石方的爆破开挖

炸药、药包及爆破的相关概念

炸药

炸药的种类很多，工业上使用的炸药应满足如下的要求： 威力大、敏感性低、使用安全、化学稳定性高、制造方便、 成本低廉、易于储存和运输等。 所谓敏感性是指炸药对起爆能的反应能力。 敏感性低的炸药对冲击、摩擦等作用反应不敏感， 需要较大的起爆能才会引起爆炸。 化学稳定性是指炸药在外界自然因素、温度湿度变动的影响下， 在较长期间不易变质、失效的性能。 目前常用的炸药有 硝铵类炸药、硝化甘油类炸药和芳香族硝化物类炸药。

硝铵类炸药的主要成分为硝酸铵和梯恩梯（TNT）， 是一种淡黄或黄褐色粉末，它对冲击或摩擦不敏感，吸湿能力强， 受潮后不能充分爆炸，常用的有：

1. 岩石铵梯炸药，有1号及2号两种（号数大的威力较小）。 它的特点是威力大、性能稳定、易于储存， 适用在没有煤尘、沼气爆炸危险的矿井和岩石爆破。

2. 露天铵梯炸药，有1号、2号及3号三种。 这种炸药爆炸后产生有毒气体较多，只能在露天爆破工程中使用。

3. 铵油炸药，是以硝酸铵为氧化剂，以柴油为可燃剂与木粉混合而成的低威钝感炸药， 其原料及炸药的贮存和运输较为安全，配置工艺简单，成本低，适用范围广。 它的威力稍低于2号岩石铵梯炸药，但抛掷效果较好； 起爆较难，易受潮，但便于制造，成本低廉， 目前已成为露天爆破上使用的一种主要炸药。

硝化甘油类炸药的主要成分是硝化甘油。 常用的一种叫胶质炸药，其外观是黄色半透明的可塑性胶状物， 它的特点是抗水性较强，爆炸威力大，适于在有水地点爆破坚硬岩石。 但这种炸药的敏感性很高，遇到冲击、摩擦、火花等都可能使它引起爆炸， 因此在运输、储存及使用上都要特别注意安全问题。

TNT 是一种芳香族硝化物类炸药，三硝基甲苯，又名黄色炸药， 通常有片状、粉状、压榨或熔铸成块状的。 它的爆速大、敏感性低、爆破力强， 一般的冲击和摩擦不易引起爆炸，因而运送、储存较为安全。 除块状的 TNT 适于水中爆破外，其余的均易受潮而失去效能。 TNT 爆炸后产生有毒气体。

药包是指放在土石的内部或表面、准备进行爆破的一定数量的炸药。 药包按其形状可分为集中药包和延长药包。 标准的集中药包应该是一个球形的，但在实用上， 凡高度不超过直径4倍的圆柱形药包， 或者最长边不超过其他任意一个最短边4倍的直角六面体药包，都算作集中药包。 药包形状超过上面规定限度的就叫延长药包。 在大爆破工程中，一般都采用集中药包；在炮眼法爆破中，则多采用延长药包。

药包在均质岩体内爆炸时，其作用力是向四周扩散的， 紧靠药包的那部分岩石，受到的冲击挤压力最大， 随着离药包的距离增大，作用就逐渐减弱。 按照岩体由于爆炸波作用而受到破坏的程度， 可以把爆破作用由近而远划成四个作用圈：

1. 压缩圈-圈内岩石受到极度压缩而被粉碎；

2. 抛掷圈-受爆炸波的冲击作用较大，岩石能被压碎成小块，如果岩体的抵抗力不够，就会被抛掷出去；

3. 松动圈-受爆炸波影响较小，岩体破裂，产生松动现象；

4. 震动圈--爆炸作用影响很小，岩体仅感受震动。

这些作用圈的作用半径分别叫做 压缩半径 $R_c$ 、抛掷半径 $R_t$、松动半径 $R_r$，和震动半径 $R_v$。 前三个圈统称为破坏作用圈，其半径称为破坏半径或称爆破作用半径 $R_b$。

下面举一个实例来说明药包的爆破作用效果。 在一个岩石性质相同的地面下不同的位置和不同的深度上， 放置药量相同的药包（如下图）。 这时，地表面是一个自由面，或者叫做临空面， 从药包到自由面的垂直距离叫做最小抵抗线W， 这个方向是岩体抵抗力最弱的一个方向。 当药包埋置较深，即最小抵抗线W较大时， 爆破后药包周围的岩石产生粉碎和裂隙，自由面处只受到震动， 并无破坏（图a），这种爆破叫做压缩爆破。 当最小抵抗线减小到某一临界值时， 药包以上直到地表面的岩石都受到破坏而松动， 但并无抛掷现象（图b）， 这样的爆破叫做松动爆破。 最小抵抗线再减少后，岩石不但松动， 而且有向四面抛出的现象（图c)），叫做抛掷爆破。

a）压缩爆破；b）松动爆破：c）抛掷爆破

在松动爆破和抛掷爆破的情况下，在到自由面的方向上形成一个漏斗状的爆坑， 称之为爆破漏斗，它是由下面几个主要尺寸构成的： 最小抵抗线 $W$，漏斗半径 $r$ 和漏斗可见深度 $h$。 显然，$r$ 和 $W$ 这两个尺寸决定着爆破漏斗的基本形状， 也反映着不同的爆破效果。 通常把 $r$ 与 $W$ 的比值称作爆破作用指数 $n=\dfrac{r}{W}$， 为了进一步区分不同的爆破效果， 可将爆破漏斗按爆破作用指数 $n$ 的大小分成三种情况（如下图）。

各种抛掷漏斗

爆破作用指数 $n=1$ 的叫标准抛掷漏斗（图b）， 爆破后有部分岩石被抛在漏斗外面， 产生这种漏斗所用的药包叫做标准抛掷药包。

爆破作用指数 $n＞1$ 的叫加强抛掷漏斗（图c）， 爆破后绝大部分岩石被抛掷在漏斗外面，所用的药包叫加强抛掷药包。

爆破作用指数 $1＞n＞0.75$ 的叫减弱抛掷漏斗（图a）， 爆破后只有一小部分岩石抛在漏斗外面，所用的药包叫减弱抛掷药包。

此外，$n\approx 0.75$ 和 $n＜0.75$ 的，爆破后就分别形成松动爆破和压缩爆破。

抛掷爆破多用在大爆破工程。 定向爆破是抛掷的方向、距离、数量和时间有所控制的一种抛掷爆破。 松动爆破一般用在开挖路堑、巷道掘进和采石。 压缩爆破则多用在扩大炮眼底部。

药包用药量 (kg) 的计算是假定用药量与所要爆破岩石的体积成正比， 还与这种岩石对爆破作用力的抵抗程度成正比。 此外，它还与炸药的性能、炮眼填塞的质量以及所选定的爆破作用指数有关。 由于影响因素复杂，在实际工作中多通过试炮来逐步求得，一般的经验公式：

1. 标准抛掷药包 $Q＝eqW^3$

2. 加强抛掷药包 $Q=eq(0.4+0.6n^3)W^3$

3. 松动药包 $Q=(0.33~0.44)eqW^3$

式中，$Q$ 药包的炸药用量 (kg)； $W$ -最小抵抗线 (m)；$q$ -以1号露天铵梯炸药作为标准炸药时，标准抛掷药包的炸药单位消耗量（kg/m$^3$）；$e$ -采用不同炸药的换算系数。

各级土石的 $q$

土、石等级	$q$ (kg/m$^3$
I	0.95
II - III	1.10
IV	1.25
V	1.40 - 1.50
VI	1.60 - 2.20

采用不同炸药的换算系数 $e$

炸药名称	$e$
岩石铵梯1号	0.80
岩石铵梯2号	0.88
岩石铵梯3号	1.00
62%普通胶质	0.78
35%普通胶质	0.93
TNT	0.92 - 1.00

爆破方法

石方开挖的主要作业过程：凿岩（钻眼）-爆破-装碴--运输。 凿岩是在岩体内凿出炮眼或药室，以便装药后进行爆破。 按照所凿的炮眼或药室不同，爆破的方法可分为 浅眼爆破、深孔爆破和洞室爆破。 就爆破的规模而言，通常把浅眼爆破叫做小爆破， 深孔爆破叫中爆破，洞室爆破叫大爆破， 也有把规模大的深孔爆破叫大爆破的。 此外，还有药壶法爆破和覆土爆破。 药壶法爆破又称葫芦炮，是在炮眼底部先放入少量的炸药， 经过几次爆破扩大成为球状空腔，最后装入一定数量的炸药进行爆破， 从爆破规模上说，属于中等爆破。 覆土爆破是把药包直接放在被爆物体表面并盖上草皮或稀泥后进行爆破， 也叫裸露药包法。 它主要用在破碎大孤石或对大块岩石进行二次爆破。

浅眼爆破 (炮眼法)

深孔爆破

装碴与运输

铁路路基的石方工程，不同于采石场，也不同于矿山开挖，其特点是：

1. 施工场地往往限于狭小的条形地带，机械设备及工地的布置都受到限制；

2. 除个别场合有较集中的工程量外，一般的工程量比较分散，工期较短，机械设备的流动性大；

3. 运输、供应等条件都比较差。

因此，路基石方工程一方面要求机械设备能力大、效率高， 又要求它们轻便灵活，而且具有一定的越野性能和爬坡能力。

选择机械设备时要考虑下列技术经济条件： 工期所要求的生产能力、单价、爆破岩石的块度和岩堆的尺寸、 运输工具的类型和大小、机械设备进入工点的运输条件以及 爆破时机械撤离和重新进入工作面是否方便等等。 对这些条件应当综合起来加以分析，而不能孤立地只考虑某一个条件。 例如，如果只拘泥于要求爆破的块度便于所选定的正铲铲斗进行挖装， 则对于某种结构和硬度的岩石来说，可能会使钻爆成本太高； 而降低了爆破费用之后，爆破后的块度将会增大，反过来又需要另选挖装机械。

就正铲和轮式装载机来说，它们的适应性是不同的。 正铲对不同高度爆堆的适应性比装载机大， 但进入工点以及爆破时撤离和返回工作面不如装载机灵便。 同样功率的正铲和装载机，装载机能铲装较大的块度， 并且用较少的斗数就可以装满运输工具， 不过装载机的卸载高度不如正铲大。 此外，装载机能够自铲自运，而正铲则不能。 就经济性来说，运距在30～40米以内的，用推土机较为经济； 40～100米运距时，可以用装载机自铲自运； 运距在100米以上的，则用挖掘机配合倾卸车就比较经济了。

在大型的露天矿山或采石场，矿岩可以采用铁路运输或公路运输。 在铁路施工现场，主要是依靠倾卸车，其载重量以8吨以上的为好； 与挖掘机配合时，每车装3～5斗比较合适。 运输道路应经常清理、平整，以保证正常生产。