台阶爆破设计优化方案

台阶爆破参数包括：炮孔布置、孔径、孔深、底盘抵抗线、孔距、排距、堵塞长度、单位炸药消耗量等。采用合理的台阶参数对于改善爆破效果、降低工程成本有着重要作用。

（1）炮孔布置。台阶爆破一般采用垂直炮孔与倾斜炮孔（见图4-1），个别情况下采用水平炮孔形式。垂直炮孔与倾斜炮孔，两者在作用原理和施工工艺上均有一定的差别，其比较见表4-3。随着钻孔机具的改进，倾斜孔的使用逐渐增多。

台阶爆破布孔方式（见图4-2）主要有单排布孔和多排布孔两种。多排布孔又分正方形、矩形和梅花形。多排孔中钻孔的孔距可作相应调整，如梅花形钻孔可加大孔距改变钻孔密集系数。

表4-3　垂直钻孔爆破与倾斜钻孔爆破比较表

图4-2　台阶爆破布孔方式图

从炮孔施工方面考虑，矩形布孔更易于准确定位，钻机的移动次数较少。但是从能量均匀分布的特性来看，采用梅花形布孔更为理想，梅花形布孔对台阶两端不易获得均匀整齐的岩面，常常需要进行补孔来解决该问题。在台阶爆破施工中采用何种布孔形式，应根据台阶爆破作业要求、岩体性质以及工作面具体情况等因素综合考虑。

（2）钻孔直径。钻孔直径与最小抵抗线及孔距密切相关，也与炸药性能、爆破效果、爆破规模、钻孔效率有关。根据现场的生产规模、开挖工程量、台阶大小、台阶高度、钻孔成本等来选择钻机及钻头直径。

由于施工条件、爆破对象、钻孔机械的不同，所采用的孔径大小不一，按《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》（DL/T5389）的规定，钻孔直径：台阶爆破不宜大于150mm，紧临保护层的台阶爆破及预裂爆破、光面爆破不宜大于110mm，保护层爆破不宜大于50mm；按《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DL/T5099）的规定，地下工程开挖钻孔直径宜小于110mm，地下工程施工中，除大断面的地下厂房大直径洞室外，均采用小台阶爆破，钻孔直径宜小于50mm，较小的钻孔直径有利于控制爆破影响。目前，国产的各类钻机已可基本满足工程的需要，部分国产潜孔钻机的主要性能见表4-4。

表4-4　部分国产潜孔钻机的主要性能表

确定钻孔直径时还应考虑使用的炸药，在深孔台阶爆破时，炮孔内装填的药卷直径应小于炮孔直径，在坝基开挖中，一般采用药径小于孔径的不耦合装药方式，减弱爆破对保留基岩的破坏影响，孔径宜与所使用的药卷直径相匹配。

对于水工建筑物次要部位和料场的开挖，为了提高爆破效率，宜采用和炮孔直径相接近的炸药（即耦合装药）。

（3）台阶高度。台阶高度的确定除与地形条件和设计开挖高程有关外，还应考虑地质情况、钻孔精度、爆堆高度与装载设备匹配的影响等因素，综合分析确定。一般按施工现场现有的钻机、装载设备、现场开挖条件来确定台阶高度。对岩体较差的部位，台阶高度不宜设置过高，避免边坡开挖后失稳；设计对边坡开挖要求较高时，台阶高度也不宜设置过高，以避免影响边坡开挖后的效果。此外，台阶高度还应与挖装机械相匹配，控制爆堆高度一般为挖掘机高度的2倍左右，以增加开挖效率。水利水电工程开挖中，深孔台阶爆破开挖的台阶高度一般为8～15m。

（4）钻孔深度。钻孔深度为台阶内的钻孔与底部超钻孔深之和，超深钻孔可降低装药中心的位置，以便克服台阶底部阻力，避免或减少留根底，以形成较平整的底部。炮孔超深与岩石的构造和岩性有关，当台阶底部的岩石呈水平层面或有较大的水平节理构造时可不设超深；当岩石软弱或节理裂隙发育时宜超深较小；当岩石较坚硬时应超深较大。一般情况下，台阶高度越高，坡面角越小，这时底盘抵抗线越大，需要的超深越大。超深值一般为0.5～3.6m，后排孔的超深值一般比前排小0.5m左右。

根据工程实践经验，超深h可按式（4-1）～式（4-3）计算。

1）按底盘抵抗线W1确定：

2）按台阶高度H确定（此式未考虑孔径因素，误差较大）：

3）按孔径计算：

以上三式中　h——超深，m；

　　　　　　W1——底盘抵抗线，m；

　　　　　　H——台阶高度，m；

　　　　　　d——孔径，m。

以上公式中，当岩石松软时，h取较小值；当岩石坚固时，h取大值。对于要求特别保护的底部，超深h可取零或负值。

垂直孔孔深L由台阶高度和超深按式（4-4）计算：

倾斜孔的孔深按式（4-5）计算：

以上两式中　L——孔深，m；

　　　　　　h——超深，m；

　　　　　　β——炮孔倾角，（°）。

（5）底盘抵抗线。底盘抵抗线W1是指台阶坡脚至第一排钻孔的最短距离。底盘抵抗线是影响深孔台阶爆破效果的重要参数，底盘抵抗线过大，造成残留根底多、大块率高、爆破振动增大、后冲和侧冲力大；过小的底盘抵抗线，将增大钻孔工作量，浪费炸药，使爆渣堆集分散、产生飞石、增大空气冲击波和噪声等有害效应。底盘抵抗线与炸药威力、岩石可爆性、岩石破碎块度要求、炮孔直径、台阶高度、坡面角度等多种因素有关，在台阶爆破设计中可由经验公式计算，并在施工过程中不断修改和调整，由此获得最佳爆破效果。

1）根据钻孔作业的安全条件，底盘抵抗线可按式（4-6）计算（垂直孔）：

式中　W1——底盘抵抗线，m；

　　　α——台阶坡面角，角度一般为60°～75°；

　　　H——台阶高度，m；

　　　B——炮孔中心至坡顶线的安全距离，对大型钻机，B≥2.0～3.0m。

2）按台阶高度和孔径计算底盘抵抗线，可按式（4-7）计算（此式未考虑孔径因素，误差较大）：

式中　k——系数，一般取25～45。

3）按每孔装药条件，可按（巴隆）式（4-8）进行计算：

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式中　d——孔径，m；

　　　Δ——装药密度，kg/m3；

　　　τ——装药长度系数，一般取τ=0.35～0.65；

　　　q——单位炸药消耗量，kg/m3；

　　　m——炮孔密集系数（即孔距与排距之比），m值通常大于1.0。在宽孔距、小抵抗线爆破中，m=3～4或更大，但是第一排炮孔往往底盘抵抗线过大，应选用较小的密集系数，以克服台阶底盘的阻力。

以上说明，底盘抵抗线受许多因素影响，变化范围较大，除了要考虑上述因素外，控制台阶坡面角大小也是调整底盘抵抗线的一个有效途径。

（6）孔距和排距。孔距与抵抗线的乘积，表示一个钻孔所负担的面积，而抵抗线和孔距的比值称为间距系数。在台阶爆破中，孔距一般不小于抵抗线。孔距取值大小既与爆破后岩石的块度有关，也与爆破后形成的下一个台阶坡面形状有关。同时，孔距a是指同一排炮孔中相邻两炮孔中心线间的距离。孔距可按式（4-9）计算：

式中　m——炮孔密集系数，为孔距a与排距b之比值，a/b；

　　　W1——底盘抵抗线长度，m。

排距与孔网参数和起爆顺序等因素有关。当采用等边三角形布孔时，排距b与孔距按式（4-10）计算：

当台阶爆破采用多排孔爆破时，在确定孔径条件下，每个孔都有一个合理的负担面积，负担面积按式（4-11）计算进行。当合理的炮孔负担面积S和炮孔密集系数m已知时，即可求出炮孔排距b：

式中　S——炮孔负担面积，m2。

台阶爆破中，由于起爆方式或顺序的改变，使炮孔的孔、排距发生相对变化。如方形布孔，采用V形起爆，炮孔密集系数改变，这也是实现宽孔距爆破的一种方式。

（7）堵塞长度。堵塞长度应以控制爆炸气体不过早逸出和减少或不造成岩石飞散为原则，为获得较好的爆破效果，改善堵塞方式。研究表明，将爆炸气体在孔内的作用时间延长并超过9ms会使岩石的破碎效果更佳。

确定合理的堵塞长度l2和保证堵塞质量，对改善爆破效果和提高炸药能量利用率具有重要作用。堵塞长度过大时，将会降低延米爆破量，且可造成台阶上部岩石破碎效果不佳；当堵塞长度过短时，则会造成炸药爆破能量的损失，并产生较强的空气冲击波、噪声，产生个别飞石的危害，影响炮孔下部岩石破碎效果。

堵塞长度考虑抵抗线长度W1可按式（4-12）计算：

对于垂直深孔，取l2=（0.7～0.8）W1；倾斜深孔，取l2=（0.9～1.0）W1。

考虑炮孔直径可按式（4-13）计算：

式中　l2——堵塞长度，m；

　　　W1——抵抗线长度，m；

　　　d——炮孔直径，m。

堵塞长度与堵塞材料、堵塞质量有关，当堵塞材料密度大和堵塞质量好时，可适当减小堵塞长度。国内台阶爆破时，多采用钻屑作为堵塞材料，国外则用4～9mm的砂和砾石作为堵塞材料。

（8）单位炸药消耗量和单孔药量。单位体积炸药消耗量q值根据岩石爆破块度尺寸要求、岩石的坚固性、炸药种类、自由面条件、施工技术等因素综合确定。设计时可以参照类似工程的实际炸药单耗值选取，也可参照表4-5选取。合理的单位炸药消耗量一般先根据经验选取几组数据，再通过现场爆破试验来确定。

表4-5　单位炸药消耗量q值

单孔装药量的计算，当单排孔爆破或多排孔爆破时的第一排孔的单孔装药量按式（4-14）计算：

多排孔爆破时，从第二排炮孔起，以后各排孔的每孔装药量按式（4-15）计算：

以上两式中　Q——单孔装药量，kg；

　　　　　　q——单位炸药消耗量，kg/m3；

　　　　　　a——孔距，m；

　　　　　　b——排距，m；

　　　　　　W1——抵抗线长度，m；

　　　　　　H——台阶高度，m；

　　　　　　k——考虑受前面各排孔的岩石阻力作用的增加系数，一般k=1.1～1.2。

国内部分水利水电工程深孔爆破参数见表4-6。

表4-6　国内部分水利水电工程深孔爆破参数表

续表