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1、第二章 控制爆破基本原理张世平张世平太原理工大学矿业工程学院控制爆破的特点1、爆破对象和材质多种多样2、爆破区周围环境复杂3、爆破技术比常规爆破要复杂控制爆破的定义根据工程要求和爆破环境、规模、对象等具体条件，通过精心设计、施工与防护等技术措施，严格控制炸药爆炸能量的释放过程和介质的破碎过程，既要达到预期的爆破效果，又要将爆破的影响范围和危害作用严格地控制在允许限度之内，这种对爆破效果和爆破效应同时加以控制的爆破。称控制爆破。爆破对象爆区环境工程要求爆破设计爆破设计设计原理？基本原理自然科学和社会科学中具有普遍意义的基本规律。是在大量观察、实践的基础上，经过归纳、概括而得出的。既能指导实践，又
2、必须经受实践的检验。2.1等能原理l根据被爆破物状况、环境条件及工程要求，优选爆破参数，正确计算每个炮孔内的装药量，以使每个炮孔内炸药爆炸释放出的能量与该孔周围介质达到预期爆破效果所需的能量相等，而无多余的能量造成爆破危害。这一原理称为等能原理。2.1 等能原理公式公式表述公式表述 E=B E=B/E E炸药爆炸释放出的能量；炸药爆炸释放出的能量；能量利用率能量利用率B B介质破碎所需要的能量。介质破碎所需要的能量。炸药爆炸对介质的破坏过程十分复杂，因此，迄今为止还没有能在理论上研究清楚。计算机技术的发展，对某种介质爆炸破坏时的部分能量在理论上估算是可能的，但是达到精确的定量计算则是十分困难。
3、2.2装药量计算公式的导出 假定假定重为Q的药包埋在w深处爆炸后形成一个半径为r的爆破漏斗。如下图所示。可以是不同的药包形状1.2.1公式的导出 W=Constant Qr，n=r/W，n装药量Q是爆破作用指数f(n)的函数.函数f(n)在标准爆破漏斗时fs(n)应为12.2.1公式的导出 漏斗形状n=ConstantQW、rQ是W的函数。Q=fs(W)由上述两点，每孔装药量是爆破作用指数n和最小抵抗线W的函数:Q=f(n).fs(W)为一般形式的药量计算公式与经验无关2.2.1公式的导出对于一般工程爆破，有f(n)=0.4+0.6n3f(w)=k2W2+k3w3+k4w4 K2W2 炸药克服
4、介质粘结力形成断裂面所需能量；K3W3使介质破碎所需能量；K4W4 使介质重心移动一定距离所需能量。2.2.1公式的导出 Q=(0.4+0.6n3)(k2w2+k3w3+k4w4)兰格弗尔斯使用狄纳米特35%N.G炸药，在花岗岩中进行梯段钻孔标准松动爆破(n=1)时其药量计算公式为：Q=70 w2+350w3+4w4 引入比装药量，即破碎单位体积介质所需要的炸药用量:q=Q/w3=70/w+350+4wQ=70w2+350w3+4w4 q=Q/w3=70/w+350+4w画出w-q曲线2.2.1公式的导出当1.4mW15m 时，q400g 在台阶爆破和W15m的硐室爆破中计算装药量公式：Q=q
5、W3=qVq=Q/w3=70/w+350+4w2.2.1公式的导出当W15m时q=Q/w3=70/w+350+4w70/w=70/15=4.75g，W15m的爆破，忽略70/w，采用K3W3+K4W4 公式计算药量。我国爆破界，在计算Q时常用体积公式，而岩石的抛掷问题则用爆破作用指数f(n)表示。2.2.1公式的导出当w1.4m时 q=Q/w3=70/w+350+4w第三项4W5.6g对比装药量的贡献不大，去掉。随着w的降低，炸药单耗急剧增加，上式的第一项起重要作用。药量计算的面积体积公式：Q=k2W2+k3w32.2.2面积体积公式面积体积公式Q=k2W2+k3W3w只是表达被爆破体几何尺寸
6、的一个特征尺寸。如梯段爆破中的台阶高度H和孔距a，可用H/W和a/W来表示。同理，W2和W3也可用被爆破体的剪切面积A和破碎体积V来表征。再将式中的K2和K3分别用q1和q2来代替，则药量计算公式变成下式:Q=(q1A+q2V).f2.2.2面积体积公式面积体积公式Q=(q1A+q2V).fQ单孔装药量，(g);A被爆破体的剪切面积，(m2);V被爆破体的破碎体积，(m3);q1面积系数，(g/m2);q2体积系数，(g/m3);f自由面系数。自由面对炸药单耗的影响炸药单耗0.1kg/m3炸药单耗0.5kg/m3炸药单耗1.0kg/m3自由面系数的确定自由面系数的确定自由面数自由面数系数系数f
7、11.1521.0030.8540.75Q=(q1A+q2V).f剪切面积剪切面积A和破碎体积和破碎体积V爆破体为方形或矩形:A=W H=b H (m2)V=W H a=a b H(m3)Q=(q1A+q2V).f剪切面积剪切面积A和破碎体积和破碎体积V梁、柱炮孔布置在中心线上:A=B H (m2)V=B H a(m3)nQ=(q1A+q2V).f体积系数体积系数q2Q=(q1A+q2V).f按装药量与被破碎介质的体积成正比来确定。被爆体材质相同、所用炸药相同，q2值是一个常数。砼和钢砼只炸碎砼而不炸断钢筋，两者的q2相同砖砌体强度低于砼，其q2值应该小于砼石砌体的岩石强度较高，相应的q2值应
8、比砼的略大。天然岩石的强度、风化程度、节理裂隙发育程度变化较大，其q2值相应波动较大。W1m、采用2号岩石炸药材 质 q2/g.m-3 适用范围与介质破碎效果砼 或 钢 筋 砼150小型条形截面构件，要求严格控制碎块飞出砼 150砼体破碎，R在510m以内一般布筋的钢砼150砼破碎脱离钢筋,R在510m以内布筋粗密的钢砼150砼破碎脱离钢筋,个别碎块散落在1015m内重型布筋的钢砼150砼破碎，主筋变形,少量碎块飞散在20m内浆 砌 砖 体 100砌体塌散，少量飞石散落在1015m以内浆砌片石或料石200砌体破裂，浆缝炸松,飞石散落在1015m内天 然 岩 石150250岩石破碎松动，少量碎块
9、抛落在520m以内 表表2-5体积系数表体积系数表p24(4)面积系数面积系数q1Q=(q1A+q2V).f面积系数的规律：q与W成反比(q=70/W);介质相同，面积系数不是常数，但它与最小抵抗线的乘积接近一个常数C1，q1 W C1 或 q1 C1/WC1值与介质的抗拉、抗剪强度有关，与材料的整体性有关;与被控制物的破碎程度、碎块飞散的远近有关，所以C1值有一个波动范围。面积系数q1的确定见下表表表2-5面积系数表面积系数表p242.2.3体积公式体积公式 Q=q VV为被爆破体体积，m3。q为单位用药量系数，g/m3；q与炸药、材质、爆破效果有关，是W的函数。壁厚/cmq/g.m-3Q.
10、V-1/g.m-337/1.5块砖210025002000240049/2块砖135014501250135062/2.5块砖88095084090075/3块砖64069060065089/3.5块砖440480420460101/4块砖340370320350114/4.5块砖270300250280表2-6砖烟囱爆破单位用药量q表p26壁厚/cmq/g.cm-3 Q.V-1/g.m-32530003500300035003018002500150023004012001500100013005090010007008006066073053058070480530380420804104
11、50330360表表2-6钢筋砼烟囱爆破单位用药量钢筋砼烟囱爆破单位用药量q表表p26其他爆破单位用药量表其他爆破单位用药量表不同材质的炸药单耗见表2-7（p2627)钢筋混凝土梁柱爆破单耗见表2-8(p27)验证：2.3两个药量计算公式的比较两个药量计算公式的比较Q=(q1A+q2V).f Q=q V 两个公式均是经大量的爆破试验总结出来的经验公式。两者都注意到了，W1.4m时，Wq，公式中用不同方式反映出来。面积体积公式的物理意义较明确，体积公式计算简单方便。2.3两个药量计算公式的比较两个药量计算公式的比较 设计思想体体积积公公式式。设计思想是多打孔少装药，以控制飞石、振动，确保爆破安全
12、。公式中的炸药单耗与材质、自由面数量、最小抵抗线大小和破碎程度有关。面面积积、体体积积公公式式。孔网参数比体积法大，钻孔量较少，爆破成本较前者低。计算较复杂。计算结果是经验公式，有系数，有时用两个公式计算出的结果偏差较大。2.4控制爆破中药量确定步骤控制爆破中药量确定步骤根据爆区环境、被爆物结构形状、尺寸大小和安全要求，用查表法或工程类比法，初定炸药单耗、计算每孔装药量;在防护条件下，小规模试爆，根据试爆情况调整并确定炸药单耗和每孔装药量;爆破条件发生变化，经工程师同意，可调整装药量；工程师也应根据爆破条件随时改变装药量。爆破后总结提高，积累工程经验。例例1钢筋混凝土立柱药量计算钢筋混凝土立柱
13、药量计算正常布筋的钢筋混凝土立柱截面尺寸：0.5m0.4m孔 距：a=0.5m试进行药量计算。解：A=BH=0.50.4=0.2m2V=Bha=0.50.40.5=0.1m3q1=(26-32)/w=(26-32)/0.2=130-160kg/m2q2=150kg/m3 (表2-5 P24）q=80420 (表2-8 P27)Q=(q1A+q2V)f=(1500.2+1500.1)0.75=3035gQ=qV=(380420)0.1=3842g用35g试爆例2.钢筋混凝土桥台帽W=b=0.4 m；a=0.4m H=1.5m钢筋混凝土桥台帽，介质为一般布筋的砼用两种公式求前排中孔装药量解:A=0
14、.41.5=0.6m2V=0.40.41.5=0.24m3例2.钢筋混凝土桥台帽A=0.6m2;V=0.24m3q1=(26-32)/W=(26-32)/0.4=65-80g/m2q2=150g/m3 (p24)Q=(65-800.6+1500.24)1=75 84gq=360440g/m3 (P26)Q中=qV=360 4400.24=87106 g可用85g或90g试爆。Theend第三节第三节缓冲原理与装药结构缓冲原理与装药结构3.1缓冲原理3.2不耦合装药3.3控制爆破中的装药结构3.4分层装药结构3.1缓冲原理缓冲原理选择适宜的炸药品种或合理的装药结构，缓和爆轰波峰值压力对介质的冲击
15、作用，使爆炸能量得到合理的分配和利用，以期达到减少爆破危害、改善爆破效果的目的，这一原理称为缓冲原理。3.2不耦合装药不耦合装药结构：径向不耦合体积不耦合体积不耦合装药：间断不耦合底部、中部、上部不耦合不耦合介质可以是水也可以是空气。3.2不耦合装药不耦合装药可分为径向不耦合、体积不耦合，体积不耦合装药结构中又可分为间断不耦合、底部、中部、上部不耦合装药结构。不耦合介质可以是水也可以是空气。炮孔压力-时间曲线t1-药包爆轰反应历时;t2-爆炸气体膨胀作用时间;p2-爆轰压力;p3-膨胀后的爆炸压力研究表明：随着不偶合系数的增加，孔壁及介质中的应力峰值下降，作用时间增加，当k从1增至2.67时，
16、应力峰值下降34倍，作用时间增加815倍。P2高，曲线陡，能量利用率越低；t2越长爆轰压力作用时间越长，爆压可使已形成的初始裂缝扩展越充分，爆炸能利用率越高。硝铵炸药30kg，不耦合系数分别为1、1.5、2.0、2.3、3.0，充填介质分别为空气、水和沙土。爆破振动速度的影响结论不耦合装药不耦合装药 不耦合装药特点：不耦合装药明显延长爆轰气体对孔壁作用时间，降低炮孔周围介质中的压应力，且不耦合系数越大，压力降低越大 降低爆破地震效应。爆破地震效应随不耦合系数的增大而降低，但是，当不耦合系数大于2时降振效应不明显。在破碎爆破中的应用：采用较小不偶合系数。作用于孔壁上的爆压分布均匀，降低介质过粉碎
17、区，改善破碎效果，减少飞石。在控界爆破中的应用：采用较大的不偶合系数。不耦合装药的目的是降低作用于孔壁上的爆压，减少爆破对孔壁从而对岩体的损伤，提高半孔率和控界质量。3.3控制爆破中的装药结构控制爆破中的装药结构台阶爆破装药结构画图；为什么要讲装药结构？密实装药结构；分层或分段密实装药结构；导爆索药串装药结构；导爆索密实装药结构；小药包空腔装药结构；导爆索联结的分层装药结构；导爆索空腔装药结构、导爆索水孔装药结构；细药卷空腔装药结构、细药卷密实装药结构等密实装药结构 空腔装药结构图分层装药结构图 导导爆爆索索联联接接的的装装药药结结构构图图串珠装药结构图导爆索捆绑装药结构导爆索+空腔装药/水孔
18、装药细药卷空腔装药结构空腔装药3.4分分层层装装药药 1)L1.6W 分层装药2)q10g3)L1 0.9w1.1w;200mmL21.2w3.4分层装药分层装药孔孔深深分层分层数数药药量量分分配配/%上上层层中中层层下下层层L1.5W11001.6WL2.5W240602.6WL3.7W3303040L3.7W43.4分层装药注意事项分层装药注意事项 保证堵孔长度为0.9至1.1，以防出现飞石。孔内分药包中心距不小于200mm，不大于1.2。分层药包重不小于10g。导爆索联接药包时，导爆索药量折算为2025/m岩石炸药。(5)药包在孔内的分层数一般不大于4层。药量在孔内的分配原则是上少下多。
19、若不满足上述条件可重新调整分层数和每层药量。第一节第一节 微分原理与孔网参数微分原理与孔网参数1.1微分原理将爆破介质所需要的总装药量，均匀分散地分布在被爆破介质中，形成多点分散的布药形式，并分次逐段起爆，使炸药能量释放的时间分开，防止能量过于集中，从而达到减少爆破危害、爆破效果好的目的。这一设计原理称为微分原理。在城镇控制爆破中，由于被爆破体所处环境条件的不同，对被爆破体破碎块度的要求不同，从保证安全角度考虑，针对某一实际爆破对象，为达到预期的工程目的，要用微分原理的设计理念，合理地布置炮孔，正确的确定孔网参数。1.2孔网参数的确定孔网参数的确定孔网参数（Boreholepattern）：最
20、小抵抗线W（Burdenofhole）、孔距a（Boreholespace）、排距b（Rowspan）、孔深L、炮孔直径d、装药段长度、堵塞段长度等控制爆破中孔网参数的确定要考虑被爆体材质情况、几何尺寸、清渣情况、环境情况等多种因素影响。1.2.1 最小抵抗线最小抵抗线W的确定的确定装药重心到自由面的距离为最小抵抗线W。最小抵抗线的确定方法：根据结构物形状、尺寸的不同确定W根据结构物材质的不同确定W在拆除爆破中，常用钻孔直径为40mm1.2.1最小抵抗线最小抵抗线W的确定的确定 结构物形状与尺寸的不同最小抵抗线也不同:块体垂孔板梁、柱弧形薄壁结构块体垂孔第块体垂孔第1排、第排、第n排垂直炮孔的
21、排垂直炮孔的W起爆方式：从左向右逐排起爆。板中斜孔的板中斜孔的W梁梁柱柱梁梁?弧形薄壁结构W按0.5B计算根据材质的不同确定根据材质的不同确定W对于40炮孔：钢筋混凝土0.30.5m混凝土体0.40.6m浆砌块石0.50.7m天然岩石0.50.9m要综合考虑被爆体的形状、材质、几何尺寸、清渣、环境、孔径等多种因素确定w。1.2.2孔距孔距a排距排距b的确定的确定 孔距a：a=m W排距bb=(0.61.0)ab=(0.60.9)a齐爆b=(0.81.0)a排间微差或逐排起爆 m-炮孔临近系数。不同材质和不同结构物的m值见表2-1（p18)。表表2-1 炮孔临近系数经验值炮孔临近系数经验值爆破介
22、质炮孔临近系数m混凝土块体1.01.3钢筋混凝土块体0.71.0钢筋混凝土梁柱1.22.0浆砌砖墙1.23.6浆砌块石1.01.5岩石(硬岩取小值)0.81.5a=m Wa、b取值原则a、b取值要合理。a、b取值过大破碎块度也大，不利于安全。a、b取值过小成本提高或沿孔间贯穿出现大块，或先响孔将后响孔内的炸药压死或带出。对于40炮孔，a、b通常大于0.2m。1.2.3孔径d与孔深L的确定孔径孔径d选择炮孔直径时，要考虑安全要求，环境条件，工程规模等因素。在城镇爆破一般采用小孔径炮孔d，即孔径d=3842mm。孔深孔深L计算式:L=cHH为被拆除物一次爆除的厚度;c为边界条件系数,见下表。边界条
23、件系数边界条件系数边边 界界 条条 件件系数系数c爆裂面底部有爆裂面底部有0.60.9爆裂面位于变截面上爆裂面位于变截面上0.91.0爆裂面位于等截面上爆裂面位于等截面上1.0爆裂面有伸缩缝爆裂面有伸缩缝、施工缝施工缝0.70.81.2.4孔位的确定孔位的确定 孔位：垂直孔、水平孔、倾斜孔垂直孔：钻孔容易，便于装药和孔口堵塞，若条件允许应优先采用。水平孔：装药、堵孔速度较慢，无法钻竖孔的梁、柱、墙爆破施工。倾斜孔，钻孔困难，主要用于特殊结构物的控制爆破施工。第四节失稳原理与临界炸毁高度 4.1失稳原理4.2 失稳原理应用4.3 钢砼立柱临界炸毁高度的计算4.4 钢砼立柱最小炸毁高度的计算4.5
24、 作业4.1失稳原理分析被拆除物受力状态，爆除结构物的某些关键承重部位，使之失去承载力，结构物整体失去稳定性和刚性，在自重作用下坍塌或倾倒，称这一设计思路称为失稳原理。失稳方法：不同爆高、不同时差、重心移出法楼房爆破应用失稳原理南宁一待售房爆破后未倒塌成“楼歪歪”据新华社电2011.4.118时左右，广西南宁市一小区一栋6层新楼爆破后倾而未倒，呈40度角倾斜，随即该楼照片开始在网上流传，被称为广西“楼歪歪”。重心未移出，结构物的刚度破坏不足钢钢筋筋砼砼立立柱柱临临界界炸炸毁毁高高度度钢钢筋筋砼砼立立柱柱临临界界炸炸毁毁高高度度临界炸毁高度的计算材力中：知压杆的材料、形状、支承状况和长度，求临界
25、荷载p。是压杆稳定问题。失稳中：知钢筋的材料、形状、支承情况和荷载大小，求钢筋失稳时的最小高度，简称为临界炸毁高度。4.3钢筋砼立柱临界炸毁高度钢筋砼立柱临界炸毁高度荷载荷载P的粗算的粗算在进行临界炸毁高度的计算时，需对立柱所承受的荷载进行粗算。一般算法是粗略计算立柱上部建筑物内砖砌体、砼、钢筋混凝土等建筑材料的体积，再乘以材料容重即可求出荷载P名称容重kg/m3名称容重kg/m3水泥砂浆2200硅酸盐砖1700-1900石灰砂浆1700矿渣砖1400-1600混合砂浆1700水泥砖1600-2400素混凝土2400水泥花砖1980泡沫混凝土 300-900土坯砖1400-1500钢筋混凝土
26、2500碎砖1100耐火砖1900-2100水泥1200轻质空心砖 600-1200水泥散装14502012公路造价师考试大纲要计算临界炸毁高度，首先确定所有立柱的受力状况，计算所选立柱竖向钢筋(主筋)上的垂直荷载，判别受力钢筋属于那种类型的压杆，采用相应公式进行计算。钢筋的拉压试验e比例极限 s屈服极限压杆的临界应力与细长比之间的关系曲线=k.h/dd主筋直径；n为立柱中主筋数量；A为主筋横截面积：A=d2/4；J为主筋截面惯性矩，圆形截面钢筋J=d4/64i为材料的截面惯性半径，圆形截面的钢筋：圆形截面钢筋的细长比为=h/i=4h/dP为立柱所承受的荷载为作用于钢筋上的轴向压应力s为材料的
27、屈服极限e为材料的比例极限 P/(n A)=s 时 (粗短杆)压杆不存在失稳问题，其破坏形式取决于主筋的屈服强度。当混凝土立柱上的爆破缺口一旦形成，暴露出的钢筋立即被压坏。eP/(n A)=s时时(中长杆)直线公式计算临界炸毁高度:CrCr=P/(nA)=a-b =P/(nA)=a-b =h/i=4h/d P/(nA)=a-b(4h/d)P/(nA)=a-b(4h/d)h hcrcr=d/2b(a-P/(nA)=d/2b(a-P/(nA)（2-122-12）长度系数，表2-12 P/(a n)=e时时(细长杆细长杆)P/n=Pcr=2EJ/(hcr)2-长度系数，表2-12J-截面惯性矩4.4
28、钢砼立柱最小炸毁高度H1=K1(B+Hmin)H2=K2 BK1=1.52.0,K2=11.5;4.4 钢砼立柱最小炸毁高度 倾倒方向立柱爆破高度:H1=K1(B+Hmin)反方向立柱爆破高度:H2=K2 B K1=1.52.0,K2=11.5;B为钢筋混凝土立柱横截面长边的边长只表示破坏了立柱的强度，但还不一定破坏建筑物的刚度。适用于钢砼烟囱、牛腿子爆破 4.5作业作业11.图1为放置于地面的一段钢筋混凝土横梁，试用两种计算公式求：a）单孔装药量；b）总装药量（用体积法计算Q时要验算炸药平均单耗）；c）设计并绘出装药结构图。图1 钢筋混凝土横梁 4.5作业作业21.图2为素混凝土块体，试确定：a)最小抵抗线w，孔距a，排距b，孔深L。炮孔直径为40mm。b)计算出每孔装药量。c）绘出装药结构图。图2 素混凝土块体