光面爆破设计原理及实列分析Word下载.doc
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(b)先爆炮孔对相邻炮孔的影响;
(c)光面的形成形成光面
图1光面爆破时炮眼连心线上破裂面的形成
2.光面爆破的参数及工艺
2.1光面爆破主要有以下几个参数
影响光面爆破效果的主要参数是:
不偶合系数(D)、装药集中度(q)、炮眼间距(E)、周边眼密集系数(m)和最小抵抗线(W).
2.1.1不偶合系数不偶合系数是指炮孔直径d和药卷直径d0之比。
D=d/d0
药卷在有空隙的炮眼中(不偶合装药)爆炸时,形成的冲击波随不偶合系数的增大而衰减。
导致爆破介质中的应变随不偶合系数的增大而衰减,在双对数坐标系中,应变与不偶合系数间的规律,见图2。
不偶合系数D一般为1.25~2.0范围内,在1.5左右比较合适。
2.1.2装药集中度间隔装药,以装药长度的平均线装药密度计,隧道爆破一般为0.04~0.4kg/m。
过大易破坏光爆壁面;
过小则爆不下来。
2.1.3周边眼间距
周边眼间距是影响开挖轮廓面平整度的主要因素,一般采用以下经验公式确定:
E=(12~15)d
式中,d为炮孔直径
2.1.3周边眼密集系数周边眼密集系数是指周边眼间隔E与最小抵抗线W之比值,即m=E/W。
m值的大小,对光面爆破效果影响最大,下面从三种不同情况进行说明。
(1)当m=a/W=2时,则两个爆破漏斗不相连接,即使两个炮眼同时起爆,各炮眼也都单独破坏岩石,即在岩体中产生的压缩波到达自由面得同时,于两个炮眼中间相遇,其行程相等。
由此压应力而衍生的拉应力不足以使a、b间的岩柱造成裂隙,则留下abc的三角形岩柱,使岩面凸出(所谓欠挖),不能取得光面爆破效果。
如果两个周边眼不是同时起爆,更是如此。
如图-2(a)。
(2)当m=a/W=1时,如果两炮眼同时起爆,压缩波到达自由面之前在abc间相遇。
由于该点C与ab点的距离小于最小抵抗线W,拉应力可使ab之间岩石产生裂隙。
如果两个炮眼不同时起爆,压缩波到达自由面的同时也到达另一炮眼的位置,该点c起自由面作用,也能使ab间岩石产生裂隙。
因此这两种情况都能取得光面爆破效果,如图-2(b)所示。
(3)当m=a/W=0.5时,不管是否同时起爆,压缩波到达自由面时,必须超过另一个炮眼的距离,拉应力不仅使ab间岩石产生裂隙,同时会破坏abc三角形而造成岩面凹进(所谓超挖),也达不到光面爆破的效果,见图-2(c)所示。
a
b
c
图2不同密集系数的爆破情况
实践表明,当m=0.8~1.0时,爆破后的光面效果较好,硬岩中取大值,软岩中取小值。
2.1.4最小抵抗线W光面层厚度或周边眼到邻近辅助眼间的距离,是光面眼起爆时的最小抵抗线,一般应大于或等于光面眼间距。
理论和实践均证明光面爆破炮眼间距与最小抵抗线之比为0.8为好,即E/W=0.8,则
W=1.25E
W—最小抵抗线,cm
E—炮眼间距,cm
2.1.5光面爆破装药集中度q。
光面爆破装药集中度可以按以下经验公式计算:
q=10(E+W)*
式中,Rb为岩石抗压强度,Mpa
2.1.7周边眼的其他参数
(1)炮眼直径d。
光面爆破的周边眼直径无需选择,国内掘进常用的炮眼直径为35mm-50mm;
(2)周边眼的深度l和角度α。
“全断面一次爆破时,周边眼深度一般为2.5m-3.0m。
确定眼深时,还应考虑到其他作业的生产能力在掘进循环中的充分发挥。
周边眼原则上应布置在设计轮廓线上,但由于受凿岩机机型的限制,不得不向外偏斜一定角度,偏斜角一般为3º
~5º
。
偏斜角度的大小,可根据眼深加以调整,使眼底落在轮廓线外100mm处。
隧道光面爆破常用参数如表1所示。
表1隧道光面爆破常用参数
岩石
类别
周边眼间距E(cm)
最小抵抗线W(cm)
相对距离(E/W)
装药集中度q(g/m)
硬岩
55~65
60~80
0.8~1.0
300~350
中硬岩
45~60
60~75
200~300
软岩
35~45
45~55
70~120
2.2掏槽爆破
隧道开挖时,只有一个临空面,为给其它炮眼创造临空面,必须先在开挖面上炸出一个槽子,这个在开挖面上炸出一个槽子的过程就叫做掏槽。
隧道爆破开挖成败的关键是掏槽技术,掏槽的成功与否直接影响爆破效果,掏槽的深度直接影响隧道掘进的循环进尺。
而掏槽的成功与否,有与地质条件、掏槽深度及形式、炸药种类及装药量、起爆程序等有关。
在大断面隧道掘进中,为了加大掏槽深度,常采用双层、三层或四层楔形掏槽眼,这种掏槽称为复式楔形掏槽。
每对掏槽眼呈完全对称形或近似对称形。
2.2.1掏槽选定的条件
1)、开挖断面的大小及宽度
2)、地质条件
3)、机具器材条件
4)、钻眼爆破技术水平
5)、开挖技术要求等
2.2.2楔形掏槽需注意的几个关键技术问题
1)、楔形掏槽在断面较宽时,应当尽量缩小掏槽角,因而也要尽量加大第一级掏槽眼的水平间距。
2)、楔形掏槽在炮眼较深时,其底部加强装药应保持炮眼全长的1/3长度,前部装药(柱状结构)集中度可以减为底部装药集中度的40—50%或换成威力较低的炸药。
不应把炸药装填到炮眼口,而应大约流出20%的炮眼长度不装药,并装填不少于20cm长的炮泥。
3)、楔形掏槽眼应每级均应尽量同时起爆,以使用毫秒雷管爆破。
级间间隔时差也不宜太短,以50ms较合适,以保证前段爆破的岩石破碎与抛掷。
2.3光面爆破主要施工方案
用光面爆破开挖隧道时有两种方案,一种是全断面法,如图-3所示。
对于Ⅱ、Ⅲ类整体性好的围岩,可采用全断面法,此时掏槽眼、辅助眼等的参数按普通爆破来设计,周边眼则按照光面爆破来设计。
可用多段毫秒电雷管或非电导爆系统按顺序起爆,掏槽眼、辅助眼间起爆间隔时间不应小于25ms。
邻近周边眼的一排炮眼的药量要比其他炮眼的药量少,以控制围岩爆震裂隙的发展。
3.影响光面裂缝形成的因素
影响光面裂缝形成的因素很多,主要因素有装药量和装药结构,最小抵抗线与孔间距的比值,起爆方法、空孔等。
3.1装药结构
为了不破坏需要保护一侧的围岩,要采用较大的不偶合系数(D=d/d0),环状间隙装药和间隔装药,以及低猛度、低爆速(如2000m/s~3000m/s)、低密度的炸药。
3.2最小抵抗线、空孔与孔距
最小抵抗线应大于光面孔的孔距。
最小抵抗线过小时,孔与孔之间的光面裂隙来不及贯通,各孔就已朝自由面形成爆破漏斗,结果产生凸凹不平的破裂面;
相反,最小抵抗线过大时,光面裂隙固然容易形成,但是自由面方向的爆破效果可能要恶化,会出现大块度。
根据理论推算和现场施工分析,空孔和最小抵抗线的比值最好是0.8~1。
在节理、裂隙发育的岩石中以及开挖面的拐角、弯曲部分,要加密炮孔或增加导向空孔。
3.3起爆间隔时间
实验室爆破试验研究表明,齐发起爆的裂隙表面最平整,微差延期起爆次之,秒差延期最差。
齐发起爆时,炮眼贯通裂隙较长,抑制了其它方向裂隙的发育,有利于减少炮眼周围的裂隙的产生,可形成平整的壁面。
所以,在实施光面爆破时,间隔时间愈短,壁面平整的效果愈有保证。
应尽可能减少周边眼间的起爆时差,相邻光面炮眼的起爆间隔时间不应大于100ms。
4.工程实例
4.1工程地质
枫相院隧道清水沟斜井是枫相院隧道4个进口之一,全长1582米,开挖断面面积50.43m2,开挖断面宽7.86m,其中Ⅲ级围岩1511m,占隧道全长的95.5%,其余为Ⅳ级和Ⅴ级围岩。
位于甘肃省陇南市武都区境内,地属西秦岭中山区,北高南低,山体陡峻,谷深且多呈“V”字形。
地面高程基本分布在760~2050m,高差约1300m。
隧道最大埋深位于DK440+500附近的婆娘山,约1220m。
隧道通过区出露的地层主要为:
第四系全新统坡积碎石类土及下元古界砂质绢云母千枚岩、变砂岩夹变安岩,绿泥石绢云母千枚岩。
本区属松潘—甘孜褶皱系之巴颜喀拉山冒地槽褶皱带。
隧道位于该冒地槽褶皱带的东部,隧道洞身无褶皱的地质构造现象,基岩稳定,产状单一,岩石较为完整。
4.2爆破方案
1、V类围岩稳定性较差,节理裂隙发育。
对V类围岩采用台阶开挖法,每个循环进尺为2.0m。
2、III、IV类围岩稳定性较好,考虑到机械设备的使用效率以及工期的影响,对此类围岩采用全断面开挖法,每个循环进尺为3.0m。
4.3凿眼、爆破器材
4.3.1凿岩机械采用可移动式全断面作业台车,使用YT-28型气腿式凿岩机钻眼。
全断面作业时配合13台凿岩机同时钻眼,以保证开挖作业进度。
4.3.2爆破器材电雷管导爆索
4.4爆破参数
本隧道岩石特性:
主要岩层为千枚岩,为比较常见的变质岩的一种,粒状鳞片变晶结构。
4.4.1钻头直径40mm,故炮眼直径按42mm计,根据不偶合系数取值范围,确定药卷直径32mm。
则
D=d/d0=42/32=1.312
4.4.2周边眼间距和最小抵抗线
E=(12~15)d
d为炮孔直径,42mm
计算得:
E=504~630mm
合理的周边眼间距需要结合围岩类型、岩石条件等因素进行选择,对于节理发育、层理明显的地方,周边眼间距可适当减小。
本工程掘进过程中,主要是III级围岩,取E=500mm,在隧道侧面经多次爆破后根据岩石、钻孔等条件适当加密取E=480mm。
则根据W=1.25E,E=500mm,W=1.25*500=625mm,
E=480mm,W=1.25*580=600mm,
本工程中取W=600mm
4.4.3光面爆破装药集中度q
式中,Rb为岩石抗压强度,Mpa,本工程中III级围岩的平均抗压强度为126Mpa。
计算得q=10(500+600)*√126=123g/m
根据光面爆破现场试验结果,优化和调整装药量,最后得到周边眼装药集中度最佳取值:
q=200g/m。
5.炮眼布置图
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