爆破工程地质

这里所讲的地质条件，主要是指岩石的物理力学性质和地质构造等。它们对爆破设计参数、药包位置、爆破方法、爆破范围以及爆破效果等都有影响。

2.1.1岩石的物理力学性质对凿岩爆破的影响

①硬度：一般而言，硬度愈大，凿岩愈困难。

②强度：岩石抵抗压缩、拉伸及剪切作用的性能。岩石一般抗压强度最大，抗拉仅为抗压强度的1/10～1/50，而抗剪强度仅为抗压强度的1/8～1/12。其中抗压强度是决定岩石等级的主要指标之一。

③弹塑性：因为岩石在变形过程中，要稍耗大量的能量，所以在爆破中，塑性变形大对凿岩爆破有不良影响。

④韧性：它取决于岩石颗粒彼此之间以及颗粒与胶结物之间的凝聚力的大小。韧性大的岩石，凿岩困难，不易破碎。

⑤脆性：岩石不经过显著的残余变形而破坏的性能，岩石变形过程中能量损失铰小，容易破碎。

⑥密度：岩石的密度影响到岩石的破坏过程，和爆炸冲击波在岩体内的传播速度，以及在不同密度岩层中的应力分布。

⑦容重：岩石容重是决定计算单位耗药量Ｋ值的主要指标之一，因为施工现场极易测定，所以在爆破工程中得到普遍采用。

2.1.2岩石物理力学性质对爆炸波能量传播的影响

爆炸冲击波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性模量有关，而冲击波所携带的能量的分布，则与动力刚度的比值有关(动力刚度H是介质的弹性模量与密度乘积的平方根,即:)。当冲击波通过不同密度和性质的介质时，冲击波能将受到阻碍或削弱,也就是说，当岩体中存在软弱夹层时，冲击波的传播速度将受到阻碍，当软弱夹层为极稀疏物质时，冲击波将会被阻断。  

主要影响：炸药单耗、孔网参数、爆破松散系数、爆破地震强度计算系数等很多爆破设计参数和安全计算系数。

严重影响爆破效果和爆破设计参数的地质构造，主要是岩层层理、断层、节理、不整合面、沉积间断面、岩浆岩与围岩的接触面以及各种成因的软弱夹层等，这些地质构造几乎到处存在。因此，在爆破设计时充分摸清爆破地段内所有构造的分布、产状等特征，研究其影响，是达到合理利用其有利条件和化不利影响为有利条件的主要方法。

2.2.1岩体结构对爆破作用的影响
2.2.1.1.结构面对爆破作用的影响

结构面：是指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性的各种地质界面，如断层、节理、层理及不整合面等。

结构面对爆破有如下影响作用：

（1）应力集中作用

结构面尖端产生应力集中,使岩体从结构面处先开裂。

（2）应力波反射拉伸作用

压应力波遇结构面反射为拉应力波,产生反射拉伸裂隙。

（3）能量隔离与吸收作用

应力波通过张开裂隙或软弱带时，引起应力波反射以及软弱带内的介质产生压缩变形，对爆破能量起到了一定程度的隔离或吸收作用。

（4）能量泄漏作用

软弱带或软弱面与地表或溶洞贯通，炸药爆炸的部分能量将以“冲炮”或其他形式向临空面或溶洞泄出，使爆破效果明显降低。

（5）高压气楔作用

高温、高压爆轰气体侵入岩体结构面，对岩体产生气楔劈裂破坏作用，使结构面进一步扩展。

结构面的爆破影响主要取决于结构面的性质、产状与药包位置的关系。

岩矿石爆破碎块大小首先取决于原生裂隙面，其次为爆破作用形成的新鲜破裂面（次生破裂面）。

结构面的发育程度对块度分布有控制性影响，原生裂隙越多，块度愈大。

2.2.1.2断层对爆破的影响

实践证明，在药包爆破作用范围内的断层（fault）或大裂隙能影响爆破漏斗的大小和形状，从而减少或增加爆破方量，使爆破不能达到预定的抛掷效果甚至引起爆破安全事故。

图2-1中的药包布置在断层的破碎带中。

图2-2中的药包位于断层的下面。

2.2.1.3溶洞对爆破效果的影响

在岩溶地区进行大爆破时，地下溶洞对爆破效果的影响不容忽视。溶洞能改变最小抵抗线的大小和方向，从而影响装药的抛掷方向和抛掷方量（图2-3）。爆区内小而分散的溶洞和溶蚀沟缝，能吸收爆炸能量或造成爆破漏气，造成爆破不匀，产生大块。

溶洞还可以诱发冲炮、塌方和陷落，严重时会造成爆破安全事故。对于深孔爆破，地下溶洞会使炮孔容药量突然增大，产生异常抛掷和飞石（图2-4）。

2.2.1.4层理对爆破的影响

在生产实践中，遇到最多和对爆破作用影响较大的是岩层层理和层理裂缝，特别是在石灰岩、板岩、片岩等不同种类岩石相间的岩层中尤为突出。层理一般对爆破漏斗的形状，爆破力量、抛掷方向和抛掷距离等有一定影响。

①药包最小抵抗线与层理面平行，爆破时不改变抛掷方向，但减小爆破方量，即爆破效果降低，爆破漏斗不是圆锥形，而是沿层理面形成的方形坑。这种情况下，抛掷距离一般较远，有可能沿层理面发生冲炮。

图2-5 最小抵抗线与层理平行

②药包最小抵抗线与层理面垂直，爆破时不改变抛掷方向，但将扩大爆破土石方量，抛掷距离变小。

图2-6 最小抵抗线与层理平行

③层理面与最小抵抗线斜交时，爆破抛掷方向将受到影响，爆破方量多数减少，有时也可增加。

图2-7 最小抵抗线与层理斜交

2.2.1.5节理对爆破的影响

有些岩体中的节理，虽然组数较多，但常仅有一组或两组起主导作用，这样它们对爆破作用的影响主要由这一两组决定。当岩体仅受到一组主节理的切割时，其对爆破作用的影响

与层理的影响相似。大的节理对爆破的影响则与断层的影响相似。   

当岩体受到两组主节理的切割时，它们的影响作用就与层理的影响有明显差别，这时爆破抛掷方向一般不容易改变，爆破方量可能受到一定的影响（有可能大，也有可能小，取决于最小抵抗线与节理的方位）。

当岩体受到多组发育程度相同的节理所切割时，岩体被切成碎块，各节理面不起主导作用，而只是破碎程度影响爆破设计及爆破效果。 

2.2.1.6自由面对爆破效果的影响

在爆破工程中自由面的作用是非常重要的。有了自由面，爆破后的岩石才能向这个面破坏和移动。增加自由面的个数，可以在明显改善爆破效果的同时，显著地降低炸药消耗量。合理地利用地形条件或人为地创造自由面，往往可以达到事半功倍的效果。

图2-8 很形象地说明了自由面个数对爆破效果的影响。图中（a）表示只有一个自由面时的情况，图中（b）表示具有两个自由面时的情况。如果岩石是均质的，而且其它条件相同，那么图中（b）条件下所爆下的岩石体积几乎为（a）条件下的两倍。

图2-8 自由面对爆破效果的影响

对于大规模的硐室爆破来说，地形条件是影响爆破效果和经济指标的重要因素。爆区的地形条件主要包括地面坡度、临空面个数和形态、山体高低及冲沟分布等地形特征。这些条件是进行爆破设计必须充分考虑的重要因素。

2.3.1地形对爆破岩土抛掷方向的影响

地形决定了药包最小抵抗线的方向，爆破后岩土沿最小抵抗线方向抛出。在平地爆破，土岩抛出方向是向上的；斜坡地面爆破，土岩主要沿斜坡面法线方向抛出（沿最小抵抗线方向）；斜坡地面爆破的抛掷现象又与山坡纵向形态有关，如图2－9所示。图a为平直山坡，岩石主要沿最小抵抗线方向抛出；

图b为凸面山坡，最小抵抗线方向并不是唯一的，药包在很多方向上至坡面的距离都接近最小抵抗线，所以岩土为发散抛射；图c是凹面山坡，岩土是定向集中抛射。

图2－9  山坡纵向形态对抛掷效果的影响

a－平斜坡；b－凸山坡；c－凹山坡

2.3.2地形对爆破岩土量的影响

鼓包地形有利于爆破，爆破岩土量大，而山沟洼地由于地层夹制作用不利于爆破，爆破岩土量小。

2.3.3地形对爆漏斗形状的影响

①平地：倒立的圆锥体；

②斜坡：倒立的椭圆锥体；

③山脊：两个倒立椭圆锥体组成；

④孤立山头：多个倒立椭圆锥体组成。

2.3.4地形对抛掷方向的影响

①平地：向上抛；

②斜坡：沿斜坡面法线方向抛出；

③山脊：向两侧抛掷；

④孤立山头：四面开发；

⑤山嘴：向三个方向飞散。

地下水会降低炸药的敏感度和威力，甚至使炸药失效而产生拒爆；

使堵塞不紧而产生冲炮；

使雷管受潮或电爆网路短路，影响网路的质量。

在有水的地方爆破，应采取严密的防水措施。

根据爆破作用基本原理，在有临空面条件下的爆破，从药包中心向外可分为：压缩区、爆破漏斗区、破裂区和振动区。一般压缩区和爆破漏斗区是需挖运的爆破范围，破裂区和振动区则是爆破可能引起工程地质问题的区域。

通常爆区后缘地表破坏范围比深层破坏范围大，地表破坏与深层基岩破坏有不同的特点 。

后缘地表破坏是由后冲和反射拉伸波作用形成，裂缝常沿平行临空面方向延展，且距爆破区越近就越宽、越密；

地表裂缝宽度和延展长度与爆破规模、爆破夹制作用、爆破方法和地形地质条件有关。

爆破规模大、夹制作用强，地表裂缝破坏程度大 。

一般开山采石不需要考虑基岩破坏；

路堑开挖爆破仅考虑药包周围压缩圈产生的破坏范围（一般情况下需给路基和边坡预留保护层，保护层厚度为压缩圈半径）在水工坝基开挖中，即使在爆破作用下产生微小的裂缝也被视为对基岩的破坏。

一般上层采用深孔爆破，下层采用浅孔爆破，最底层采用人工凿除的办法，或采用水平炮孔预裂爆破，形成水平预裂面，以阻止上层爆破裂缝向下层扩展 。

爆破产生的边坡失稳分为两类：一类为爆破振动引起的自然高边坡失稳；另一类为爆破开挖使工程边坡遭受破坏，日后风化作用引发不断的塌方失稳。

硐室爆破对边坡稳定性影响最大，深孔爆破次之，浅孔爆破最小。所以在硐室爆破设计中应对边坡稳定性影响有足够重视。

3.3.1爆破对自然边坡稳定性的影响

两个因素：爆破震动强度；坡体自身的地形、地质条件。

（1）爆破震动作用下，坡角越大、岩体强度越低，越容易失稳；

(2)爆区附近的坡体内存在贯通滑动面或古滑坡；

(3)坡体内有倾向坡体外的节理裂隙；

(4)岩体内垂直柱状节理十分发育，且边坡高陡 ；

(5)坡缘处原有摇摇欲坠的危石。

3.3.2爆破对保留边坡隐定性的影响

一般的爆破都会对保留边坡的内部岩体产生破坏，受破坏的程度主要与如下因素有关：

(1)爆破药量

(2)最小抵抗线

(3)工程地质条件

(1)选择合理的爆破方案

①硐室爆破对边坡破坏作用强，所以预留保护层较厚。预裂钻孔爆破和硐室爆破相结合的爆破技术得到发展既能很好地保护残留边坡，又能实现快速、经济和大规模的土石方爆破。

②钻孔爆破可预留光面层，使边坡得到最大限度的保护。

③地下开挖通过不良地层时，要采取控制爆破和加强支护的措施，例如控制单响药量，周边进行光面爆破，放完炮马上进行支护，等措施。如果发生了塌方、冒顶，则需要进行加强密集支护通过不良地质段 。

(2)地下采掘爆破工程造成地面塌陷，形成地表塌陷区。塌陷区的范围是可以预先划定的，在该区范围内不得设置任何地下工程(竖井、平巷)，地表不得设置道路和建筑物，也不能设置工业设施。

(3)地应力变化引起的地质问题。

在深层开挖隧道工程时，因地压作用使隧道变形，甚至将隧道摧垮。有些地段，在开挖断面处发生岩爆。更有甚者，在大地活动构造带附近进行大面积长时间采掘作业，在构造带形成地应力。地应力增大到一定程度时发生应力释放，引起构造带活动从而形成地震 。

(4)爆破引起的地下水及瓦斯突出事故发生过许多，造成矿区的重大损失。预防这类事故的可靠措施是在滑动地段打超前孔，作超前地质预报，随时进行地下水、瓦斯浓度监测 。