爆破理論與技術(shù)-講義-061124

1、太鋼強(qiáng)化班爆破理論與技術(shù)北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院2006年 10月1 緒論改革開放20多年來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅猛發(fā)展，為工程爆破技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了廣闊的舞臺(tái)，同時(shí)也對(duì)工程爆破技術(shù)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(chǎn)生的能量，使巖石或其它固體介質(zhì)產(chǎn)生一定的破壞和運(yùn)動(dòng)。工程爆破的基本特點(diǎn)：工藝、科學(xué)、經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合。工程爆破的系統(tǒng)概念：工程爆破是一個(gè)物理和力學(xué)作用的過程，過程中影響因素復(fù)雜。在具體爆破工程中，存在不少非確知因素。工程爆破技術(shù)在交通土建及礦業(yè)工程中的地位、作用及其發(fā)展。課程基本內(nèi)容： 炸藥的性質(zhì)和性能； 待爆介質(zhì)的性質(zhì)和特征； 爆破工藝與技

2、術(shù)。巖石炸藥 結(jié)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(xiàn)象 物理爆炸 化學(xué)爆炸 核爆炸2.1.2 化學(xué)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(gè) 150g 2# 銨梯炸藥藥卷的功率約為1.4X107 kW, 大 致相當(dāng)于一個(gè)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(chǎn)物 炸藥爆炸對(duì)外界做功的媒介，炸藥爆炸在氣體產(chǎn)物膨脹過程中對(duì)外界做機(jī)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(diǎn)：氧化劑，還原劑化學(xué)特性：不穩(wěn)定物質(zhì)體系。 在和外界能量相互作用之前處于暫時(shí)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。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(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，從而引爆炸藥。i 按化學(xué)成分分類 -單質(zhì)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(fā)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(xué)反應(yīng)的基本形式 熱分解 燃燒 爆燃 爆轟 2.2常用工業(yè)炸藥的基本構(gòu)成與物化狀態(tài)構(gòu) 成：氧化劑、還原劑，添加劑物化狀態(tài)：固態(tài)（熔鑄塊狀，粉狀，粒狀） 粘稠脂膏狀（水膠炸藥，乳化炸藥） 液態(tài) 儲(chǔ)存時(shí)間與條件及其對(duì)炸藥物化狀態(tài)和爆炸性能的影響。2.3爆炸沖擊波的產(chǎn)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(jié)構(gòu) 2.3.2.2側(cè)向擴(kuò)散2.3.2.3爆速測(cè)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(xué)反應(yīng)的過程外能: 熱能 機(jī)械能（撞擊和/或摩擦） 沖擊波，如相鄰炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊波敏感度：外能形式一定時(shí)，起爆炸藥所需外界能量的 最小值。圖1 爆炸沖能與起爆質(zhì)量 2.3.2 爆轟波的傳播 2.3.2.1爆轟波波陣面結(jié)構(gòu)圖2 柱狀裝藥中爆轟波波陣面結(jié)構(gòu) C-J面 反應(yīng)產(chǎn)物 側(cè)向擴(kuò)散影響區(qū) 有效反應(yīng)區(qū) 受壓區(qū) 炸藥 圖2 柱狀裝藥炸藥爆轟反應(yīng)狀態(tài)圖示C-J面：化學(xué)反應(yīng)區(qū)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(wěn)定傳爆穩(wěn)定傳爆的必要條件：D起D穩(wěn)T反應(yīng)t擴(kuò)散不穩(wěn)定傳爆 DmDc圖3 藥徑d與爆速D的關(guān)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(cè)向擴(kuò)散 圖4 裝藥直徑對(duì)測(cè)向擴(kuò)散的影響 a) 不穩(wěn)定爆轟 b) 非理想爆轟 c) 理想爆轟2.3.2.3爆速測(cè)量(導(dǎo)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(shí)際氧平衡狀態(tài)的影響因素：理論氧平衡狀態(tài)內(nèi)部物化結(jié)構(gòu)起爆質(zhì)量（起爆能大?。┘s束條件氧平衡狀態(tài)的影響及其意義：有毒氣體生成量能效課下作業(yè)：已知一種炸藥的質(zhì)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(biāo) 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(chǎn)品的選用與檢驗(yàn)2.6.1 安全 敏感度 有毒氣體2.6.2 質(zhì)量與性能指標(biāo)炸藥成分，物理狀態(tài)氧平衡狀態(tài)儲(chǔ)存的

8、時(shí)間與儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)（或方法）：指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室鉛壺法，爆破漏斗法）猛度（鉛鑄法）理論計(jì)算方法（密度、爆速 、爆熱、含水量）2.6.3 價(jià)格 3起爆器材與起爆方法起爆方法選擇與設(shè)計(jì)原則：安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便。器材的意義。學(xué)生自學(xué)常規(guī)內(nèi)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(dǎo)爆管雷管：表2 段別與延期時(shí)間孔內(nèi)延期雷管地表延期雷管雷管段別延期時(shí)間（ms）雷管段別延期時(shí)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(zhì)與巖石可爆性分級(jí)可爆性，爆破性爆破分級(jí)，爆破工藝與參數(shù)，效果巖石（巖體）屬性：巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)： 密度或容重，強(qiáng)度，波速等巖體的結(jié)構(gòu)特征： 原生結(jié)構(gòu)面，次生結(jié)構(gòu)面，包括斷層 圖4 臺(tái)階爆破條件下巖體中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面4.1普氏系數(shù)法 f=/1004.2按波阻

10、抗分級(jí)方法 表4 按波阻抗巖石分級(jí)表等 級(jí)波阻抗，gcm-3ms-1普氏系數(shù)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(shù)一定，根據(jù)爆破漏斗的幾何參數(shù)（特別是爆破漏斗體積）相對(duì)確定巖石（巖體）的可爆性等級(jí)4.4基于經(jīng)驗(yàn)的感性判斷法非定量簡(jiǎn)便實(shí)用性取決于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的豐富程度和認(rèn)識(shí)的準(zhǔn)確程度4.5基于多指標(biāo)的分級(jí)方法4.6基于加權(quán)聚類分析方法的巖石可爆性分級(jí)4.6.1聚類分析方法基本原理4.6.2巖體可爆性分級(jí)加權(quán)聚類分析方法表5 巖體可爆性分級(jí)判據(jù)指標(biāo)可爆性 巖

11、石容重 抗拉強(qiáng)度 動(dòng)載強(qiáng)度 完整性系數(shù) 可爆性指數(shù) 可爆性描述等級(jí) (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(guī)（歸一）化（01）處理：假設(shè)用1、2、3、4分別表示巖體巖石容重、抗拉強(qiáng)度、動(dòng)載沖擊強(qiáng)度以及巖體的巖體完整性系數(shù)四個(gè)指標(biāo)中第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，則待評(píng)判巖體樣本j的距離系數(shù)Dij可表示為：且權(quán)重系數(shù)滿足i=1。5 巖石(體)爆破破碎機(jī)理炸藥能量轉(zhuǎn)換的過程、形式與作用：爆炸沖擊波、應(yīng)力波爆轟氣體膨脹準(zhǔn)靜壓力3D空間，時(shí)間巖體的不連續(xù)非均質(zhì)特性應(yīng)力，應(yīng)變、位移及其速度和動(dòng)能機(jī)理研究現(xiàn)狀的特征：模糊，不確知5.1內(nèi)部作用 1-粉碎性破壞區(qū)（壓碎區(qū)） 2-彈性破壞區(qū)（徑向裂紋、環(huán)向裂紋） 3-彈性震動(dòng)區(qū)1-粉碎性破壞區(qū)2-彈性破壞區(qū)3-藥包4-徑向裂紋5-切向裂紋 圖7 藥包近區(qū)巖

13、石的破壞形式5.2自由面的作用和爆破漏斗應(yīng)力波垂直入射不連續(xù)面時(shí)的透射和反射 r t i 1C1 2C2 A透射波應(yīng)力： 圖 9 反射應(yīng)力波與巖體不連續(xù)面的相互作用 圖10 爆轟氣體與巖體不連續(xù)面的相互作用圖 12 爆破漏斗幾何參數(shù)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(jī)玻璃中產(chǎn)生的應(yīng)力波圖14 成組炮孔同時(shí)起爆孔間應(yīng)力波疊加現(xiàn)象 圖15

14、 同時(shí)起爆孔間應(yīng)力波疊加分析6 露天臺(tái)階炮孔爆破6.1 露天臺(tái)階炮孔爆破工藝特征6.2 臺(tái)階炮孔微差爆破初始自由面瞬時(shí)自由面破碎拋擲爆破震動(dòng)6.3 技術(shù)參數(shù)孔距，排距（眼邊距/抵抗線）孔深及超深炮孔裝藥量，裝藥結(jié)構(gòu)起爆位置孔口填塞長(zhǎng)度與填塞材料起爆方式微差時(shí)間及其精度爆破效果及其評(píng)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(tái)階炮孔爆破排間微差起爆圖20 臺(tái)階炮孔爆破V型排間微差起爆圖21 臺(tái)階炮孔爆破逐孔微差起爆 注：圖中294等紅色數(shù)字表示起爆延期時(shí)間圖22 臺(tái)階炮孔爆破逐孔微差起爆另一例6.6爆破參數(shù)及其影響孔深及其影響孔距與排距及其影響：圖23

15、臺(tái)階炮孔爆破孔距過大或過小的影響圖24 微差時(shí)間合理時(shí)的爆堆形狀示意圖圖25 微差時(shí)間的影響 圖26 孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)，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(jí)最小抵抗線自由面條件炮孔負(fù)擔(dān)面積7 臺(tái)階炮孔爆破計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與模擬8 邊坡光面控制爆破作用與意義：準(zhǔn)確沿設(shè)計(jì)位置爆落巖體巖面平整保留巖體穩(wěn)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(yù)裂爆破：一次爆破，先起爆預(yù)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(qū)爆破后，再進(jìn)行光面爆破鉆爆施工導(dǎo)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(yù)裂爆破形成的連續(xù)裂縫

16、8.1光面控制爆破工藝特點(diǎn)與作用原理工藝特點(diǎn)： 小孔距 小孔徑 不偶合裝藥 同時(shí)起爆 原理：孔間應(yīng)力波疊加，孔壁應(yīng)力集中圖29 預(yù)裂爆破孔間切向拉應(yīng)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(shí)間精度圖30 預(yù)裂爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)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(shù)的確定方法（自學(xué)）爆破有害效應(yīng)：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(jìn)、隧道掘進(jìn)二爆掘進(jìn)爆破的技術(shù)關(guān)鍵：巖體可爆性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其影響技術(shù)參數(shù)鉆孔深度精度，鉆孔方向精度裝藥施工質(zhì)量起爆方法、器材，以及微差時(shí)間周邊孔緩沖光面控

17、制爆破巷道掘進(jìn)直線掏槽：巷道掘進(jìn)：空孔、微差、直線掏槽雙楔形掏槽巷道掘進(jìn)爆破爆堆巷道掘進(jìn)周邊孔光面控制爆破：孔徑孔距裝藥結(jié)構(gòu)和藥量起爆順序和微差時(shí)間圖33 巷道掘進(jìn)周邊孔緩沖控制爆破效果示例圖34 巷道掘進(jìn)常規(guī)鉆爆效果（a）和 周邊孔緩沖控制爆破效果（b）比較10 建（構(gòu)）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(duì)安全圖35 樓房拆除爆破10.1一般工程特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：柱、梁結(jié)構(gòu)材質(zhì)特點(diǎn)：連續(xù)性好，強(qiáng)度較高以及：易于較為準(zhǔn)確的獲得有關(guān)信息和 數(shù)據(jù) 工程質(zhì)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(nèi)盡量均布藥包和藥量分散化原理 “多鉆孔，少裝藥”失穩(wěn)原理 在承重部位布孔，通過爆破使建構(gòu)筑物失穩(wěn)，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(dòng)和減弱塊體飛濺10.3拆除爆破設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容1）工程勘查2）方案選擇與制定3）技術(shù)設(shè)計(jì)4）施工設(shè)計(jì)5）安全防護(hù)設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)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(shù)計(jì)算最小抵抗線W排距b孔距a孔深H炮孔裝藥量Q關(guān)于起爆時(shí)間：小型爆破同時(shí)起爆，大型爆破（炮孔個(gè)數(shù)多，總藥量