工程概况
1.1 矿山原始条件某露天矿山开采闭坑后，拟转入地下开采，需要在露天底形成20~50m的覆盖层。露天采场底部走向长约450m，露天底平均宽30m。露天采场实际最高标高为305m，最低标高为-33m，封闭标高为117m，露天采场上口尺寸为：900m×630m，下口尺寸为410m×20m。原台阶高度12m，现已并段。
1.2 岩石、岩体条件 矿石类型简单，矿石物质组成也较简单，矿石属于中硫、低磷、贫磁铁矿石。矿体围岩主要为石榴黑云斜长片麻岩和混合花岗岩。岩体稳定性中等，岩石坚固性系数f=8~10，节理裂隙发育，岩石一般比较破碎，强度较低。
1.3 工程目标 利用硐室爆破的方法形成高度30m的覆盖层，设计两个勘探线之间的部分。本设计为加1-加2的硐室爆破设计。 2 爆破方案与布药设计 2.1 爆破类型的确定要求爆破的岩土按预定的方向运动并堆积在设定的范围之内则选用定向抛掷爆破。
2.2 爆破范围的确定爆破加1-加2坡面勘探线的岩石。
2.3 装药形式选择硐室爆破装药形式有集中装药和条形装药两种。用装药集中系数来划分，装药集中系数按下式计算：
（1）
式中：VQ——装药体积，
，m3； (2)
Q——装药重量，t；
Δ——装药密度，t/m3；
R——装药中心至药包最远点的距离，m。
当装药集中系数Φ≥0.41时，为集中装药，Φ<0.41时为条形装药。
集中装药的特点是药室布置较灵活，适用于地形地质条件及地质构造较复杂的爆区。与集中装药相比，条形装药爆破时在岩体中的炸药分布比较均匀，因而岩石破碎效果优于集中装药。在抛掷爆破时，堆积体比较集中，药室的开挖跨度和高度比集中药室小，施工比较容易，但装药结构、起爆技术比较复杂。
在可以布置条形药包的地方，宜布置条形药包。
该爆破选用条形装药。
2.4 药包布置规划 2.4.1 斜坡地形单侧作用，抵抗线(W=32m)不，单排药包即能满足要求，采用单排药包； 2.4.2 由于地形较缓(45o-60o)，布置单层药包即可满足工程的要求。 3 爆破参数选择与计算 3.1 抛掷方量的确定爆破所抛掷的岩石与覆盖层所需岩石方量应相同，由于药室布置与被覆区纵向上线距离相同，因此只需使爆破漏斗抛出岩体面积（实方）与覆盖层面积（实方）相等或稍大即可满足爆破要求。
以平面图为依据绘制加2，加1两条勘探线处的剖面图，见附图1，附图2。由图中加2侧剖面图得出爆堆侧面积为1582.1682
，加1侧剖面图得出爆堆侧面积为1532.8284 。由于矿石类型简单，矿石物质组成也较简单，矿石属于中硫、低磷、贫磁铁矿石。矿体围岩主要为石榴黑云斜长片麻岩和混合花岗岩。岩体稳定性中等，岩石坚固性系数f=8~10，节理裂隙发育，岩石一般比较破碎，强度较低。据《爆破工程》（河北理工大学编）表7-5选择松散系数为1.3,可得出加2、加1侧的面积。
加2侧为：
（实方）
加1侧为： （实方）
故平均面积为
（实方）
斜坡地形单侧抛掷爆破，设定抛掷率E=60%，可根据地形坡面角θ的不同按表1选取。
表1 斜坡地形单侧抛掷时的爆破作用指数
|
坡面角θ /° |
15~30 |
30~45 |
45~60 |
60~70 |
|
n |
1.75~2.0 |
1.5~1.75 |
1.25~1.5 |
1.0~1.25 |
剖面图上近似量出坡面角θ=45~60 选n=1.4
3.3 最小抵抗线的确定对于加2剖面图上，试确定W=32m，下破裂半径R ，上破裂半径R、按下式计算：
R=
(3)
R、=
W (4)
式中β——岩土破坏系数，取β=1+0.016（
） (5)
故β=1+0.016（ ）3=
R=
=55.05m
×32=77.21m。
则由剖面图上量得S’1 =2002.45m2，满足要求。
验算加1剖面侧W=32m时S’2==1875.6m2，大约等于覆盖层面积S2满足要求。
因此确定W=32m。
3.4 药包间距的确定据
，其中 EQ \O(n,¯) 为两相邻药包爆破作用指数平均值，算的m=1.43。 (6)
抛掷爆破：
式中，l为条形药包长度为48m;
m为集中药包间距系数为1.43;
n为爆破作用指数为1.4；
q为单位炸药消耗量，选用2号高威力膨化硝铵炸药。
(8)
R为下破裂半径，R'为上破裂半径：
（9）
（10）
式中：β——岩土破坏系数，取 （岩石），
θ为地形坡面角（°）。
加2面线：θ1=45o R1=55.05m 
=77.21m
加1剖面线：θ2=47° R1=55.05m R2＇=77.21m
4.2 可见漏斗深度h=（0.39+0.27n）W
所以 h1=（0.39+0.27×1.4）×32=24.58m
同理 h2=24.58m
4.3 爆破方量计算首先计算剖面面积。通过CAD画图，可直接在剖面上计算出爆破漏斗面积S（实方），爆破漏斗内堆积面积S'2（松方），则抛出岩体的面积为：
（实方） （11）
（松方） （12）
式中：η—岩石松散系数，按教材表5-2选取η=1.3。
两个剖面之间的方量按面积法计算：
（13）
式中：Si，Sj——两个剖面的面积；
lij——两个剖面之间的距离。
按公式（13）分别计算出爆破方量和抛掷方量（实方和松方）。
加2面线：S3=2002.4m2(实方) S3＇=2603.12m2（松方）
加1剖面线：S3=1875.6m2 (实方) S3＇=2438.28m2（松方）
爆破方量V3 = 95963.4m3 (实方)
抛掷方量V3＇= 124752.4m3（松方）
5 药包布置原则及方法药包布置须遵循以下原则：规划有主辅药包时，先布置主药包，后布置辅助药包；在山峰—山脊地形，先布置山峰，后布置山脊；在需要保护边坡时，先布置边坡附近的药包；在特殊地质构造地带，应首先布置药包。
布置条形药包时，各剖面同层、同排药包的最小抵抗线应尽量一致。
药包布置的基本方法是垂直地形剖面法，即根据药包布置规划的药包数量和大概位置，通过垂直地形剖面法估算最小抵抗线、药包间距和装药量，爆破漏斗上下破裂半径等，再根据计算的装药量，对最小抵抗线和药包间距等参数进行验证和修正，最终得到合理的药包布置参数，确定其空间位置。
在平面图上确定药室的位置。条形药包应布置成直线或折线。在平面图上规划完药包后，应再作剖面图，校核条形药包的实际最小抵抗线，同一个条形药包的最小抵抗线允许误差范围为±7%。
6 装药、填塞与起爆网路 6.1 药室与导硐设计 6.1.1 药室的容积药室容积的大小与药室装药量、支护情况和装药密度有关。药室容积按下式计算：
（14）
式中：Δ——装药密度，0.95t/m3；
Kv——药室扩大系数，药室不支护和袋装炸药时，Kv=1.2~1.3；有支护和袋装炸药时，Kv=1.4。
药室高度以不超过2.5m为宜，以利于装药；其宽度以小于5m为宜，以确保施工安全。
经计算得 VQ=79.5t×1.2÷0.95=100.42m3
药室高度为 2m
药室宽度为 2m
6.1.2 药室形状设计条形药室形状为直线型，断面大小为长×宽×高=48m×2m×2m。药室体积为192m3
硐室中填充长度 L1=（1/4~1/6）W=8m
硐室中剩余长度 △L=40m
硐室中装药长度 L2=
1）分为平硐、小井两类。一般选用平硐，因为平硐便于通风、排水、运输，施工进度快。只有地形坡度小于20°（非常缓），最小抵抗线在15m以下时，才选用小井。据前面的设计故选用平硐。导硐布置须遵循以下原则：
①导硐布置应便于施工和作业安全，平硐或小井井口应布置在较稳固的岩层中，并尽量减少掘进工作量；硐口正前方无重要建筑结构设施。多层导硐布置时，上下硐口应尽量错开布置，以避免上下导硐施工时相互干扰。
②为了提高爆破效果，药室与平硐或小井之间须用横巷相联，横巷与平硐或小井垂直。与平硐相联的横巷长度不小于5m，与小井相联的横巷长度不小于3m。
③导硐的断面根据岩石的稳固性，工程量大小及施工方法来确定。平硐设计开挖断面选用1.5m×0.8m平硐设计开挖断面不宜小于1.5m×0.8m。
④为了便于通风和运输，导硐不宜过长。一般情况下，平硐长度不超过200m，小井深度不超过15m，横巷长度不超过20m；
⑤平硐应有一定的坡度，一般按5‰设计，便于排水和出渣。小井井下应设积水坑，药室中的地下水应沿横巷自流到井底的积水坑内。
2）导硐形式的确定
选择平硐。与平硐相连的横巷长度L为1/4~1/6W，L=8m；平硐坡度5‰；开挖断面与药室断面相同，为高×宽=2m×1.8m。
6.1.4 装药设计 6.2 装药设计药包装药时应严格按设计装药强度从最里端向外依顺序密实堆放，减少缝隙，起爆体放在药包中间位置。
装药方式为不耦合装药，硐室内没有淋水，使用普通炸药，可非防水炸药，选用高威力膨化硝铵炸药。
6.2.1 填塞设计填塞工作开始前，应在平硐或小井口附近备足填塞材料，填塞材料宜选用开挖导硐和药室排出的碎石，或外挖碎块砂石土，不应使用腐植土、草根等密度较低的材料。
靠近平硐的药室填塞长度不应小于最小抵抗线。其他药室，一般只填塞横巷，填塞从药室边缘开始，填塞长度一般为巷道断面最大边长的3~5倍，取为8m。若横巷的长度小于此长度应连续在平硐中填塞。一个平硐连接多个药室时除在横巷填塞外，还应在平硐中间隔开填塞。小井填塞，应先将横巷部分按平硐的填塞要求进行填塞。
填塞时，药室口和填塞段各端面应使用装有砂、碎石的编织袋进行堆砌，其顶部用袋料码砌填实不应留空隙。在有水的导硐和药室中填塞时，应在填塞段底部留一排水沟，并随时注意填塞过程中的流水情况，防止排水沟堵塞。
平硐填塞，应在导硐内壁上标明按设计规定的填塞位置和长度。填塞时，应保护好从药室引出的起爆网路，保证起爆网路不受损坏。填塞时，应有专人负责检查填塞质量。填塞完毕，应进行验收。
6.2.2 绘制药室及导硐布置平面图，药室布置剖面图药室及导硐的位置见附图。
6.3 起爆网路设计 6.3.1 起爆网路计算为保证安全准爆，设计采用“复式并串联”电雷管起爆网路。导线选用;
(1) 主线采用BV铜芯塑线，标称截面为4mm2,分两种颜色，总长1Km，总电阻为4.3欧姆。
(2) 支线选用BV铜芯塑线，用两种不同颜色，每种颜色4Km，总计8Km，标称截面为2.5mm2，电阻为7Ω/Km，总计56Ω。
(3) 每个药包8发电雷管，2个药包共计16发电雷管，每发以两个电阻计
总电阻：R=R1+R2+R3
式中：R1—主线电阻
R2—支线电阻
R3—电雷管总电阻
经计算本爆破工程总电阻R=11Ω
起爆器充电电压220伏，I=20安，流经单发电雷管电流为10安培，符合起爆安全规程5安培以上。
装药前应进行1:1网路模拟实验，确保达到准爆齐发的电流强度。
6.3.2 起爆网络的保护措施硐内起爆网路铺设时，应将网路挂在硐壁侧上方，避免装药充填时损坏电线，造成拒爆。
6.3.3 起爆站爆破主抛方向为东侧方向，起爆站拟改在北侧240米的山头上，可确保安全，并有利瞭望和通讯联络。
7 安全距离计算 7.1 爆破地震安全距离 7.1.1 爆破振动强度与安全判据爆破振动强度可以用质点振动的位移、速度和加速度等物理量来描述。我国通常采用质点振动速度和振动频率作为爆破振动强度的指标。
国内外实测结果表明，爆破振动速度与装药量、观测点到爆源的距离、岩土性质、地形条件和爆破方法等因素有关。萨道夫斯基提出以下经验公式：
（15）
式中：V——测点处质点振动速度，cm/s；
Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；
R——测点到爆源的距离，m；
K、α——与爆破点至测点间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按表6选取，或通过现场试验确定。
表6 爆区不同岩性的K、α值
|
岩性 |
K |
α |
|
坚硬岩石 |
50~150 |
1.3~1.5 |
|
中硬岩石 |
150~250 |
1.5~1.8 |
|
软岩石 |
250~350 |
1.8~2.0 |
安全允许标准如表7所示。
群药包爆破，各药包至保护目标的距离差值超过平均距离的10%时，用等效距离Re和等效等药量Qe分别代替R和Q值。Re和Qe的计算采用加权平均值法。
（16）
（17）
式中：ri——第i个药包至建筑物的距离，m；
Qi——第i个药包的药量，kg。
对于条形药包，可将条形药包以1~1.5倍最小抵抗线长度分为多个集中药包，，参照群药包爆破时的方法计算其等效距离和等效药量。
因为W=32>23所以取两个集中药包。
表7 爆破振动安全允许标准
|
序号 |
保护对象类别 |
安全允许振速（cm/s） | ||
|
<10Hz |
10Hz~50Hz |
50Hz~100Hz | ||
|
1 |
土窑洞、土坯房、毛石房屋a |
0.5~1.0 |
0.7~1.2 |
1.1~1.5 |
|
2 |
一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物a |
2.0~2.5 |
2.3~2.8 |
2.7~3.0 |
|
3 |
钢筋混凝土结构房屋a |
3.0~4.0 |
3.5~4.5 |
4.2~5.0 |
|
4 |
一般古建筑与古迹b |
0.1~0.3 |
0.2~0.4 |
0.3~0.5 |
|
5 |
水工隧道c |
7~15 | ||
|
6 |
交通隧道c |
10~20 | ||
|
7 |
矿山巷道c |
15~30 | ||
|
8 |
水电站及发电厂中心控制室设备 |
0.5 | ||
|
9 |
新浇大体积混凝土d： 龄期：初凝~3d 8 龄期：3d~7d龄期：7d~28d |
2.0~3.0 3.0~7.0 7.0~12 | ||
|
注1：表列频率为主振频率，系指最大振幅所对应波的频率。 注2：频率范围可根据类似工程或现场实测波形选取。选取频率时亦可参考下列数据：硐室爆破<20Hz；深孔爆破10Hz~60Hz；浅孔爆破40Hz~100Hz。 | ||||
|
a选取建筑物安全允许振速时，应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。 b省级以上（含省级）重点保持古建筑与古迹的安全允许振速，应经专家论证选取，并报相应文物管理部门批准。 c选取隧道、巷道安全允许振速时，应综合考虑构筑物的重要性、围岩状况、断面大小、深埋大小、爆源方向、地震振动频率等因素。 d非挡水新浇大体积混凝土的安全允许振速，可按本表给出的上限值选取。 | ||||
在爆破设计时，需划定爆破振动安全距离，以确定爆破地震效应的影响范围，以及采取必要的减震措施。由式（15）可以根据保护对象的爆破振动安全允许速度和装药量，计算爆破地震安全距离：
（18）
式中：V安——保护对象的安全允许振速，cm/s；
因为为坚硬岩石，所以取K=100,a=1.5;又因为硐室爆破频率<20Hz，所以选取安全允许振速V=2.5 cm/s；据公式（15）算得安全距离 R=50.3m。
8.2 个别飞散物安全距离爆破时被破碎的某些介质碎块具有较大的动能，可以从原位抛出至很远的距离，称为个别飞散物，在岩石爆破中一般称为飞石。
8.2.1 个别飞散物的安全距离计算为防止个别飞散物伤及人员和设备设施，防止伤亡事故发生，应根据个别飞散物的安全距离划定安全警戒范围。警戒范围内撤走所有的人员和设备，不能移走的设备做好防护。个别飞散物对人员的安全距离不应小于表8的规定；对设备或建筑物的安全允许距离应由设计确定。抛掷爆破时，个别飞散物对人员、设备和建筑物的安全允许距离，应由设计确定。
集中装药硐室爆破个别飞散物的安全距离可按下式估算。
（20）
式中：Rf——个别飞散物的安全距离，m；
n——爆破作用指数,1.4；
W——最小抵抗线，32m；
Kf——系数，一般取1.0~1.5，依地形与不同方向上可能产生个别飞散物的条件而定,取为1.2。
算得 Rf=1550.28m。
个别飞石仅对东面采坑，为保证绝对安全，有利安全警戒，爆破时要求中心区域1551m内的人员疏散到安全警戒线外。
对设备的安全距离，一般取1/2 Rf，本设计取775.7m。
表8 爆破个别飞散物对人员的安全允许距离
|
爆破类型和方法 |
个别飞散物的最小安全允许距离/m | |
|
1．露天岩土爆a |
a）破碎大块岩矿： 裸露药包爆破法 浅孔爆破法 |
400 300 |
|
b）浅孔爆破 |
200（复杂地质条件下或未形成台阶工作面时不小于300） | |
|
c）浅孔药壶爆破 |
300 | |
|
d）蛇穴爆破 |
300 | |
|
e）深孔爆破 |
按设计，但不小于200 | |
|
f）深孔药壶爆破 |
按设计，但不小于300 | |
|
g）浅孔孔底扩壶 |
50 | |
|
h）深孔孔底扩壶 |
50 | |
|
I）硐室爆破 |
按设计，但不小于300 | |
|
2．爆破树墩 |
200 | |
|
3．森林救火时，堆筑土壤防护带 |
50 | |
|
4．爆破拆除沼泽地的路堤 |
100 | |
|
5．水下爆破 |
a）水面无冰时的裸露药包或浅孔、深孔爆破 水深小于1.5m 水深大于6m 水深1.5~6m |
与地面爆破相同 不考虑飞石对地面或水面以上人员的影响 由设计确定 |
|
b）水面覆冰时的裸露药包或浅孔、深孔爆破 |
200 | |
|
c）水底硐室爆破 |
由设计确定 | |
|
6．破冰工程 |
a）爆破薄冰凌 |
50 |
|
b）爆破覆冰 |
100 | |
|
c）爆破阻塞的流冰 |
200 | |
|
d）爆破厚度大于2m的冰层或爆破阻塞流冰一次用药量超过300kg |
300 | |
|
7．爆破金属物 |
a）在露天爆破场 |
1500 |
|
b）在装甲爆破坑中 |
150 | |
|
c）在厂区内的空场中 |
由设计确定 | |
|
d）爆破热凝结物 |
按设计、但不小于30 | |
|
e）爆炸加工 |
由设计确定 | |
|
8．拆除爆破、城镇浅孔爆破及复杂环境深孔爆破 |
由设计确定 | |
|
9．地震勘探爆破 |
a）浅井或地表爆破 |
按设计，但不小于100 |
|
b）在深孔中爆破 |
按设计，但不小于30 | |
|
10．用爆破器扩大钻井b |
按设计，但不小于50 | |
|
a沿山坡爆破时，下坡方向的飞石安全允许距离应增大50%。 b当爆破器具置于钻井内深度大于50m时，安全允许距离可缩小至20m。 | ||
安全技术措施 8.3 防震技术措施
鉴于爆破规模大，务必进行如下安全防震技术措施：
（1） 应用毫秒延迟爆破技术，延迟起爆药量比满足波能能量相互制动条件。
（2）装药前应进行1：1起爆网路模拟实验。
（3）装要前进行炸药的爆破漏斗实验，取得炸药爆破参数。
（4）正式大爆破时，务必在有关的建筑物周围进行爆破地震波强度的监制工作，以便有充分数据表明爆破震动的安全影响程度。
（5） 利用爆区孤立山峰周边天然山沟作为防振沟，得以衰减以至隔断震动峰值。
（6） 爆破震动与地震震级的换算：
M=（2/3）Log(ζQU)-2.5333
式中：M——震级
Q——药量Kg
U——炸药比能
ζ——条件系数
换算结果小于与爆破相当的天然地震震级3.20级，但是爆破地震与天然地震是不可直接比拟，因为爆破地震是以应力波的形式传播作用于结构物上，其破坏力较同级的天然地震小得多，这是因为爆破地震能量小、埋置浅、频率高、衰减快，持续时间短所致。天然地震则与之相反：能量大、震源深、频率低（与建筑物自振频率相当）、衰减慢，基于所计算的振动已有设计控制，又因爆破地震破坏能力很小，所以本工程爆破不会造成震坏。
8.4 个别飞散物产生原因及预防措施因为炸药爆炸能破碎岩石后，还有剩余的气体能量继续作用于破碎后的碎块，使之获得较大的动能和初始速度从而将碎块抛掷很远，形成个别飞散物。如果某个方向的最小抵抗线过小或遇有岩体构造上的结构面，在此方向上的碎块获得极大的动能和初始速度，个别飞散物的抛掷距离更远。抛掷爆破、裸露爆破非常容易产生个别飞散物。炮孔或硐室爆破当填塞长度不够或填塞质量较差时，也容易产生个别飞散物。
任何爆破工程都应采取有效措施预防和控制个别飞散物的产生。在爆破设计施工时，应注意以下几个方面：
（1）药包位置应避开夹层、裂缝或混凝土结合面等。
（2）装药前应认真校核各药包的最小抵抗线，根据实际测量结果修正装药量，避免盲目装药。
（3）应确保炮孔或硐室的填塞长度和填塞质量，禁止无填塞爆破。
（4）必要时对爆破体进行覆盖或遮挡。
9 主要技术经济指标|
序号 |
项目 |
单位 |
数量 |
|
1 |
爆破岩石方量 |
m3 |
95963.4 |
|
2 |
计算总药量 |
T |
79.5 |
|
3 |
单位消耗量 |
Kg/m3 |
1.13 |
|
4 |
硐室工作量 |
m |
48 |
|
5 |
覆盖层厚度 |
m |
30 |
[1] 戴俊．爆破工程［M］．北京：机械工业出版社，2007．
[2] 杨守中．爆炸基本原理［M］.北京：国防工业出版社，1988．
[3] 秦明武．控制爆破［M］.北京：冶金工业出版社，1993．
[4] 高尔新，杨仁树．爆破工程［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1999．
[5] 中华人民共和国国家标准GB6722—2003.爆破安全规程[S].北京：中国标准出版社，2004．
[6] 郑炳旭，肖文雄，高荫桐，等．条形药包硐室爆破[M]．北京：冶金工业出版社，2009．
[7] 于亚伦．工程爆破理论与技术．[M]．北京：冶金工业出版社，2008．
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