光面爆破设计原理及实列分析

光面爆破设计原理及实列分析

前言

光面爆破就是将周边眼范围内的岩石爆下来，形成规整的轮廓壁并尽可能多的保留半边眼痕迹和减小对围岩的扰动。通过控制爆破的作用范围和方向，使爆破后的岩面光滑平整，防止岩面开裂，以减少超、欠挖和支护的工程量，增加岩壁的稳定性，减弱爆破振动对围岩的扰动，改善支护结构物的受力状况，确保施工安全和延长使用年限等方面有重大意义。

1 光面爆破的机理

光面爆破是沿开挖轮廓线布置间距较小的平行炮眼，在这些光面炮眼中进行药量较少的不耦合装药，然后同时起爆，爆破时沿这些炮眼的中心连线破裂成平整的光面。通过国内外实验室研究和现场生产实践可以看出，光面爆破是由于采用不耦合装药，药包爆轰后，炮眼壁上的压力显著降低，此时药包的爆破作用为准静压力。当炮孔压力值低于岩石的抗压强度时，在炮眼壁上不至造成“压碎”破坏。这样爆轰波引起的应力波和凿岩时在炮眼壁上造成的应力状态相似，只能引起少量的径向细微裂隙。裂隙数目及其长度随不耦合系数和装药量而不同。一般在药包直径一定时，不耦合系数值愈大，药量愈小，则细微裂隙数愈少而长度也愈短。

光面炮眼组同时起爆时，由于起爆器材的起爆时间误差，不可能在同一时刻爆炸。先起爆的药包的应力波作用在炮眼周围产生细微径向裂隙（图1-b的A 炮眼）。由于B炮眼所起的导向作用，结果沿相邻两炮眼连心线的那条径向裂隙得到优先发育。在爆炸气体作用下，这条裂隙继续延伸和扩展，在相邻两炮眼的连心线同眼壁相交处产生应力集中，此处拉应力最大。A、B两炮眼中爆炸气体

图1 光面爆破时炮眼连心线上破裂面的形成

2.光面爆破的参数及工艺

2．1 光面爆破主要有以下几个参数

影响光面爆破效果的主要参数是：不偶合系数（D ）、装药集中度（q ）、炮眼间距（E ）、周边眼密集系数（m ）和最小抵抗线（W ）.

2.1.1不偶合系数 不偶合系数是指炮孔直径d 和药卷直径d 0之比。

D=d/ d 0

药卷在有空隙的炮眼中（不偶合装药）爆炸时，形成的冲击波随不偶合系数的增大而衰减。导致爆破介质中的应变随不偶合系数的增大而衰减，在双对数坐标系中，应变与不偶合系数间的规律，见图2。不偶合系数D 一般为1.25～2.0范围内，在1.5左右比较合适。

2.1.2装药集中度 间隔装药，以装药长度的平均线装药密度计，隧道爆

10

20

30

60200

500

1000

2000

3000

D=3.7

D=2.71

D=1.83

μ

r

r 1

破一般为0.04～0.4kg/m 。过大易破坏光爆壁面；过小则爆不下来。

2.1.3周边眼间距

周边眼间距是影响开挖轮廓面平整度的主要因素，一般采用以下经验公式确定：

E=(12～15)d 式中，d 为炮孔直径

2.1.3周边眼密集系数 周边眼密集系数是指周边眼间隔E 与最小抵抗线W 之比值，即m=E/W 。

m 值的大小，对光面爆破效果影响最大，下面从三种不同情况进行说明。 （1）当m=a/W=2时，则两个爆破漏斗不相连接，即使两个炮眼同时起爆，各炮眼也都单独破坏岩石，即在岩体中产生的压缩波到达自由面得同时，于两个炮眼中间相遇，其行程相等。由此压应力而衍生的拉应力不足以使a 、b 间的岩柱造成裂隙，则留下abc 的三角形岩柱，使岩面凸出（所谓欠挖），不能取得光面爆破效果。如果两个周边眼不是同时起爆，更是如此。如图-2（a ）。

（2）当m=a/W=1时，如果两炮眼同时起爆，压缩波到达自由面之前在abc 间相遇。由于该点C 与ab 点的距离小于最小抵抗线W ，拉应力可使ab 之间岩石产生裂隙。如果两个炮眼不同时起爆，压缩波到达自由面的同时也到达另一炮眼的位置，该点c 起自由面作用，也能使ab 间岩石产生裂隙。因此这两种情况都能取得光面爆破效果，如图-2（b ）所示。

（3）当m=a/W=0.5时，不管是否同时起爆，压缩波到达自由面时，必须超过另一个炮眼的距离，拉应力不仅使ab 间岩石产生裂隙，同时会破坏abc 三角形而造成岩面凹进（所谓超挖），也达不到光面爆破的效果，见图-2（c ）所示。

a b

c

图2 不同密集系数的爆破情况

实践表明，当m=0.8~1.0时，爆破后的光面效果较好，硬岩中取大值，软岩中取小值。

2.1.4最小抵抗线W 光面层厚度或周边眼到邻近辅助眼间的距离，是光面眼起爆时的最小抵抗线，一般应大于或等于光面眼间距。理论和实践均证明光面爆破炮眼间距与最小抵抗线之比为0.8为好，即E/W=0.8，则

W=1.25E

W—最小抵抗线，cm

E—炮眼间距，cm

2.1.5光面爆破装药集中度q。光面爆破装药集中度可以按以下经验公式计算：

q=10（E+W）*

式中，Rb为岩石抗压强度，Mpa

2.1.7周边眼的其他参数

（1）炮眼直径d。光面爆破的周边眼直径无需选择，国内掘进常用的炮眼直径为35mm-50mm；

（2）周边眼的深度l和角度α。“全断面一次爆破时，周边眼深度一般为2.5m-3.0m。确定眼深时，还应考虑到其他作业的生产能力在掘进循环中的充分发挥。

周边眼原则上应布置在设计轮廓线上，但由于受凿岩机机型的限制，不得不向外偏斜一定角度，偏斜角一般为3º~5º。偏斜角度的大小，可根据眼深加以调整，使眼底落在轮廓线外100mm处。隧道光面爆破常用参数如表1所示。

表1 隧道光面爆破常用参数

2. 2掏槽爆破

隧道开挖时，只有一个临空面，为给其它炮眼创造临空面，必须先在开挖面上炸出一个槽子，这个在开挖面上炸出一个槽子的过程就叫做掏槽。隧道爆破开挖成败的关键是掏槽技术，掏槽的成功与否直接影响爆破效果，掏槽的深度直接影响隧道掘进的循环进尺。而掏槽的成功与否，有与地质条件、掏槽深度及形式、炸药种类及装药量、起爆程序等有关。在大断面隧道掘进中，为了加大掏槽深度，常采用双层、三层或四层楔形掏槽眼，这种掏槽称为复式楔形掏槽。每对掏槽眼呈完全对称形或近似对称形。

2.2.1掏槽选定的条件

1）、开挖断面的大小及宽度

2）、地质条件

3）、机具器材条件

4）、钻眼爆破技术水平

5）、开挖技术要求等

2.2.2楔形掏槽需注意的几个关键技术问题

1）、楔形掏槽在断面较宽时，应当尽量缩小掏槽角，因而也要尽量加大第一级掏槽眼的水平间距。

2)、楔形掏槽在炮眼较深时，其底部加强装药应保持炮眼全长的1/3长度，前部装药（柱状结构）集中度可以减为底部装药集中度的40—50%或换成威力较低的炸药。不应把炸药装填到炮眼口，而应大约流出20%的炮眼长度不装药，并装填不少于20cm长的炮泥。

3)、楔形掏槽眼应每级均应尽量同时起爆，以使用毫秒雷管爆破。级间间隔时差也不宜太短，以50ms较合适，以保证前段爆破的岩石破碎与抛掷。