露天工程爆破教学资料教学讲义.doc
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1、露天工程爆破第一节 爆破工程地质 土石方爆破工程是直接在岩体中进行的,所以爆破与地质有密切关系。爆破实践证明,爆破效果的好坏,在很大程度上取决于爆区地质条件和爆破设计能否充分考虑到地质条件与爆破作用的关系。 爆破工程地质主要研究地形、地质条件与爆破效果、爆破安全、爆破后果之间的相互影响。其目的是既要为爆破工程本身提供爆区地质条件作为爆破设计的依据,还要为爆破后的工程设施提供工程地质条件变化的资料,以便使这些工程设施能适应爆破后的工程地质环境。 与爆破关系较密切的地质条件是:(1)地形;(2)岩性;(3)地质构造;(4)水文地质;(5)特殊地质。 一、地形条件对爆破作用的影响 地形条件是影响爆破
2、效果和经济指标的重要因素。所谓地形条件,就是爆破区的地面坡度、临空面个数和形态,山体高低及冲沟分布等地形特征。这些条件是进行爆破设计必须充分考虑的重要因素,因为爆破方法及爆破范围的大小、爆破方量、抛掷方向和距离、堆积形状、爆破后的清方工作以及施工现场布置等都直接受到地形条件的影响。 1.地形与爆破的关系 (1)地形对爆破漏斗形状与体积的影响 众所周知,集中药包的爆破漏斗的形状是倒立的园锥体,并由于岩石的性质、结构与所使用的炸药性能方面的不同,爆破漏斗体积的大小是有差别的。 由于爆区地形条件的变化,实际的工程爆破其爆破漏斗的形状都不是倒立的园锥体,而是倒立的椭园锥体。根据多边界条件爆破理论的研究
3、,爆破漏斗的形状如图8-1所示。即在平坦地形为倒立园锥体;在倾斜地形为倒立的椭园锥体;在山包多面临空地形,由于药包的球形爆炸作用,则为两个以上的倒立椭园锥体的结合体;在凹形垭口地形,由于地形的夹制作用,抛掷漏斗部分缩小,而崩塌漏斗则因药包两侧都有斜坡而变为两部分。 如上所述,爆破漏斗的大小和形状随地形条件而变化,实际工程平坦地形少见,所以,一般应用倒立椭园锥体计算其体积。 (2)地形对爆破石方抛掷方向的影响 地形决定了药包最小抵抗线的方向。在平地爆破,土岩抛出方向是向上的;斜坡地面爆破,土岩主要沿斜坡面法线方向抛出,根据弹道抛物线原理,以45抛掷距离最远,在斜坡地面又与山坡纵向形态有关,如图8
4、-2所示。图8-2a为平直山坡,石方基本沿最小抵抗线方向抛出;图8-2b为凸面山坡,由地面上每一点至药包中心都与最小抵抗线距离差不多,因此石方是抛散的;图8-2c为凹面山坡,抛石是集中的。这是呈斜坡单一临空面地形的抛掷情况。在山包、山头、山嘴、山脊等地形进行爆破,药包抵抗线是多方向的,例如孤山包爆破是四面“开花”;山嘴地形则可向三个临空面飞散;山脊地形则向两侧抛出。这些都是多临空面地形的抛掷情况。在洼坑、山沟、垭口等地形爆破,夹制作用大,抛出方量和方向严格受地形限制,但它抛掷堆积集中。 (3)地形与爆破方量的关系 假设在如图8-3所示三种理想的地形形态下,研究爆破方量与地形的关系,并假定都统一
5、采用标准抛掷爆破,其它参数W、n、R也都一样。因此,由几何图形可求得它们的爆破方量,其中平地为Va=W3/3W3;鼓包为Vb=2.5W3;洼地为Vc=0.4W3。由此可得出:Va:Vb:Vc=1:2.5:0.4,说明地形对爆破方量的影响很大,也就是说多面临空的鼓包地形有利于爆破,山沟洼地不利于爆破,这是由于地层夹制作用的结果。 (4)地形与爆破参数的关系 地形的变化对爆破参数的选择有一定的影响,如爆破作用指数n值,爆破漏斗的上破裂半径、漏斗可见深度、药包间距都与地形有关,地形还影响到抛掷堆积体的形状,抛掷距离和堆积高度等等。 2.爆破类型对地形条件的要求 露天大爆破根据工程技术要求不同,采用不
6、同类型的爆破方法。松动爆破和加强松动爆破主要是将矿岩破裂和松动并堆积成松散体,以便装运。这种爆破方法一般不受地形条件的限制,但要结合不同的地形采用不同的药包布置方式以求得较好的爆破效果。抛掷爆破是要求将矿岩抛出爆破漏斗以外或露天矿境界以外,其抛掷百分率与地形条件有关,地形坡度愈陡则抛掷率愈高,可以达到70-80%,采用加强抛掷甚至可达90%以上。定向抛掷爆破对地形条件要求较高,因为它要求爆破抛掷体向一定方向和位置堆积,有时还要求堆积成一定的形状。定向的基本型式有三种:面定向、线定向、点定向。面定向适用于一定的斜坡地面;线定向适用于开挖各种堑沟、渠道、填筑路堤等工程向一侧抛掷的定向爆破,平直的延
7、展山坡坡度在45左右的地形定向效果最好,平地或缓坡一般则要经过改造地形才能达到较好的效果;水利工程的定向爆破筑坝以及铁路公路挖填交界处的移挖充填等爆破可视为点定向。点定向对地形条件要求十分严格,因为它要求土石方集中而且要防止抛散,就要从地形上严格加以控制,它对山体高度和厚度、山坡的坡度、纵向和横向的山坡形态、山体的后面及侧面地形都有一定的要求。 3.地形的改造 在爆区天然地形不利于达到要求的爆破目的时,改造地形是爆破设计中的重要措施之一。图8-4是平地定向爆破改造地形的例子,其中的1#药包和1-1#、1-2#、1-3#药包,都是为了改造地形的辅助药包,它们要分别比各自的主药包2#和2-1#、2
8、-2#、2-3#先起爆1-2秒钟,以便能先形成一个有利于主药包作定向爆破的临空面。 在斜坡地面进行定向爆破改造地形的例子如图8-5,图8-5a中1#辅助包是为了改造斜坡坡度,以利于主药包2#的抛掷。图8-5b中辅助药包1-1#、1-2#、1-3#是为了将山坡改造成弧形凹坡,以利于主药包2-1#、2-2#、2-3#向定向中心集中抛掷。 在改造地形时,必须注意辅助药包开创的临空面,应准确引导后面主药包的抛掷方向,否则会影响爆破效果。 三、地质条件对爆破作用的影响 地质条件对爆破作用的影响,一般可分为岩石性质、岩体结构面和特殊地质条件对爆破作用的影响等几个方面。 1.均质岩体与爆破作用的关系 所谓均
9、质岩体是指受地质构造作用和风化作用影响不大的火成岩和厚度完整的某些沉积岩和变质岩等。均质岩石主要以其物理力学性质对爆破作用产生影响。 (1)主要爆破参数与岩性有关 在工程爆破设计时,某些爆破参数如炸药单耗、爆破压缩圈半径、边坡保护层厚度、药包间距系数、岩石抛掷距离系数以及爆破安全距离计算中的一些系数都需要根据岩石的物理力学性质如岩石的容重及强度或f值加以确定。 (2)炸药与岩性匹配问题 岩石性质直接影响着炸药能量在岩石中的传递和分配,炸药的特性阻抗与被爆岩石的特性阻抗的良好匹配是获得最佳爆破效果的重要条件之一。所谓炸药与岩石的匹配,就是因为不同的炸药在同一岩石中或同一炸药在不同的岩石中爆炸所激
10、起的冲击波不同,则炸药爆炸能量转换成粉碎、破坏和抛掷岩石的能量各异,故对一定性质的岩石应采用与之适应的特定爆速和爆热的炸药,才能取得最佳的破碎和抛掷效果。 (3)岩性对爆破应力波传播特性的影响 岩石的孔隙愈多、密度愈小,则爆破应力波的传播速度愈低,同时岩石愈疏松则弹性波引起质点振动耗能越大,还由于孔隙对波的散射作用会使波的能量衰减得快,从而减少应力波对岩石的破碎作用而影响爆破效果。 2.非均质岩体对爆破作用的影响 非均质岩体对爆破效果和后果均有不利的影响,对爆破效果的影响,主要是改变最小抵抗线方向,引起爆破作用和抛掷距离不符合设计要求。对爆破后果的影响,主要是由于爆炸能量集中于阻抗较小的松散方
11、向,扩大了不该破坏的范围,同时可能使个别飞石远抛,造成危害。爆破后边坡面易出现各种裂隙,或将原有节理、层理扩展,使边坡不稳,并伴有坍塌和落石等危害。为克服非均质岩体对爆破作用的影响,应在布置药包时采取相应措施,如将药包布置在坚硬难爆的岩体中,并使它到达周围软弱岩体的距离大致相等,或采用分集药包、群药包的形式,防止爆破能量集中在软弱岩体或软弱结构面中,造成不良后果。 3.岩体结构面对爆破作用的影响 所谓岩体的结构面是指岩体中的断层面、层理、褶曲、节理、裂隙等分割岩体的各种分界面。实践证明,在药包爆破作用范围内的岩体结构面对爆破作用影响很大。 (1)断层对爆破作用的影响 断层主要影响爆破作用方向及
12、爆破漏斗的形状,减少或增加爆破方量,甚至可能引起爆破安全事故。 1)断层通过药包位置 断层通过最小抵抗线的位置,如图8-6所示。当断层带较宽,断层破碎物胶结不良时,爆破气体将从断层破碎带冲出,从而降低爆破效果,甚至造成断层重新错动的危险。遇到此种情况可在断层带的两侧布置两个同时起爆的药包,利用爆炸的共同作用,把断层两侧岩体抛出去,以消除断层的影响。 2)断层与最小抵抗线相交 这种情况对爆破的影响程度主要取决于断层的产状与最小抵抗线W的关系及距离药包的远近,断层远离药包位置其影响小,反之则大;断层与W交角大其影响程度小,反之则大。如图8-7中F4比F3影响大。 3)断层截切爆破漏斗 断层在爆破漏
13、斗范围内对爆破的影响主要是缩小或加大爆破漏斗尺寸,影响的大小要看它距离药包的远近,远则影响小,如图8-8中F3较F4影响要小些。 4)断层在爆破漏斗范围以外 即断层截切在爆破漏斗的附近或以远的位置,它对爆破效果影响较小,但对涉及边坡附近的断层,还有一定的影响。如果断层处在边坡体内、如图8-9所示,则爆破后将严重影响边坡的稳定性。 (2)层理对爆破作用的影响 层理面对爆破作用的影响,取决于层理面的产状与药包最小抵抗线方向的关系。 1)药包的最小抵抗线与层理面平行 爆破时不改变抛掷方向,但将减少爆破方量。爆破漏斗不是成喇叭口而是成方形坑,如图8-10所示,岩块抛掷距离将比预计的远,这种情况下爆后常
14、出现根坎,同时有可能顺层发生冲炮。 2)最小抵抗线与层理面垂直 爆破时不改变抛掷方向,但将扩大爆破漏斗和增大爆破方量,岩体抛掷距离将缩小,如图8-11所示,折线为实际爆破漏斗。 3)层理面与最小抵抗线相交 爆破时抛掷方向和爆破方量都将受到影响。如图8-12所示,图中W1为设计最小抵抗线,W2为实际抛掷方向,粗折线为实际爆破漏斗线。 (3)褶曲对爆破作用的影响 褶曲产状对爆破作用的影响主要表现为岩质的破碎性对爆破作用的影响,而产状的影响表现在向斜褶曲比背斜褶曲明显,原因是向斜褶曲的开放性比背斜的开放性好,所以爆破能量容易从褶曲层面释出而引起爆破抛掷方向的改变或造成破漏斗的扩大或缩小,背斜则不易改
15、变爆破方向,但可减弱抛掷能力或扩大药包下部压缩圈的范围,对有基底渗漏问题的水工工程须引起注意。 (4)节理(裂隙)对爆破作用的影响 它对爆破的影响取决于节理裂隙的张开度、组数、频率及产状,其中张开度与产状影响最大。当岩体受到一组主节理切割时,其对爆破的影响与层理或断层的影响相似。当岩石受到两组以上主节理的割切时,爆破漏斗的尺寸和形状受到影响,因为爆破漏斗的形状总是和弱面的几何特性有关。此时,爆破方量将受到一定影响。另外裂隙使爆生气体逸散,以致不能有效地利用爆炸能而产生低劣的破碎效果。裂隙有时对爆破有益,如可减少岩石过度粉碎,或减少后冲方向的粉碎作用等。 4.特殊地质条件下的爆破问题 在爆破工程
16、中,往往会遇到岩溶、滑坡和水这样一些特殊地质条件,如果它们处在爆破范围,将对爆破产生影响。 (1)岩溶对爆破作用的影响 岩溶对爆破的影响是: 1)改变抵抗线的方向 使土石方量朝着溶洞的薄弱方向冲出而改变了设计抛掷方向和抛掷方量,如图8-13所示。2)引起冲炮,造成爆破安全事故。3)降低爆破威力,影响爆破效果。4)影响爆破施工安全,如岩溶小,洞顶坍落。5)影响爆破后边坡的稳定。 (2)滑坡与爆破的关系 滑坡体通常是处在不稳定或极限平衡状态,采用大爆破开挖更容易造成危害,一方面爆破气体容易沿着滑坡面扩散而影响爆破效果,另一方面又会引起滑坡体的剧烈活动,所以一般不宜进行大爆破。如果滑坡体下部的岩石较
17、好,利用大爆破将整个滑坡体炸掉则是可以的。 (3)水对爆破作用的影响 水是不可压缩的介质,如果爆破岩体中充满水,将会加剧爆破应力波的作用,因为水对应力波起了传递作用而弥补了空隙对应力波能量的吸收、反射、泄漏、楔入、应力集中等各种作用。水的这一特点,为工程带来一些好处,也带来一些害处。首先是给施工带来困难,此外由于增强了应力波的传播作用而会带来扩大爆破破坏作用的范围。爆破工程也有利用水来改善爆破作用的,如水压爆破等。 四、爆破作用引起的工程地质问题 爆破作用对地质条件的影响,直接表现在爆破过程中及爆破后引起破坏的程度与范围大小上。爆破过程中产生的工程地质问题,多数是由于爆炸应力直接作用或爆破地震
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