CN116592722A - 一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法，涉及爆破工程技术领域，该方法包括以下步骤：测量隧道开挖面上裂纹的总长度；在隧道开挖面上用柱齿钻头钻炮孔；统计每个炮孔钻孔的冲击能量和钻孔的容积，并检测钻孔时排出的岩粉颗粒的总表面积；计算产生单位面积破裂面所消耗的能量；计算达到期望爆破效果时岩石碎块的总裂纹表面积；计算达到期望爆破效果时在岩石中需新增的表面积；计算达到期望爆破效果时所消耗的炸药能量；计算爆破所需的炸药质量。本发明可解决隧道爆破时不能精确计算炸药单位体积消耗量的问题，能避免炸药的浪费并取得更佳的爆破效果。

Description

一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法

技术领域

本发明涉及爆破工程技术领域，尤其涉及一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法。

背景技术

目前常用的隧道开挖方法有钻爆法、盾构法和掘进机法。由于钻爆法对于地质条件的适应性强，开挖成本低，是应用最广泛的隧道开挖的方法。

隧道爆破方案设计时需要进行炸药量的计算。目前，由于无法对隧道即将爆破的岩体进行实时地测试分析，因此隧道爆破的炸药用量基本上是爆破工程人员依据工程经验进行计算。这样通常会导致炸药用量的不准确和浪费，甚至影响隧道爆破开挖的效果，从而增加了隧道爆破开挖的成本和难度。

即使是爆破工程人员通过试爆或者已有进尺的爆破效果来不断地调整炸药用量，也通常受制于工程经验和经验公式的局限性，很难能够合理地、精确地确定比较合适的爆破炸药用量。

因此，在隧道钻爆法施工工程中，为了能够降低成本、优化隧道开挖的爆破效果，需要设计一种能够合理地、精确地计算隧道爆破炸药用量的方法。

发明内容

鉴于上述问题，为了克服现有技术及相关产品的不足，本发明的目的是提出一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法，通过精确计算隧道爆破时炸药单位体积消耗量，可避免炸药的浪费并取得更佳的爆破效果。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法，包括如下步骤：

步骤1：测量隧道开挖面上裂纹的总长度。

步骤2：根据隧道爆破设计方案在隧道掌子面上用液压凿岩机钻深度均为的若干个炮孔，且凿岩机的钻头采用柱齿钻头。

步骤3：统计每个炮孔钻孔过程中钻头的总冲击能量，该炮孔的容积/>。其中，、/>由凿岩机上安装的传感器和微型计算机进行测量计算得到。

步骤4：采用激光粒度仪测试钻孔时排出的岩粉平均体积、平均表面积/>。

步骤5：计算炮孔钻孔生成岩粉的总表面积：

步骤6：计算产生单位面积破裂面所消耗的能量：

步骤7：计算达到期望爆破效果时岩石碎块的总裂纹表面积。

步骤8：计算达到期望爆破效果时在岩石中需新增的表面积。

步骤9：计算达到期望爆破效果时岩石中需新增表面积所消耗的能量:

步骤10：根据单位重量炸药的爆热和炸药破岩做功效率/>，计算爆破所需的炸药质量：

;

代入步骤5、步骤6和步骤9的公式后即是：

;

所述的步骤3中钻头的总冲击能量，该炮孔的容积/>，由液压凿岩机上安装的传感器和微型计算机进行测量计算得到。

Va通过钻孔直径d、钻孔深度h计算得到。

所述步骤7中岩石碎块的总裂纹表面积A的计算过程包括，将爆破的隧道岩石体积换算成单位边长a的立方体，计算立方体数量N，

其中，S’为待开挖隧道掌子面的面积，h为钻孔深度，炮孔利用率η=0.9，立方体单位边长a取值为0.1m。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本方法可以在隧道爆破钻爆法施工过程中，在未开挖前，充分获取现有施工环节中各类数据信息，包括通过测量待开挖掌子面上的岩石裂纹长度L，钻机钻头深度h，同时获取得到钻机中钻头总冲击能量Ea、计算炮孔的容积Va，且Va通过钻孔直径d、钻孔深度h计算得到，测量已排出的岩粉平均体积Vx和平均表面积Sx；这些数据信息的获取简便快捷。

2、本方法还巧妙综合利用以上现有数据信息，包括以下处理步骤，首先获得钻孔中单位破裂面积所消耗的能量，然后获得爆破整个掌子面即达到爆破效果时，除去已有裂纹外的新增裂纹表面积，其次通过钻孔中单位破裂面积的能耗和新增裂纹表面积计算得到总能耗，最后根据所选炸药的爆热Ej来得到该炸药的质量。

本方法仅需要借助现有的数据，通过精确计算隧道爆破时炸药单位体积消耗量，就能得到准确的炸药用量，可避免炸药的浪费并取得更佳的爆破效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法的流程示意图；

图2为隧道爆破工程实例的隧道炮孔布置图，图标注尺寸单位mm；

图3为隧道爆破工程实例的掏槽孔示意图，图标注尺寸单位mm，图3的右侧为一组掏槽孔的俯视效果，图3的左侧为水平方向上三组掏槽孔的主视透视效果，掏槽孔数：6个（图3的左侧三组掏槽孔的主视透视效果图对应于图2中的1#~6#孔），炮孔长度：2.3m，每组中的两掏槽孔对称布置，掏槽孔与掌子面的夹角为75°，孔深2m，两掏槽孔在掌子面的端部的间距为1.4m。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

图1示出了根据本发明提供的一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法的流程示意图：

如图1所示，本发明提供的一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法包括以下步骤：

S1、测量隧道开挖面上裂纹的总长度。

S2、根据隧道爆破设计方案在隧道掌子面上用液压凿岩机钻深度均为的若干个炮孔，且凿岩机的钻头采用柱齿钻头。隧道掌子面是坑道施工中的一个术语。即开挖坑道（采煤、采矿或隧道工程中）不断向前推进的工作面。

S3、统计每个炮孔钻孔过程中钻头的总冲击能量，该炮孔的容积/>。其中，/>、/>由凿岩机上安装的传感器和微型计算机进行测量计算得到。

S4、采用激光粒度仪测试钻孔时排出的岩粉平均体积、平均表面积/>。

S5、计算炮孔钻孔生成岩粉的总表面积：

S6、计算产生单位面积破裂面所消耗的能量：

S7、计算达到期望爆破效果时岩石碎块的总裂纹表面积。

S8、计算达到期望爆破效果时在岩石中需新增的表面积。

S9、计算达到期望爆破效果时岩石中需新增表面积所消耗的能量:

S10、根据单位重量炸药的爆热和炸药破岩做功效率/>，计算爆破所需的炸药质量：

代入S5、S6和S9的公式后即是：

;

所述的步骤3中钻头的总冲击能量，该炮孔的容积/>，由液压凿岩机上安装的传感器和微型计算机进行测量计算得到，Va通过钻孔直径d、钻孔深度h计算得到。

所述步骤7中岩石碎块的总裂纹表面积A的计算过程包括，将爆破的隧道岩石体积换算成单位边长a的立方体，计算立方体数量N，

其中，S’为待开挖隧道掌子面的面积，h为钻孔深度，炮孔利用率η=0.9，立方体单位边长a取值为0.1m。

本发明可以在隧道爆破钻爆法施工过程中，通过精确计算隧道爆破时炸药单位体积消耗量，可避免炸药的浪费并取得更佳的爆破效果。

隧道钻爆法爆破工程实例：某地下工程的巷道开挖断面底宽4.0m，直墙高为2.5m，顶部半圆拱高2m。巷道围岩是石灰岩，整体性较好，裂隙不发育，岩石的普氏系数f=12~14。施工中采用YT-28型气腿式风动凿岩机钻孔。其中普氏系数又称岩石的坚固性系数、紧固系数，数值是岩石或土壤的单轴抗压强度极限的1/100，记作f，无量纲。它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少倍。以下是部分该爆破工程的方案参数：

一、开挖方法：根据工程概况，巷道围岩为石灰岩，岩石完整性好，取f=12~14。采用全断面一次性开挖成型的施工方法。钻孔直径d=42mm，使用2号岩石乳化炸药，药卷直径d₁=35mm，每卷药卷长200mm，重200g，线装药密度q₁=1kg/m。

二、巷道断面积

钻爆法隧道施工一般包括钻孔-装药-起爆-出渣等工序，从该工序一直到再次钻孔前称为一个循环，在该循环内隧道向前开挖的长度称为开挖循环进尺， 简称循环进尺。循环进尺的目的是为了在保证施工进度的同时控制爆破的规模和效果，防止超负荷爆炸产生安全事故，同时帮助隧道施工人员掌握隧道掘进的进度，及时调整爆破参数，还可以用来判断隧道巷道前方的地质状况和岩体稳定性，以保证钻爆作业的安全和高效性。

钻爆法隧道掘进爆破的特点是只有一个自由面，炮孔深度受到隧道断面、围岩等级等因素限制，一般只有1.5m~3.0m。

孔深的大小，不仅影响着掘进工序的工作量和完成各工序的时间，而且影响爆破效果和掘进速度。在目前多采用手持式和气腿式凿岩机钻孔的条件下，采用普通型孔径（40~42mm）时，其孔深可以按如图表（单位：m）所示选取。

根据该隧道的断面面积16.28m²和围岩普氏系数f=12~14等，取循环进尺1.8m，炮孔利用率η=0.9，孔深L=2.0m。

三、炮孔布置

隧道掘进的炮孔，根据其位置和作用的不同，分为掏槽孔1、辅助孔（崩落孔）和周边孔。隧道掘进爆破时，由于只有一个自由面，四周岩石夹制力很大，爆破条件困难，因此掏槽孔的布置极为重要。掏槽孔的作用就是在工作面上首先造成一个槽腔作为第二个自由面，为其他炮孔爆破创造有利条件。辅助孔的作用是扩大和延伸掏槽的范围。周边孔的作用是控制隧道断面的规格形状。

炮孔平面布置如图2所示：

隧道掘进爆破时，由于只有一个自由面，四周岩石夹制力很大，爆破条件困难，因此掏槽孔的布置极为重要。掏槽孔的作用就是在工作面上首先造成一个槽腔作为第二个自由面，为其他炮孔爆破创造有利条件。为了提高其他炮孔的爆破效果，掏槽孔应该比其他炮孔加深0.15~0.25m。

周边孔是爆落巷道周边岩石，最后形成巷道断面设计轮廓的炮孔，它的作用是控制巷道断面规格形状，各炮孔要互相平行，孔底落在同一平面上。另外底孔的最小抵抗线和炮孔间距一般比辅助孔稍小一些。为保证爆破后在巷道底板不留“根底”，底孔孔口应比巷道底板高出0.1~0.2m，但其孔底应超过底板轮廓线低于底板0.1~0.3m，底孔的孔深加深0.2m左右。

1.掏槽方式：楔形掏槽，从上至下布置3组掏槽孔，每组掏槽孔2个，每一组掏槽孔之间的排距为0.5m，掏槽角取75°；掏槽孔位置：断面的中央偏下，并考虑辅助孔的布置较均匀。掏槽孔数：6个（图2中的1#~6#孔），炮孔长度：2.3m。掏槽孔布孔方式如图3所示。每组中的两掏槽孔对称布置，掏槽孔与掌子面的夹角为75°，孔深2m，两掏槽孔在掌子面的端部的间距为1.4m。

2.周边孔：离周边0.1m布置，包括：

直墙孔2：孔数：8个（两侧，起拱点算，底角孔不算），孔距0.6m；

拱顶孔3：孔数：9个，孔距0.63m；

底孔4：孔数：7个（含两底角孔），孔距0.63m；

炮孔长度：直墙孔、拱顶孔：2m，底孔：2.2m；

3.辅助孔：在如图2所示的掏槽孔与周边孔之间均匀布置辅助孔，孔排距0.65~0.8m，孔数20个，炮孔长度：2m。

四、按照本发明的方法进行爆破药量计算：

S1、测量隧道开挖面上裂纹的总长度：

隧道开挖面出现的岩石裂缝长度可以根据不同的岩石类型和开挖方法而有所不同，在该巷道围岩是石灰岩，且整体性较好，裂隙不发育情况下，通过测量得到该隧道开挖面的裂纹长度(掌子面上岩石本身所具有的裂纹的长度)：

S2、根据隧道爆破设计方案在隧道掌子面上用液压凿岩机钻深度均为的若干个炮孔，且凿岩机的钻头采用柱齿钻头：

S3、统计每个炮孔钻孔过程中钻头的总冲击能量，该炮孔的容积/>。其中，/>、/>由凿岩机上安装的传感器和微型计算机进行测量计算得到：

，/>

其中，钻孔直径d=42mm、钻孔深度h=2米。

S4、采用激光粒度仪测试钻孔时排出的岩粉平均体积、平均表面积/>：

由激光粒度仪测得所排岩粉的平均粒径300um，可以计算得到：

S5、计算炮孔钻孔生成岩粉的总表面积：

S6、计算产生单位面积破裂面所消耗的能量：

S7、计算达到期望爆破效果时岩石碎块的总裂纹表面积：

将爆破的隧道岩石体积换算成边长a=0.1m的立方体，计算立方体数量：

可以计算岩石碎块的总裂纹表面积：

S8、计算达到期望爆破效果时在岩石中需新增的表面积：

S9、计算达到期望爆破效果时岩石中需新增表面积所消耗的能量:

S10、根据单位重量炸药的爆热和炸药破岩做功效率/>，计算爆破所需的炸药质量：

所取2号岩石乳化炸药爆热为4427kJ/kg，炸药的做功效率0.3，可以计算所需的炸药质量：

代入S5、S6和S9的公式后即是：

按照本发明计算的单耗：

按照本发明的方法进行爆破药量计算所需总的药量是48.85kg单耗1.67kg/m³，因此本发明可以在隧道爆破钻爆法施工过程中，通过精确计算隧道爆破时炸药单位体积消耗量，可避免炸药的浪费并取得更佳的爆破效果。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效改动，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：测量隧道开挖面上裂纹的总长度；

步骤2：根据隧道爆破设计方案在隧道掌子面上用液压凿岩机钻深度均为的若干个炮孔，且凿岩机的钻头采用柱齿钻头；

步骤3：统计每个炮孔钻孔过程中钻头的总冲击能量，该炮孔的容积/>；

步骤4：采用激光粒度仪测试钻孔时排出的岩粉平均体积、平均表面积/>；

步骤5：计算炮孔钻孔生成岩粉的总表面积：

；

步骤6：计算产生单位面积破裂面所消耗的能量：

；

步骤7：计算达到期望爆破效果时岩石碎块的总裂纹表面积；

步骤8：计算达到期望爆破效果时在岩石中需新增的表面积；

步骤9：计算达到期望爆破效果时岩石中需新增表面积所消耗的能量:

；

步骤10：根据单位重量炸药的爆热和炸药破岩做功效率/>，计算爆破所需的炸药质量：

；

代入步骤5、步骤6和步骤9的公式后即是：

。

2.根据权利要求1所述的一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法，其特征在于，所述的步骤3中钻头的总冲击能量，该炮孔的容积/>，由液压凿岩机上安装的传感器和微型计算机进行测量计算得到。

3.根据权利要求2所述的一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法，其特征在于，Va通过钻孔直径d、钻孔深度h计算得到。

4.根据权利要求1所述的一种通过钻孔过程特征计算隧道爆破炸药用量的方法，其特征在于，所述步骤7中岩石碎块的总裂纹表面积A的计算过程包括，将爆破的隧道岩石体积换算成单位边长a的立方体，计算立方体数量N，

；

其中，S’为待开挖隧道掌子面的面积，h为钻孔深度，炮孔利用率η=0.9，立方体单位边长a取值为0.1m。