1、太鋼強化班爆破理論與技術北京科技大學土木與環境工程學院2006年 10月1 緒論改革開放20多年來，我國的經濟建設迅猛發展，為工程爆破技術的發展和應用提供了廣闊的舞臺，同時也對工程爆破技術以及爆破科技人員提出了新的要求。所謂工程爆破，就是安全高效的利用炸藥爆炸產生的能量，使巖石或其它固體介質產生一定的破壞和運動。工程爆破的基本特點：工藝、科學、經驗的結合。工程爆破的系統概念：工程爆破是一個物理和力學作用的過程，過程中影響因素復雜。在具體爆破工程中，存在不少非確知因素。工程爆破技術在交通土建及礦業工程中的地位、作用及其發展。課程基本內容： 炸藥的性質和性能； 待爆介質的性質和特征； 爆破工藝與技

2、術。巖石炸藥 結果2 炸藥及其爆炸性能2.1 爆炸和炸藥概念2.1.1 爆炸現象 物理爆炸 化學爆炸 核爆炸2.1.2 化學爆炸基本特征i) 放熱 Ag2 C2O4 2Ag+2CO2123.3 kJ/mol (NH4)C2O4 2NH3+H2O+CO+CO2263.3 kJ/molii) 高速功率: 5個 150g 2# 銨梯炸藥藥卷的功率約為1.4X107 kW, 大 致相當于一個大型水電站的功率能量: 煤 40,000kj/kg, 一般民用炸藥 29006300kj/kgiii) 氣體產物 炸藥爆炸對外界做功的媒介，炸藥爆炸在氣體產物膨脹過程中對外界做機械功： ZnC2O4=Zn+2CO2

3、-205.00kJ/mol CuC2O4=Cu+2CO2+23.86kJ/mol Ag2C2O4=2Ag+2CO2+123.3kJ/mol2.1.3炸藥及其分類成分特點：氧化劑，還原劑化學特性：不穩定物質體系。 在和外界能量相互作用之前處于暫時的相對穩定狀態。一定形式和一定大小的外界能量可用于克服炸藥的這種相對穩定狀態，從而引爆炸藥。i 按化學成分分類 -單質炸藥，如TNT -混合炸藥，如ANFO和乳化炸藥ii 按用途分類 1)起爆藥 如雷汞(Mercury fulminate (Hg(CNO)2)和氮化鉛(lead nitride (Pb(N3)2)等，敏感度高，威力不一定很大，一般用于起爆

4、其它炸藥 2)猛炸藥 感度較低，威力較大。3)發射藥 如黑火藥，火焰感度高，多用于鞭炮。iii 按威力大小分類高威力炸藥 (HE)，爆速大于其聲速，密度較大，爆壓(3.4103 2.7105 Atm)較高，威力較大，且具有8雷管感度低威力炸藥 (LE)或爆破劑，爆速小于其聲速，如銨油炸藥（ANFO）2.1.4炸藥化學反應的基本形式 熱分解 燃燒 爆燃 爆轟 2.2常用工業炸藥的基本構成與物化狀態構 成：氧化劑、還原劑，添加劑物化狀態：固態（熔鑄塊狀，粉狀，粒狀） 粘稠脂膏狀（水膠炸藥，乳化炸藥） 液態 儲存時間與條件及其對炸藥物化狀態和爆炸性能的影響。2.3爆炸沖擊波的產生與傳播2.3.1炸藥

5、的起爆與敏感度2.3.2爆轟波的傳播2.3.2.1爆轟波波陣面結構 2.3.2.2側向擴散2.3.2.3爆速測量2.3.1炸藥的起爆與敏感度起爆: 炸藥在外界能量作用下開始迅速化學反應的過程外能: 熱能 機械能（撞擊和/或摩擦） 沖擊波，如相鄰炸藥爆炸產生的爆炸沖擊波敏感度：外能形式一定時，起爆炸藥所需外界能量的 最小值。圖1 爆炸沖能與起爆質量 2.3.2 爆轟波的傳播 2.3.2.1爆轟波波陣面結構圖2 柱狀裝藥中爆轟波波陣面結構 C-J面 反應產物 側向擴散影響區 有效反應區 受壓區 炸藥 圖2 柱狀裝藥炸藥爆轟反應狀態圖示C-J面：化學反應區前端邊界面爆轟壓力Pd爆速，即爆轟波傳播速度

6、，取決于成份，粒度，密度，約束條件，裝藥直徑，起爆能與起爆能種類等臨界直徑dc，最大直徑dm dcddm 理想爆轟穩定傳爆穩定傳爆的必要條件：D起D穩T反應t擴散不穩定傳爆 DmDc圖3 藥徑d與爆速D的關系一些炸藥的臨界直徑：炸藥 2#AN-TNT PETN TNT 硝酸銨 dc(mm) 15 1.01.5 6 100 2.3.2.2側向擴散 圖4 裝藥直徑對測向擴散的影響 a) 不穩定爆轟 b) 非理想爆轟 c) 理想爆轟2.3.2.3爆速測量(導爆索法、爆速儀法)2.4炸藥的氧平衡及其意義氧化劑還原劑 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) 實際氧平衡狀態的影響因素：理論氧平衡狀態內部物化結構起爆質量（起爆能大小）約束條件氧平衡狀態的影響及其意義：有毒氣體生成量能效課下作業：已知一種炸藥的質量組成為： 硝酸銨NH4NO3, 79%; 水H2O , 15%; 蠟 C18H38,3.6%; 乳化劑 C24H44O6，2.4%。求其O.B.2.5炸藥的性能指標 密度 爆速 殉爆距離 猛度 爆力 爆熱 爆壓 抗水性 流散性能2.6炸藥產品的選用與檢驗2.6.1 安全 敏感度 有毒氣體2.6.2 質量與性能指標炸藥成分，物理狀態氧平衡狀態儲存的

8、時間與儲存條件起爆感度抗水性威力（密度、爆速、爆熱、含水量等）衡量炸藥威力的標準（或方法）：指標，經驗阻抗匹配 炸藥D炸藥 = 巖石C巖石 (10)炸藥威力的衡量方法：爆力（實驗室鉛壺法，爆破漏斗法）猛度（鉛鑄法）理論計算方法（密度、爆速 、爆熱、含水量）2.6.3 價格 3起爆器材與起爆方法起爆方法選擇與設計原則：安全、可靠、經濟、簡便。器材的意義。學生自學常規內容。逐孔微差爆破使用的高精度毫秒雷管。奧瑞凱非電塑料導爆管雷管：表2 段別與延期時間孔內延期雷管地表延期雷管雷管段別延期時間（ms）雷管段別延期時間（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 爆破工程地質與巖石可爆性分級可爆性，爆破性爆破分級，爆破工藝與參數，效果巖石（巖體）屬性：巖石的基本物理力學性質： 密度或容重，強度，波速等巖體的結構特征： 原生結構面，次生結構面，包括斷層 圖4 臺階爆破條件下巖體中的地質結構面4.1普氏系數法 f=/1004.2按波阻

10、抗分級方法 表4 按波阻抗巖石分級表等 級波阻抗，gcm-3ms-1普氏系數f 1 1620 1420 2 1416 914 3 1014 59 4 810 35 5 48 13 6 24 0.51.04.3 爆破漏斗法藥包藥量、藥包埋深、最小抵抗線等條件參數一定，根據爆破漏斗的幾何參數（特別是爆破漏斗體積）相對確定巖石（巖體）的可爆性等級4.4基于經驗的感性判斷法非定量簡便實用性取決于個人經驗的豐富程度和認識的準確程度4.5基于多指標的分級方法4.6基于加權聚類分析方法的巖石可爆性分級4.6.1聚類分析方法基本原理4.6.2巖體可爆性分級加權聚類分析方法表5 巖體可爆性分級判據指標可爆性 巖

11、石容重 抗拉強度 動載強度 完整性系數 可爆性指數 可爆性描述等級 (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 較易 4 2.9 17 310 0.5122 1.00 中等 5 3.16 20 400 0.6021 1.15 較難 6 3.3 23 500 0.7122 1.30 難 7 3.45 26 600 0.8232 1.42 最難Q型聚類分析樣本矩陣： x11 x12 x1n x21 x22 x2n X= (11) xm

12、1 xm2 xmn 正規（歸一）化（01）處理：假設用1、2、3、4分別表示巖體巖石容重、抗拉強度、動載沖擊強度以及巖體的巖體完整性系數四個指標中第i個指標的權重，則待評判巖體樣本j的距離系數Dij可表示為：且權重系數滿足i=1。5 巖石(體)爆破破碎機理炸藥能量轉換的過程、形式與作用：爆炸沖擊波、應力波爆轟氣體膨脹準靜壓力3D空間，時間巖體的不連續非均質特性應力，應變、位移及其速度和動能機理研究現狀的特征：模糊，不確知5.1內部作用 1-粉碎性破壞區（壓碎區） 2-彈性破壞區（徑向裂紋、環向裂紋） 3-彈性震動區1-粉碎性破壞區2-彈性破壞區3-藥包4-徑向裂紋5-切向裂紋 圖7 藥包近區巖

13、石的破壞形式5.2自由面的作用和爆破漏斗應力波垂直入射不連續面時的透射和反射 r t i 1C1 2C2 A透射波應力： 圖 9 反射應力波與巖體不連續面的相互作用 圖10 爆轟氣體與巖體不連續面的相互作用圖 12 爆破漏斗幾何參數W-抵抗線R-漏斗破裂半徑r-漏斗底圓半徑-漏斗張開角h-漏斗可見深度圖13 集中藥包條件下爆破漏斗的基本形式 (a)-Standard cratering (b)-Reinforced cratering (c)-Alleviated cratering (d)-Loosening 單孔爆破在有機玻璃中產生的應力波圖14 成組炮孔同時起爆孔間應力波疊加現象 圖15

14、 同時起爆孔間應力波疊加分析6 露天臺階炮孔爆破6.1 露天臺階炮孔爆破工藝特征6.2 臺階炮孔微差爆破初始自由面瞬時自由面破碎拋擲爆破震動6.3 技術參數孔距，排距（眼邊距/抵抗線）孔深及超深炮孔裝藥量，裝藥結構起爆位置孔口填塞長度與填塞材料起爆方式微差時間及其精度爆破效果及其評估（爆堆松散度、塊度、爆堆形狀）6.4炮孔平面布置型式6.5 炮孔起爆方式 圖19 臺階炮孔爆破排間微差起爆圖20 臺階炮孔爆破V型排間微差起爆圖21 臺階炮孔爆破逐孔微差起爆 注：圖中294等紅色數字表示起爆延期時間圖22 臺階炮孔爆破逐孔微差起爆另一例6.6爆破參數及其影響孔深及其影響孔距與排距及其影響：圖23

15、臺階炮孔爆破孔距過大或過小的影響圖24 微差時間合理時的爆堆形狀示意圖圖25 微差時間的影響 圖26 孔徑、孔網參數，及其影響炸藥單耗q和炮孔裝藥量Q：爆破效果要求可爆性等級最小抵抗線自由面條件炮孔負擔面積7 臺階炮孔爆破計算機設計與模擬8 邊坡光面控制爆破作用與意義：準確沿設計位置爆落巖體巖面平整保留巖體穩定邊坡光面控制爆破方法：密集孔：小直徑，小孔距；少裝藥或不裝藥預裂爆破：一次爆破，先起爆預裂孔，后起爆其它孔緩沖爆破：一次爆破，先起爆其它孔，后起爆緩沖孔（裝藥少）光面爆破：主爆區爆破后，再進行光面爆破鉆爆施工導向槽定向劈裂爆破：炮孔切槽以控制劈裂方向 圖28 巖石中預裂爆破形成的連續裂縫

16、8.1光面控制爆破工藝特點與作用原理工藝特點： 小孔距 小孔徑 不偶合裝藥 同時起爆 原理：孔間應力波疊加，孔壁應力集中圖29 預裂爆破孔間切向拉應力分布示意圖 8.2光面控制爆破鉆爆施工工藝及其影響藥卷鉆孔精度（平行）填塞雷管起爆時間精度圖30 預裂爆破炮孔裝藥結構示意圖圖31 露天緩沖光面爆破炮孔布置示意圖8.3 主要參數的確定方法（自學）爆破有害效應：地震波 飛石空氣沖擊波有害氣體噪聲煙塵飛石和空氣沖擊波：9 淺孔爆破淺孔崩礦巷道掘進、隧道掘進二爆掘進爆破的技術關鍵：巖體可爆性、地質結構構造及其影響技術參數鉆孔深度精度，鉆孔方向精度裝藥施工質量起爆方法、器材，以及微差時間周邊孔緩沖光面控

17、制爆破巷道掘進直線掏槽：巷道掘進：空孔、微差、直線掏槽雙楔形掏槽巷道掘進爆破爆堆巷道掘進周邊孔光面控制爆破：孔徑孔距裝藥結構和藥量起爆順序和微差時間圖33 巷道掘進周邊孔緩沖控制爆破效果示例圖34 巷道掘進常規鉆爆效果（a）和 周邊孔緩沖控制爆破效果（b）比較10 建（構）筑物拆除爆破 作用與意義： 適用范圍廣 有效可靠 工期短 成本低 相對安全圖35 樓房拆除爆破10.1一般工程特點結構特點：柱、梁結構材質特點：連續性好，強度較高以及：易于較為準確的獲得有關信息和 數據 工程質量要求較高 安全要求高10.2拆除爆破的基本原理最小抵抗線原理 控制爆破破壞和拋擲的方向與范圍 等能原理 爆破范圍內盡量均布藥包和藥量分散化原理 “多鉆孔，少裝藥”失穩原理 在承重部位布孔，通過爆破使建構筑物失穩，在其自重作 用下傾倒坍塌 緩沖原理 降低觸地瞬間的沖擊作用，降低震動和減弱塊體飛濺10.3拆除爆破設計的基本內容1）工程勘查2）方案選擇與制定3）技術設計4）施工設計5）安全防護設計10.4常見方案圖36 樓房單向倒塌方案圖37 樓房單向、雙向折疊倒塌方案圖38 樓房內向倒塌方案圖39 樓房原地坍塌方案圖40 煙囪定向傾倒控制爆破方案10.5 拆除爆破參數計算最小抵抗線W排距b孔距a孔深H炮孔裝藥量Q關于起爆時間：小型爆破同時起爆，大型爆破（炮孔個數多，總藥量