光面爆破技术探讨

徐国华

在工程掘进中使用光面爆破法爆破后,可实现形状规则、表面光滑、围岩不受明显破坏、达到人为控制爆破的设计要求。实施这一方法时,应合理选择各种参数,严格控制装药量,科学布置各种炮眼,并按照一定的顺序装药起爆。光面爆破有轮廓线光爆法、预裂爆破法和普通光爆法三种。国内使用最多的是普通光爆法,即先用一般的爆破法在巷道内部做出巷道粗断面,再由边眼爆出整齐的巷道轮廓。

一、光面爆破的优点

光面爆破有以下优点:

一是巷道成形规整、光滑,接近于设计轮廓线的要求。应力分布均匀,围岩稳定。

二是对井巷围岩的炮震扰动范围小,相应的炮震裂缝少,可有效地减少应力集中引起的塌方。减少落石和危险断面,减少放炮后的排险时间,避免事故发生和人员伤亡,提高施工速度,对岩性不良地段,效果更为显著。

三是由于光爆成形规整,对于不少井巷(隧道、巷道),一般只做5～15cm的喷射混凝土支护。与普通爆破后的混凝土碹(衬砌)相比,可相应的增大使用面积,更合理、更有效地利用空间。

四是节约材料,降低工程造价。光面爆破与普通爆破相比,可节省炸药15%左右,眼孔利用率高10%左右。

二、光面爆破的质量标准

光面爆破的质量标准如下:

眼痕率在50%以上,眼痕率越高,光面爆破效果越好。

巷道周边成形应符合设计轮廓要求,超挖不大于150mm,欠挖应满足规范要求。

围岩面上不应有明显的炮震裂缝。

三、光面爆破的基本原理

1.应力波叠加干扰理论

实验证明,当周边炮眼同时起爆时,以炮眼为中心的圆柱形应力波很快从每个炮眼向外扩展,波峰在两炮眼之间相遇。在相遇前,这一区域的岩体承受来自两炮眼的径向压力。波峰切线方向产生拉应力。两波相遇时,则因产生波的叠加而增强。在垂直于两炮眼之间连心线上的拉应力也增大,当此合成拉应力超过岩石的极限抗拉强度时,在两炮眼中间首先产生裂隙,然后沿连心线向两个炮眼方向发展,最后形成拉断裂面。

2.爆生气体准静压力作用理论

这一理论认为,爆生气体的准静压力作用是产生贯穿裂缝的主要原因。光爆炮眼装药是在不耦合条件下爆炸的。由于空气间隙的缓冲作用,作用于炮眼壁的冲击波压力急剧下降,减小了破碎区,只剩下几条径向裂缝,在较长时间内炮眼壁处于一定准静压力作用下。相邻炮眼起爆后,由于准静压力作用,在炮眼连心线上各点产生很大的切向拉应力,而在连心线与炮眼壁相交处产生应力集中度很高的拉应力。炮眼间距适合时,在炮眼壁上应力集中处将首先出现拉应力。然后在爆生气体的作用下,裂隙沿连心线延伸,最后形成具有一定宽度的贯通裂缝。由裂缝形成过程可以看出,应力波造成的初始裂缝只起导向作用,爆生气体产生的高压静作用,是形成裂缝贯通的主要动力。

3.应力波和爆生气体综合作用理论

应力波和爆生气体综合作用理论认为,炮眼装药爆炸后,应力波的主要作用是在炮眼周围造成一稠密的径向裂隙。爆生气体准静压力作用于随机微裂隙的炮眼壁上,炮眼间形成准静应力场,使径向裂隙进一步发展而贯通。相邻炮眼起爆时差不同,应力波与爆生气体压力作用情况也不同,裂隙形成也有不同。

四、光面爆破参数

1.不耦合系数

不耦合系数k是炮眼直径d与药卷直径do之比,即k=d/do。若不耦合系数k=1,则表示炮眼直径和药卷直径完全耦合;若k>l,则表示炮眼直径与药卷直径不耦合,药卷与炮眼壁之间有空隙。k值越大,则表示空隙越大。实践证明,k为2～5时,光爆效果最好。

2.炮眼密集系数

爆破施工中常将眼间距E与最小抵抗线W的比值称为炮眼密集系数m,即m=E/W,其值常取0.8～1。硬岩取值稍大,软岩取值稍小。

3.装药密度

装药密度是指单位长度炮眼的装药量,单位g/m。软岩中一般为70～120g/m,中硬岩石中为100～150g/m,硬岩中为150～250g/m。

4.起爆间隙时间

在实行光面爆破时,间隙时间越短,壁面平整效果越好。因此,应尽量减少周边眼间的起爆时差。

5.炮眼质量

眼间距要整齐均匀,眼口距应尽可能近些,炮眼方向要稍向外偏,以防越掘越小。所有炮眼都要严格打在轮廓线上,轮廓线的曲线段炮眼要比直线段稍密一些。

(作者单位:山西省大同煤炭技师学院)