光面爆破参数的合理确定

　　摘　要　以光面爆破的不同破岩理论为依据，给出了计算周边眼炮眼间距和最小抵抗线的方法。通过与模型试验和现场经验公式的结果对比，可以确定出合理的爆破参数，为光面爆破参数设计提供依据。
　　关键词　光面爆破　炮眼间距　最小抵抗线

　　目前控制爆破(光面爆破、预裂爆破)在岩土工程中的应用越来越广泛。关于控制爆破中岩石破裂过程有3种不同的理论解释：①应力波波峰干扰理论；②爆生气体的膨胀作用理论；③应力波与爆生气体综合作用理论。对于不同的装药结构、不同的岩石和炸药性能，上述3种理论各有其合理性。对于目前普遍采用的光面爆破，如何确定其合理的爆破参数，以提高施工速度、降低工程成本、改善爆破质量等，具有很大的理论意义和工程实用价值。

1　炮眼间距的确定
1.1　根据应力波与爆生气体综合作用确定炮眼间距
　　炸药爆炸后，首先在岩体中产生爆炸应力波。在不耦合装药条件下，作用于孔壁上的初始应力峰值为

(1)

式中：ρ₀为装药密度，kg/cm³；D为炸药爆速，m/s；r_c,r_b分别为药卷半径和炮孔半径，m；n为爆轰产物与孔壁碰撞时压力增大倍数，n=8～11。
　　爆炸应力波在岩石中传播时，径向压应力σ_r与切向拉应力σ_θ分别为

式中：r为所需确定点距爆源的距离；α为应力波衰减系数，α=(2-μ)/(1-μ);μ为岩石泊松比。
　　孔壁围岩处于拉应力状态，因此岩石处于体积应力状态下。在静力条件下，岩石破坏强度的经验公式为

式中：σ₁为岩石破坏时的最大主应力；σ₃为作用于岩石上的最小主应力；m,S为常数，取决于岩石性质及原岩的破坏程度，对于完整岩石S=1，破损岩石S＜1。
　　在爆炸应力波作用下，岩石动态抗压强度随应变率增加而提高，大约比静力抗压强度提高约10倍，而动态抗拉强度随应变率增加约只提高1倍，因此，孔壁保护的条件为σ_r0≤10σ₁。
　　爆炸应力波在岩石中传播，使孔壁处产生裂纹的条件为

　　　　　　　　σ_θ=σ₃

(4)

　　由式(2)，(4)可确定出孔边裂纹的初始裂纹长度为

　　由式(5)可以看出，孔边初始裂纹长度与岩石性质μ、炮孔半径r_b、初始应力峰值σ_r0有关，σ_r0和r_b愈大，a就愈大。
　　在裂纹断裂扩展过程中，裂纹尖端的应力强度因子为

式中：P_b为爆生气体充满炮眼时的静压，P_b=(P_c/P_k)^k/n(r_c/r_b)^2kP_k;P_c=ρ₀D²/8;P_k=100MPa；k为凝聚炸药绝热指数，k=1.3。
　　随着裂纹扩展，其尖端的应力强度因子逐渐减小，最终止裂。裂纹最终扩展长度b可由下式求出，即
　　　　　　　　K_Ⅰ=K_IC

(7)

式中：K_IC为岩石断裂韧度，MPa/cm^3/2。
　　显然，炮孔间距E=2b。
　　如花岗岩的K_IC=60.4～65.9MPa/cm^3/2，采用2号岩石炸药，将有关数据代入式(7)，可得b=15r_b，则E=2b=30r_b。
1.2　一炮孔A起爆应力波传到相邻炮孔B，B尚未起爆时的炮孔间距计算
　　A炮孔起爆的爆炸应力波传到B炮孔，B尚未起爆，此时B可看作空眼，B炮孔的应力集中是A炮孔的直达应力波和A炮孔经自由面的反射达到B炮孔应力集中的叠加。B炮孔孔壁将形成径向裂隙条件的炮眼间距^〔1〕为

式中：n₁为应力集中系数，n₁=2～3；m为炮孔密集系数；R为反射系数，R=〔tgβtg²2β-tg(90°-θ)〕/〔tgβtg²2β+tg(90°-θ)〕；β为反射角，。
　　由式(8)可知，炮孔间跑E不仅与岩石性质、炮孔半径有关，而且还与炮孔密集系数有关。
1.3　根据爆生气体膨胀作用理论确定炮孔间距
　　一般认为炮孔间的裂缝是应力波和爆生气体共同作用的结果，但冲击波作用的能量只占炸药爆炸总能量的5%～20%，而爆生气体生成物的作用能量超过50%。所以，此理论认为，岩石沿炮孔连线形成贯穿裂缝主要由爆生气体准静压力控制。根据文献〔2〕，炮孔间距为

(9)

式中：f为岩石坚固性系数；k₁为调整系数，k₁=10～16，岩石坚硬取大值，岩石较软取小值。
1.4　根据模型试验确定炮孔间距
　　由单孔和相邻炮孔爆破模型试验看出，合理的炮孔间距可按下式计算，即

式中：R_k为每个炮眼产生的裂缝长度，R_k=(bP₂/σ_T)^1/αr_b；P₂为作用于孔壁上的初始应力峰值；σ_T为岩石的抗拉强度。
1.5　根据实践经验确定炮孔间距
　　光面爆破的周边眼间距一般比普通爆破小，根据现场经验，建议光面爆破的炮眼间距E取(12～16)d_b(其中d_b为炮孔直径)。日本《新奥法设计施工细则》推荐E=15d_b。另外，还有其它计算炮孔间距的理论公式和经验公式。文献〔3〕列出了国内常用地下工程、部分矿山、煤矿巷道及铁路隧道的光爆参数，可供参考。
　　由以上5种确定光面爆破炮孔间距的方法可以得出，由于在计算过程中有些参数取值范围很宽，各种方法的结果相差不大。至于在光面爆破中应力波和爆生气体两者所起的作用则随装药不耦合系数的大小、岩石性质和炸药性能的不同而不同，一般是不耦合系数大、岩石较软和采用爆力大的炸药时，爆生气体起主要作用；反之，应力波起主要作用。

2　最小抵抗线的确定
　　光面爆破中周边眼最小抵抗线W的大小直接影响光爆的效果。W过大，光面层岩石将得不到适当的破碎，甚至不能使其沿炮眼底部切割下来；W过小，在反射波作用下，围岩内产生较多较长的裂隙，影响围岩稳定，造成超挖和巷道壁面不平整。
2.1　根据炸药单耗确定最小抵抗线
　　在给出炸药和合理的炮孔密集系数的情况下，可以根据下式计算W，即

(11)

式中：ψ为装药系数，即装药长度与炮孔长度的比值；q为装药单耗。
2.2　根据豪柔公式确定最小抵抗线
　　光面层岩石崩落类似于露天台阶爆破，故可用豪柔公式确定最小抵抗线W，即

式中：q_b为炮孔内的装药量；C为爆破系数，相当于炸药单耗；l_b为炮孔长度。
2.3　根据炮孔密集系数确定最小抵抗线
　　确定周边眼的最小抵抗线，在于合理选择炮孔密集系数m。经验表明，为获得良好的光爆效果，m值应根据岩石性质来选择。一般情况下，m=0.8～1.0，硬岩取大值，软岩取小值；则最小抵抗线W=E/m。

3　结语
　　(1)炮孔间距和周边眼最小抵抗线的大小与岩石性质和炸药性能有关，而且两者之间的取值还应满足合理炮孔密集系数的关系。
　　(2)由于岩石具有各向异性和非均质性，对不同的围岩条件应根据光爆的不同理论按式(1)～(6)计算炮孔间距及最小抵抗线。
　　(3)装药不耦合系数与装药集中度也是影响光爆效果的重要因素。选择这些光爆参数时，应充分考虑它们之间或它们与其它参数之间的相互联系。只有这些参数都在某一正确范围内取值时，光爆效果才最理想。

作者简介：东兆星，男，1966年7月出生，讲师。1990年6月毕业于中国矿业大学北京研究生部，获硕士学位。一直从事教学与科研工作，发表论文10余篇。
作者单位：(中国矿业大学建筑工程学院，徐州，221008)

参考文献
　[1]　张　奇.预裂和光面爆破炮孔间距的计算与比较.矿山技术，1988(3)
　[2]　袁晓岗.光面爆破理论与应用研究.爆破，1986(2)
　[3]　杨永琦.矿山爆破技术与安全.北京：煤炭工业出版社，1991