爆破理论与技术-讲义-061124

1、太钢强化班爆破理论与技术北京科技大学土木与环境工程学院2006年 10月1 绪论改革开放20多年来，我国的经济建设迅猛发展，为工程爆破技术的发展和应用提供了广阔的舞台，同时也对工程爆破技术以及爆破科技人员提出了新的要求。所谓工程爆破，就是安全高效的利用炸药爆炸产生的能量，使岩石或其它固体介质产生一定的破坏和运动。工程爆破的基本特点：工艺、科学、经验的结合。工程爆破的系统概念：工程爆破是一个物理和力学作用的过程，过程中影响因素复杂。在具体爆破工程中，存在不少非确知因素。工程爆破技术在交通土建及矿业工程中的地位、作用及其发展。课程基本内容： 炸药的性质和性能； 待爆介质的性质和特征； 爆破工艺与技

2、术。岩石炸药 结果2 炸药及其爆炸性能2.1 爆炸和炸药概念2.1.1 爆炸现象 物理爆炸 化学爆炸 核爆炸2.1.2 化学爆炸基本特征i) 放热 Ag2 C2O4 2Ag+2CO2123.3 kJ/mol (NH4)C2O4 2NH3+H2O+CO+CO2263.3 kJ/molii) 高速功率: 5个 150g 2# 铵梯炸药药卷的功率约为1.4X107 kW, 大 致相当于一个大型水电站的功率能量: 煤 40,000kj/kg, 一般民用炸药 29006300kj/kgiii) 气体产物 炸药爆炸对外界做功的媒介，炸药爆炸在气体产物膨胀过程中对外界做机械功： ZnC2O4=Zn+2CO2

3、-205.00kJ/mol CuC2O4=Cu+2CO2+23.86kJ/mol Ag2C2O4=2Ag+2CO2+123.3kJ/mol2.1.3炸药及其分类成分特点：氧化剂，还原剂化学特性：不稳定物质体系。 在和外界能量相互作用之前处于暂时的相对稳定状态。一定形式和一定大小的外界能量可用于克服炸药的这种相对稳定状态，从而引爆炸药。i 按化学成分分类 -单质炸药，如TNT -混合炸药，如ANFO和乳化炸药ii 按用途分类 1)起爆药 如雷汞(Mercury fulminate (Hg(CNO)2)和氮化铅(lead nitride (Pb(N3)2)等，敏感度高，威力不一定很大，一般用于起爆

4、其它炸药 2)猛炸药 感度较低，威力较大。3)发射药 如黑火药，火焰感度高，多用于鞭炮。iii 按威力大小分类高威力炸药 (HE)，爆速大于其声速，密度较大，爆压(3.4103 2.7105 Atm)较高，威力较大，且具有8雷管感度低威力炸药 (LE)或爆破剂，爆速小于其声速，如铵油炸药（ANFO）2.1.4炸药化学反应的基本形式 热分解 燃烧 爆燃 爆轰 2.2常用工业炸药的基本构成与物化状态构 成：氧化剂、还原剂，添加剂物化状态：固态（熔铸块状，粉状，粒状） 粘稠脂膏状（水胶炸药，乳化炸药） 液态 储存时间与条件及其对炸药物化状态和爆炸性能的影响。2.3爆炸冲击波的产生与传播2.3.1炸药

5、的起爆与敏感度2.3.2爆轰波的传播2.3.2.1爆轰波波阵面结构 2.3.2.2侧向扩散2.3.2.3爆速测量2.3.1炸药的起爆与敏感度起爆: 炸药在外界能量作用下开始迅速化学反应的过程外能: 热能 机械能（撞击和/或摩擦） 冲击波，如相邻炸药爆炸产生的爆炸冲击波敏感度：外能形式一定时，起爆炸药所需外界能量的 最小值。图1 爆炸冲能与起爆质量 2.3.2 爆轰波的传播 2.3.2.1爆轰波波阵面结构图2 柱状装药中爆轰波波阵面结构 C-J面 反应产物 侧向扩散影响区 有效反应区 受压区 炸药 图2 柱状装药炸药爆轰反应状态图示C-J面：化学反应区前端边界面爆轰压力Pd爆速，即爆轰波传播速度

6、，取决于成份，粒度，密度，约束条件，装药直径，起爆能与起爆能种类等临界直径dc，最大直径dm dcddm 理想爆轰稳定传爆稳定传爆的必要条件：D起D稳T反应t扩散不稳定传爆 DmDc图3 药径d与爆速D的关系一些炸药的临界直径：炸药 2#AN-TNT PETN TNT 硝酸铵 dc(mm) 15 1.01.5 6 100 2.3.2.2侧向扩散 图4 装药直径对测向扩散的影响 a) 不稳定爆轰 b) 非理想爆轰 c) 理想爆轰2.3.2.3爆速测量(导爆索法、爆速仪法)2.4炸药的氧平衡及其意义氧化剂还原剂 H2O, CO2，以及可能的N2，NO, CO, NH2, CH4, 等等 CaHbO

7、cNd O.B.=16c-(2a+b/2)/M (8) O.B.= (O.B.)iki) (9) 实际氧平衡状态的影响因素：理论氧平衡状态内部物化结构起爆质量（起爆能大小）约束条件氧平衡状态的影响及其意义：有毒气体生成量能效课下作业：已知一种炸药的质量组成为： 硝酸铵NH4NO3, 79%; 水H2O , 15%; 蜡 C18H38,3.6%; 乳化剂 C24H44O6，2.4%。求其O.B.2.5炸药的性能指标 密度 爆速 殉爆距离 猛度 爆力 爆热 爆压 抗水性 流散性能2.6炸药产品的选用与检验2.6.1 安全 敏感度 有毒气体2.6.2 质量与性能指标炸药成分，物理状态氧平衡状态储存的

8、时间与储存条件起爆感度抗水性威力（密度、爆速、爆热、含水量等）衡量炸药威力的标准（或方法）：指标，经验阻抗匹配 炸药D炸药 = 岩石C岩石 (10)炸药威力的衡量方法：爆力（实验室铅壶法，爆破漏斗法）猛度（铅铸法）理论计算方法（密度、爆速 、爆热、含水量）2.6.3 价格 3起爆器材与起爆方法起爆方法选择与设计原则：安全、可靠、经济、简便。器材的意义。学生自学常规内容。逐孔微差爆破使用的高精度毫秒雷管。奥瑞凯非电塑料导爆管雷管：表2 段别与延期时间孔内延期雷管地表延期雷管雷管段别延期时间（ms）雷管段别延期时间（ms）MS 125CD 99MS 250CD 1717MS 375CD 2525M

9、S 4100CD 4242MS 5125CD 6565MS 6150CD 100100MS 7175MS 8200MS 8.5225MS 9250MS 9.5275MS 10300MS 10.5325MS 11350MS 11.5375MS 12400MS 12.5425MS 13450MS 13.5475MS 145004 爆破工程地质与岩石可爆性分级可爆性，爆破性爆破分级，爆破工艺与参数，效果岩石（岩体）属性：岩石的基本物理力学性质： 密度或容重，强度，波速等岩体的结构特征： 原生结构面，次生结构面，包括断层 图4 台阶爆破条件下岩体中的地质结构面4.1普氏系数法 f=/1004.2按波阻

10、抗分级方法 表4 按波阻抗岩石分级表等 级波阻抗，gcm-3ms-1普氏系数f 1 1620 1420 2 1416 914 3 1014 59 4 810 35 5 48 13 6 24 0.51.04.3 爆破漏斗法药包药量、药包埋深、最小抵抗线等条件参数一定，根据爆破漏斗的几何参数（特别是爆破漏斗体积）相对确定岩石（岩体）的可爆性等级4.4基于经验的感性判断法非定量简便实用性取决于个人经验的丰富程度和认识的准确程度4.5基于多指标的分级方法4.6基于加权聚类分析方法的岩石可爆性分级4.6.1聚类分析方法基本原理4.6.2岩体可爆性分级加权聚类分析方法表5 岩体可爆性分级判据指标可爆性 岩

11、石容重 抗拉强度 动载强度 完整性系数 可爆性指数 可爆性描述等级 (t/m3) t(Mpa) （Mpa） rm 1 2.5 6.6 160 0.0494 0.73 最易 2 2.6 10 200 0.2555 0.90 易 3 2.75 13 260 0.3654 0.95 较易 4 2.9 17 310 0.5122 1.00 中等 5 3.16 20 400 0.6021 1.15 较难 6 3.3 23 500 0.7122 1.30 难 7 3.45 26 600 0.8232 1.42 最难Q型聚类分析样本矩阵： x11 x12 x1n x21 x22 x2n X= (11) xm

12、1 xm2 xmn 正规（归一）化（01）处理：假设用1、2、3、4分别表示岩体岩石容重、抗拉强度、动载冲击强度以及岩体的岩体完整性系数四个指标中第i个指标的权重，则待评判岩体样本j的距离系数Dij可表示为：且权重系数满足i=1。5 岩石(体)爆破破碎机理炸药能量转换的过程、形式与作用：爆炸冲击波、应力波爆轰气体膨胀准静压力3D空间，时间岩体的不连续非均质特性应力，应变、位移及其速度和动能机理研究现状的特征：模糊，不确知5.1内部作用 1-粉碎性破坏区（压碎区） 2-弹性破坏区（径向裂纹、环向裂纹） 3-弹性震动区1-粉碎性破坏区2-弹性破坏区3-药包4-径向裂纹5-切向裂纹 图7 药包近区岩

13、石的破坏形式5.2自由面的作用和爆破漏斗应力波垂直入射不连续面时的透射和反射 r t i 1C1 2C2 A透射波应力： 图 9 反射应力波与岩体不连续面的相互作用 图10 爆轰气体与岩体不连续面的相互作用图 12 爆破漏斗几何参数W-抵抗线R-漏斗破裂半径r-漏斗底圆半径-漏斗张开角h-漏斗可见深度图13 集中药包条件下爆破漏斗的基本形式 (a)-Standard cratering (b)-Reinforced cratering (c)-Alleviated cratering (d)-Loosening 单孔爆破在有机玻璃中产生的应力波图14 成组炮孔同时起爆孔间应力波叠加现象 图15

14、 同时起爆孔间应力波叠加分析6 露天台阶炮孔爆破6.1 露天台阶炮孔爆破工艺特征6.2 台阶炮孔微差爆破初始自由面瞬时自由面破碎抛掷爆破震动6.3 技术参数孔距，排距（眼边距/抵抗线）孔深及超深炮孔装药量，装药结构起爆位置孔口填塞长度与填塞材料起爆方式微差时间及其精度爆破效果及其评估（爆堆松散度、块度、爆堆形状）6.4炮孔平面布置型式6.5 炮孔起爆方式 图19 台阶炮孔爆破排间微差起爆图20 台阶炮孔爆破V型排间微差起爆图21 台阶炮孔爆破逐孔微差起爆 注：图中294等红色数字表示起爆延期时间图22 台阶炮孔爆破逐孔微差起爆另一例6.6爆破参数及其影响孔深及其影响孔距与排距及其影响：图23

15、台阶炮孔爆破孔距过大或过小的影响图24 微差时间合理时的爆堆形状示意图图25 微差时间的影响 图26 孔径、孔网参数，及其影响炸药单耗q和炮孔装药量Q：爆破效果要求可爆性等级最小抵抗线自由面条件炮孔负担面积7 台阶炮孔爆破计算机设计与模拟8 边坡光面控制爆破作用与意义：准确沿设计位置爆落岩体岩面平整保留岩体稳定边坡光面控制爆破方法：密集孔：小直径，小孔距；少装药或不装药预裂爆破：一次爆破，先起爆预裂孔，后起爆其它孔缓冲爆破：一次爆破，先起爆其它孔，后起爆缓冲孔（装药少）光面爆破：主爆区爆破后，再进行光面爆破钻爆施工导向槽定向劈裂爆破：炮孔切槽以控制劈裂方向 图28 岩石中预裂爆破形成的连续裂缝

16、8.1光面控制爆破工艺特点与作用原理工艺特点： 小孔距 小孔径 不偶合装药 同时起爆 原理：孔间应力波叠加，孔壁应力集中图29 预裂爆破孔间切向拉应力分布示意图 8.2光面控制爆破钻爆施工工艺及其影响药卷钻孔精度（平行）填塞雷管起爆时间精度图30 预裂爆破炮孔装药结构示意图图31 露天缓冲光面爆破炮孔布置示意图8.3 主要参数的确定方法（自学）爆破有害效应：地震波 飞石空气冲击波有害气体噪声烟尘飞石和空气冲击波：9 浅孔爆破浅孔崩矿巷道掘进、隧道掘进二爆掘进爆破的技术关键：岩体可爆性、地质结构构造及其影响技术参数钻孔深度精度，钻孔方向精度装药施工质量起爆方法、器材，以及微差时间周边孔缓冲光面控

17、制爆破巷道掘进直线掏槽：巷道掘进：空孔、微差、直线掏槽双楔形掏槽巷道掘进爆破爆堆巷道掘进周边孔光面控制爆破：孔径孔距装药结构和药量起爆顺序和微差时间图33 巷道掘进周边孔缓冲控制爆破效果示例图34 巷道掘进常规钻爆效果（a）和 周边孔缓冲控制爆破效果（b）比较10 建（构）筑物拆除爆破 作用与意义： 适用范围广 有效可靠 工期短 成本低 相对安全图35 楼房拆除爆破10.1一般工程特点结构特点：柱、梁结构材质特点：连续性好，强度较高以及：易于较为准确的获得有关信息和 数据 工程质量要求较高 安全要求高10.2拆除爆破的基本原理最小抵抗线原理 控制爆破破坏和抛掷的方向与范围 等能原理 爆破范围内尽量均布药包和药量分散化原理 “多钻孔，少装药”失稳原理 在承重部位布孔，通过爆破使建构筑物失稳，在其自重作 用下倾倒坍塌 缓冲原理 降低触地瞬间的冲击作用，降低震动和减弱块体飞溅10.3拆除爆破设计的基本内容1）工程勘查2）方案选择与制定3）技术设计4）施工设计5）安全防护设计10.4常见方案图36 楼房单向倒塌方案图37 楼房单向、双向折叠倒塌方案图38 楼房内向倒塌方案图39 楼房原地坍塌方案图40 烟囱定向倾倒控制爆破方案10.5 拆除爆破参数计算最小抵抗线W排距b孔距a孔深H炮孔装药量Q关于起爆时间：小型爆破同时起爆，大型爆破（炮孔个数多，总药量