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光面爆破是在輪廓或挖掘邊界上鉆一排(圈)較密集的炮孔,使其抵抗線大于孔距,爆破時沿炮孔聯線形成破裂帶,而獲得較平整的破裂面。要求在密集孔中,裝入少量均勻分布的炸藥,全部充填,在主炮孔爆破后或清渣后再一次起爆。起爆時充填物起緩沖作用,減少對壁面的沖擊,最大限度地減少壁面上的應力與破碎,切斷炮孔之間的巖石,控制炸藥爆轟對孔壁的壓力,以達到不破壞炮孔周圍的巖石,形成超挖量最小的光面。
主要參數有鉆孔直徑、孔間距、抵抗線、不耦合系數和裝藥密度。
1.鉆孔直徑d
孔徑大小取決于巖石的普氏系數和對爆破質量的要求。一般來說,孔徑小些,光面爆破效果會好些。經驗表明,在露天礦邊坡開挖中,光面爆破和預裂爆破孔的直徑以50~100 mm較為合適。也有些礦山為利用現有設備而采用大孔徑,如眼前山鐵礦采用250 mm的孔徑,在某些條件下,也取得了良好的爆破效果。
2.孔間距a
光面爆破時,孔距計算公式:
a=Ks·d,mm (10-3-1)
式中Ks-比例系數,取值范圍為:露天開挖光面爆破取值15~16;地下開挖光面爆破取值10~18;預裂爆破取值8~12;
d-孔徑,mm。
3.抵抗線W
光面爆破,既要使巖石能沿炮孔聯線裂開,又要使巖石破碎,一般地應使孔距小于抵抗線。計算公式為:
W=m/a,m (10-3-2)
式中m-密集系數,其大小與巖石性質有關,在整體穩定性好、中硬到堅硬的巖石中可以取0. 91~1.1;在巖體穩定性一般或欠佳的中等或堅硬巖石中取0.8~0.9;對節理裂隙很發育的破碎帶及松軟巖石取0.5~0.8;
a-孔距,m。
4.不耦合系數
不耦合裝藥是指炮孔直徑和炸藥直徑的比值,在裝滿炸藥時是1.00。光面爆破時藥卷直徑要小于炮孔直徑,裝藥孔內壁和藥卷之間留有間隙。因此,炮孔越粗,不耦合系數也越大。
研究表明,在距炸藥一定距離處測定的變形波振幅,在藥量相同時,隨著不耦合系數增大而呈指數減少,同時徑向變形波的基本周期也受不耦合值的影響。圖10-3-1表示了不耦合系數和炮孔內壁發生的切向應力最大值之間的關系。圖10-3-2(a)、(b),表示了不同不耦合系數下,炮孔內壁產生的切向應力隨時間變化的情況。通過對比可以看出,不耦合系數為1.1時出現的波峰壓力,在不耦合系數為2.5的情況下消失。其應力變化曲線整個呈臺階狀,這種情況表明,爆生氣體只是起準靜壓作用。所以,從圖中可知,在藥卷和孔壁之間即使稍有空隙,炸藥的沖擊力也會減弱,作用在炮孔內壁的切向最大應力值急劇下降。例如,與不耦合系數1.1的情況相比較,不耦合系數為2.5時,炮孔內壁的應力值減少到1/16。由此可見,藥卷和孔壁之間存在環形間隙時,降低了炸藥爆炸后作用在孔壁上的初始壓力,從而可保護孔壁周圍的巖石免受壓縮破壞,甚至出現過度粉碎;同時,還可延長爆破作用時間,藥室周圍生成的放射狀裂隙的范圍急劇減小,有利于預裂縫的發展。
在進行光面爆破時,一般采用不耦合系數為2左右的小直徑藥卷間隔式裝藥。由于鉆孔直徑本身比較小,導致藥卷直徑過小,會使炸藥爆炸性能顯著下降,同時,裝藥密度小時,殉爆和傳爆性能也急劇惡化。
圖10-3-1 炮孔內壁的σθmax與不耦合系數的關系
圖10-3-2 不同不耦合系數下炮孔內壁σθ值與時間的關系
5.線裝藥密度q
線裝藥密度又叫裝藥集中度,為每米裝藥長度的藥量(kg/m或g/m),不包括堵塞長度,它對光面和預裂爆破的效果有比較大的影響。如果線裝藥密度過大,光面和預裂孔壁在炸藥爆炸時會過分破壞,即孔壁外會產生超挖;線裝藥密度過小又會使巖石爆不下來,或者孔與孔之間形成硬坎,造成坡面的不平整和欠挖。
線裝藥密度可用下列公式計算:
光面爆破q=C/(W×a),kg/m (10-3-3)
預裂爆破q= C/(a×a),kg/m (10-3-4)
式中W-抵抗線,m,
a-孔距,m;
C-單位炸藥消耗量,kg/m3。
C值的取值范圍為:露天開挖光面爆破取值0. 14~0.26 kg/m3;地下開挖光面和預裂爆破爆破取值0.1~0.9 kg/m3。
C值取值的大小與巖石性質有關,對堅硬、完整的巖石,C取大值;對松軟、結構面發育的巖石,C取小值。
在裝藥時,由于夾制性較大,通常在鉆孔底部要增加藥量。當孔深大于10 m時,孔底裝藥密度一般為線裝藥密度的3倍左右。
光面爆破參數取值見表10-3-1和表10-3-2。
表10-3-1 光面爆破參數及效果表
表10-3-2 國外推薦的光面爆破參數表