爆破工程张云鹏露天硐室爆破

第九章露天硐室爆破
在矿山爆破中，有时需要一次爆破大量的土石方，有时在山上爆破大型设备无法运到山顶，而爆破量又大，需要大量的炸药。

炸药不能装入炮孔中，必须装入专门的硐室或井巷中。

这种以专门的硐室或井巷作为装药室空间的爆破称为露天硐室爆破（或硐室爆破）简称露天大爆破。

硐室爆破由于一次可以装很多的炸药，在一瞬间可以搬动大量的土石方，所以在国民经济各个行业中有着广泛的应用。

例如：
矿山：露天剥离岩石，筑尾矿坝
水电：定向筑坝，修水库
公路、铁路：筑路堤，挖路堑
农业：搬山造田，移河改道
在冶金矿山中的应用，从1956年开始到1986年，为了加速矿山开发建设，光百吨药量以上的大爆破就有60多次。

其中1971年，在我国西南某露天矿进行
了一次硐室爆破，总装药量达10162吨。

1992年12月28日13：50，广东省珠海市炮台山进行了一次总装药量为11138t的大爆破。

一共分成了33段起爆，延期时间是3.75s，振动持续时间为5s。

平均每一段装药338t。

实际爆破土方量1085×104m3(2712.5×104t，如果是75t自卸汽车，得装36.17万车)。

平均单耗1.03kg/m3，抛掷率为51.36%。

爆区最近点民房（550m）无倒塌。

露天硐室爆破由于其药量非常大，对周围环境的影响范围也很大，所以要进行非常严格的设计，并报公安机关批准。

我们这一章就介绍一下硐室爆破设计的基本原理，要求我们学完后，能够自己搞设计并组织施工。

首先谈一下基本情况。

第一节概述
一、硐室爆破的适用条件
（四点书上都有）
1．露天矿基本建设初期，穿孔机械和动力铲等大型设备尚未到齐，为了缩短基本建设时间，加速资源开发，可采用硐室爆破。

2．山势陡峻，重型设备上山困难，或者山顶狭窄，不便使用大型设备，可使用硐室爆破。

3．因生产急需加速剥离，尽快处理局部地段时，可采用硐室爆破。

4．地形条件适宜，而工期又很紧迫时，可用硐室爆破修筑尾矿坝，挖掘堑沟，平整场地，赶修道路等。

二、硐室爆破的优缺点
1．工期较短，工程进度快。

2．只需小型凿岩设备，而不需大型设备。

3．一次爆破岩石量大，采用加强抛掷爆破时，一次可抛出大量的岩石减少土石方的搬运。

4．地质、地形及气候条件对爆破的影响较小。

5．破碎块度不均匀。

6．爆破震动对环境的影响较大。

是否采用硐室爆破，就要分析具体条件是否符合其适用条件，全面衡量。

三、硐室爆破的分级与分类
硐室爆破一般用于露天，井下用于回收矿柱和采空区充填用的很少。

硐室爆破按一次有药量计，分为A、B、C、D四个等级。

A级：1000t≤Q≤3000t；
B级：300t≤Q<1000t；
C级：50t≤Q<300t；
D级：0.2t≤Q<5t。

一次用药量大于3000t的硐室爆破应由业务主管部门组织专家论证其必要性，其等级按A级管理。

露天硐室爆破的应用范围很广。

按爆破作用程度和结果不同可分为：松动爆破，加强松动爆破和抛掷爆破。

抛掷爆破按爆破的目的和要求，分为定向爆破和抛散爆破。

抛掷爆破根据抛掷作用的方向不同又可分为：单侧抛掷爆破，双侧抛掷爆破，多侧抛掷爆破和上向抛掷爆破等类型。

另外，一次爆破可同时具有多种性能，可一侧抛掷，另一侧松动。

以上谈的硐室爆破的基本情况，下面就重点讲述硐室爆破如何设计。

第二节控制抛掷作用的基本原理
一、控制抛掷方向的基本原理
抛掷爆破，首先应当确定的就是抛掷方向，那么抛掷方向由什么来确定呢？
1．最小抵抗线原理
岩石破碎与抛掷的主导方向是最小抵抗线方向。

根据最小抵抗线原理有以下要求：
（1）要求多个药包向某处集中抛掷，就必须选择凹形地形；反之，若选用凸形地形，岩石就被抛散而不能集中了。

（2）如果地形不利于抛掷，可用辅助药包创造新的自由面，从而确定新的最小抵抗线方向。

2．多向爆破作用控制原理
在多自由面的山头爆破时，最小抵抗线往往不只是一个而是两个或三个。

那么这里的抛掷方向，当然不能沿着一个方向，这时如何来控制它的破碎和抛掷作用呢？以山脊地形为例，这时只有两个最小抵抗线。

（1）若使岩石沿A、B两侧的抛掷量相等，显然必须使W A=W B。

（2）欲使A方抛掷，B方加强松动，显然应使W A＜W B，定量表示：
其中f(n)=0.4+0.6n3
（3）若使A方抛掷，B方松动
同样W A<W B，定量表示：
因为松动爆破药量为标准抛掷爆破药量的1/3。

（4）若使A方抛掷，B方岩石不破碎，此时必须满足下式：
式中：为爆破漏斗的破裂半径。

上面讲的全是双向爆破作用，根据以上原理亦可推出三向爆破作用控制原理。

根据多向爆破作用原理，就可以根据不同的要求确定药包的位置。

3．群药包共同作用原理
两个并列的等量对称药包同时爆破时，药包之间的岩土一般不发生侧向抛散，只是沿着两药包的最小抵抗线方向抛出，这个原理就是群药包共同作用原理。

如图所示：这样就有利于控制岩石的抛掷方向，提高抛掷率。

当然从侧面看，还是一排药包，还向两侧抛散。

为了更好地提高抛掷率，就设计成四个药包（如图）。

从图上就可以看出大部分岩石是朝着一个方向抛出的。

对于非等量药包，岩石抛掷方向会发生一定的偏斜。

同时会产生一定的抛散。

但大部分岩石是按着几个药包联合作用所决定的方向抛出的。

群药包作用原理在抛掷爆破中广为应用，如定向抛掷筑坝，一般设计成四个药包，同时起爆。

4．重力作用
在山坡地形（尤其是地形较陡时）一部分岩石被抛掷，而有一部分岩石依靠重力作用，会坍塌。

所以在有些地形条件下，如陡峭的山坡，狭窄的山谷，爆破时；只靠着重力坍塌即可满足要求，而毋需再抛掷，这时只用松动爆破即可，而不用抛掷爆破。

这样就可以减少药量。

实践表明，由于岩石靠重力滚到山谷中，岩石不产生抛散，经济效益显著。

以上讲的是控制抛掷方向的基本原理，要求都要掌握。

二、抛体堆积的基本原理
1．抛体、坍塌体及爆落体的概念
在斜坡地形条件下，埋入岩体内的药包爆炸后，形成这样的形状。

首先，药包爆炸后要产生半径为R1压缩图。

其次，当n≥1时，形成爆破漏斗AO'D这部分岩土被抛出，故称之为抛体。

之后，在爆破及重力作用下，DB'C部分岩石产生破碎与坍塌，这部分岩石就称为坍塌体。

两部分合在一起就称为爆落体。

在爆落体内 W：最小抵抗线
AO：称为下破裂半径R
CO：称为上破裂半径R'
压缩圈半径R1，下破裂半径R，上破裂半径R'分别由下式计算。

式中：Q——药包重量，kg；
Δ——装药密度t/m3
μ——岩土的压缩系数由表9-1中查找。

实际上是爆破漏斗破裂半径
(在公式中加了一个β)
其中θ：地形坡面角
如果药包上部的岩土呈平台或地形较缓时，则上破裂范围应按破裂角来确定。

一般取 0=55°～65°。

土壤或n值较大时，取小值。

土壤或n值较小时，取大值。

2．抛体堆积的基本原理
（1）抛体运行逆从弹道运行规律
对于抛掷爆破而言，抛体沿着最小抵抗线抛出后，一般可以认为是遭从弹道轨迹，即抛物线形。

以为抛体是一个松散体，是由无数小岩块组成，我们不可能求出每一块飞行的轨迹，但我们可以计算抛体质心的运行轨迹。

根据弹道理论，抛体质心的基本方程。

抛距：
或
式中：v——抛体质心初始速度；
g——重力加速度；
——抛角；
H——落差；
S——抛距(水平距离)。

由抛距公式可以看出，抛距的大小主要取决于抛速和抛角的大小。

抛体的运动规律很容易得出来，但真正应用于工程实践却很难。

这里面抛角比较好确定，抛速就比较难了，关键是抛速与药量和最小抵抗线。

爆破作用指数n有什么样的关系，就很难确定了。

所以多少年来，爆破设计计算抛距都是采用经验公式。

直到70年代末到80年代初，科学家杨人光提出了单元抛体抛掷堆积规律，才将弹道理论成功地应用于工程实践，突破了经验公式的框框，使理论与实践结合起来。

1979年牡丹江二电厂储灰坝工程，采用单元抛体弹道理论设计法，爆破后达到了设计预计的爆破效果。

（2）抛体堆积规律
这个规律是铁道兵朱忠节提出来的，他认为抛体抛出后，抛体各质点呈三角形分布，落在地上亦是三角形。

多层多排药包可以分成若干个三角形，落在地面上正是这些三角形的叠加合成。

这就是抛体堆积的基本规律，堆积三角形的尺寸，同地形条件，药包位置，布药参数等因素有关。

（3）堆积体与抛体的体积平衡
抛体抛出后，经松散和堆积形成堆积体，所以二者的体积应该相等。

由此可计算出堆积的体积，堆高及抛掷率。

第三节硐室爆破设计的原则和内容
这一节书上没有。

硐室爆破是一项非常复杂的工作，一次用药量很大，对周围环境的影响也很大。

所以不能盲目地进行，必须经过严格设计并经公安机关审查批准。

一、设计所需要的基础资料
硐室爆破的设计一般需要下列基础资料
1．设计任务书或委托书
这是设计的依据。

是经上级机关批准的正式文件。

在这个文件当中要明确以下几点：爆破地点，爆破性质（为什么要进行这次爆破）和目的，爆区范围，工程量，投资额，技术与进度要求，及其它要求。

2．地形地质资料（一般需要）
（1）1：500爆区地形图
若爆区范围小或有特殊要求，亦可用1：200地形图。

（2）采场：1：2000或1：5000矿区地形地质图及剖面图。

在地形地质图上要标注安全范围以内的建筑物或构筑物的位置。

井筒或井下工程的位置等，以及其它设施的位置。

（3）露天矿1：1000或1：2000的露天矿采场最终平面图及基建范围图。

（4）爆区的地质勘探报告说明书及附图，明确爆区内是否有断层，浴洞等地质构造，明确爆区内的水文地质资料。

（5）爆区内的气象、地震等有关资料及图件
3．试验和检验资料
炸药性能测试，爆破材料及爆破网路的测试结果。

小型模拟爆破实验资料等。

二、爆破设计的基本要求
1．大爆破设计应根据上级机关批准的任务书和有关的基础资料进行设计。

2．要经济合理，降低材料消耗，提高经济效益。

3．保证安全可靠，保证施工人员的安全，保证爆区范围内的建筑物、构筑物及其它设施的安全。

4．合理地选择爆破参数，对于重要的爆破，爆破参数要通过实验来确定。

三、设计内容
露天硐室爆破一般可分为可行性研究，技术设计和施工图设计三个阶段。

硐室爆破设计应按爆破等级分阶段进行。

《爆破安全规程》（GB6722-2003）中规定：
A级、B级、C级、D级爆破工程均应编制爆破设计书，其他一般爆破应编制爆破说明书。

爆破设计分为可行性研究、技术设计和施工图设计三个阶段。

可行性研究阶段应充分论证爆破方案在技术上的可靠性，在经济上的合理性和在安全上的可靠性。

通过与其他施工方案比较论证爆破方案的优越性，通过两个以上不同爆破方案的比较分析，推荐出最优的爆破方案。

技术设计是提交审核与安全评估的重要文件，在技术设计阶段应将推荐方案充分展开，做到可以按设计文件开始施工的深度。

施工图设计应为施工的正常进行提供详实图纸和安全技术要求，对硐室爆破还应在装药前根据硐室开挖过程中揭示的地质情况和开挖工程验收资料，提出每条导硐装药、填塞、网路敷设的施工分解图。

硐室爆破设计书，由说明书和图纸组成。

大爆破还必须编制施工组织设计，由施工单位根据设计书，施工图及有关规程、标准进行编制。

大爆破设计书应由说明书和图纸组成，爆破设计的主要内容是以设计说明书的形式出现的，说明书主要应阐述以下内容：
1．工程概况与环境技术要求。

写明工程的目的、任务、规模和技术要求等。

对预计的爆破效果作一般概述。

2．爆破区地形、地貌、地质条件。

说明爆区内的自然条件、地形、地貌、工程地质及水文地质情况；
3．设计方案的选择。

写明选择爆破方案的原则，对比个爆破方案的优缺点及技术经济指标，论证所确定方案的合理性。

说明所选择的爆破类型，药包布置方式，绘制药包布置平面图；
4．爆破参数选择及药量计算。

说明各种爆破参数的选择的依据及药量计算方法，并列表说明有关数据；
5．装药、填塞与起爆网路设计。

首先设计平巷及药室设计。

药室是装炸药的硐室，其形状、规格尺寸需要预先确定通向药室的通道有平巷，也有斜井和竖井。

说明书中写明这些井巷工程的断面形状，规格尺寸，施工方法，计算井巷及药室的工程量；
要确定装药结构和炸药的防潮防水措施。

确定填塞方法，填塞长度及填塞工程量，填塞材料的来源等；
确定起爆方法，电力起爆，导爆索起爆，导爆管起爆。

确定起爆网路形式，敷设方法。

电力起爆，计算起爆网路参数，并附电爆网路计算表。

计算材料消耗，并列出主要起爆材料表。

主要起爆材料消耗表
6．爆破方量及爆堆分布计算
对爆破效果做出估计。

7．爆破安全距离的确定及安全措施地震安全距离；
空气冲击波的安全距离；
个别飞散物的范围；
有毒气体的危险范围；
采取的安全措施。

8．爆破施工组织。

施工机具、仪表及器材9．工程预算及主要技术经济指标
主要技术经济指标表
10．附图
（1）爆区环境平面图，地形地质图；
（2）药室及导硐布置平面图、剖面图；（3）药室及导硐平面图、断面图；
（4）装药及填塞结构图；
（4）起爆网路系统图；
（5）预计爆堆分布图及爆破底板等高线图；
（6）爆破危险范围及警戒点分布图。

第四节方案设计
方案设计的目的是设计爆破方案。

说明所选择的爆破类型，药包布置方式，绘制药包布置平面图；进行爆破参数选择及药量计算。

一、对设计方案的基本要求
1．能满足工程对爆破破碎范围的要求，不超挖不欠挖。

2．能满足工程对爆破方量及抛掷方量的要求。

3．能满足工程对抛掷方向、抛掷距离及堆积状况的要求。

4．边坡、建筑物、构筑物以及井巷设施等应得到良好保护而不受损坏。

5．便于组织施工；
6．最大限度地降低成本。

技术上可行、经济上合理、安全上可靠。

一、爆破类型的确定
在接到设计任务书，并了解了矿区的地形地质情况之后，即可进行方案设计，方案设计首先应确定爆破类型。

爆破类型就是指松动爆破，加强松动爆破和抛掷爆破。

选用哪种爆破类型，要根据具体情况而定。

松动爆破：适用于对周围破坏小，不允许有抛掷的地方，只松动矿岩一般抵抗线小于15～20m。

炸药单耗小，爆堆集中。

加强松动爆破：较为广泛，与松动爆破相比，矿岩破碎更充分，也没有抛掷。

较陡地形，采用加强松动爆破亦可使矿岩大量滚出，要注意避免药量过大变成抛掷爆破。

抛掷爆破：适用于露天矿剥离，将岩石抛出境界以外，减少装运工作。

爆破类型确定后，即可进行布药设计，布药设计包括：确定药包的位置，药室的个数及爆破参数等。

三、药包布设规划
药包布置就是确定每一个药包的具体位置，药包布置方式有许多方式，单侧药包、双侧药包、单层布置、双层布置、多层布置、单排、双排、多排布置药包、等量对称和不等量对称药包等。

在具体确定每个药包的具体位置以前，对药包布置应有一个总体规则。

1．药包规模及分排
药包的规模与最小抵抗线有直接的关系。

一个药包的规模主要考虑的是爆破方量的要求和安全范围。

一般最小抵抗线在5～50m范围内。

当地形条件适宜，尽量采用单层单排药包，如斜坡地形单侧作用，抵抗线不大时，单排药包即能满足要求。

若地形较缓或抵抗线较大，单排药包不能满足要求时，则应考虑采用双层或多排。

2．当地形较陡布置单层药包不满足要求时，则应考虑采用双层或多层。

当最小抵抗线与药室到上面近似水平的地面的距离H之比。

W/H=0.6～0.8时，破碎效果较好。

当W/H<0.5时（地形高差比较大），破碎效果就会降低，所以要求W/H≮0.5。

若地形W/H＜0.5，则应考虑采用双层或多层药包。

3．山脊地形双侧作用时，地形又较陡，可布置单排双侧作用药包。

根据不同的要求计算抵抗线的大小。

地形较缓时，可在主药包两侧布置辅助药包。

地形较缓时，亦可布置两个等量单侧作用药包。

4．多面临空地带（如山峰处），可布置多向作用主药包；地形较缓时，再加辅助药包。

5．对特殊要求的地带，采用联合药包布置形式。

四、药包布置设参数的确定
药包布设参数包括最小抵抗线W，爆破作用指数n及药包间距a。

1．最小抵抗线的确定
最小抵抗线的确定实际上是确定药包的具体位置，即平面位置和高程位置。

确定最小抵抗线应考虑以下因素
（1）首先要考虑最小抵抗线方向的要求
根据最小抵抗线原理，岩石破碎和抛掷的主导方向是最小抵抗线方向，所以药室的位置必须保证最小抵抗线方向附合抛掷和松动作用的要求，并保证其方向的准确性。

（2）最小抵抗线的大小决定爆破方量和抛掷方量
在爆破作用指数一定的条件下，爆破方量与最小抵抗线的立方成正比。

可由爆破方量确定最小抵抗线的大小。

（3）在有些地方，未爆破的地方应得到良好的保护。

例如：露天边坡。

为此，在靠近边坡处的药包旁边应预留保护层。

M=R
+0.7B
1
式中：B——药包宽度的一半；
R
——压缩圈半径（应该到药包中心）。

1
（4）在某些特殊情况下，如遇到断层，溶洞或破碎带时，药室应尽量避开这些地质构造或者加辅助药包。

其它地形地质情况都应考虑在内。

2．爆破作用指数的确定
爆破作用指数n=r/W，n=1，标准抛掷爆破；n＞1，加强抛掷爆破；75≤n ＜1，加强松动爆破；n＜0.75，松动爆破。

n值的大小，关系到爆破的抛掷程度，破碎范围和破碎质量，装药量以及堆积状况等。

所以正确选取n值是非常重要的。

（1）单药包n值的确定方法
平坦地形，按抛掷率选取，设抛掷率为E
n=E/55+0.5 (经验公式)
斜坡地形单侧抛掷，按地形坡面角θ选取，这时设定抛掷率E=60%，可按书P176 表9-2选取
对于多面临空地形：抛掷爆破n=1～1.25；
加强松动n=0.7～0.8；
较陡地形：抛掷爆破n=0.8～1.0；
加强松动n=0.65～0.75；
亦可按堆积要求选取n值：
抛掷：按抛距和堆积状况反求n
加强松动：按爆堆高度反求n （2）多层多排药包n值的确定方法
主药包的n值一般应比辅助药包的n值大0.25左右；
后排药包的n值比前排药包的n值大0.25左右；
上下层药包同时起爆时，上层药包的n值比下层药包可增大0.1左右。

3．药包间距的确定
药包间距可分为排间距、层间距及列间距。

药包间距的确定主要是从药包间的共同作用效果来考虑。

药包间距过大，各药包之间分别作用，形成相互孤立的爆破漏斗，药包之间留有岩埂，达不到群药包共同作用的目的。

药包间距过小，则浪费炸药，抛掷作用加强，因而合理的药包间距应既能使药包间不留岩埂，又能充分利用炸药能量。

药包间距通常以间距系数来表示：
，a=mW
一般情况下可按p176、表9-3选取。

表中
若是分层药包，则用层间距b来表示
W
b=m
1
m
层间距系数，m1=1.2~2.0
1
五、装药量计算
漏斗爆破的装药量前面已经学过：Q=KV
抛掷爆破：
松动爆破：
硐室爆破的装药量计算以此公式为基础。

在硐室爆破中，我们用q来表示炸药单耗。

我们知道，q值与炸药性质、岩石性质有关。

如果炸药确定，那么只与岩石性质有关。

那么当采用2＃岩石炸药时，q值的选取就可以按p177表9-4来选取。

如果选用的炸药不是2＃岩石炸药怎么办：
那么再乘上一个换算系数e
其中
若是采用2＃岩石炸药，e=1
若是采用铵油炸药，爆力=280，e=1.14
这样药量计算公式就可以写成：
抛掷：
松动：
松动爆破时与地形有关，例如：
斜坡或台阶地形可取：
平坦地形或掘沟爆破可取：
实践表明，以上公式当5＜W≤25时比较合适，当W＞25m时，应将公式修改为：
六、药包布置方法及实例。

药包布置是采用垂直地形剖面法确定爆区内各个药包的空间位置及其相
互关系。

那么在布置药包以前，首先应该明确许多药包究竟应该先布置哪个药包呢？
原则是从关键处下手。

在山峰-山脊地形，先山峰后山脊；有主辅药包时，当然是先药包后辅助药包。

要求保护边坡时，先靠近边坡布置。

我们看一下实例来说明药包布置的具体方法。

陕西省前河露天矿。

（P178）
扩大北部开采范围，需要迅速处理山脊：要求北至A点南到现采区，1410m 以上岩石全部爆掉。

总体规划：拟采用沿山脊布置一排双向抛掷的主药包，同时起爆，局部地带设辅助药包。

从要求上看，A处是边坡需要保护，所以从此端开始布置。

首先布置第一个药包O1，从O1到A点要有一定的距离，这个距离如何确定：
纵剖面看，根据边坡角画一个边坡与1410水平相交于A0点，O1就布置在1410水平之上并且到A0有一定距离，这个距离就是边坡保护层M：
这里面Q不知道，R1亦未只，M就无法确定。

在这里根据经验，先假定一个W
值，求出Q，再计算出M和R1，确定出O1的位置，再反映到地形图上。

1
从O1的位置上，沿最小抵抗线方向作剖面。

在剖面图上，因为1410水平以上都要处理，药包布置在1410水平以上的地方，O1到1410水平以上的距离为R1，并使W1=W1＇，从图上量取最小抵抗线，W
和W1＇与先修定的可能不同。

1
根据选定的炸药单耗q、爆破作用指数n，再计算出炸药用量Q，可根据
，B亦可求得，则有：，算出边坡保护层。

重新确定药包位置O1，重新画剖面量取W1，再计算药量Q，再求M检验与前者是否一样，反复几次将确定出O1的位置。

第一个药包确定后，沿山脊布置2#药包，先估算W2，计算Q2，按a1-2确定出O2的位置，标在图上，在O2的位置上作剖面图。

量取W2确定n2，计算药量Q2
和药包间距a1-2，看是否与前者相等，不等按新的a1-2，确定Q2，再剖面量取W2重复上述工作，直至最终确定出Q2的位置。

第二个药室布置完之后，布置3＃、4＃、5＃药室。

总之，基本方法就是先确定W，再计算反复调整。

第四节装药、填塞和起爆网路设计
硐室爆破施工设计包括导硐设计、药室设计、装药填塞设计、起爆网路设计和安全距离确定等。

一、导硐设计
药室的作用是装填炸药，药室与外界要有通道，以便人员出入、运送炸药、敷设起爆网路等。

联通地表与药室之间的通道一般称为导硐，导硐分为平硐和小井两种。

在导硐和药室之间用横巷相连，横巷一般与导硐垂直。

1．平硐的选择
一般选用平巷，因为平巷便于通风、排水、运输，施工进度快。