一种半无限岩体中爆破扩裂的方法与流程

本发明涉及一种岩体爆破扩裂的方法，具体涉及一种适用于解决铁路、水利、矿山等工程建设领域中涉及半无限岩体中爆破扩裂问题的方法。

背景技术：

铁路、水利、矿山等建设中，在半无限岩体内开挖的方法有钻孔爆破施工法(简称钻爆法)和掘进机施工法两种，其中掘进机包括悬臂掘进机、盾构机和全断面硬岩掘进机（TBM）等大型机械设备。目前钻爆法通过凿岩机钻孔、利用炸药破岩。施工过程中，费时、工人劳动强度大；粉尘、噪声、炮烟等污染严重；且炮孔利用率不高，难以保证光面爆破的效果，爆破震动对围岩影响较大等。

在机械化的趋势下，掘进机施工法应用在半无限岩体的开挖将会越来越多。掘进机施工法主要是利用切割头破岩，具有巷道成型好、几乎没有超欠挖、对围岩损伤小；工人劳动作业的强度得到大幅度的降低等优势，是半无限岩体开挖施工的主要发展方向。一般来说，掘进机在岩石较软和节理裂隙发育的泥岩、砂质泥岩和页岩等岩层中，有着较高的掘进效率。但由于掘进机在掘进过程中，岩体的岩性变化较快，常常会遇到超过掘进机切割能力且完整性和坚固性较好的坚硬岩体。若掘进机在此类岩体中掘进，一是掘进机切割岩石变得很困难，主要体现在切割速度慢、截齿（切割头上的刀具）消耗大幅度增加，造成巷道施工成本大大增加；二是切割的岩石呈粉末状落下，与水混合形成稀泥，影响出矸和迎头作业，且这些岩粉扩散到空气中，影响工人身体健康；三是施工中掘进机会产生很大的振动，易造成其整体结构疲劳损伤，降低了其使用的寿命。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题，本发明的目的是提供一种半无限岩体中爆破扩裂的方法,通过预先在半无限岩体中爆破扩裂，降低岩体的强度和完整性，有利于实现半无限岩体的机械化开挖。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种半无限岩体中爆破扩裂的方法，该方法包括以下步骤：

A.在半无限岩体中布置至少一个扩裂爆破孔和多个诱导孔；

B.扩裂爆破孔内装入特制的爆破炸药，然后起爆，增加半无限岩体内的裂隙；

C.根据工程需要，采用机械化的设备开挖岩体。

进一步地，上述步骤A中，扩裂爆破孔的直径为60mm～150mm、深度为8000mm～60000mm；诱导孔的直径为50mm～150mm，深度为8000mm～60000mm。

进一步地，上述步骤B中爆破炸药的药柱直径为50mm～120mm，单个药柱长度500mm；爆破炸药由高强度阻燃PVC材料制成；扩裂爆破孔内装药后采用炮泥堵塞封孔，炮泥长度为6000mm～10000mm。

进一步地，上述步骤B中扩裂爆破孔内爆破炸药的装药结构为：不藕合连续装药结构，或水藕合连续装药结构。爆破炸药的起爆方式为正向起爆，即按由外至内的起爆顺序起爆。

进一步地，上述步骤A中，所述扩裂爆破孔和诱导孔与在半无限岩体的开挖走向平行；所述扩裂爆破孔和诱导孔在水平方向和铅垂方向均不偏斜，即两个方向的偏斜角度为零。多个诱导孔在半无限岩体中组成诱导孔环；在诱导孔环的中心处设有扩裂爆破孔；诱导孔与扩裂爆破孔的间距为装药药柱直径的25~30倍。对于在半无限岩体中开挖超大断面的巷道时，本发明可以进行相应的拓展，扩裂爆破孔与诱导孔按照“一心多环”的布孔方式布置，即以一个扩裂爆破孔作为主扩裂爆破孔，其余的扩裂爆破孔和诱导孔以主扩裂爆破孔为中心间隔环形布置形成中环，在中环的外部设有诱导孔环；中环的环数至少为1个；各环之间的间距为装药药柱直径的25~30倍。

进一步地，上述步骤C中，所述机械化的设备为悬臂式岩石巷道掘进机，或盾构机，或全断面硬岩掘进机。

本发明的设计原理：

本发明的设计原理基于爆破扩裂损伤理论。半无限体中的炸药爆炸后，爆炸应力波会对炮孔周围的岩体产生损伤，形成径向裂隙和环向裂隙区，达到降低处理区岩体完整性和强度，方便其他工程作业的目的。并通过合理设计诱导孔的数目和布置方式，为扩裂爆破孔提供了自由面和补偿空间，改变了爆破孔爆炸能量的分布和爆破作用范围，使破碎区控制在一定的范围内，起到诱导爆炸能量和引导扩裂方向的作用。在扩裂爆破孔和诱导孔的共同作用下增强爆破扩裂效果，减小了对围岩损伤的不利影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明采用半无限岩体中爆破扩裂方法，利用深孔扩裂爆破技术，降低了半无限岩体的完整性和强度，减轻了机械开挖的负担，降低了掘进机的截齿消耗，提高了掘进速度；

（2）通过超深孔扩裂爆破对半无限岩体的完整性进行破坏，使岩石在碾磨、切削之前就已经形成了较小的碎块，掘进机在掘进时剥落物主要以块状体岩石为主，大大减少了岩石粉尘的产生，改善了工作环境，保护了工人的健康；

（3）通过超深孔扩裂爆破对半无限岩体的完整性进行破坏，使的掘进机掘进时截齿消耗大大的降低，掘进机掘进的载荷更加平稳，降低了整机的震动，延长了掘进机的使用寿命，节省了维修费用；另一方面掘进机掘进时其剥落物主要以块状体岩石为主，不像完整岩石时盘形滚刀碾压、切削而出现粉状剥落，降低了岩石破碎时的比能，减少了大量能量成本等，使得掘进时的各种消耗大大减少，掘进成本得到有效的控制。

附图说明

图1是本发明实施例一中扩裂爆破孔和诱导孔在半无限岩体中的布置平面示意图；

图2是本发明实施例一中扩裂爆破孔和诱导孔在半无限岩体中的布置剖视示意图；

图3是本发明实施例一中半无限岩体在爆破扩裂后的效果示意图；

图4是本发明实施例一中半无限岩体在爆破扩裂后的效果剖视示意图；

图5是本发明实施例二中扩裂爆破孔和诱导孔在半无限岩体中的布置平面示意图；

图中：1-扩裂爆破孔；11-封孔炮泥；2-诱导孔；3-爆破炸药；4-半无限岩体；5-破裂区；6-中环；7-诱导孔环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域内的技术人员了解本发明。

实施例一

以在半无限岩体中硬岩巷道机械掘进施工的开挖为例，该半无限岩体中爆破扩裂的方法具体如下：

如附图1和附图2所示，首先采用深孔扩裂爆破技术，根据开挖巷道断面的大小，采用“一心一环”的布孔方式，在半无限岩体4巷道掌子面上钻凿一个扩裂爆破孔1和一个由10个诱导孔2组成的诱导孔环7；扩裂爆破孔1的直径为100mm，诱导孔2的直径为120mm；诱导孔2与扩裂爆破孔1的间距为爆破炸药3药柱直径的30倍；扩裂爆破孔1和诱导孔2的孔深达到设计深度即可，用专门的装药器将扩裂爆破孔1内的岩粉冲洗干净；然后向扩裂爆破孔1里装填特制的爆破炸药3，爆破炸药3采用不藕合连续装药结构，不藕合系数为1.2；再用封孔炮泥11封堵炮孔，封孔炮泥11长度为8000mm。采用正向起爆的方式进行扩裂爆破。最后采用掘进机对掌子面岩体进行切割。

如图3和图4所示，扩裂爆破孔1爆破后，在半无限岩体4中形成了径向裂隙和环向裂隙。诱导孔2是为扩裂爆破孔1提供了自由面和补偿空间，并起到控制扩裂范围，增强扩裂效果，减小爆破对围岩不利影响的作用。诱导孔2的数量，以及诱导孔2与扩裂爆破孔1的距离，还可以根据现场巷道断面尺寸、硬岩分布情况和扩裂爆破孔1的装药直径来调整。

实施例二

如图5所示，当在半无限岩体4中开挖超大断面的巷道时，扩裂爆破孔1与诱导孔2按照“一心多环”的布孔方式布置，即在半无限岩体4巷道掌子面上钻凿多个扩裂爆破孔1和多个诱导孔2，其中以一个扩裂爆破孔1作为主扩裂爆破孔，其余的扩裂爆破孔1和诱导孔2以主扩裂爆破孔为中心间隔环形布置形成一个中环6，在中环6的外部设有一个诱导孔环7；中环6和诱导孔环7之间的间距为爆破炸药3药柱直径的30倍。扩裂爆破孔1的直径为100mm，诱导孔2的直径为120mm；扩裂爆破孔1和诱导孔2的孔深达到设计深度即可，用专门的装药器将扩裂爆破孔1内的岩粉冲洗干净；然后向扩裂爆破孔1里装填特制的爆破炸药3，爆破炸药3采用不藕合连续装药结构，不藕合系数为1.2；再用封孔炮泥11封堵炮孔，封孔炮泥11长度是8000mm，采用正向起爆的方式进行扩裂爆破。最后采用掘进机对掌子面岩体进行切割。

在本发明中，在扩裂爆破完成后，采用岩巷掘进机施工方法对掘进机及配套系统无特殊要求，另外可拓展到盾构机等其他机械化掘进设备。

本发明在实施例中采用深孔扩裂爆破技术，一次性将掌子面前方的岩体扩裂，使其完整性和强度降低，再用掘进机切割，充分发挥掘进机施工效率高、巷道成型好、几乎没有超欠挖、围岩损伤小、劳动强度低等优点，解决了掘进机在坚硬岩石中施工效率低、成本高和粉尘量大的问题。本发明使半无限岩体开挖岩体的完整性和强度降低，使掘进机切割下的岩石由粉末状变成块状。因此，与钻爆法和普通掘进机法相比，大大提高掘进机的掘进速度和其通过能力；减少截齿的消耗，降低掘进成本；降低粉尘生成量，改善现场的作业环境，保护工人的健康。

以上实施方式仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。