隧道直孔掏槽爆破的炮孔間距分析與確定

陳曉波，鄒盛國

（第二炮兵指揮學(xué)院，湖北武漢430012）

·隧道與建設(shè)工程·

隧道直孔掏槽爆破的炮孔間距分析與確定

陳曉波*，鄒盛國

（第二炮兵指揮學(xué)院，湖北武漢430012）

炸藥爆炸能量、炮孔體積、爆破作用指數(shù)是影響直孔掏槽炮孔間距的重要因素；在因素分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的計算方法，通過算例求解，為爆破法施工提供了理論依據(jù)。

隧道掘進(jìn)；直孔掏槽；炮孔間距

1 概述

在隧道掘進(jìn)爆破作業(yè)中，常用的楔形掏槽法、錐形掏槽法和扇形掏槽法，都有較大的角度要求，受作業(yè)面限制大，鉆孔淺，作業(yè)循環(huán)次數(shù)多，進(jìn)度較慢，滿足不了機(jī)械化作業(yè)的需要。而直線深孔掏槽法，則不受斷面大小限制，有利于展開機(jī)械化作業(yè)，速度快，工效高，但鉆孔操作較復(fù)雜，炮孔精度要求高，孔數(shù)較多，如果孔距選擇不當(dāng)，爆破效果不易保證。究其原因，主要是沒有很好地解決直線深孔掏槽的巖石夾制作用問題，特別是掏槽孔孔距的合理確定問題。因此，研究解決隧道爆破作業(yè)中直線深孔掏槽孔距確定的有關(guān)問題，改進(jìn)爆破技術(shù)和施工方法，為實現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)創(chuàng)造條件，是隧道掘進(jìn)工程作業(yè)的努力方向。

2 影響炮孔間距的因素

目前，直線深孔掏槽法可分為：梅花形掏槽、大口徑掏槽、直線菱形掏槽、螺旋形掏槽和擴(kuò)大孔底（藥壺）掏槽等。其掏槽孔間距有2種，一種是爆破孔與空孔之間的間距；另一種是兩相鄰爆破孔的間距。而影響爆破孔與空孔之間的間距因素很多，其主要有炸藥的爆炸能量，炮孔的體積和爆破作用指數(shù)。

2.1 炸藥的爆炸能量

炸藥爆炸時產(chǎn)生的爆炸能量應(yīng)滿足破碎爆破孔與空孔之間巖體所需要的能量，否則將產(chǎn)生沖炮。

2.2 炮孔的體積

炮孔的體積（空孔與爆破孔）應(yīng)滿足爆破孔與空孔之間被破碎的巖石因巖渣碎脹所增加的巖渣體積，否則將產(chǎn)生巖渣擠死現(xiàn)象，出現(xiàn)再生巖。

2.3 爆破作用指數(shù)

爆破作用指數(shù)應(yīng)滿足既使爆破孔與空孔之間的巖渣能擠入空孔，而又不能將空孔擠死造成空爆或再生巖。

3 炮孔間距的計算方法

3.1 計算方法的建立

采用中空孔直眼掏槽爆破，在確定炮孔間距時，為了便于利用已有的集中裝藥爆破理論和計算公式，爆破裝藥設(shè)為似集中裝藥，即把直列裝藥分段，每段不大于4倍炮孔裝藥直徑，再以每段長的裝藥視為集中裝藥。已有資料表明[2]，用似集中裝藥代替集中裝藥其粉碎區(qū)范圍卻與圓柱形直列裝藥時的粉碎區(qū)范圍相近。計算炮孔間距時，首先按炸藥爆炸能量，確定爆炸壓力與反射拉應(yīng)力對巖石的破碎范圍大??；再根據(jù)爆破孔與空孔的體積應(yīng)滿足爆破孔與空孔之間的原巖因碎脹而增加的體積要求，確定炮孔間距值；最后，按爆破作用指數(shù)的要求（爆破作用指數(shù)過大，易產(chǎn)生再生巖；過小，易產(chǎn)生沖炮現(xiàn)象），確定炮孔間距值。

因此，合理的、適用的炮孔間距應(yīng)同時滿足以上3個條件，并取其中最小值為使用值。

3.2 算例

設(shè)某爆破工程，采用中空孔梅花形直線深孔掏槽，爆破孔深4.0m，炮孔直徑為45mm，空孔直徑為90mm；2號巖石硝銨炸藥，藥卷直徑為32mm，裝藥密度為1.0，裝填系數(shù)為0.75；圍巖屬Ⅳ類致密的石灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度為430kg/cm2，抗拉強(qiáng)度為33kg/cm2，巖石碎脹系數(shù)1.7；計算爆破孔與空孔之間的距離。

3.2.1 計算似集中裝藥量

根據(jù)已有資料[1]，粉碎區(qū)范圍與藥量的立方根成正比：

式中：R1——粉碎區(qū)半徑；

Q——似集中裝藥量；

K0——巖石特性影響系數(shù)，一般為0.2～0.5。

式中：d0——藥卷直徑；

ρ——裝藥密度。

或根據(jù)在粉碎區(qū)炸藥爆炸時的壓應(yīng)力P1大于或等于巖石抗壓強(qiáng)度的條件，可得計算粉碎區(qū)半徑的另一公式：

式中：P1——似集中裝藥的爆壓；

σp——巖石的抗壓強(qiáng)度。

由公式（2）代入已知參數(shù)得：

Q=πd30ρ=π×3.23×1.0≈100（g）

3.2.2 計算爆炸參數(shù)

2號巖石硝銨炸藥中含硝酸銨85%，梯恩梯11%，其它4%。根據(jù)已有資料計算[2]。

（1）計算爆炸物生成氣體的體積。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1克分子的任何氣體體積都是22.4L，所以根據(jù)化學(xué)方程式和爆炸物生成氣體的克分子數(shù)即可求出氣體的體積。

①硝酸銨爆炸時生成的氣體體積：

1克分子的硝酸銨是14+4+14+16×3=80（g），即80g的硝酸銨爆生氣體的體積為78.4 L，在2號巖石硝銨炸藥中硝酸銨占85%，故100g的2號巖石硝銨藥中有85g的硝酸銨，其爆生氣體的體積為：

（85÷80）×78.4=83.3（L）

②梯恩梯爆炸時生成的氣體體積：

因C為固態(tài)，故:

1克分子梯恩梯是：12×6+1×2+14×3+16×6+12+3× 1=227（g），即227g的梯恩梯爆生氣體體積為168L，2號巖石硝銨炸藥中梯恩梯占11%，100g的2號巖石硝銨炸藥含梯恩梯11g，其爆生氣體體積：

（2）計算爆炸熱量。根據(jù)蓋斯定理得知，爆炸反應(yīng)時的熱效應(yīng)與反應(yīng)過程無關(guān)，只取決于該系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)。因此爆炸熱量Q等于爆炸產(chǎn)物的化合生成熱量Q1與炸藥本身化合生成熱量Q2的代數(shù)差。即：

1克分子的CO為27.17kCal，1克分子汽態(tài)H2O為57.49kCal，1克分子硝酸銨為84.75kCal，1克分子梯恩梯為13.5kCal。

①硝酸銨的爆炸熱量。由公式（4）得知，硝酸銨的爆炸熱量只有2克分子的汽態(tài)水生成熱，氮和氧始態(tài)和終態(tài)未變，故無生成熱，所以爆炸產(chǎn)物的總生成熱為：Q1=2×57.49=115（kCal），Q2=84.75kCal，代入公式（6）得：

1克分子硝酸銨（80g）爆炸熱量為30.25kCal，在100g的2號巖石硝銨中，硝酸銨的爆炸熱量為：（100× 85%）÷80×30.25=32.14（kCal）。

②梯恩梯的爆炸熱量。由公式（5）得知，梯恩梯的爆炸熱量有2.5克分子的汽態(tài)H2O和3.5克分子的CO，碳和氮始態(tài)和終態(tài)未變，故無生成熱，所以爆炸產(chǎn)物的總生成熱量：

代入公式（6）得：

1克分子梯恩梯（227g）的爆炸熱量為225.32kCal，100g的2號巖石硝氨炸藥中的梯恩梯的爆炸熱量為：

（3）計算爆炸溫度。

式中：Q——爆炸熱量；

N——爆炸后生成氣體的克分子數(shù)；

CV——爆生氣體的平均定容比熱，氮、氧、一氧化碳為7卡/（克分子·度），水（H2O）為12卡/（克分子·度）；

T0——初始溫度2730K。

①硝酸銨的爆炸溫度。由公式（4）可得硝酸銨爆炸產(chǎn)物的克分子數(shù)為：2+1+0.5=3.5，故其平均熱容量為：

100g的2號巖石硝銨炸藥中硝酸銨爆炸后生成的氣體克分子數(shù)為：

代入公式（7）得：

②梯恩梯的爆炸溫度。公式（5）表明，1克分子梯恩梯爆炸生成7.5克分子氣體，100g的2號巖石硝酸銨炸藥中梯恩梯的克分子數(shù)為:

1克分子梯恩梯爆炸生成氣體分子數(shù)為：5/2+ 7/2+3/2=7.5（克分子），100g的2號巖石硝銨炸藥中11g的梯恩梯爆炸生成的氣體克分子數(shù)為：N=0.048× 7.5=0.36（克分子）。故梯恩梯爆生氣體的平均熱容為：CV=（5/2×12+7/2×7+3/2×7）÷（5/2+7/2+3/2）= 8.76[卡/（克分子·度）]。

代入公式（7）得100g的2號巖石硝銨炸藥中梯恩梯的爆溫：

（4）計算爆炸壓力。由理想氣體狀態(tài)平衡方程式得知:

式中：P1——爆炸壓力；

P0——初始壓力，為1個大氣壓，等于1.034kg/cm2；

V0——爆炸生成氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，硝酸銨為83.3L，梯恩梯為8.1L；

V1——似集中裝藥所占的炮孔容積，V1=πd3= π4.53=0.286（L）；

T1——爆炸溫度，硝酸銨為1149.240K，梯恩梯為3790.880K。

①硝酸銨的爆炸壓力：

②梯恩梯的爆炸壓力：

③100g2號巖石硝銨炸藥的爆炸總壓力：

即：P1=1674kg/cm2

3.2.3 計算炮孔間距

（1）按爆炸破壞范圍確定炮孔間距。由公式（1），取Q=0.1kg，算得粉碎區(qū)邊界如表1所示。K0值可通過試驗確定，它主要與巖石特性有關(guān)。表1中R1應(yīng)與公式（3）算得的R1值做比較取小選用。

表1 在各種K0值條件下似集中裝藥的爆炸粉碎區(qū)邊界(mm)

由公式（3）算得粉碎區(qū)邊界R1=6.2cm。

再由反射拉應(yīng)力波對巖石的破壞范圍計算式[1]：

式中：σN——爆破孔中的似集中裝藥爆炸時，在空孔壁上形成的反射拉應(yīng)力波強(qiáng)度值；

P1——似集中裝藥的爆壓；

r0——裝藥半徑（常取爆破孔半徑）；

r——空孔半徑；

n——爆破作用指數(shù)，取0.1～0.75，當(dāng)空孔直徑較小時，取較小值；反之，取較大值。當(dāng)空孔直徑D= 90mm時，n=0.45較合適；

α——沖擊波傳播的衰減指數(shù)，一般情況下取2。

代入公式（9）得：

反射拉應(yīng)力波向爆破孔方向傳播，并以r2/（r+x）2的規(guī)律衰減，衰減后的拉應(yīng)力波破壞巖石的條件為：

得：

式中：x——反射拉應(yīng)力波對巖石的破壞范圍；

σL——巖石的抗拉強(qiáng)度；

其余符號同前。

由公式（10）、（12）算得：

則炮孔間距：

（2）按炮孔體積確定炮孔間距。根據(jù)資料[1]，炮孔間距值可用下式計算：

式中：a——爆破孔與空孔之間的距離；

d——爆破孔直徑；

D——空孔直徑；

h——裝填系數(shù)；

K——巖石碎脹系數(shù)，見表2。

表2 各類圍巖碎脹系數(shù)K值表

由公式（13），可算出不同條件下的a值。如按爆破空孔直徑最小為40mm，藥孔裝填系數(shù)（h）為0.75時，在各種巖石碎脹系數(shù)（K）和空孔直徑（D）條件下的炮孔間距a值，見表3。

表3 不同K值和D值時的炮孔間距a

根據(jù)表3查得在該條件下的a值為21.9cm。

（3）按爆破作用指數(shù)確定炮孔間距。按爆破作用指數(shù)的要求確定爆破孔與空孔之眼距離的計算式[1]：

式中：n——爆破作用指數(shù)；

D——空孔直徑。

由公式（14），可算出不同D、n值時的a值見表4。

表4 不同D值和n值時的炮孔間距a(mm)

由表4查得a=14.9cm。

（4）確定炮孔間距使用值。根據(jù)上述計算和查表結(jié)果,按應(yīng)同時滿足以上3個條件，并取其中最小值為使用值。可確定最小炮孔間距為65mm；最大炮孔間距為219mm。相鄰爆破孔之間的距離為已爆爆破孔與空孔之間的間距加粉碎區(qū)半徑，即a=65+62=127（mm）。其炮孔布置形式之一如圖1所示。

圖1 炮孔布置圖（mm）

4 結(jié)論與建議

中空孔直眼掏槽時，爆破孔與爆破孔、爆破孔與空孔的間距是關(guān)系到直眼掏槽成敗的主要問題，而影響的主要因素有炸藥的爆炸能量、炮孔的體積和爆破作用指數(shù)。此外，鉆眼質(zhì)量、炸藥、雷管、起爆次序、起爆藥包位置、堵塞等也很重要。因此施工中能否做好精細(xì)化施工，合理設(shè)計并選用其佳的使用值，仍是保證直眼掏槽獲得較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果的關(guān)鍵。

鑒于直線深孔掏槽的爆破理論和計算公式，受到一系列因素的影響，所以目前要從理論上定量地、準(zhǔn)確地加以確定尚有困難，但并不妨應(yīng)用時，通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行合理選擇與確定炮孔間距。

[1]潘滌泉.論中空孔直眼掏槽炮眼間距計算的理論與實踐[J].鐵道工程學(xué)報，1985（3）：89-92.

[2]劉殿中，等.工程爆破實用手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1995.

TheAnalysis and Determination of the Interval of Boreholes of Tunnel Parallel Cut Blasting

CHEN Xiao-bo,ZOU Sheng-guo
(The Second Artillery Command College of PLA,Wuhan Hubei 430012,China)

The explosive energy,volume of boreholes and index of blasting effect are the three important factors to affect the interval of boreholes of parallel cut blasting.On the basis of factor analysis and combining existing calculation methods,with solving by an example，the theoretical basis is provided for blasting operation.

tunnel excavation；the parallel cut；interval of boreholes

U455.6

A

1004-5716（2015）05-0163-05

2014-04-29

2014-04-29

陳曉波（1962-），男（漢族），四川成都人，副教授，現(xiàn)從事地下工程方面教學(xué)與科研工作。