中深孔台阶爆破

中深孔台阶爆破

前言

一、台阶爆破的特点及要素

二、工程地质

三、台阶爆破常用的爆破器材

四、台阶爆破设计

五、台阶爆破的网络设计

六、微差爆破

七、台阶爆破的几种常见布孔方式

八、台阶爆破技术经济指标

九、台阶爆破施工技术

十、边坡及底板保护性开挖

十一、台阶爆破施工组织和管理十二、台阶爆破安全技术

十三、中深孔台阶爆破设计方案十四、钻孔设备机械配臵

前言

台阶爆破是露天矿开采的主要爆破方式，所以在技术上及管理上得到了充分发展，爆破方案设计、爆破参数优化、爆破效果模拟计算及块度预报、爆堆形态计算、爆破有害效应的控制、爆破成本控制及全自动化管理系统，均采用了最前沿的计算机、自动化及系统工程技术，使台阶爆破工艺逐步臻于完善。

在台阶爆破工艺逐步完善的过程中，于20世纪80年代将此技术引进到建设工程中来，特别是进入到21世纪以来，中深孔台阶爆破得到了广泛的推广及发展。从发展的趋势看，中、深孔台阶爆破在建设工程中会逐占主导地位。

考虑到在当前工程建设开挖队伍中，对中、深孔台阶爆破的认识和经验不足，我们总结了自己的经验与教训，结合一些学习与实践经验的体会编成此册，本册内容多取材于各种知名的爆破书籍并结合我们爆破实践，可供施工单位和人员参考。

一、台阶爆破的特点及要素

深孔台阶爆破在石方工程中占有重要的地位。它已在露天和地下土建工程中被广泛应用。在铁路、公路、水利等土建工程及冶金开采中采用，取得了良好的技术经济效果。

随着钻孔机械和装运设备的不断改进、爆破技术的不断提高、爆破器材的日益发展，深孔台阶爆破在改善和控制爆破质量、实现石方机械化施工、提高生产效率、达到快速施工方面，已明显地为人们所认识和重视。因此深孔台阶爆破方法在石方开挖中所占的优势越来越明显。

露天开采时，通常是把矿岩划分成一定厚度的水平分层，自上而下逐层开采，并保持一定的超前关系，在开采过程中各工作水平在空间上构成了阶梯状，每个阶梯就是一个台阶或称为阶段。台阶是露天采矿场的基本构成要素之一，是进行独立剥离和采矿作业的单元体。

1、深孔爆破的特点

（1）、破碎质量好，破碎块度符合工程要求，大块率低，无根坎，爆堆集中和具有一定松散度，能满足铲装设备高效率装载的要求；

（2）、降低爆破有害效应，如震动、噪声、冲击波、飞石等危害，减少后冲、后裂和侧裂；

（3）、提高爆破技术经济指标，即提高钻孔延米爆破量，降低炸药单耗，使钻孔、铲运等工序发挥最大效率。

2、台阶参数

台阶爆破的几何参数如下图所示，下面是对几何参数的说明。

台阶爆破炮孔布臵示意图

（1）台阶高度H，m。台阶高度H是中深孔爆破的最重要参数之一，合理的台阶高度对于施工组织、成本控制、安全风险等影响很大，因此应综合考虑工地的地形地质条件、钻孔机械的配备、挖运能力、工期要求、工程成本等因素进行确定，一般H=8-20米，而台阶高度在10-15米居多。

（2）台阶面倾斜角α。斜孔台阶爆破α=β（钻孔斜角）；直孔台阶爆破α=700-900，软岩取小值。

（3）直孔倾斜角β。直孔β=900；斜孔一般取730（斜度1：0.3）（4）。底板抵抗线W1，m。是中深孔爆破的最重要参数之一，W1过大，爆后不仅会残留根底而且大块率高；过小不仅增加钻孔数量，浪费炸药，提高爆破成本，而且易产生飞石，出现安全事故。底板抵抗线大小同炸药威力、岩石可爆性、岩石破碎要求、药卷直径等很多因素有关，因此必须合理科学选取。W1=（1.2-1.3）W或W1≤40φ。一般取偏小值。

（5）前排炮孔抵抗线W，m。一般指底部装药上沿（或单一装药中心）

至台阶坡面的距离。

（6）炮孔间距a，m。一般取a=1.25W和a=1.25b。采用大孔距爆破时a=mW，m为炮孔密集系数，一般大于1， m可扩大到2-3.5。（7）炮孔排距b，m。也可以称为后排药包抵抗线，取b=W。合理的孔排距可以增加钻孔爆落方量，改善爆破效果，降低大块率。

（8）前排钻孔上沿宽B，m。B≤W，布孔时应考虑钻机的安全。（9）钻孔孔深L，m。L≥H，L=H+h1。

（10）钻孔超深又称超钻h1，m。h1=0.3W1。或h1=（10-20）φ。超钻作用是为了克服底板岩石的夹制作用，使爆破后不残留根底，开挖后形成平整的底部平面。超深选取过大，将造成钻孔和炸药的浪费，增加对下一台阶顶面的破坏，给钻孔带来困难；超深不足将产生根底，影响挖运施工，根据以往施工经验，结合本工地的岩石情况，根据不同台阶高度选取。

（11）填塞长度h0。合理的堵塞长度和良好的堵塞质量，是改善爆破效果、提高炸药能量利用率、确保安全防止飞石的重要手段，一般取h0=（0.7-1.2）W。或h0≥20φ。

（12）下部装药长度h2，上部装药长度h3，m。

（13）钻孔直径φ，mm。

（14）装药直径d，mm。全耦合装药时d=φ。径向不耦合装药时d＜φ；对上下部分段装药时，上部装药直径d=φ/1.4，下部耦合装药，上部延米装药量是下部装药的一半。

（15）爆破作用指数n。是衡量爆破漏斗口大小的指标。即爆破漏斗口半径r与最小抵抗线W的比值。

n= r/ W

二、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的好坏和爆破设计能否充分考虑到地质条件与爆破作用的关系。与爆破关系密切的地质条件是：（1）地形；（2）岩性；（3）地质构造；（4）水文地质；（5）特殊地质。

1、岩石的主要物理性质

与爆破有关的岩石物理性质主要包括容重、比重、密度、孔隙度、碎胀性、耐风化侵蚀性等等，它们与组成岩石的各种矿物成分的性质及其结构、构造和风化程度等方面有关。

2、岩石的分级

岩石的坚固性是一个综合性的概念，概括各种物理力学性质和强度，表征着各种不同的方法下岩石破碎难易的程度。目前在工程实践中最普遍的是用岩石的坚硬系数f值（普氏系数）作为岩石工程分级的依据。具体参考普氏岩石分级表。

3、各种新炸落下岩石的松散系数

各种新炸落下岩石的松散系数

普氏岩石分级表

4、结构面成因类型和分级

岩石在成岩的过程，尤其是在形成以后的地质历史中，长期经受地壳的内力作用和外力地质作用，使岩石发生变形-断裂以及内部结构的改变，在岩石中形成各种结构面。结构面可分为三大内；原生的、构造形成的和次生的。原生的，包括沉积岩的层面、不正合面、夹层、岩浆岩的流层、与围岩的接触带和挤压带、节理、喷出岩的间歇层等，变质岩的片理面、板理面等；构造形成的，包括裂隙、劈理、断层、层间错动等；次生的，包括风化裂隙、卸荷裂隙、泥化内层。

5、岩石的节理裂隙与爆破的关系

在存在宽间距张开裂隙的岩层内，少数大直径炮孔与少量岩块相交：在节理平行于炮孔的地方，节理能够部分地反射爆炸产生的应变波，使药包和其邻近节理间的岩石破碎得更好，但在这些节理以外的地方出现大块。没有和装药接触的岩块只是受到通过节理传递的应变波的影响，因此岩块破碎度较差。这些大块造成挖掘设备降效并加快装运设备的磨损、增加停车时间和维修费用；爆破时形成的新断裂面区主要取决于原有的不连续面间的平均距离，如果相邻节理间距大于现有设备的装运能力，就应采用较小孔径使炮孔的间距小于节理的平均间距，如果不是这样做的话，尽管钻孔（即增大孔径）可节约费用，但二次爆破、装载、运输和破碎的综合费用却高得多。

在裂隙发育的岩层，总的破碎度几乎完全受材料结构特性的控制，如果爆炸产生足够大的膨胀能，膨胀能就足以注入、楔开和扩大原有裂隙，移动岩石，形成松散的令人满意的爆堆。与强应变波有关的能量存这种岩层内实际上被浪费掉了。因此。对裂隙发育的岩石，孔径可以加大（钻孔费用减少），而岩石的破碎度不会明显降低，和随后的作业费用也会增加。

增加孔径要求增加填塞长度，如果填塞段的岩石破碎不理想，可在填塞料内臵放一个短药包，辅助破碎大量的孔口岩石。在填塞段放臵药包时，一定要设计好上部堵塞段的长度，以免造成飞石和下部主药包的气体过早逸散，造成安全隐患和炸药能量的损失。

在弱岩层中爆破如果存在强度较高的夹层或土质夹层，则岩层厚度和夹层厚度也是选择孔径必须认真考虑的问题，要布臵的炮孔间排距以使夹层得到充分破碎，而较小的间排距就要求孔径较小的钻孔。

6、岩石的倾向对爆破的影响

对于有倾向的岩层，台阶爆破的抛掷方向一般应选择平行于倾面方或斜交于下倾面方向。原因如下：抛掷方向如垂直于倾面方向，爆破后的后冲较大，会产生大的滑坡面和顶裂面，不利于下次的钻孔。而平行倾面方向，则倾面位于爆区的侧方，且爆破产生的侧冲较小，对下次爆区的布臵有利，同时便于挖装工作。

7、地下水对爆破的影响

在爆破中地下水对爆破的影响，主要是对钻孔和装药、堵塞施工方面的影响。当钻孔达到地下水以后，孔内渗水，凿岩岩屑不易吹出孔外，容易发生卡钻；装药过程中，有时装入药卷会因脱节不连续而发生殉爆，影响爆破效果，造成安全隐患。在堵塞炮孔时，若孔口满水，回填的砂土粒不能及时下沉，使得孔口堵塞不严实，常会发生冲炮，减弱爆破作用力。

三、台阶爆破常用的爆破器材及起爆方法

一般炸药按用途分为：起爆药、猛炸药、发射药。我们目前通常使用的主爆药是2号岩石炸药。品种主要为膨化硝铵、改性铵油、乳化炸药。主要性能如下表

起爆器材：雷管、导火索、导爆索、继爆管、塑料导爆管与导爆管的连通材料

雷管分为：火雷管、电雷管、非电导爆管雷管

起爆器和电阻值测量仪器：起爆器分为发电机式和电容式两类，电容式类性能稳定、使用方便且容量较大，国产起爆器多为此类。在量测电爆网络和电雷管的电阻值时，必须使用爆破电桥和爆破欧姆表。共同特点是：输出电流小于30mA，外壳对地绝缘良好，防潮性好，不会把外电通过外壳引向爆破网络，也不致因内部受潮漏电引爆电雷管。注意事项：使用前应进行其输出电流、对地绝缘和外露金属之间的绝缘，以确保安全，正常起爆。

起爆方法：

1、导火索起爆法

先点燃插入火雷管中的导火索段，待它燃烧后火焰以稳定的速度沿着导火索的药芯传播，当传到火雷管时，从导火索的端口喷出的火焰引爆火雷管，进而引爆药包。

优点是机动灵活、操作方便、点火容易，不需要复杂的电气线路，

易于爆破员掌握。缺点是劳动条件差、点火人员紧靠工作面、安全性差。目前已很少使用该起爆方法。

2、导爆索起爆法

导爆索可以直接用来起爆炸药和导爆管，但本身也需要用雷管起爆。主要是利用绑在导爆索一端的雷管爆炸，起爆导爆索，然后导爆索传播，将绑在导爆索另一端的起爆药包起爆。由于在爆破作业中，从装药、填塞到联线等施工程序上都没有雷管，而是在一切准备就绪、实施爆破之前才接上起爆雷管，其施工的安全性要比其他方法好。优点是操作技术简单；安全性高；因导爆索的爆速高，有利于提高被起爆炸药传爆的稳定性；可以使组成炮孔和药室同时起爆，而且同时起爆的炮孔数不受限制。缺点是成本高；爆破网络质量无法通过仪表检查；露天爆破时，噪声大，不适合城市控制爆破。

3、导爆管起爆法

导爆管起爆法由起爆元件、联接元件和末端工作元件组成。起爆法类似于导爆索起爆法，但它本身不能直接起爆工业炸药，而只能起爆炮孔中的雷管，再由雷管引爆炸药。爆破网络有并联法、串联法、并串联法、并并联和串串联等爆破网络。延时分为孔内延时、孔外延时、孔内孔外延时等网路。注意事项：网路中，在第一响产生冲击波到达最后一响的位臵之前，最后一响的起爆元件必须被击发，并传入孔内。否则，第一响的冲击波有可能赶上并超前网路的传爆，破坏网路，引起拒爆。该方法的优点是可以较好降低地震波震动；安全性高，受杂电、静电、射电等外来电干扰，操作方便、防水防潮性能好，又可实现等时差超多段微差爆破。缺点是相比电雷管网络，成本较高，但低于导爆索网络；联线相对于复杂，无法通过仪表来检测网络的可靠性。

4、电力起爆法

电力起爆法广泛应用于爆破工程中，由电雷管、导线和起爆电源三部分组成起爆网路来实施的。

优点是：a从准备到整个施工中，所有工序都能用仪表进行检查，可及时发现施工和网络连接中的质量和错误，从而保证了爆破的可靠性和准确性；b可以实现远距离操作，大大提高了起爆的安全性；c 可以准确控制起爆时间和延期时间，因而可保证良好的爆破效果。d 可以同时起爆大量药包，有利于增大爆破量。缺点是：a普通电雷管不具备抗杂散电流和抗静电的能力。在有外来电的区域或在雷雨的露天爆破时，危险大，应避免使用普通电雷管。b电力起爆准备工作量大，操作复杂，作业时间较长。有杂散电流的地方，存在极大的危险性，此时，用非电起爆系统会有很大的优点。c电爆网络的设计计算、敷设和连接要求较高，操作人员必须要有一定的技术水平。d需要可靠的电源和必要的仪表设备等。

四、台阶爆破设计

1、单耗控制法设计

在台阶高度、钻孔直径、炸药品种均已确定的情况下，按以下程序进行经验设计。

（1）定出装药线密度q线。现场试装，定出每米钻孔装药量。具体做法是选择一个干孔，孔深较深，用皮尺测量孔深，然后在装完药后再次测量填塞高度，用装药量除以装药高度，就得出延米装药量。因钻头直径会在钻孔过程中因磨损而导致孔径变小，则延米装药量会降低，在施工过程中注意变化。初次设计可以参考下表。

q=k e k d k j k c q初

k e—炸药修正系数，取值按下表选取；

K d—允许大块尺寸修正系数，按下表进行修正；

j—夹制条件修正系数，直孔取1.0，700斜孔取0.95

K c—钻孔误差修正系数，台阶高10-12m时，取1.0,台阶高于15m以上时，取1.1。

q初取值按下表选取。

0.3-0.45kg/m3；石灰岩0.25-0.4kg/m3。

（3）凭经验和现场环境条件（飞石要求）定出填塞长度h0，对于不允许有飞石产生的地方，选h0≥30φ，对飞石要求不严格的地方（200m范围内无怕砸建筑物和设备），可选h0=（20-30）φ或h0=（0.7-1.0）W，易爆岩石增加填塞高度，难爆岩石减少填塞高度。

（4）凭经验选定钻孔超深h1。一般取h1=（10-20）φ或h1=（0.2-0.4）Wm，易爆岩石取小值，难爆岩石、直孔取大值。

（5）计算单孔最大可能装药量Q初=q线（h2+ h3）

（6）计算单孔负担面积S及爆破体积V

单孔负担面积S=ab

爆破体积V=abH=SH=Q/q

则： S=V/H=Q初/qH

（7）定出炮孔间排距。

一般取a=1.25b，则ab=1.25b2=S，故

b=（S/1.25）1/2,a=(1.25S)1/2

若取a=mb（m为经验系数），则

b=（S/m）1/2,a=(1.25m)1/2

（8）调整单孔装药量并核算平均炸药单耗。调整单孔装药量的方法有间隔装药、孔底柔性垫层及分段装药。最常用的是分段装药，其下部全耦合装药，装药长度为h2=1.5b，上部装药线密度减半（q3=0.5q2）。

q=Q/（abH）

（9）根据爆区周围建筑物及设施允许震速，计算允许的单响最大药量，见后节安全技术内容。

（10）选择起爆延时时间和起爆顺序。

2、抵抗线控制法设计

确定台阶高度，孔间距和排距之比确定，则存在一个最佳单孔装药量和平均单耗，使爆破效果既经济又符合要求；也可以说存在着一个最佳单孔装药量和间排距（或抵抗线），可使得爆破效果在符合要求的条件下达到最佳经济效益。从这个意义上讲，控制抵抗线与控制单耗的物理意义是相同的。

（1）定出线装药密度q线（参照前面所讲，现场实际测得）

（2）由q线定出W。

a、由q线计算允许最大抵抗线Wm的经验公式：

Wm=1.4q线1/2

该式使用条件是：装药为2号岩石标准炸药，岩石为中等可爆岩石，孔径为32-150mm的垂直孔。

b、由Wm定出计算抵抗线W I

W I=k1k2Wm

式中 k1—炸药系数，对2号岩石炸药炸中等可爆岩石时k1=1，对其他岩石及乳化炸药和铵油炸药，按下表选取k1值。

2—夹制系数，对直孔取k2=1.0。对斜孔（一般取720即3:1斜度）取k2=1.05

c、由计算抵抗线W1定出设计抵抗线W。在定出设计抵抗线时，主要考虑钻孔误差和台阶高度。

1）开孔偏差，一般在一倍孔径以内，它引起的抵抗线变化：

△W1=φ

2）钻孔斜度偏差，一般按3%考虑，台阶高度为H时，钻孔偏斜引起的抵抗线变化：

△W2=0.03H

3）设计抵抗线：

W=W1-φ-0.03H

（3）凭经验定出填塞长度h0和超钻长度h1

（4）定出a、b、S

b=W

a=1.25b

S=ab=1.25W2=a2/1.25

（5）计算底部装药高度和底部装药量：

h2=1.3Wm

Q2=q2h2

（6）计算上部装药高度和上部装药量：

h3=L-h0-h2

Q3=q3h3， q3=0.5q2（7）计算单孔装药量和平均单耗：

Q=Q2+Q3

q=Q/（abh）

（8）计算允许单响药量

（9）选择起爆时差并安排起爆顺序。

五、台阶爆破的网络设计

台阶爆破不许使用火花起爆，因为火雷管不能准确控制起爆时间，相邻炮孔发生带炮会造成严重飞石。台阶爆破可采用的起爆网路是电起爆网路、非电导爆管起爆网路、导爆索起爆网路及由这三种起爆器材组合而成的混合网路（例如导爆索下孔、电雷管或非电雷管起爆、非电雷管下孔、电雷管多点起爆等）。使用最多的是电起爆网路和非电导爆管起爆网路。

起爆网络一般可采用V型起爆、W型起爆、U型起爆、斜线起爆、排间起爆、单孔起爆等方式。