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岩石爆破破坏
介绍
岩石力学作为地下和地表开采实际工程工具的发展在沿着一条相当不稳定的道路前进。 只有我们当中最天真的乐观主义者才会宣称其已经走到了尽头，而这个主题已经成为一个完全发展的应用科学。 另一方面，也有一些真正的进步，只有最愤世嫉俗的人会认为它没有进步。
不稳定的演化路径的结果之一是岩石力学主题的不同分支的不同进展速度的出现。 领导该领域的课题包括：边坡不稳定性力学，地表和地下开挖中运动的监测以及地下开挖周围诱发应力的分析。该领域包括隧道支护的合理设计，通过节理岩体移动地下水和测量原地应力。 将后部引向那些岩石力学必须与其他学科相互作用的领域，其中一个领域涉及爆破对岩石开挖稳定性的影响。
历史的角度
到目前为止，岩石开挖最常用的技术是钻孔和爆破。从用黑火药爆炸的最早时期开始，爆炸物，引爆和延迟技术得到了稳步发展，我们了解了爆炸物的岩石破碎机理。
这不是在讨论中感兴趣的爆破技术的发展。它是这种技术在岩石和岩石中发掘的应用挖掘技术对剩余岩石稳定性的影响。
工程中经常出现的情况是，作为独立学科发展的学科往往孤立地发展。 因此，经常与爆炸物制造商合作的少数高技能和专业的研究人员已经开发出技术来产生最佳碎片并使爆炸破坏最小化。 另一方面，矿工们通过传统的学徒方法学习了爆破技能，他们不熟悉专业的爆破控制技术，或者不相信使用这些技术，获得的结果证明了这些努力是正确的。 在这个系统中，有错误的是那些更关心成本的业主和管理人员，而不是那些看到双方却没有准备参与进来的安全和设计或计划工程师，因为他们认为爆破是一种黑色艺术，对于使用错误将受到严厉的法律惩罚。
改变现有系统的需求并未得到广泛认可，因为爆破对岩石结构稳定性的影响尚未得到广泛认可或理解。 在本章后面的部分，作者的目的是探讨这个问题，并确定爆炸破坏的原因并提出系统可能的改进。
我们没有讨论机器的挖掘问题，因为讨论挖掘过程对岩石结构稳定性的影响是不完整的。 尽可能保持岩石不受干扰的最佳开挖技术是全面掘进机。 部分表面机器或掘进机使用正确时，也会对岩石造成极小的损害。 这里不讨论隧道掘进机的特性，而是比较这些机器造成的破坏量和爆破量。
爆破破坏
在我看来，作为爆炸理论论文的临时读者，我并不完全了解由炸药爆炸引起的岩石碎裂机制的确切性质。 然而，从实际的角度来看，接受爆炸引起的动态应力和爆炸产生的膨胀气体在碎裂过程中起着重要作用似乎是合理的。
Duvall和Fogelson（1962），Langefors和Khilstrom（1973）等人发表了建筑物和其他表面结构的爆炸破坏标准。 几乎所有这些标准都将爆炸损坏与由爆炸引起的动态应力所导致的峰值质点速度联系起来。 虽然人们普遍认识到，气压助攻的岩石破碎过程中，出现了以量化这种破坏小的尝试。
关于节理岩体强度的工作表明，这种强度受到由不连续性（如层面和接缝）分隔的单个岩石块之间互锁程度的影响。出于所有实际目的，这些不连续部分的拉伸强度可以取为零，并且少量的开启或剪切位移将导致各个块的互锁显着下降。很容易看出从爆炸中向外扩散的高压气体将如何喷射到这些不连续部分，并导致这个重要模块联锁的故障。显然，损坏或强度降低的量随着距爆炸装药的距离而变化，并且还与岩石松动之前高压气体必须克服的原位应力有关。因此，气压引起的损害程度预计会随着地表以下的深度而减少，并且诸如斜坡的表面结构将非常易受气压引起的爆炸破坏。
爆炸破坏的另一个原因是荷载释放引起的破裂（Hagan，1982）。 这种机制最好的解释是将重钢板放在一堆橡胶垫上。 这些橡胶垫被压缩直到下降的钢板的动量耗尽。 高度压缩的橡胶垫然后在相反的方向上加速板，并且将其垂直向上推出，彼此分开。 相邻层之间的这种分离解释了在露天矿和露天矿运营中经常观察到的“拉伸裂缝”，其中差的爆破实践鼓励井壁不稳定。 McIntyre和Hagan（1976）报道了在新创建的平行和高达55米的垂直裂缝
露天采矿面临着使用大型多排爆破的情况。
无论人们是否同意假定的负载压裂释放机制，事实上裂缝可能在距炸药爆炸点相当远的距离处引发，这一事实必须引起严重关注。 显然，无论这些裂缝的原因如何，这些裂缝对岩体的完整性都会产生重大的破坏性影响，反过来也会导致整体稳定性的下降。
Hoek（1975）认为，爆破不会引发大型露天矿山斜坡的深层不稳定。 这是因为破坏面可能在非常大的斜坡上几百米以下，并且还因为这个破坏面通常不会与爆炸诱发裂缝的方向一致。 因此，除非斜坡已经非常接近失效点，并且爆炸仅仅是破坏骆驼背部的最后一根稻草，否则爆破通常不会引起严重的深层不稳定。
另一方面，对岩体的近表面破坏会严重降低构成斜坡并承载运输道路的各个工作台的稳定性。 因此，在严重爆裂的斜坡中，整个斜坡可能相当稳定，但是其表面可能类似碎石堆。
在隧道或其他大型地下挖掘中，问题是相当不同的。 地下结构的稳定性很大程度上取决于开挖周围岩石的完整性。 特别是，屋顶倒塌的趋势与直接屋顶地层的联锁直接相关。 由于爆破损坏很容易在几米内扩散到爆破不良的岩石中，松散的岩石晕会在地下开口周围的岩石中引起严重的不稳定问题。
破坏控制
破坏控制的最终目标是机器挖掘。 任何参观过地下金属矿山并提升的人都会对岩石的干扰和挖掘的稳定性印象深刻。 即使围岩上的岩石中的应力高到足以引起墙体破裂，破损的深度通常也只有不到半米，整体稳定性很少受到损害。
全面掘进机和掘进机式隧道掘进机正变得越来越普遍，特别是土木工程掘进。 这些机器已经发展到提前率和总体成本通常与最佳钻孔和爆破开挖方法相当或更好的地步。 对岩石没有干扰，并且所需支撑的数量减少是使用隧道掘进机的主要优点。
对于表面挖掘，有几种情况可以利用机器挖掘获得巨大优势。在巴布亚新几内亚布干维尔露天铜矿，对最后坑壁面的推土机进行了试验。最终的炮眼被放置在距离最终炮台位置约19米处。然后用D-10推土机凿开其余的岩石，最后的55度面用推土铲修剪。岩石是一个非常重的连接安山岩，与常规露天爆破技术所产生的长凳面相比，推土机切割的结果显着。
上述机器挖掘技术并不能广泛应用于地下采矿场合，因此必须考虑如何控制正常钻孔和爆破作业中的损坏。
一个常见的误解是，控制爆破损坏所需的唯一步骤是引入预裂或光面爆破技术。这些爆破方法，包括同时引爆一排间隔紧密，带轻微电荷的孔，旨在在待喷砂的岩石和要留下的岩石之间形成清洁的分离表面。当正确执行时，这些爆炸可以产生非常干净的面孔，并具有最小的过度打扰和干扰。但是，在引入预裂或光面爆破之前，就要开始控制爆破破坏。
正如前面指出的那样，设计不当的爆炸可能会导致最后一排炮孔后面几米处的裂缝。显然，如果岩石已经遭受了这样的破坏，那么试图通过光面爆破来修整最后几米的开挖来弥补这种情况为时已晚。另一方面，如果整个爆破已经正确设计和执行，光面爆破可以非常有利于修整最终挖掘面。
图1显示了正常爆炸和通过在节理片麻岩中预裂爆破产生的面的结果之间的比较。很明显，尽管面部可见相当大的地质结构，但通过预分割已经获得了良好的清洁面部。同样不难想象，预分裂面比没有特别注意最终壁面条件的部分更稳定。爆炸的正确设计始于首先引爆的孔。在这种情况下的隧道爆炸，第一个要求是创造一个空洞，岩石被破碎爆炸可以扩大。这通常是通过楔形或烧伤切割来实现的，旨在创造一个干净的空间，并弹出最初包含在这个空隙中的岩石，清除隧道的表面。
图1：通过预分裂爆破（左侧）和正常的散体爆破对片麻岩中的表层开挖所获得的结果之间的比较。
在当今使用多臂钻机的钻孔和爆破掘进中，创建初始孔隙的最方便的方法是刻录。这涉及到钻一个仔细间隔的平行孔的模式，然后充满强大的爆炸物，并使用毫秒延迟依次引爆。 Hagan（1980）详细讨论了破坏的设计。
一旦在预定的爆炸深度或拉力的全部范围内产生了空隙，下一步就是逐步将岩石破碎到这个空隙中。这通常通过使用二分之一秒的延迟依次引爆仔细间隔的平行孔来实现。使用这种长时间延迟的目的是为了确保每个连续爆破孔破碎的岩石都有足够的时间从围岩中分离并喷射到隧道中，留下下一次爆炸将破坏的必要空隙。
最后一步是使用光滑的爆炸，其中轻轻带电的周边孔同时引爆，以便将剩余的一半到一米的岩石剥落，留下干净的挖掘表面。
图2给出了这种隧道爆炸的详细情况。图3显示了破坏的发展过程，爆炸剩余物的爆炸和断裂顺序如图4所示。所得结果以照片转载于图5中。在这个特殊的项目中，由于实施了图2所示的爆破设计，隧道内安装的支架数量显着减少。
炮孔 数量 直径 炸药 总重 雷管
mm wt
Kg
爆破孔 14 45 Gelamex 80,18支/孔 57 Millisec
升降机 9 45 Gelamex 80,16支/孔 33 Half-sec
周长 26 45 Gurit, 7支/孔 26 Half-sec
Gelamex 80, 1支/孔
其他 44 45 Gelamex 80,13支/孔 130 Half-sec
空孔 3 75 不装药
总数 96 246
图2：Balfour Beatty - Nuttall在斯里兰卡维多利亚水电项目中使用的扩眼模式和装药细节。 罗马数字是指燃烧切割中毫秒延迟的爆震序列，而阿拉伯数字是指爆炸剩余部分的半秒延迟
孔的布局 毫秒延迟VI
毫秒延迟0 毫秒延迟IIX
毫秒延迟II 毫秒延迟X
毫秒延迟IV 半秒延迟 I
图3使用毫秒延迟进行爆破的发展
半秒延迟 3 半秒延迟 7
半秒延迟4 半秒延迟8
半秒延迟5 半秒延迟9
半秒延迟6 升降和光面爆破
图4：在主隧道周边的主爆炸和光面爆破中使用半秒延迟。
图5：在斯里兰卡维多利亚水电项目的一块19英尺直径的片麻岩隧道中，采用精心设计和精心控制的爆破实现的结果。 请注意，由于岩石受到的损害最小，因此在此隧道中不需要支撑。
实际上在地下挖掘爆破的使用预分割爆破的情况很少，除非是在平台操作的情况下。 在预裂爆炸中，紧密间隔的平行孔（类似于图2中编号为9,10和11的那些孔）在主爆炸之前而不是在之后引爆，如光面爆炸的情况。 由于在这种情况下进行的预裂爆破几乎必须在几乎完全未受干扰的岩石中进行，这些岩石也可能承受相对较高的诱导应力，因此创建一条干净的断裂线的可能性并不是很好。 从一个洞到另一个洞应该干净地运行的裂缝经常会偏向一些已有的弱点，如叶理。 出于这些原因，光面爆破优选用于隧道掘进作业的预裂爆破。
对于露天矿等岩石边坡，现在的趋势是采用较大间距的大直径炮眼。这些孔通常使用毫秒级的延迟进行引爆，这些延迟被设计为逐行爆破。不幸的是，最常用的露天爆破系统的延迟时间的分散有时会导致炮眼不按顺序发射，并且这可能产生破碎效果差以及严重的岩石残留，形成稳定的斜坡。
井下延迟系统可以减少与大直径炮眼爆炸相关的问题，但露天爆破工程师不愿意使用它们，因为布置爆破模式增加了复杂性，并且还担心由于早期发射炮眼引起的地面破坏而导致的切断。 显然需要进一步开发技术和实际应用台爆爆轰延迟，特别是对于露天采矿作业所需的大爆破。
爆破设计和控制
虽然在实际的爆破技术上还有改进的空间，但如果正确应用，许多现有技术可用于减少地表和地下岩石开挖的爆破破坏。正如前面所指出的那样，沟通不畅和不愿意参与大多数工程师的参与意味着在采矿和土木工程项目中通常不会使用好的爆破实践。
可以做些什么来改善这种状况？ 笔者认为，最重要的需求是通信方面的重大改进。 目前可用的有关控制爆破损坏的书面信息要么严重不足，例如爆炸物制造商出版的爆破手册
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