巷道断面成形爆破与深孔爆破新技术

巷道断面成形爆破与深孔爆破新技术张少波研究员

煤炭科学研究总院南京研究所爆破工程2005.爆炸现象的工程应用---一种工程方式训服老虎-----把能量引导到需要的地方爆破工程2005.训服老虎---把能量引导到需要的地方控制炸药能量和感度；采用科学合理的爆破参数和工艺；安全技术和管理措施；钻眼爆破器材和设备的不断创新。爆破工程2005.爆破做为一种工程方法已形成独立的学科层次和学科体系理论：爆炸物理（近代力学）应用：爆破工程爆破工程2005.高等院校爆破工程教材涵盖的内容爆破工程特点、方法现状、发展钻孔方法与钻孔机具爆破器材与起爆技术爆炸及炸药的基本理论岩土中爆炸的基本理论水中爆炸的基本理论地下工程爆破1掏槽爆破2井巷掘进爆破施工技术3光面爆破4微差爆破5立井冻结段控制爆破露天工程爆破拆除爆破爆破测试技术特种爆破技术

1聚能爆炸切割技术2巷道定向断裂爆破新技术3石才开采爆破技术4爆破疏通技术5爆炸加工技术6地基爆破处理技术爆破安全技术爆破工程2005.讲座内容第一章

工程爆破技术的成就与发展动向第二章

爆破理论基础第三章

巷道掘进爆破技术

第四章深孔光面爆破技术第五章爆破安全技术

爆破工程2005.简历1982.7--2003.9煤科总院爆破技术研究所。2003.10--至今煤科总院南京研究所。所学专业：煤矿火工品（爆破技术，应用化工，弹药及工程）。从事专业：煤矿许用爆破器材研究和研制，爆破工程。025-5771396013770661093zsb@bbtzsb@爆破工程2005.教科书、技术资料、实践三者结合。勾勒发展轮廓，归纳理论结论，详述实用新技术。爆破工程2005.

建国初期，我国工程爆破力量十分薄弱。1950年代，国家派留学人员赴苏学习。1970年代末，有关院所增设相关专业，培养大批人才。全国爆破业内人员超过100万。年耗炸药120万吨，雷管20余亿发，导火、导爆索6亿余米。爆破工程2005第一章工程爆破技术的成就与发展动向.第一章工程爆破技术的成就与发展动向以控制破坏形式达到新的建设目的。国民经济不可缺少的特种行业，体现在：

运用的广泛性；技术的创新性；理论日益健全和测试手段日益先进性。爆破工程2005.爆破工程在国民经济建设中的作用

—运用的广泛性

基本建设

开山凿石隧道修路移山填海抛石筑坝爆破工程2005城市建设拆除建筑开挖地基.爆破工程2005.爆破工程2005.爆破工程2005.爆破工程2004.爆破工程在国民经济建设中的作用

----运用的广泛性水利

围湖造田行洪开挖航道疏通爆炸夯实破冰凌爆破工程2005.爆破工程在国民经济建设中的作用

---运用的广泛性机械加工爆炸焊接爆炸复合爆炸切割爆炸加工爆破工程2005航空航天

星箭分离发动机点火救生逃逸降落伞切割.爆炸加工爆破工程2004.爆炸切割爆破工程2004..爆破工程在国民经济建设中的作用

----运用的广泛性

矿业开采

金属矿山—金、银、铜、铁等非金属矿山--煤炭、玉石等爆破工程2005.爆破工程2004.爆破工程在国民经济建设中的作用

----运用的广泛性

医学

爆炸消除膀胱结石

地质

地震勘探爆破工程2005.

气象

防雹

降雨

消除龙卷风爆破工程在国民经济建设中的作用

----运用的广泛性

军事

弹药、破甲

民用

爆竹等爆破工程2005.爆破工程的技术创新性

----爆破技术的标志性创新毫秒爆破技术--国外，瑞典（1930年代用于抛掷爆破，1940年代用于降低爆破地震效应）。---国内，1950年代中期。--意义：使爆破进入全面可控阶段。爆破工程2005.爆破工程的技术创新性

----爆破技术的标志性创新光面爆破和预裂爆破---国外：瑞典，1950年代，其后美、加等国；国内：1960年代中期，1970年代广泛应用。---爆破成型规整、保持围岩及边坡稳定。---将光爆与锚喷支护结合形成新型的支护形式。爆破工程2005.爆破工程的技术创新性

----爆破技术的标志性创新非电起爆系统的应用

----瑞典1970年代发明；我国1979年开始生产和应用。

----与电力起爆系统相比，可避免因杂电影响造成早爆；可实现等间隔或可调间隔毫秒起爆，起爆段数和炮孔数不受雷管数限制，大规模、大量炮孔一次起爆难题得以解决。

爆破工程2005.爆破工程的技术创新性

----爆破技术的标志性创新含水炸药的应用

----美国1960年代末发明；我国1980年代开始跟踪开发。----与铵梯炸药相比，可提高体积威力，抗水，有毒气体少，可以制成三级以上煤矿许用炸药等。

爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就

---爆破理论的发展爆破理论落后于工程实践。爆破设计和安全评估分析大都采用经验式或半经验式。爆破过程是一个高速力学过程，已有单独力学分支难以全面描述之。爆破理论是一门交叉学科。爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就---爆破理论的发展

爆破理论研究基础：岩石动力学、断裂力学、爆炸力学。

两层面：基础性和应用技术理论。

方法和手段：现场试验数据统计分析、模拟模型试验、计算机数据模拟。

爆破工程2005.几个重点理论研究方向●爆破理论研究中重要的研究手段----模拟试验，包括光源性模型和相似材料模型两种。●爆破理论研究的核心问题之一----岩石动态特性和动态本构关系。●爆破领域研究的前沿课题----爆破过程的计算机模拟。●爆破领域国内外研究热点----爆破破碎数值研究，分经验和理论模型两类，前者用于处理范围内的具体工程设计和参数优化问题，后者建立在爆破机理基础上，适用于各种爆破设计分析。●爆破安全机理。爆破工程2005.典型数学模型介绍模型名称研究者功能和目的方法需要数据应用情况BLASPA1963以来加拿大皇家军事学院法夫罗（Favreau）详细爆破设计及破碎预测由于爆炸气体和冲击作用而产生破碎的动态模型药性、岩性、岩体构造、工艺参数50多个矿山应用KUZ-RAM1973年库兹涅佐夫（Kuznezov）坎宁安（Cuningham）台阶爆破平均块度尺寸的预测爆破参数与平均块度的经验公式能量因数；岩石分类和爆破参数

HARRIES1973以来英国ICI公司澳大利亚分公司哈利斯（Harries）破碎、隆起、破碎度和破坏的预测动态应变引起的炮孔周围的破碎爆破振动和岩石的动载特性我国爆破界最熟悉的模型。它设定炮孔为一厚壁圆筒，岩体受爆炸荷载作用后，用裂隙发展、相交成块的三维动态数学模型描述断裂破碎过程。70年代提出，80年代、90年代仍在对模型进行修改完善。Blast-Code世杰博士用于露天矿台阶垂直中深孔爆破设计并对爆破破碎效果、爆堆形态进行预测。爆破参数选取的人工干预和钻孔，爆破成本计算功能，可对多个设计方案进行技术经济对比分析以实现优化爆破设计。

CAROM美国桑地亚（Sandia）实验室可以预测岩石运动规律、爆堆形态和地面震动情况。预报爆堆形态和块度组成误差率分别为10%和10～20%。

BLASTEC戴诺·诺贝尔公司建立进行露天和井工矿爆破设计与分析，可提供有关钻爆费用、地表振动、岩石破碎、爆堆形态各种计算结果。

爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就

---爆破器材的发展工业炸药：①黑火药时代。12世纪---20世纪30年代。②代那迈特时代。19世纪60年代—20世纪60年代。③现代爆破剂时代。20世纪30年代---至今，其代表产品为硝酸铵为主的混合炸药，包括铵梯炸药、铵油炸药和含水类炸药。

爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就---爆破器材的发展工业雷管：◎导火索----导爆索----火雷管----电雷管◎非电雷管；电子雷管；无起爆药雷管；安全电雷管等。

爆破工程2005.发展趋势-----符合绿色化工原则。高精、可控、针对性。生产的先进性、便捷性。爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就---凿岩设备的发展露天矿山：从过去的冲击钻、潜孔钻发展到如今的大孔径牙轮钻机，凿岩爆破效率和延米爆破量有了巨大提高。微机控制牙轮钻机：为寻找最优的控制参数提供了保障。现场装药车间：使炸药制造、运输与装药成为一体，既保障炸药安全性和有效性，亦提高生产效率和降低劳动强度。高新技术在爆破工程中的运用：如激光凿岩技术、微波破岩、等离子体破岩及熔融破岩。

爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就---典型工程硐室爆破是将大量炸药装入专门的硐室或巷道中进行爆破，由于用药量和爆落石方量较大，通常称为“大爆破”；投资省、效益高、速度快，但伴随有害效应；适宜地势陡、土石方工程量大、工期需要严格控制的场合；涉及力学分支理论：岩体结构、爆破力学和地震工程学，解决爆破作用场、破坏范围、鼓包抛掷堆积、地震谱特性及安全准则和控制、高边坡爆破动力稳定安全分析。爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就---典型工程中深孔爆破技术

---在露天矿山采剥工程、地下矿山的深孔落矿、铁路公路路堑开挖、平整山区工业场地、水电站基坑开挖等施工作业中，大多采用。---矿山深孔爆破已据工程要求发展了微差、挤压、预裂、光面爆破等。---新型钻孔设备、爆破器材出现促进了发展，逐步取代峒室爆破。

爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就---典型工程城市控制爆破拆除工程---城市建（构）筑物控爆拆除已成为全球建筑业和爆破业的热门专业。---一般在人烟稠密、各种设施林立地区施行，难度大、技术要求高、有一定风险。---掌握结构件的整体特性、受力状况、稳定条件三要素。水下工程爆破：主要应用于水库下岩塞爆破、挡水围堰拆除爆破以及港湾、航道疏浚炸礁等。爆破技术的精细化：爆炸合成纳米材料等。爆破工程2005.工程爆破技术已取得的成就---典型工程硐室爆破：广东珠海炮台山的移山填海大爆破工程，炸药装填总量1.2万吨，刷新了世界记录。中深孔爆破技术：青岛环胶周湾高速公路山角村段一次实施了47m、共203排、3080孔的深孔拉槽控制爆破。城市控制爆破拆除工程：北京华侨大厦旧楼拆除工程，总拆除工程量13000余m3，主楼8层高34m，外部环境条件恶劣，共凿6000余个炮孔，装药600多公斤，分9段毫秒顺序起爆，整个楼房均按预定方向与范围倒塌，达到了设计的爆破效果。国外：32层大楼和300m的烟囱；我国：18层大楼和270m的烟囱。水下工程爆破：广州大濠州2km航道50万立方米水下炸礁成功，创造了水下爆破作业的国际先进水平的施工方法。

爆破工程2005.爆破工程2005洛钼露产1500t/d一期第二次大爆破洛钼露产1500t/d一期第二次大爆破广东惠州港硐室大爆破.第二章爆破理论基础三种方式进行工程爆破研究，以质量、能量、动量守恒定律为依据：整理工程经验，找出一般规律，提出用于指导工程设计的经验、半经验公式；通过模型试验探索某些特定爆破现象或爆破工艺的内在规律，用以解决工程设计中的疑难或问题；利用电子计算机技术，根据各自对爆破物理过程的认识建立爆炸力学模型，通过调整模型参数进行优化设计和理论探讨。爆破工程2005.爆破理论基础—术语爆炸、爆破、爆轰、爆燃；爆轰波、冲击波、应力波、地震波；爆速、爆压、爆热、爆温、爆焰、爆风、爆生气体；威力、猛度、爆力、比容。爆破工程2005.爆炸---压力急剧释放的现象。爆破---利用炸药爆炸反应产生的能量，为特定目的，对特定对象进行控制破坏和作用的过程。爆轰波—炸药爆炸时，内部传播的爆轰反应波阵面。

冲击波--炸药爆炸后在介质中产生的传播速度高于介质声速的一种压缩波，其波阵面有陡峭的前沿，介质压力在波阵面发生突跃上升。应力波--炸药在土岩介质中爆炸时，其冲击波以波动形式向四外传播，这种波统称为应力波。爆燃----爆轰波传播速度低于正常传播速度，伴随有燃烧的爆炸。

爆破理论基础—术语爆破工程2005.爆风----又称爆炸气浪，是爆破时在空气中产生的弱冲击波。爆轰----爆轰波在炸药中的传播。炸药燃烧----炸药发生急剧分解或氧化反应的同时，产生火焰，且其化学反应进行速度低于炸药声速。爆速----炸药中爆轰传播的速度。爆热----炸药爆炸分解时释放出的热量。爆温----火药、炸药爆炸时产生的最高温度。炸药力和比能----指每千克炸药的作功能力。炸药威力----炸药作有效功的能力，实际应用中把它分成推进威力（静效应、作功效应）和冲击威力（动效应、破坏效应）。猛度----反映炸药爆轰时对爆破对象的冲击、粉碎能力。爆力----反映炸药在介质内部作功的性能。爆破理论基础—术语爆破工程2005.爆破理论基础—工业炸药基本知识分类和特点----按使用条件分类：第一类---煤矿许用炸药，允许在一切爆破工程使用。第二类---矿用炸药，除瓦斯煤尘爆炸危险矿山外，均可使用。第三类---岩石和露天炸药，只允许在露天工程中使用。

爆破工程2005.爆破理论基础—工业炸药基本知识分类和特点----按成份分类：第一类---硝铵类炸药。a.铵梯炸药，b.无梯炸药，c.含水炸药。第二类---硝化甘油类炸药。a.芳香族硝基化合物类炸药，b.其它工业炸药

爆破工程2005.1985年工业炸药产品结构图1997年工业炸药产品结构图爆破理论基础—工业炸药基本知识爆破工程2005.爆破理论基础—工业炸药基本知识2003年工业炸药产品结构图2004年工业炸药产品结构图爆破工程2005.1997-2004工业炸药产品结构变化情况爆破工程2005.爆破理论基础—工业炸药基本知识工业炸药基本要求（1）爆炸性能好，足够的威力。（2）较低的机械感度和合适的起爆感度。（3）炸药配比接近零氧平衡，以保证爆炸产物中有毒气体生成量少。（4）有适当的稳定贮存期，在规定的贮存期内，不会变质失效。（5）原料来源广泛，加工工艺简单，加工操作安全且价格便宜。

爆破工程2005.爆破理论基础—工业炸药基本知识炸药爆炸的基本特征反应的放热性----爆炸反应第一必要条件。----先爆部分释放热量激发下层，爆炸传播；----系统释放热能，方能对外作功。反应的快速性----是爆炸反应区别于一般化学反应过程的最重要标志。----速度快，易形成高温高压气体；----炸药并非是能量很高的物质，而是功率很大的物质。生成气态产物---1L炸药爆炸，产生1000L左右的气态产物。爆破工程2005.

炸药和混合燃料的含能量

物质名称含能量KJ·kg-1kJ·L-1黑火药(ρ=1.2g·cm-3)梯恩梯(ρ=1.6g·cm-3)硝化棉(ρ=1.3g·cm-3)硝化甘油(ρ=1.6g·cm-3)碳和氧的混合物苯和氧的混合物氢和氧的混合物2782.44250.94288.66221.69204.89748.713514.33347.26803.25564.79957.917.1518.417.11爆破工程2005.部分炸药爆炸后产生气体的体积（标准状态下）

炸药名称气态爆炸产物体积（L·kg-1）梯恩梯黑索金泰安奥克托金2号岩石硝铵炸药740908790908924爆破工程2005.爆破理论基础----岩石爆破作用理论

□岩石的性质□爆炸应力波基本知识□岩石爆破作用机理□介质内部装药的爆炸作用□爆破装药的外部作用□爆破漏斗理论□装药量计算原理□影响爆破效果的因素爆破工程2005.爆破理论基础---岩石性质物理性质结构和构造孔隙度岩石的密度和重力密度岩石的波阻抗岩石的碎胀性

岩石的力学性质岩石的弹性和塑性岩石的强度岩石的动力特性岩石的坚固性和可爆性三种分级爆破工程2005.爆破理论基础---岩石坚固性分级法普氏分级法---岩石在各种方式破坏中的表现趋于一致。波阻抗分级法---反应应力波使岩石产生质点运动时，岩石的阻尼作用。按实际爆破效果分级---根据爆破漏斗体积、岩石破碎块度、岩石波阻抗等试验数据对岩石可爆性进行综合评价。

爆破工程2005.几种岩石的相对强度

岩石名称相对强度（%）抗压强度抗剪强度抗拉强度花岗岩砂岩石灰岩100100100910～12152～42～54～10爆破工程2005.普氏岩石分级简表

等级坚固性程度典型的岩石f值Ⅰ最坚固最坚固、细致和韧性的石英岩、玄武岩及其他各种特别坚固岩石20Ⅱ很坚固很坚固花岗岩、石英斑岩、硅质片岩、较坚固的石英岩、最坚固的砂岩和石灰岩15Ⅲ坚固致密花岗岩、很坚固砂岩和石灰岩、石英质矿脉、坚固的砾岩、极坚固的铁矿石10Ⅲa坚固坚固的石灰岩、砂岩、大理岩、不坚固花岗岩、黄铁矿8Ⅳ较坚固一般的砂岩、铁矿6Ⅳa较坚固砂质页岩、页岩质砂质5Ⅴ中等坚固的粘土质岩石、不坚固的砂岩和石灰岩4Ⅴa中等各种不坚固的页岩、致密的泥灰岩3Ⅵ较软弱软弱的页岩、很软的石灰岩、白垩、岩盐、石膏、冻土、无烟煤，普通泥灰岩、破碎砂岩、胶结砾岩、石质土壤2Ⅵa较软弱碎石质土壤、破碎页岩、凝结成块的砾石和碎石、坚固的煤、硬化粘土1.5Ⅶ软弱致密粘土、软弱的烟煤、坚固的冲击层、粘土质土壤1.0Ⅶa软弱轻砂质粘土、黄土、砾石0.8Ⅷ土质岩石腐植土、泥煤、轻砂质土壤、湿砂0.6Ⅸ松散性岩石砂、山麓堆积、细砂石、松土、采下的煤0.5Ⅹ流砂性岩石流砂、沼泽土壤、含水黄土及其它含水土壤0.3爆破工程2005.爆炸应力波基本知识1.爆炸应力波传播与作用2.爆炸应力波的动态参数3.爆炸应力波反射和折射爆破工程2005.爆炸应力波传播与作用冲击波：高温、高压气体产物作用，状态突变，超音速传播，破坏区域3—7倍药包半径，压碎区压缩波：变化较缓，音速传播，破坏区域120—150倍药包半径，裂隙区地震波：没有破坏作用，弹性震动爆破工程2005.爆炸应力波的动态参数应力波的初始压力应力波的传播速度应力波的衰减规律爆破工程2005.爆炸应力波反射和折射爆破工程2004.岩石爆破破碎机理一

岩石爆破作用机理爆生气体压力作用机理应力波反射作用机理综合作用机理---共同存在、密切相关、互相加强爆破工程2005.岩石爆破破碎机理一爆破工程2005爆炸生成气体的膨胀作用爆炸应力波反射拉伸作用理论.岩石爆破破碎机理二介质内部装药爆破的作用

压碎区裂隙区震动区爆破工程2005.压碎区（扩大空腔，粉碎性破坏）------2，4裂隙区（环向裂隙，径向裂隙）--------1，3震动区（不破坏）爆破工程2005.岩石爆破破碎机理三爆破装药的外部作用—半无限介质中的爆破作用由霍普金逊效应引起的破坏由反射拉伸应力波引起径向裂隙的延伸爆破工程2005.1．反射拉伸应力波造成自由面岩石片落

2．反射拉伸应力波引起径向裂隙延伸

3．自由面改变了岩石中的准静态应力场反射拉伸应力波破坏过程示意图a入射应力波波前；b反射拉伸应力波波前

自由面在爆破破坏过程中起着重要作用，它是形成爆破漏斗的重要因素之一。自由面既可以形成片落漏斗，又可以促进径向裂隙的延伸，并且还可以大大地减少岩石的夹制性。有了自由面，爆破后的岩石才能从自由面方向破碎、移动和抛出。爆破工程2005.岩石爆破破碎机理四爆破漏斗的形成过程爆破漏斗几何要素爆破漏斗理论爆破工程2005.爆破漏斗的形成过程爆破漏斗是受应力波和爆生气体共同作用的结果。其一般过程为：（1）均质坚固岩体内，存在足够的炸药能量并与岩体可爆性相匹配，在相应的最小抵抗线等爆破条件下，炸药爆炸产生二三千度以上的高温和几万兆的高压，形成每秒数千米速度的冲击波和应力场。作用在药包周围的岩壁上，使药包附近的岩石或被挤压，或被击碎成粉粒，形成压碎区（近区）。爆破工程2005.

（2）此后冲击波衰减为压应力波，继续在岩体内自爆源向四周传播，使岩石质点产生径向位移，构成径向压应力和切向拉应力的应力场。由于岩石抗拉强度仅是抗压强度的3%～30%，当切向应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成粉碎区贯通的径向裂隙。（3）高压爆生气体膨胀的气楔作用助长了径向裂隙的扩展。由于能量的消耗，爆生气体继续膨胀，但压力迅速下降。当爆源的压力下降到一定程度时，原先在药包周围岩石被压缩过程中积蓄的弹性变形能释放出来，并转变为卸载波，形成朝向爆源的径向拉应力。当此拉应力大于岩石的抗拉强度时，岩石被拉断，形成环向裂隙。（4）在径向与环向裂隙出现的同时，由于径向应力和切向应力共同作用的结果，又形成剪切裂隙。纵横交错的裂隙将岩石切割、破碎，构成破裂区（中区）。（5）应力波传播到自由面时产生反射拉伸波，大于岩石的抗拉强度时，地表面的岩石被拉断形成片落区。（6）径向裂隙的控制下，破裂区一直扩展到地面，或破裂区和片落区相连接形成连续性破坏。爆生气体继续膨胀，将最小抵抗线方向的岩石表面鼓起、破碎、抛掷，最终形成倒锥形的凹坑，即：爆破漏斗。