工程爆破与控制技术

1. 工程爆破

工程爆破的特征：工程爆破与其他爆破（如军用爆破）不同，它是以破坏的形式达到新的建设目的，爆破是破碎矿岩的主要手段。长期的爆破实践表明，工程爆破虽然能完成工程的设计目标，但伴随着药包爆炸作用的发生，周围环境的人员、设备和各类设施的安全都受到冲击及威胁。同时，爆破使开挖限界以外的岩体和围岩的完整性受到破坏，爆破后轮廓线不甚平整，甚至出现许多裂隙和裂纹，影响岩体的稳定。爆破地下井巷和隧洞的开挖出现相当大的超挖量，有损保留岩体和围岩的长期稳定，降低采场回采率，增加贫化率，增加安全隐患[2]。

长期以来，在岩矿爆破施工中，人们认为上述现象是不可避免的，也是理所当然的。

2. 工程控制爆破

工程控制爆破是为解决工程爆破轮廓线上炮孔爆破对保留岩体或围岩造成破坏和损伤而提出来的。冯叔瑜院士说过：广义而论，所有的工程爆破都是有一定工程目的的，应该在用药量、爆破范围、安全距离等方面受到控制，但这不等于说所有的爆破都称为控制爆破，否则其范围就太广泛了，容易在名词上与通常所说的控制爆破混淆不清。

（1）工程控制爆破的定义。

根据工程要求，采取施工和防护等技术措施，控制爆炸能释放和运行过程以及介质破碎过程，既要避免保留岩体或围岩被破坏，又能达到预期的破碎效果和爆破范围、方向，这种既能达到预期的爆破效果，又能使保留区的岩石不被破坏，减轻损伤的双重控制爆破称为工程控制爆破。

工程控制爆破属于炸药爆炸波（冲击波、应力波）技术的多方控制探索与研究的一种爆破科学门类。

（2）工程控制爆破的要求。

① 控制爆破的破坏范围，即爆破轮廓线以内的岩体。

② 控制爆破的破碎程度，即将爆破范围内的岩体破碎成适合装运的碎块。

③ 控制爆破的危害作用，即：控制爆破地震波、空气冲击波、飞石和噪声；确保保留岩体和围岩不被破坏，减轻损伤；减轻地下采场间柱、矿柱的损伤；对于夹层矿体、难采多矿物性质矿体或矿脉、多矿层、多矿带矿床，分采爆破降低贫化损失率，提高饰面石材开采荒料率。

（3）工程控制爆破的实质。

工程控制爆破的实质是控制爆炸波波形的主要运行方向和范围。

在岩土工程及采掘工程中，普遍都存在爆破开挖岩石和保护保留岩石不被破损这一对矛盾，目前尚没有有效的解决方案。这是因为，炸药在岩石体内爆炸时，在将开挖范围内的岩石爆破破碎的同时，也会对保留的岩石造成损伤和破坏，从而使围岩的力学性能劣化。这种劣化在外界压力作用下，会使损伤进一步演化，从而使围岩的承载力及稳定性降低。围岩稳定性不仅要考虑岩石本身的力学性质和地质构造，还要考虑爆破对围岩的损伤或破坏的作用。对爆破工程进行精准控制，以准确预测其对保留岩体和围岩的损伤程度，就成了爆破行业的重中之重。

试验研究表明[3]，爆轰波传播与光波传播相类似，遵从几何学的Huygen-Snell 原理。点爆炸时，爆轰波波阵面以球面形式展开，并且波传播方向总是垂直于波阵面。对于均质炸药，中心点引爆所产生的爆轰波是球形爆轰波，这种情况下爆轰波形的曲率半径随着爆轰波向外扩展而不断增加，如图0-2 所示；对于均质圆柱形炸药，一端中心点引爆所产生的爆轰波，开始阶段波形曲率半径随爆轰波传播距离的增加而增加，试验结果表明当药柱长度为药柱直径3倍左右时，波形曲率半径为一恒定值，如图0-3 所示。所以，工程控制爆破即控制爆轰波的波形，也即控制冲击波和应力波。(www.xing528.com)

图0-2　球形爆炸波

图0-3　圆柱形爆炸波（局部剖视图）

（4）工程控制爆破的内容结构。

对工程爆破，国内外目前还没有统一的分类，在控制爆破方面也没有统一的定义。本书将在岩土工程、采掘工程、国防工程、水利水电工程和交通工程等开挖施工中对轮廓线保留岩体和围岩免受爆破破坏、减轻爆破损伤、降低爆破地震效应有利的控制爆破方法概括为工程控制爆破。工程控制爆破的内容结构见图0-4。

图0-4　工程控制爆破方法内容框架

① 定向。

定向的泛指意义是确定事物运作过程的方向。定向爆破的实质在于使爆炸时产生的能量，主要用来在规定的方向、位置和空间范围内发生预期的作用，并以规定的方向为主造成运动。定向爆破和普通的不加控制而向四面八方乱炸的爆破完全不同。定向爆破学说及其实际应用是在爆破工程中，多方控制爆炸波的崭新的一个爆破学科门类。

② 原有的定向爆破技术原理。

20 世纪50 年代前后兴起的定向爆破技术，其目的是：使爆破后土石方碎块按预定的方向飞散、抛掷和堆积，通常称为定向抛掷爆破；或者使被爆破的建筑物和构筑物按设计方向倒塌和堆积。这些都属于定向爆破范畴。土石方的定向抛掷爆破原理即最小抵抗线原理。利用建筑物的定向倒塌偏心失稳形成铰链的力学原理布置药包和考虑起爆时差的受力状态，称为定向拆除爆破，现称拆除爆破。

③ 定向断裂、定向卸压隔振爆破技术的机理。

爆破技术的多方控制探索和研究是爆破工作者多年来努力的方向，虽然工程爆破中的拆除爆破、抛掷爆破、松动爆破等都已成功实现，但爆破时间、爆破能量、爆破顺序、爆破环境、爆破有害效应、爆破效果等安全与效果的双面控制问题并未完全解决。

定向断裂控制爆破和定向卸压隔振爆破技术的实质是要求准确控制爆轰波的作用方向与位置，达到阻隔或引导爆炸冲击波、应力波的作用，满足控制爆破的破坏范围和碎石飞散距离要求，达到降低地震波和控制冲击波强度的效果。