岩的破坏小。对围岩的破坏小。与预裂爆破相比孔数少，耗药低

18、，起与预裂爆破相比孔数少，耗药低，起爆时间不象预裂那样先于主爆破孔而是爆时间不象预裂那样先于主爆破孔而是滞后于主爆破孔。滞后于主爆破孔。 图图3-83-8三、预裂爆破（多用于明挖）三、预裂爆破（多用于明挖） 定义：在主体爆破前，在设计定义：在主体爆破前，在设计轮廓线上预先炸出一定宽度的裂缝。轮廓线上预先炸出一定宽度的裂缝。 预裂原理：由于不耦合装药，预裂原理：由于不耦合装药，空隙的存在削减了作用在孔壁上的空隙的存在削减了作用在孔壁上的爆压峰值，并为孔间彼此提供了聚爆压峰值，并为孔间彼此提供了聚能的临空面。削减后的爆压峰值不能的临空面。削减后的爆压峰值不致使孔壁产生明显的破坏，只切向致使孔壁产生

19、明显的破坏，只切向拉力使炮孔四周产生径向裂纹，临拉力使炮孔四周产生径向裂纹，临空面聚能作用使孔间连线产生应力空面聚能作用使孔间连线产生应力集中，孔间裂纹发展，而滞后的高集中，孔间裂纹发展，而滞后的高压气体沿缝产生压气体沿缝产生“气刃气刃”劈裂作用，劈裂作用，使周边孔间连线上裂纹全部贯通。使周边孔间连线上裂纹全部贯通。明槽开挖布孔图明槽开挖布孔图药包结构图药包结构图1-1-预裂线预裂线 2 2预裂孔预裂孔 3 3开挖区炮孔开挖区炮孔 4 4药包药包 5 5传爆线传爆线 6 6堵塞段堵塞段图图3-9 3-9 预裂爆破布孔与装药预裂爆破布孔与装药图图3-143-14温州中银大厦拆除爆破工程温州中银大

20、厦拆除爆破工程图图3-15 3-15 广州石化造粒塔爆破工程广州石化造粒塔爆破工程第四节第四节 钻孔机具和爆破器材钻孔机具和爆破器材 一、钻孔机具一、钻孔机具 钻爆作业中，钻孔消耗的时间占爆破工程各钻爆作业中，钻孔消耗的时间占爆破工程各工序时间一半以上，而其费用则占爆破工程总费工序时间一半以上，而其费用则占爆破工程总费用用70%以上。以上。 浅孔作业多用轻型手提式风钻浅孔作业多用轻型手提式风钻 。 采石、削坡和基础开挖作业多用大型钻机进采石、削坡和基础开挖作业多用大型钻机进行深孔作业行深孔作业 。1回转式钻机回转式钻机 (a)平刃钻头平刃钻头 (b)弧形刃钻头弧形刃钻头 (c)普通刃普通刃“十

21、十”字形钻头字形钻头 (d)凸刃凸刃“十十”字形字形钻头钻头图图3-16 3-16 钻头型式钻头型式（单位（单位:mm）图图3-17 3-17 回转式钻机回转式钻机2.冲击式钻机冲击式钻机 1绞车；绞车；2偏心轮；偏心轮；3连杆；连杆；4、5、6滑轮滑轮7钢索；钢索；8钻具；钻具；9钻架；钻架；10履带；履带；11支承千斤顶支承千斤顶图图3-18 3-18 冲击式钻机冲击式钻机3.潜孔钻潜孔钻 1钻杆；钻杆；2滑架；滑架；3履带行走机构；履带行走机构；4拉杆；拉杆；5电动机；电动机；6减速箱减速箱7冲击器；冲击器；8钻头；钻头；9推压气缸；推压气缸；10卷扬机；卷扬机；11托架；托架；12滑板

22、；滑板；13副钻杆副钻杆图图3-19 3-19 潜孔钻潜孔钻二、炸药和起爆器材二、炸药和起爆器材 1炸药的性能指标炸药的性能指标 (1)威力威力 (2)最佳密度最佳密度 (3)氧平衡氧平衡 (4)安定性安定性 (5)敏感度敏感度 (6)殉爆距殉爆距 2常用的工程炸药常用的工程炸药 (1)TNT(三硝基甲苯三硝基甲苯) (2)胶质炸药胶质炸药(硝化甘油炸药硝化甘油炸药) (3)铵梯炸药铵梯炸药 (4)浆状炸药浆状炸药 (5)乳化炸药乳化炸药 3起爆器材起爆器材 (1)雷管雷管 (2)非电起爆器材非电起爆器材 导火索导火索 传爆线传爆线 导爆管导爆管雷管雷管 (a)(a)火雷管火雷管(b)(b)即

23、发电雷管即发电雷管 (c)延发电延发电雷管雷管 (d)安全安全电电雷管雷管1-聚能穴聚能穴 2-副起爆线副起爆线 3-正起爆线正起爆线 4-缓燃剂缓燃剂 5-点火桥丝点火桥丝 6-雷管外壳雷管外壳 7-密封胶密封胶 8-脚线脚线 9-加强帽加强帽 10-帽孔帽孔 11-微型安全电路微型安全电路图图3-20 3-20 雷管雷管三、起爆和起爆网路三、起爆和起爆网路 1起爆方式起爆方式 无论是孔眼爆破还是洞室爆破，当采用群体药无论是孔眼爆破还是洞室爆破，当采用群体药包时，都可采用同时、延期，或组内同时、组间延包时，都可采用同时、延期，或组内同时、组间延期的起爆方式。期的起爆方式。 2 2起爆方法起爆

24、方法(1)(1)非电起爆非电起爆 图图3-21 3-21 电气和传爆线混合起爆网络电气和传爆线混合起爆网络1 1电爆网络；电爆网络；2 2传爆线网络；传爆线网络；3 3起爆传爆线电雷管；起爆传爆线电雷管；4 4起爆药包电雷管起爆药包电雷管(2)(2)电气起爆电气起爆 (a)(a)串连法；串连法；(b)(b)并联法；并联法；(c)(c)串并联法；串并联法；(d)(d)并串联法；并串联法；(e)(e)并串并联法并串并联法1 1电源；电源；2 2输电线路；输电线路；3 3药包；药包；4 4支路支路图图3-22 3-22 电爆网路连接示例电爆网路连接示例3电爆网路设计计算电爆网路设计计算 (1)(1)

25、网路的总电阻网路的总电阻: :(2)(2)网路准爆的总电流网路准爆的总电流: :(3)(3)网路所需的总电压网路所需的总电压: :NRRRRm21nNiI )(21NRRRnNiRIEm(4)(4)通过通过每个雷管的电流强度每个雷管的电流强度I(A) 通过每个雷管的电流强度大于等于最小准爆电流通过每个雷管的电流强度大于等于最小准爆电流 i )/(21iNRRRnNEim式中式中 R1、R2分别为主线和电源内的电阻，分别为主线和电源内的电阻，； Rm最大支路电阻，最大支路电阻，； N支路总数；支路总数； n每个药包并联雷管个数。每个药包并联雷管个数。 第五节第五节 爆破安全控制爆破安全控制 一、

26、安全距离一、安全距离 1飞石安全距离飞石安全距离WnKRAp220式中式中 W最小抵抗线，最小抵抗线，m； n 爆破作用指数；爆破作用指数； KA与地形、风向、风速和爆破类型与地形、风向、风速和爆破类型 有关的安全系数；有关的安全系数； 2爆破地震作用的安全距离爆破地震作用的安全距离 aRQKV)(式中式中 药包形状系数，一般取药包形状系数，一般取1/3或或1/2； 次同时起爆药量，次同时起爆药量，kg； 爆心距测点的距离，爆心距测点的距离，m； 与地形、地质和装药条件有关的系数；与地形、地质和装药条件有关的系数； 震动衰减指数。震动衰减指数。 QRKa3空气冲击波影响的安全距离空气冲击波影响

27、的安全距离 式中式中 KB 一次同时起爆药包重量，一次同时起爆药包重量，kg； Q 与装药情况和限制破坏程度有关的系数。与装药情况和限制破坏程度有关的系数。 QKRBB破坏程度破坏程度安全级别安全级别KB裸露药包裸露药包埋入药包埋入药包安全无破坏安全无破坏501501050玻璃窗偶然破坏玻璃窗偶然破坏1050510玻璃窗全毁、门窗局部破坏玻璃窗全毁、门窗局部破坏51025隔墙、门窗、板棚破坏隔墙、门窗、板棚破坏2512砖石木结构破坏砖石木结构破坏1.520.51全部破坏全部破坏1.5/4 4殉爆的安全距离殉爆的安全距离 (1)(1)炸药与炸药间的殉爆安全距离炸药与炸药间的殉爆安全距离r rs1

28、s1 式中式中 i i 储存炸药的品种编号；储存炸药的品种编号； Q Qi i ii种炸药包的重量，种炸药包的重量，kgkg； K Ksisiii种炸药殉爆安全距离系数。种炸药殉爆安全距离系数。(2)(2)雷管对炸药的殉爆安全距离雷管对炸药的殉爆安全距离r rs2 s2 式中式中 n n贮存雷管个数。贮存雷管个数。 nrS06. 02inisiSQKr1215有害气体扩散安全距离有害气体扩散安全距离 炸药爆炸生成的各种有害气体，如一氧化碳、炸药爆炸生成的各种有害气体，如一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等，在空气中的含二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等，在空气中的含量超过一定数量就会危及人身安全。量超过一定数量就会危及人身安全。 )5 . 01 (1603maxBrVQR式中式中 Q 爆破炸药总重量，爆破炸药总重量，t； VB爆破时可能出现的最大风速，爆破时可能出现的最大风速，ms。 二、瞎炮及其处理二、瞎炮及其处理 通过引爆而未能爆炸的药包称为通过引爆而未能爆炸的药包称为瞎炮瞎炮。 产生瞎炮的原因主要是爆破器材失效或损伤，产生瞎炮的原因主要是爆破器材失效或损伤，为避免瞎炮，关键在于做好预防检查工作。为避免瞎炮，关键在于做好预防检查工作。 瞎炮的处理方法瞎炮的处理方法: : 1) 1)距瞎炮炮孔距瞎炮炮孔30-60cm，钻平行