光面爆破在巖石工程中的應用

宋 權

（大同煤礦集團地方煤炭有限責任公司 山西 大同 037003）

光面爆破就是一種能按設計輪廓線爆破巖體，使巖體爆破后壁面平整規則、斷面符合設計要求并使圍巖不受明顯破壞的一種控制爆破技術。該技術源于瑞典，上世紀60年代，我國在吸取國外先進經驗的基礎上研究與推廣光面爆破技術。至今，光面爆破成為控制開挖輪廓線的主要爆破方法之一。特別是光面爆破與錨噴支護相結合后，已成為井巷工程中一項重大技術改進。

1 光面爆破作用原理

光面爆破實質就是，在設計施工斷面輪廓線上布置間距較小、相互平行的炮孔，控制每個炮孔的裝藥量，選用低密度和低爆速的炸藥，應用不耦合裝藥結構同時起爆，使炸藥的爆破作用產生在炮孔連線上的貫通裂縫，并沿各炮孔的連線即井巷輪廓線，將巖石崩落下來。關于光面爆破的破巖機理主要有：

1.1 應力波疊加理論

該理論認為周邊眼同時起爆時，各炮眼的壓縮沖擊波以柱面波的形式向其四周作徑向傳播，并在相鄰炮眼中心連線的中點相遇，則產生應力波的疊加，在交匯處，產生拉伸力（切向拉力），當合成引力超過巖石的抗拉強度時，巖體便被拉裂，在炮眼中心連線上形成裂縫，隨后，沿著連心線向炮孔方向進一步擴展，最后形成平整的爆裂面。

1.2 靜壓力作用理論

該理論認為，由于空氣間隔的緩沖作用，使作用在孔壁的沖擊波波峰壓力消失，然而爆轟氣體產物在孔內卻能較長時間地維持高壓狀態。在這種靜壓力的作用下，在炮孔連心線上產生非常大的切向拉伸應力，而且在連心線與孔壁相交處產生應力集中，形成規則爆破面。

1.3 應力波和靜壓力綜合作用理論

綜合考慮應力波和靜壓的作用。首先，在最先起爆的裝藥孔的應力波作用下，不僅在裝藥孔周圍而且在相鄰孔壁面上，沿著預裂面生成封閉裂隙。隨后在已經生成裂縫的裝藥孔內起爆炸藥，使封閉裂隙進一步擴展，沿著預裂面擴成很長的裂縫。同時，隨著該藥孔的爆炸，還使相鄰裝藥孔周圍形成新的裂縫。應力波產生裂隙的同時，還會產生相當大的爆炸氣體壓力作用于裝藥孔內壁，當爆炸氣體作用在孔壁時，膨脹的高壓氣體鉆入由沖擊波引起的徑向裂隙中將裂隙脹開，并在裂隙尖端形成切向拉伸應力。這種應力促使裂隙繼續延伸，結果使得周邊的各個封閉裂隙相互貫穿，最后形成一條貫穿裂隙將巖石破碎。

2 光面爆破主要影響因素及爆破參數的確定

為了實現光面爆破效果，必須合理布置工作面炮眼，合理確定爆破參數。

2.1 炮孔間距E的影響及炮眼的合理布置

從形成裂縫機理分析可知:無論炮孔同時起爆還是間隔一定時差起爆，若炮孔間距大是形不成裂縫面的。當炮孔間距小會造成極度破碎或多鉆炮孔。只有E值在一定的范圍內，爆炸能量既能保證裂縫貫通又能保證有足夠能量推開光爆層。

井巷工程的炮眼，按其用途分為掏槽眼、輔助眼和周邊眼三類，其爆破必須是順序延期起爆，即先掏槽眼，再輔助眼，最后周邊眼，以保證爆破效果。

掏槽眼的作用是將工作面一部分巖石爆破并拋出，在一個自由面的基礎上再創造出一個自由面，為其他炮眼的爆破創造有利條件。輔助眼是布置在掏槽眼和周邊眼之間的炮眼，它是主要大量崩落巖石和刷大斷面的炮眼。其布置原則為利用掏槽眼所創造的自由面，最大限度地崩落巖石。輔助眼間距0.5～0.7m，方向基本垂直工作面，要布置的比較均勻。周邊眼主要控制輪廓線，按照要求其眼口中心都應布置在設計的輪廓線上，眼底應稍向輪廓線外傾斜，一般不超過0.1～0.15m，這樣為打眼創造出一定的空間，同時能夠減少超挖量。 間距一般 E=0.4～0.75m 通常軟巖取：0.4～0.5m；中硬巖取：0.5～0.6m；硬巖取：0.60～0.75m；完整巖石偏大值方向取值。

2.2 光爆層厚度W的影響

光爆層厚度W指光爆孔底與相鄰內圈孔間根部之間的間距，當W增大時，線裝藥量一定時,光爆層不能斷開，W減小時（小于炮孔間距E）首先形成裂縫方向發生變化，過小不易形成裂縫，爆破成鋸齒狀。光面層厚度W一般為W=0.5～0.85m通常軟巖取：0.5～0.65m； 中硬巖取：0.55～0.75m； 硬巖取：0.70～0.85m；完整巖石偏大值方向取值。

2.3 炮孔密集系數m的影響

m（E/W）過大反應出E值升高，不易形成裂縫，m過小反應出W過大，此時光爆層不易沿兩孔連線斷開，容易形成欠挖現象。炮孔密集系數m=E/W=0.5～1.0通常均質、中硬及以上巖石取0.8；軟巖取0.6左右取值。

2.4 炸藥爆炸性能影響

a、炸藥爆速影響

炸藥在炮孔中爆炸時產生高溫高壓氣體，其壓力值可近似表示為：P=ΡD2/4式中：D指炸藥的爆轟速度，單位m/s，ρ同前。從公式中可以看出：爆轟壓力與炸藥的爆轟速度的平方成正比而爆轟壓力的大小直接反應出爆破對周圍巖石的破壞程度。一般選用中等爆速的炸藥，其爆速不應大于3000m/s。

b、威力、猛度的影響

威力指做工能力、猛度指爆炸荷載對圍巖的瞬間沖擊作用。由于光爆炮孔尤其是隧道拱頂以上部份炮孔受重力作用，故炸藥能量的一部份用來破碎巖石而另一部份是用來破壞光爆層的厚度，這一部份能量不能太大。被保護巖面要留下半個殘痕，若爆炸沖擊過大尤其是破碎圍巖將會出現大小的坍方或超挖以及輪廓面不圓順等現象。

2.5 裝藥結構 裝藥結構及起爆是控制爆破作用范圍、性質和方向的重要因素

①不藕合系數η影響 η=D/d式中：D指炮孔直徑，d指藥卷直徑。

通常η=1.5～2.0效果較好，采用φ38鉆頭應選φ20的藥卷，采用φ40鉆頭應選φ25的藥卷。

②裝藥結構的影響

按藥串在炮孔中的分布，裝藥結構可分為：（等直徑藥卷）連續裝藥、（空氣）間隔裝藥、導爆索藥串三種方式。按藥卷與炮孔的藕合關系可分為：環向不藕合裝藥和徑向不藕合裝藥結構兩種方式。根據起爆藥包所在位置不同，有正向和反向裝藥兩種。

3 結束語

較好的光面爆破效果是保證巷道成型規整、減少周邊圍巖破壞的關鍵，所以在巖石工程中得到了廣泛的應用。光面爆破爆技術性強,施工要求嚴格,要想達到理想的光爆效果,除選擇合理的光爆參數外,還必須嚴格按光爆技術要求施工,才能達到最佳的爆破效果。