第三章爆破破巖機理第二部分

第四節(jié)裝藥量計算原理

合理地確定炸藥用量和炮孔位置，起爆順序同樣都是爆破設(shè)計和施工中的重要內(nèi)容，他直接影響著爆破效果，爆破工程成本和爆破安全等。由于爆破過程的復(fù)雜性和瞬時性，迄今為止，尚未有一個理性的裝藥量計算公式，工程技術(shù)人員更多的是在各種經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐經(jīng)驗確定裝藥量。其中，體積公式是裝藥量計算中最為常用的一種經(jīng)驗公式。

一、體積公式的計算原理在一定的炸藥和巖石條件下，爆落的土石方體積與所用的裝藥量成正比。這就是體積公式的計算原理。體積公式的形式為：

Q=k·V（3-18）

式中：Q—裝藥量，kg; k—單位體積巖石的炸藥消耗量，kg/m3; V—被爆落的巖石體積，m3

。

二、集中藥包的藥量計算

1.集中藥包（concentratedcharge）的標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破:根據(jù)體積公式的計算原理，對于采用單個集中藥包進行的標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破，其裝藥量可按照下式來計算：

Qb＝kb·V（3-19）

式中：

Qb—形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的裝藥量，kg；

kb—形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的單位體積巖石的炸藥消耗量，一般稱為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破單位用藥量系數(shù)，kg/m3; V—標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的體積，m3。式（3-21）中V值的大小為： （3-20）式中：r—爆破漏斗底圓半徑，m；

W—最小抵抗線；m。對于標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗，，即r＝W，所以(3-21)數(shù)學(xué)是科學(xué)研究的重要手段

將（3-21）式代入（3-19）式，得

Qb＝kb·W3(3-22)

式（3-22）即集中藥包的標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破裝藥量計算公式。

2.集中藥包的非標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破 在巖石性質(zhì)、炸藥品種和藥包埋置深度都不變動的情況下，改變標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破的裝藥量，就形成了非標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破。當(dāng)裝藥量小于標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破的裝藥量時，形成的爆破漏斗底圓半徑變小，n<1，為減弱拋擲爆破或松動爆破；當(dāng)裝藥量大于標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破的裝藥量時，形成的爆破漏斗底圓半徑變大，n>1，為加強拋擲爆破。(1)平坦地面的拋擲爆破實踐證明，n值與藥包重量的變化關(guān)系是函數(shù)關(guān)系，各國爆破工作者曾提出了多種多樣的計算公式，俄國常用的計算公式為： （3－23）式中是鮑列斯科夫的經(jīng)驗公式。必須說明鮑列斯科夫公式僅適用于平坦地面的藥包重量計算。

f(n)=0.4＋0.6n3(3-24)

鮑列斯闊夫公式適用于拋擲爆破裝藥量的計算，將（3-24）式代入（3-23）式，得到集中藥包拋擲爆破裝藥量的計算通式：

Qb-=(0.4＋0.6n3)kbW3(3-25)

應(yīng)用(3-25)式計算加強拋擲爆破的裝藥量時，結(jié)果與實際情況比較接近。但是，當(dāng)最小抵抗線W大于25m時，用（3-25）式計算出來的裝藥量偏小，應(yīng)乘以修正系數(shù)

Qp-=(0.4＋0.6n3)kbW3

(3-26)(2)平坦地面松動爆破藥量計算集中藥包松動爆破的裝藥量可按下式計算：

Qs=ksW3(3-27)

式中:Qs—集中藥包形成松動爆破的裝藥量，kg；

ks—集中藥包形成松動爆破的單位體積巖石的炸藥消耗量，一般稱為松動爆破的單位用藥量系數(shù)，kg/m3;

關(guān)于松動藥包計算公式，同樣需要根據(jù)上述三種情況去討論：①正常松動藥包藥量計算國外規(guī)定三分之一的標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破k值系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)松動的單位用藥量系數(shù)，即（3－28）經(jīng)驗表明：按上式計算的藥量爆破后的松動效果不佳，藥量偏小，要達到良好的爆破效果，以（3-31）較為適合，此式稱為正常松動藥包藥量的計算公式，一般情況下正常松動爆破的單位耗藥量應(yīng)在0.5Kg／m3左右。②減弱松動爆破減弱松動藥包，它應(yīng)該比最大內(nèi)部作用藥包大，而比正常松動計算藥量小，即（3－32)

從上式可以看出，計算的結(jié)果，藥包重量可以差3倍之多，在工程應(yīng)用時，必須根據(jù)工程的設(shè)計目的，通過試驗去選取合適的單位用藥系數(shù)。在試驗條件不具備時，可以按照計算結(jié)果的實際單位耗藥量來校核和控制該系數(shù)的選擇范圍。例如，控制爆破的單位耗藥量，不宜大于0.2～0.3kg/m3。一般情況下，正常松動爆破的單位耗藥量，應(yīng)0.5Kg／m3左右。③加強松動爆破加強松動藥包，大多用于揭開礦山覆蓋層或比較完整的石方松動爆破工程。不言而喻，它的藥量要比正常松動爆破還要多，這樣使在爆破后得到比較破碎的塊度，便于挖裝機械的施工作業(yè)。因此加強松動藥包重量的計算公式中，其單位用藥量系數(shù)一般要在0.44～1.0這個范圍內(nèi)去選擇，即：（3－33）根據(jù)鮑列斯科夫公式，當(dāng)單位用藥量系數(shù)大于0.44Kg／m3時，或者，至少n=0.75，即f(n)=0.65時，就會出現(xiàn)可見的拋擲爆破漏斗，這意味著有一定數(shù)量的土或巖石被拋到爆破漏斗界限以外，所以稱為加強松動爆破。一般可以根據(jù)f(n)數(shù)值來判斷爆破類型。內(nèi)部作用藥包：f(n)≤0～0.2最大內(nèi)部作用藥包：f(n)＝0.125～0.2在斜坡地面，特別是地面自然坡度大于30度時，公式的計算結(jié)果與實際爆破效果有很大的差別，需要對鮑列斯科夫經(jīng)驗公式進行修正。

圖3-5斜坡地面爆破漏斗示意圖(3)斜坡地面的拋擲爆破根據(jù)實際統(tǒng)計爆破漏斗上破裂線R/為：（3－34）式中：β是與地面自然坡度α有關(guān)的系數(shù)，在土質(zhì)、松軟巖、次堅巖的地質(zhì)條件下：

而在堅硬石質(zhì)或完整巖體的斜坡地面上：

β值實際上是斜坡地面漏斗體積的增大系數(shù)，因為平坦地面的爆破漏斗體積，而斜坡地面的爆破漏斗體積為：令為斜坡地面爆破漏斗體積的增量函數(shù)，則可推導(dǎo)出與地面坡度的關(guān)系式。（軟巖）

（硬巖）如果注意到爆破漏斗體積增量函數(shù)的作用后，要使在選定的爆破作用指數(shù)n值條件下，爆破漏斗體積不變，藥包重量Q的計算公式就應(yīng)該加入的因素，即：

（硬巖）（軟巖）第五節(jié)爆破參數(shù)的意義和選擇kb是指單個集中藥包形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗（n＝1）時，爆破每一立方米巖石或土壤所消耗的炸藥的質(zhì)量，稱作標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破單位用藥量系數(shù)，簡稱標(biāo)準(zhǔn)單位用藥量系數(shù)。1.單位用藥量系數(shù)kb和ksks則是指單個集中藥包形成松動爆破漏斗時（一般0<n<0.75），爆破每一立方米巖石或土壤所消耗的2號巖石銨梯炸藥的重量，稱作松動爆破單位用藥量系數(shù)。

選擇kb或ks時，應(yīng)考慮多方面的影響因素來加以確定，主要有以下幾個途徑：⑴查表⑵采用工程類比的方法，參照條件相近工程的單位用藥量系數(shù)確定kb或ks的值。

⑶采用標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗試驗確定kb。理論上講，形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的裝藥量Q與其所爆落的巖體體積之比即為kb的值。⑷根據(jù)巖石容重確定⑸實地取樣，根據(jù)巖石普氏系數(shù)確定。另有：采用延長藥包爆破的炮眼法爆破（淺眼爆破、深孔爆破），最小抵抗線W則是從藥包長度的中心到距該中心最近臨空面的最短距離[圖3-8（b）]。

有區(qū)別哦2.最小抵抗線W 對于采用集中藥包的爆破方法，最小抵抗線W是從藥包中心到地面或臨空面的的最短距離[圖3-8（a）]；圖3-8各種爆破方法的最小抵抗線最小抵抗線選擇原則：根據(jù)爆破現(xiàn)場的實際情況（設(shè)備、環(huán)境、開采高度和爆破要求）盡可能選擇較大的抵抗線。n值是表示爆破漏斗大小的一個重要指標(biāo)，通過n值，我們可以判斷爆破工程的性質(zhì)。同時，也是分析爆破的效果和經(jīng)濟效益的重要依據(jù)。為了獲得良好的爆破效果，在選擇n值時，可參考以下原則：

三、爆破作用指數(shù)n值減弱松動藥包：f(n)≤0.2～0.44正常松動藥包：f(n)＝0.44加強松動藥包：f(n)≤0.44～0.64減弱拋擲藥包：f(n)≤0.64～1.0標(biāo)準(zhǔn)拋擲藥包：f(n)＝1.0加強拋擲藥包：f(n)＞1.0四、藥包間距a兩個藥包之間合理的距離，應(yīng)該是爆破后形成的溝塹，不但拋擲后的可見部分是平直的，還要求基底部分O1O2也是平直的。圖3-5合理的藥包間距示意圖（1）經(jīng)驗公式在相鄰兩藥包的W，n等計算參數(shù)相等時

（3－44）

當(dāng)兩個相鄰藥包W，n等參數(shù)不相等時：

（3－45）

(2)半經(jīng)驗，半理論公式有人認(rèn)為，藥包間的合理間距應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的最小抵抗線W，在不標(biāo)準(zhǔn)時，可以通過該藥包的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量關(guān)系，換算藥包間距，即，由此得：

（3－46）(3)按照流體動力學(xué)理論計算值

按照流體動力學(xué)理論，認(rèn)為藥包在土巖等均勻介質(zhì)中爆破時，臨空面上各質(zhì)點的速度與它距藥包中心的R的3次方成反比例關(guān)系，即，其中A為藥包重量為定量時的常系數(shù)。在最小抵抗線與臨空面交匯處的質(zhì)點速度應(yīng)為，距離此到藥包間距各點的速度，可用疊加方式求算。在藥包間距中心，即a/2處的速度應(yīng)是：通過上述關(guān)系，可以求出與藥包的爆破作用指數(shù)無關(guān)的最佳間距為：

圖3-6臨空面速度分布示意圖

五、排間距b

實際?。海?－44）實際爆破中采用寬孔距小排距六、藥包鄰近系數(shù)藥包的鄰近系數(shù)m是用來判定相鄰兩藥包間距離關(guān)系的系數(shù)，正常的接近系數(shù)是：（3－48）

不難看出，工程設(shè)計的實際結(jié)果，需要用鄰近系數(shù)m去校核各藥包之間的距離是否合于要求，m的數(shù)值大了，表明藥包間距過大，反之，藥包間距小了，這時如果重新調(diào)整藥包位置有困難，便需要在藥包重量計算公式中加入m，以調(diào)整它們的藥量，即（3-49）

第六節(jié)影響爆破效果的因素

影響爆破效果的因素很多，本節(jié)就炸藥性能、地質(zhì)條件、爆破技術(shù)（裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞以及起爆方式）等爆破工程中影響爆破效果的共性問題進行闡述。后面的章節(jié)中還將對影響爆破效果的其它一些因素進行論述。

3.1炸藥性能對爆破效果的影響 炸藥的性能包括物理性能、熱化學(xué)參數(shù)和爆炸性能。其中，直接影響爆破作用及其效果的是炸藥密度、爆熱和爆速。正是它們進而有影響了爆轟壓力、爆炸壓力、爆炸作用時間以及炸藥熱化學(xué)爆炸能量利用率。炸藥密度、爆熱和爆速破碎巖石主要依靠炸藥爆炸釋放出來的能量。增加炸藥的爆熱和密度，可以提高單位體積炸藥的能量密度；反之，必然導(dǎo)致炸藥能量密度的降低，增加鉆孔的工作量和成本。提高炸藥的熱化學(xué)參數(shù)，增大密度，采用高威力炸藥是提高爆破作用的有效途徑。

爆速也是炸藥性能的主要參數(shù)之一，不同爆速的炸藥，在巖石中爆炸可產(chǎn)生不同的應(yīng)力波參數(shù)，從而對巖石的爆破作用及效果有著明顯的影響。

爆速是炸藥本身影響其能量有效利用的一個重要性能指標(biāo)。不同爆速的炸藥，在巖體內(nèi)爆炸激起的沖擊波和應(yīng)力波的參數(shù)不同，從而對巖石爆破作用及其效果有著明顯的影響。

巖石（或其它介質(zhì)）的密度同巖石（或其它介質(zhì)）縱波速度的乘積，稱為該巖石（或介質(zhì)）的波阻抗(waveimpedance)。它的物理意義是：在巖石（或其它介質(zhì)）中引起擾動使質(zhì)點產(chǎn)生單位振動速度所必需的應(yīng)力。爆轟波爆轟壓力是指炸藥爆轟時爆轟波波陣面中的C－J面所測得的壓力，當(dāng)爆轟波傳到炮孔孔壁上時，在孔壁的巖石中會激發(fā)成強烈的沖擊波和應(yīng)力波。一般來說，爆轟壓力越大，在巖石中激起沖擊波初始峰值眼里和引起的應(yīng)力以及應(yīng)變也越大，越有利于巖石的破裂。二般？？？爆轟壓力與炸藥密度的一次方和爆速平方成正比關(guān)系。所以在爆破堅硬致密的巖石時，以選用密度大和爆速較高的炸藥為宜。

爆炸壓力爆炸壓力又稱炮孔壓力，它是爆轟氣體產(chǎn)物膨脹作用在孔壁上的壓力。在爆破破碎過程中爆炸壓力對巖石起脹裂、推移和拋擲作用，一般說來，爆炸壓力越高，說明爆轟產(chǎn)物中含有能量大，對巖石的脹裂、推移和拋擲作用越強烈。爆炸壓力的大小取決于炸藥爆熱、爆溫和爆轟氣體的體積。爆炸壓力作用時間除與炸藥本身的性能有關(guān)以外，還與炮孔堵塞質(zhì)量有關(guān)因此在工程爆破中除了針對巖石性能和爆破目的，選用性能相適應(yīng)的炸藥品種以外，還應(yīng)注意堵塞質(zhì)量。炸藥能量利用率炸藥在巖石中爆炸時所釋放出的能量，通過爆炸應(yīng)力波和爆轟氣體膨脹壓力的方式傳遞給巖石，使巖石破碎。拋擲爆破時，有用功占總能量5～7％，松動爆破時，能量利用率不超過20％。如果不考慮炸藥爆炸時的熱化學(xué)損失，炸藥爆炸時能量分配包括：克服巖體中的凝聚力使巖體粉碎和破碎；使爆破范圍內(nèi)的巖石從母巖體中分離出來；將破碎后巖塊推移和拋擲；形成爆破地震波、空氣沖擊波、噪聲和爆破飛石。采取措施：根據(jù)巖石性質(zhì)來合理選擇炸藥的品種；合理確定爆破參數(shù)；選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)和藥包起爆順序；保證堵塞質(zhì)量等。3.2巖石特性對爆破作用的影響

巖石特性包括：巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)，巖石動載特性，地質(zhì)條件等。從某種意義上將，巖石特性對爆破作用的影響就是巖石的特性對應(yīng)力波傳播的影響。巖石種類和巖石密度一般來說，巖石的密度和完整性程度越高，波速越大，反之則越小。巖石密度在0.47～3.32克/立方厘米，巖石縱波波速在1.8～7.2千米/秒范圍內(nèi)，呈線性分布。結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波的影響何為結(jié)構(gòu)面？

巖體內(nèi)存在的原生的層理、層面及以后在地質(zhì)作用中形成的斷層、節(jié)理、劈理、層間錯動面等各種類型的地質(zhì)界面統(tǒng)稱結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波傳播的影響：

①加劇了應(yīng)力波能量的衰減；

②改變了應(yīng)力波傳播方向。3.3炸藥與巖石的相關(guān)因素對爆破作用的影響⑴炸藥的波阻抗和巖石波阻抗的匹配

⑵藥包與孔壁的耦合

①不耦合系數(shù)對應(yīng)變的影響

②不耦合系數(shù)對切向最大應(yīng)力的影響3.4爆破條件、爆破工藝對爆破作用的影響⑴自由面對爆破效果的影響反射應(yīng)力波；改變巖石的應(yīng)力狀態(tài)及強度極限；自由面是最小抵抗線方向。圖3-9自由面對爆破效果的影響

⑵裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果的影響炸藥在被爆介質(zhì)內(nèi)的安置方式稱為裝藥結(jié)構(gòu)。這里著重討論炮眼爆破法中裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果的影響。根據(jù)炮眼內(nèi)藥卷與炮眼、藥卷與藥卷之間的關(guān)系，炮眼爆破法中的裝藥結(jié)構(gòu)可以分為以下幾種：

按藥卷與炮眼在徑向的關(guān)系分為耦合裝藥（couplingcharge）：藥卷與炮眼在徑向無間隙[圖3-14（a）]，如散裝藥。不耦合裝藥(decouplingcharge)：藥卷與炮眼在徑向有間隙，以延長氣體對介質(zhì)的破壞作用時間，間隙內(nèi)可以是空氣或其它緩沖材料[圖3-14（b）]，如水、砂等。

按藥卷與藥卷在炮眼軸向的關(guān)系分為連續(xù)裝藥（continuoscharge）：藥卷與藥卷在炮眼軸向緊密接觸[圖3-14（c）]。間隔裝藥（spacedcharge）：藥卷（或藥卷組）之間在炮眼軸向存在一定長度的空隙，空隙內(nèi)可以是空氣、炮泥、木墊或其它材料[圖3-14（d）]。圖3-14裝藥結(jié)構(gòu)(a)偶合裝藥；(b)不偶合裝藥；(c)正向連續(xù)裝藥；(d)正向空氣間隔裝藥；(e)反向連續(xù)裝藥

1-炸藥；2-炮眼壁；3-藥卷；4-雷管；5-炮泥；6-腳線；7-竹條；8-綁繩

耦合裝藥[或散裝藥(bulkloading)]時，裝藥直徑即炮眼直徑；不耦合裝藥時，裝藥直徑一般指藥卷直徑(cartridgediameter)。炮孔直徑與裝藥直徑之比稱為不耦合系數(shù)(decouplingindex)。散裝藥時，不耦合系數(shù)為1。這個概念很重要

理論研究、實驗室試驗和工程實踐證明，在一定的巖石和炸藥條件下，采用不耦合裝藥或空氣間隔裝藥具有下列優(yōu)點：

1.可以增加炸藥用于破碎或拋擲巖石能量的比例，提高炸藥能量的有效利用率。

2.改善巖石破碎的均勻度，降低大塊率，從而使裝巖效率得到提高。

3.降低炸藥消耗量。

4.能有效地保護爆破時形成的新自由面。這兩種裝藥結(jié)構(gòu),特別是不耦合裝藥結(jié)構(gòu)在光面爆破和預(yù)裂爆破中得到廣泛的應(yīng)用。

堵塞（tamping）就是針對不同的爆破方法采用相應(yīng)的材料，將巖體中通向藥室(chamber)的通道填實。堵塞的目的是：保證炸藥充分反應(yīng)，使之產(chǎn)生最大熱量，防止炸藥不完全爆轟；防止高溫高壓的爆轟氣體過早地從炮眼或?qū)Ф粗幸莩?，使爆炸產(chǎn)生的能量更多地轉(zhuǎn)換成破碎巖體的機械功，提高炸藥能量的有效利用率，提高爆破安全性。3、堵塞對爆破效果的影響

圖3-15表示在有堵塞和無堵塞的炮孔中，壓力隨時間變化的關(guān)系。從圖中可以看出，在有堵塞和無堵塞兩種條件下，爆炸作用對炮孔壁的初始沖擊壓力雖然沒有很大的影響，但是堵塞卻明顯增大了爆轟氣體作用在孔壁上的壓力和壓力作用的時間，從而大大提高了它對巖石的破碎和拋擲作用。 不同的爆破方法所使用的堵塞材料、堵塞長度和堵塞方式不完全相同。圖3-15堵塞對爆破作用的影響a-有堵塞；b-無堵塞堵塞的作用：1.保證炸藥充分反應(yīng)，使之產(chǎn)生最大熱量，防止炸藥不完全爆轟。2.減少孔口飛石和降低空氣沖擊波強度，減少在這兩個方面的能量損失，同時增加爆破作業(yè)的安全。3.防止高溫高壓的爆生氣體過早地從炮眼中逸出，延長孔內(nèi)爆炸氣體作用時間，增大爆破破碎范圍和破碎程度，改善破碎效果，使爆炸產(chǎn)生的能量更多地轉(zhuǎn)換成破碎巖體的機械功，提高炸藥能量的利用率。4.在有瓦斯與煤塵爆炸危險的工作面內(nèi)，除降低爆轟氣體逸出自由面的溫度和壓力外，堵塞用的炮泥還起著阻止灼熱固體顆粒（如雷管殼碎片等）從炮眼中飛出的作用。60充填長度對爆破效果的影響太長–大塊多太短——飛石和空爆正確巖石爆破理論

4、起爆點位置對爆破效果的影響起爆用的雷管或起爆藥柱在裝藥中的位置稱為起爆點(initiationpoint)。在炮眼爆破法中，根據(jù)起爆點在裝藥中的位置和數(shù)目，將起爆方式分為正向起爆（collarfiring）、反向起爆（bottomfiring)和多點起爆(multipointpriming)。

單點起爆時，如果起爆點位于裝藥靠近炮眼口的一端，爆轟波傳向眼底，稱為正向起爆[圖3-14(c)、(d)