陈晓波，邹盛国

（第二炮兵指挥学院，湖北武汉430012）

·隧道与建设工程·

隧道直孔掏槽爆破的炮孔间距分析与确定

陈晓波*，邹盛国

（第二炮兵指挥学院，湖北武汉430012）

炸药爆炸能量、炮孔体积、爆破作用指数是影响直孔掏槽炮孔间距的重要因素；在因素分析的基础上，结合已有的计算方法，通过算例求解，为爆破法施工提供了理论依据。

隧道掘进；直孔掏槽；炮孔间距

1 概述

在隧道掘进爆破作业中，常用的楔形掏槽法、锥形掏槽法和扇形掏槽法，都有较大的角度要求，受作业面限制大，钻孔浅，作业循环次数多，进度较慢，满足不了机械化作业的需要。而直线深孔掏槽法，则不受断面大小限制，有利于展开机械化作业，速度快，工效高，但钻孔操作较复杂，炮孔精度要求高，孔数较多，如果孔距选择不当，爆破效果不易保证。究其原因，主要是没有很好地解决直线深孔掏槽的岩石夹制作用问题，特别是掏槽孔孔距的合理确定问题。因此，研究解决隧道爆破作业中直线深孔掏槽孔距确定的有关问题，改进爆破技术和施工方法，为实现机械化作业创造条件，是隧道掘进工程作业的努力方向。

2 影响炮孔间距的因素

目前，直线深孔掏槽法可分为：梅花形掏槽、大口径掏槽、直线菱形掏槽、螺旋形掏槽和扩大孔底（药壶）掏槽等。其掏槽孔间距有2种，一种是爆破孔与空孔之间的间距；另一种是两相邻爆破孔的间距。而影响爆破孔与空孔之间的间距因素很多，其主要有炸药的爆炸能量，炮孔的体积和爆破作用指数。

2.1 炸药的爆炸能量

炸药爆炸时产生的爆炸能量应满足破碎爆破孔与空孔之间岩体所需要的能量，否则将产生冲炮。

2.2 炮孔的体积

炮孔的体积（空孔与爆破孔）应满足爆破孔与空孔之间被破碎的岩石因岩渣碎胀所增加的岩渣体积，否则将产生岩渣挤死现象，出现再生岩。

2.3 爆破作用指数

爆破作用指数应满足既使爆破孔与空孔之间的岩渣能挤入空孔，而又不能将空孔挤死造成空爆或再生岩。

3 炮孔间距的计算方法

3.1 计算方法的建立

采用中空孔直眼掏槽爆破，在确定炮孔间距时，为了便于利用已有的集中装药爆破理论和计算公式，爆破装药设为似集中装药，即把直列装药分段，每段不大于4倍炮孔装药直径，再以每段长的装药视为集中装药。已有资料表明[2]，用似集中装药代替集中装药其粉碎区范围却与圆柱形直列装药时的粉碎区范围相近。计算炮孔间距时，首先按炸药爆炸能量，确定爆炸压力与反射拉应力对岩石的破碎范围大小；再根据爆破孔与空孔的体积应满足爆破孔与空孔之间的原岩因碎胀而增加的体积要求，确定炮孔间距值；最后，按爆破作用指数的要求（爆破作用指数过大，易产生再生岩；过小，易产生冲炮现象），确定炮孔间距值。

因此，合理的、适用的炮孔间距应同时满足以上3个条件，并取其中最小值为使用值。

3.2 算例

设某爆破工程，采用中空孔梅花形直线深孔掏槽，爆破孔深4.0m，炮孔直径为45mm，空孔直径为90mm；2号岩石硝铵炸药，药卷直径为32mm，装药密度为1.0，装填系数为0.75；围岩属Ⅳ类致密的石灰岩，抗压强度为430kg/cm2，抗拉强度为33kg/cm2，岩石碎胀系数1.7；计算爆破孔与空孔之间的距离。

3.2.1 计算似集中装药量

根据已有资料[1]，粉碎区范围与药量的立方根成正比：

式中：R1——粉碎区半径；

Q——似集中装药量；

K0——岩石特性影响系数，一般为0.2～0.5。

式中：d0——药卷直径；

ρ——装药密度。

或根据在粉碎区炸药爆炸时的压应力P1大于或等于岩石抗压强度的条件，可得计算粉碎区半径的另一公式：

式中：P1——似集中装药的爆压；

σp——岩石的抗压强度。

由公式（2）代入已知参数得：

Q=πd30ρ=π×3.23×1.0≈100（g）

3.2.2 计算爆炸参数

2号岩石硝铵炸药中含硝酸铵85%，梯恩梯11%，其它4%。根据已有资料计算[2]。

（1）计算爆炸物生成气体的体积。在标准状态下1克分子的任何气体体积都是22.4L，所以根据化学方程式和爆炸物生成气体的克分子数即可求出气体的体积。

①硝酸铵爆炸时生成的气体体积：

1克分子的硝酸铵是14+4+14+16×3=80（g），即80g的硝酸铵爆生气体的体积为78.4 L，在2号岩石硝铵炸药中硝酸铵占85%，故100g的2号岩石硝铵药中有85g的硝酸铵，其爆生气体的体积为：

（85÷80）×78.4=83.3（L）

②梯恩梯爆炸时生成的气体体积：

因C为固态，故:

1克分子梯恩梯是：12×6+1×2+14×3+16×6+12+3× 1=227（g），即227g的梯恩梯爆生气体体积为168L，2号岩石硝铵炸药中梯恩梯占11%，100g的2号岩石硝铵炸药含梯恩梯11g，其爆生气体体积：

（2）计算爆炸热量。根据盖斯定理得知，爆炸反应时的热效应与反应过程无关，只取决于该系统的始态和终态。因此爆炸热量Q等于爆炸产物的化合生成热量Q1与炸药本身化合生成热量Q2的代数差。即：

1克分子的CO为27.17kCal，1克分子汽态H2O为57.49kCal，1克分子硝酸铵为84.75kCal，1克分子梯恩梯为13.5kCal。

①硝酸铵的爆炸热量。由公式（4）得知，硝酸铵的爆炸热量只有2克分子的汽态水生成热，氮和氧始态和终态未变，故无生成热，所以爆炸产物的总生成热为：Q1=2×57.49=115（kCal），Q2=84.75kCal，代入公式（6）得：

1克分子硝酸铵（80g）爆炸热量为30.25kCal，在100g的2号岩石硝铵中，硝酸铵的爆炸热量为：（100× 85%）÷80×30.25=32.14（kCal）。

②梯恩梯的爆炸热量。由公式（5）得知，梯恩梯的爆炸热量有2.5克分子的汽态H2O和3.5克分子的CO，碳和氮始态和终态未变，故无生成热，所以爆炸产物的总生成热量：

代入公式（6）得：

1克分子梯恩梯（227g）的爆炸热量为225.32kCal，100g的2号岩石硝氨炸药中的梯恩梯的爆炸热量为：

（3）计算爆炸温度。

式中：Q——爆炸热量；

N——爆炸后生成气体的克分子数；

CV——爆生气体的平均定容比热，氮、氧、一氧化碳为7卡/（克分子·度），水（H2O）为12卡/（克分子·度）；

T0——初始温度2730K。

①硝酸铵的爆炸温度。由公式（4）可得硝酸铵爆炸产物的克分子数为：2+1+0.5=3.5，故其平均热容量为：

100g的2号岩石硝铵炸药中硝酸铵爆炸后生成的气体克分子数为：

代入公式（7）得：

②梯恩梯的爆炸温度。公式（5）表明，1克分子梯恩梯爆炸生成7.5克分子气体，100g的2号岩石硝酸铵炸药中梯恩梯的克分子数为:

1克分子梯恩梯爆炸生成气体分子数为：5/2+ 7/2+3/2=7.5（克分子），100g的2号岩石硝铵炸药中11g的梯恩梯爆炸生成的气体克分子数为：N=0.048× 7.5=0.36（克分子）。故梯恩梯爆生气体的平均热容为：CV=（5/2×12+7/2×7+3/2×7）÷（5/2+7/2+3/2）= 8.76[卡/（克分子·度）]。

代入公式（7）得100g的2号岩石硝铵炸药中梯恩梯的爆温：

（4）计算爆炸压力。由理想气体状态平衡方程式得知:

式中：P1——爆炸压力；

P0——初始压力，为1个大气压，等于1.034kg/cm2；

V0——爆炸生成气体在标准状态下的体积，硝酸铵为83.3L，梯恩梯为8.1L；

V1——似集中装药所占的炮孔容积，V1=πd3= π4.53=0.286（L）；

T1——爆炸温度，硝酸铵为1149.240K，梯恩梯为3790.880K。

①硝酸铵的爆炸压力：

②梯恩梯的爆炸压力：

③100g2号岩石硝铵炸药的爆炸总压力：

即：P1=1674kg/cm2

3.2.3 计算炮孔间距

（1）按爆炸破坏范围确定炮孔间距。由公式（1），取Q=0.1kg，算得粉碎区边界如表1所示。K0值可通过试验确定，它主要与岩石特性有关。表1中R1应与公式（3）算得的R1值做比较取小选用。

表1 在各种K0值条件下似集中装药的爆炸粉碎区边界(mm)

由公式（3）算得粉碎区边界R1=6.2cm。

再由反射拉应力波对岩石的破坏范围计算式[1]：

式中：σN——爆破孔中的似集中装药爆炸时，在空孔壁上形成的反射拉应力波强度值；

P1——似集中装药的爆压；

r0——装药半径（常取爆破孔半径）；

r——空孔半径；

n——爆破作用指数，取0.1～0.75，当空孔直径较小时，取较小值；反之，取较大值。当空孔直径D= 90mm时，n=0.45较合适；

α——冲击波传播的衰减指数，一般情况下取2。

代入公式（9）得：

反射拉应力波向爆破孔方向传播，并以r2/（r+x）2的规律衰减，衰减后的拉应力波破坏岩石的条件为：

得：

式中：x——反射拉应力波对岩石的破坏范围；

σL——岩石的抗拉强度；

其余符号同前。

由公式（10）、（12）算得：

则炮孔间距：

（2）按炮孔体积确定炮孔间距。根据资料[1]，炮孔间距值可用下式计算：

式中：a——爆破孔与空孔之间的距离；

d——爆破孔直径；

D——空孔直径；

h——装填系数；

K——岩石碎胀系数，见表2。

表2 各类围岩碎胀系数K值表

由公式（13），可算出不同条件下的a值。如按爆破空孔直径最小为40mm，药孔装填系数（h）为0.75时，在各种岩石碎胀系数（K）和空孔直径（D）条件下的炮孔间距a值，见表3。

表3 不同K值和D值时的炮孔间距a

根据表3查得在该条件下的a值为21.9cm。

（3）按爆破作用指数确定炮孔间距。按爆破作用指数的要求确定爆破孔与空孔之眼距离的计算式[1]：

式中：n——爆破作用指数；

D——空孔直径。

由公式（14），可算出不同D、n值时的a值见表4。

表4 不同D值和n值时的炮孔间距a(mm)

由表4查得a=14.9cm。

（4）确定炮孔间距使用值。根据上述计算和查表结果,按应同时满足以上3个条件，并取其中最小值为使用值。可确定最小炮孔间距为65mm；最大炮孔间距为219mm。相邻爆破孔之间的距离为已爆爆破孔与空孔之间的间距加粉碎区半径，即a=65+62=127（mm）。其炮孔布置形式之一如图1所示。

图1 炮孔布置图（mm）

4 结论与建议

中空孔直眼掏槽时，爆破孔与爆破孔、爆破孔与空孔的间距是关系到直眼掏槽成败的主要问题，而影响的主要因素有炸药的爆炸能量、炮孔的体积和爆破作用指数。此外，钻眼质量、炸药、雷管、起爆次序、起爆药包位置、堵塞等也很重要。因此施工中能否做好精细化施工，合理设计并选用其佳的使用值，仍是保证直眼掏槽获得较好的经济技术效果的关键。

鉴于直线深孔掏槽的爆破理论和计算公式，受到一系列因素的影响，所以目前要从理论上定量地、准确地加以确定尚有困难，但并不妨应用时，通过现场试验进行合理选择与确定炮孔间距。

[1]潘涤泉.论中空孔直眼掏槽炮眼间距计算的理论与实践[J].铁道工程学报，1985（3）：89-92.

[2]刘殿中，等.工程爆破实用手册[M].北京:冶金工业出版社, 1995.

TheAnalysis and Determination of the Interval of Boreholes of Tunnel Parallel Cut Blasting

CHEN Xiao-bo,ZOU Sheng-guo
(The Second Artillery Command College of PLA,Wuhan Hubei 430012,China)

The explosive energy,volume of boreholes and index of blasting effect are the three important factors to affect the interval of boreholes of parallel cut blasting.On the basis of factor analysis and combining existing calculation methods,with solving by an example，the theoretical basis is provided for blasting operation.

tunnel excavation；the parallel cut；interval of boreholes

U455.6

A

1004-5716（2015）05-0163-05

2014-04-29

2014-04-29

陈晓波（1962-），男（汉族），四川成都人，副教授，现从事地下工程方面教学与科研工作。