【正文】 工程爆破基本知識3．1 爆破對象與爆破效果的關(guān)系 3．1．1 爆破對象 3．1．1．1 爆破對象的概念 爆破對象就是指被爆體、被爆介質(zhì)。具體來說，就是根據(jù)工程需要，利用炸藥能量來達到工程目的的實施(目標(biāo)物)對象。通常遇到最多的爆破對象是巖石，另外還有硬土、鋼筋混凝土、(廢)鋼鐵、爐渣、樹根、凍土、冰塊(層)、淤泥等。 由于爆破對象在內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)、可爆性等方面千差萬別，同時爆破對象也因成因和所處位置的變化而差異很大，因此給爆破施工增加了難度。 3．1．1．2 巖石的物理力學(xué)特性 巖石是主要的爆破對象，因此必須了解和掌握巖石的物理力學(xué)特性。巖石按其成因可分為巖漿巖(常見的有花崗巖、閃長巖、輝綠巖、玄武巖、流紋巖、火山礫巖等)，沉積巖(常見的有石灰?guī)r、砂巖、頁巖、礫巖等)和變質(zhì)巖(常見的有花崗片麻巖、大理巖、板巖、石英巖、千枚巖等)。巖石的主要物理力學(xué)特性包括巖石的密度、空隙率、含水率、風(fēng)化程度、波阻抗、可爆性等，具體含義如下： ①密度。單位體積的巖石質(zhì)量。 ②空隙率。巖石中空隙體積與巖石所占總體積之比。 ③含水率。巖石中水的含量與巖石顆粒質(zhì)量之比。 ④巖石的風(fēng)化程度。巖石在地質(zhì)內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力作用下發(fā)生破壞、疏松的程度。 ⑤巖石的波阻抗。巖石中縱波波速與巖石密度的乘積，它反映縱波傳播的阻尼作用。 ⑥硬度。巖石抵抗工具侵入的能力。 ⑦巖石堅固性系數(shù)(常用普氏系數(shù)，通常用符號f來表示)。巖石抵抗外力擠壓破壞的比例系數(shù)。 ⑧可爆性。巖石在爆炸能量作用下發(fā)生破碎的難易程度。 3．1．2 爆破效果 爆破效果就是實施爆破后，使被爆體(爆破對象)形成的破壞形態(tài)、塊度、對周圍環(huán)境影響的綜合結(jié)果。評價一次爆破效果的好壞，主要是評價該爆破與實施前的預(yù)期是否相符。由于爆區(qū)周圍環(huán)境的不同，對爆破對象的處理方法不同，對爆破效果的控制也不同。通常情況下，爆破效果的控制可歸結(jié)為以下幾方面： 3．1．2．1 爆破塊度的控制 通過對爆破對象的了解，確定合理的孔網(wǎng)參數(shù)(或藥包布置)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式，實現(xiàn)預(yù)期的大塊率、塊度級配或塊度大小與形狀。 3．1．2．2 爆堆形態(tài)的控制根據(jù)爆破對象的形態(tài)和條件，以合理的爆破設(shè)計，實現(xiàn)爆堆形態(tài)的堆積符合施工要求，如爆堆適宜裝載，拋擲體堆積位置和拋擲體積大小得到控制。 3．1．2．3 爆破后果的控制 根據(jù)爆破對象的情況和工程要求，以合理的爆破設(shè)計方案，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定，開挖面平整，淤泥被擠出某區(qū)域等。 3．1．2．4 爆破安全控制 根據(jù)爆區(qū)周圍的環(huán)境條件和爆破對象的現(xiàn)狀，以合理的爆破參數(shù)和警戒布置，確保人身、財產(chǎn)、建筑物、構(gòu)筑物的絕對安全。 每次爆破不一定全部實現(xiàn)以上4種爆破效果的控制，但往往一次爆破需同時實現(xiàn)幾種控制目標(biāo)，以達到爆破目的。 3．1．3 爆破對象對爆破效果的影響 3．1，3．1 巖石性質(zhì)的影響 巖石性質(zhì)在很大程度上與組成巖石的礦物有關(guān)。由于礦物成分的差異，表現(xiàn)其堅固性、可爆性不同，對應(yīng)力波的傳播、阻尼、吸收、反射作用亦不相同，對接受爆炸氣體的膨脹、楔人作用也不同，因此巖石性質(zhì)直接對爆破效果產(chǎn)生影響。 3．1．3．2 地質(zhì)構(gòu)造的影響 常見的地質(zhì)構(gòu)造包括層理、斷層、褶皺、節(jié)理、裂隙、片理、劈理和不同巖層的接觸面。這些地質(zhì)構(gòu)造對爆破的作用主要有應(yīng)力集中作用、泄能作用、阻斷作用、加強作用和楔人作用等。 3．1．3．3 地形的影響 爆區(qū)的地形條件主要包括地面坡度、臨空面?zhèn)€數(shù)和形態(tài)，山體高低及沖溝分布等地形特征。通常情況下，爆破范圍的大小，爆破方量，拋擲方向和距離，堆積形狀，爆破后的清方工作以及施工現(xiàn)場布置等都直接受地形條件的影響。另外，地形條件也可能使爆破有害效應(yīng)對周圍環(huán)境產(chǎn)生不同影響。 3．1．3．4 特殊地質(zhì)條件的影響 溶洞對爆破的影響： ①改變最小抵抗線方向，使爆破方量朝著溶洞的薄弱方向沖出，改變設(shè)計拋擲方向和拋擲方量； ②引起沖炮，造成爆破安全事故； ③降低爆破威力； ④影響巖石塊度，造成塊度不均； ⑤影響爆破施工，造成施工安全事故； ⑥影響爆破后邊坡的穩(wěn)定。 巖堆及滑坡對爆破的影響： ①爆轟氣體容易沿著巖堆與基巖接觸面或滑動面擴散而影響爆破效果； ②爆破引起巖堆及滑動面劇烈活動，爆破時應(yīng)特別小心。 3．1．3．5 地下水的影響 由于巖體中的空隙充填了水以后，水對應(yīng)力波起了傳播作用而彌補了空隙對應(yīng)力波能量的吸收、反射、泄漏、楔入和應(yīng)力集中等作用；同時水會造成工程施工困難，藥包應(yīng)采取防水措施或采用防水炸藥。3．2爆破作用的基本概念 3．2．1 爆炸現(xiàn)象與炸藥爆炸 日常生活中人們經(jīng)常遇到爆炸現(xiàn)象，如鍋爐爆炸、輪胎爆炸、鞭炮爆炸等，它們的共同特點是：在發(fā)生爆炸處，周圍壓力突然升高，附近物體受到?jīng)_擊或破壞，同時伴有聲響和光的效應(yīng)。 根據(jù)爆炸產(chǎn)生的原因及特征，爆炸現(xiàn)象可分為3類。 3．2．1．1 物理爆炸 其特點是爆炸前后物質(zhì)的性質(zhì)及化學(xué)成分沒有發(fā)生改變，如鍋爐爆炸、輪胎爆炸、高壓氣瓶爆炸等均屬物理爆炸。 3．2．1．2 化學(xué)爆炸 物質(zhì)狀態(tài)變化時發(fā)生極迅速的放熱化學(xué)反應(yīng)，生成高溫高壓的反應(yīng)物，由此而引起的爆炸。其特點是爆炸前后物質(zhì)的性質(zhì)及化學(xué)成分發(fā)生改變,如炸藥、瓦斯、煤塵、鞭炮等的爆炸。 3．2．1．3 核爆炸 某些物質(zhì)的原子核發(fā)生裂變或聚變的連鎖反應(yīng)時，瞬間放出巨大能量，如原子彈、氫彈的爆炸。 炸藥爆炸是一種化學(xué)爆炸，炸藥爆炸時應(yīng)具備3個同時并存、相輔相成、缺一不可的條件，稱為炸藥爆炸的“三要素”：即化學(xué)反應(yīng)過程大量放熱，反應(yīng)過程極快，生成大量的氣體。其中熱是作功的能源，如果沒有足夠的熱量放出，自身又不能供給繼續(xù)變化所需的能量，化學(xué)變化就不可能自行傳播，爆炸過程就不能產(chǎn)生。而高速的化學(xué)反應(yīng)，可忽略能量轉(zhuǎn)換過程中熱傳導(dǎo)和熱輻射的損失，在極短的時間內(nèi)完成爆炸過程。另外炸藥爆炸時所生成的氣體產(chǎn)物是作功的源泉，炸藥爆炸對爆破對象所作的機械功就是由可壓縮性和膨脹系數(shù)很大的氣體產(chǎn)物產(chǎn)生的。 3．2．2 爆破作用的基本原理 3．2．2．1 爆破破巖理論簡介 炸藥在爆破對象內(nèi)爆炸，形成對周圍介質(zhì)的作用稱為爆破作用。在藥包爆破作用下，爆破對象的破碎過程是非常復(fù)雜的。人們至今對于巖石爆破破壞機理仍了解得非常不夠，只能通過理想的實驗現(xiàn)象來解釋。 由于藥包爆炸時產(chǎn)生的主要能量為高溫高壓爆轟氣體和沖擊波，因此人們在實驗分析的基礎(chǔ)上提出了3種爆破作用破壞理論。 (1)爆轟氣體壓力作用破壞理論 炸藥爆炸產(chǎn)生的能量絕大部分(85％)包含在爆轟氣體中，于是該理論認為，巖石破碎是由于高溫高壓爆轟氣體膨脹作功的結(jié)果。在高溫高壓爆轟氣體的作用下，介質(zhì)質(zhì)點做徑向移動，由此形成剪切應(yīng)力，當(dāng)該剪切應(yīng)力超過介質(zhì)強度時，巖石被破壞。若爆轟氣體的壓力足夠，就會將已破壞的巖石拋擲出去。 (2)應(yīng)力波反射作用破壞理論 根據(jù)爆炸動力學(xué)原理，該理論認為，炸藥爆炸激起的壓應(yīng)力波在介質(zhì)自由面上反射后形成拉應(yīng)力波，由于巖石的抗拉強度很低，拉應(yīng)力波的拉應(yīng)力往往大于巖石的抗拉強度，于是巖石被拉斷。 (3)應(yīng)力波與爆轟氣體綜合作用破壞理論 基于實際工程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，該理論認為上述兩種理論都是片面的，應(yīng)力波與爆轟氣體只能是共同存在，密切相關(guān)和互相加強的。它們分別在不同階段、不同條件下發(fā)揮各自不同的重要作用破壞巖石。炸藥爆炸時介質(zhì)的破壞，首先是爆炸應(yīng)力波的作用，然后是爆轟氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用。 3．2．2．2 爆破的內(nèi)部作用當(dāng)藥包埋置在地表以下很深處爆炸時，藥包的爆破作用只局限于在地表以下，在地表沒有顯現(xiàn)出爆破痕跡，這種條件下的爆破作用叫做內(nèi)部作用。通常，按巖石破壞的特征，可將內(nèi)部作用爆破范圍內(nèi)的巖石劃分為3個圈(見圖3—1)。 (1)壓縮圈 壓縮圈又稱粉碎圈。在壓縮(粉碎)圈內(nèi)，巖石直接 受到藥包爆炸的巨大壓力和高溫作用，如果巖石是可塑性 的(如軟巖和硬土)，就會被壓縮而形成空腔；如果巖石 是彈脆性的，就會被粉碎。在此圈內(nèi)，由于巖石遭受到壓 縮或粉碎性破壞，能量消耗很大，爆破作用力急劇減小，其半徑一般不超過藥包半徑的4—7倍。 (2)破裂圈 圍繞在壓縮粉碎圈以外的一圈巖石，雖然受到的爆炸 作用力較壓縮圈中的巖石小得多，但巖石受到結(jié)構(gòu)性破壞，生成縱橫交錯的裂隙，巖體被割裂成塊，此范圍叫做 破裂圈。破裂圈的范圍大約為藥包半徑的120～150倍。 (3)振動圈 在破裂圈以外的范圍內(nèi)，爆破作用力已衰減到不能使巖石的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而只能引起巖石顆粒產(chǎn)生彈性振動。這一圈叫做振動圈，振動圈的范圍很大，直到爆破作用力完全被巖土所吸收時為止。 3．2．2．3 爆破的外部作用 當(dāng)藥包埋置深度不大、接近地表時，藥包爆破除了使巖石破裂和振動外，被破裂的巖塊由于碎脹而莊地表隆起，或被拋離地表并形成一個爆破坑——爆破漏斗。爆破作用已顯現(xiàn)在地表，這種情況叫做爆波的外部作用。絕大多數(shù)工程爆破都是屬于這種爆破作用。有關(guān)爆破外部作用的術(shù)語分述如下。 (1)自由面 自由面又叫臨空面，通常是指被爆巖石與空氣的交界面，也是對爆破作用能產(chǎn)生影響并能使爆后巖石發(fā)生移動的巖面。自由面的數(shù)目、自由面的大小、自由面與炮孔的夾角以及自由面的相對位置等，都對爆破作用產(chǎn)生不同程度的影響。自由面越多，爆破破巖越容易，爆破效果也越好。當(dāng)巖石性質(zhì)、炸藥品種相同時，隨著自由面的增多，炸藥單耗將明顯降低。 一般來說，隨著自由面面積的增加，巖石爆破夾制作用將變小，這有利于巖石的爆破。當(dāng)其他條件不變時，炮孔與自由面的夾角愈小，爆破效果將愈好。炮孔方向垂直于自由面時，爆破效果最差；炮孔方向與自由面平行時，爆破效果最好(見圖3—2)。另外，能否利用巖石的自重下落亦對爆破效果有影響。 (2)最小抵抗線與底盤抵抗線 最小抵抗線是指爆破時巖石產(chǎn)生抵抗力(阻力)最小的方向。工程爆破中，通常將藥包中心或重心到最近自由面的最短距離稱為最小抵抗線，一般常用W表示。最小抵抗線代表了爆破時巖石阻力最小的方向，所以在此方向上巖石運動速度最高，爆破作用最集中。因此最小抵抗線是爆破作用的主導(dǎo)方向，也是巖石移動的主導(dǎo)方向。 底盤抵抗線是指臺階炮孔爆破時，坡底線與炮孔中心線之間的水平距離。它是決定前排炮孔裝藥量及爆破時有無根底的重要參數(shù)。 (3)爆破漏斗 爆破漏斗由下列要素構(gòu)成(見圖3—3)。①爆破漏斗半徑r。表示爆破破壞在自由面上范圍的大小。②最小抵抗線W。在自由面為水平的情況下，它近似于藥包的埋置深度， ③漏斗破裂半徑只。爆破漏斗的側(cè)向邊線長，表示爆破作用在自由面以下的破壞范圍。 ④漏斗可見深度戶。藥包爆破后，一部分巖塊被拋擲到漏斗以外，一部分又回落到漏斗內(nèi)，形成一個可見漏斗。從自由面到漏斗內(nèi)巖塊堆積表面的最大深度，就叫漏斗可見深度。 ⑤漏斗張開角。即爆破漏斗的錐角，它表示漏斗的張開程度。 (4)爆破作用指數(shù)n及爆破漏斗的分類在巖石性質(zhì)和爆破條件一定，當(dāng)裝藥量不變而改變藥包的埋置深度，或藥包埋置深度固定不變而改變裝藥量時，都可發(fā)現(xiàn)爆破漏斗的尺寸和爆破作用性質(zhì)發(fā)生變化。這種變化可用爆破漏斗半徑r與最小抵抗線W的比值來表示，此比值稱為爆破作用指數(shù)，用n=r／W表示。當(dāng)n發(fā)生變化時，爆破作用性質(zhì)，爆破漏斗的大小，破碎巖塊的拋擲量和拋擲距離都將發(fā)生變化。所以，根據(jù)n值的不同，可將爆破作用性質(zhì)和爆破漏斗進行如下分類(如圖3—4)。 ①標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗。當(dāng)爆破作用指數(shù)n=1時，藥包爆破后即可形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗。此時，漏斗中的巖石不僅全部被破碎，而且有相當(dāng)數(shù)量的巖塊被拋擲到漏斗以外，出現(xiàn)了明顯的漏斗坑，且漏斗半徑r等于最小抵抗線W，漏斗張開角等于90。形成這種標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的爆破作用，稱為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破。 ②加強拋擲爆破漏斗。當(dāng)1n3時，藥包爆破后漏斗