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第六章深孔爆破
深孔爆破技术在改善破碎质量、维护边坡稳定、提高装运效率和经济效益等方面有极大的优越性，随着深孔钻机等机械设备的不断改进发展，在铁路和公路路堑、矿山露天开采工程、水电闸坝的基坑开挖工程中，深孔爆破技术得到广泛的应用，深孔爆破技术在石方爆破工程中占有越来越重要的地位。
第一节深孔爆破基本概念
所谓深孔通常是指孔径大于50mm、深度在5m以上并采用深孔钻机钻成的炮孔。
深孔爆破是指在事先修好的台阶（梯段）上进行钻孔作业，并在钻好的深孔中装入延长药包进行爆破。
深孔爆破破碎质量好，破碎块度符合工程要求，基本上无不合规格的大块，无根底，爆堆集中且具有一定的松散度，满足铲装设备装载的要求。
同时提高延米爆破量，降低炸药单耗，并在改善破碎质量的前提下，使钻孔、装载、运输和破碎等后续工序发挥高效率，并使工程的综合成本达到最低。
深孔爆破的炸药比较均匀地分散在岩体中，用药量比较容易控制，与其它爆破方法相比，深孔爆破的优越性主要表现在石方的机械化施工和安全性两个方面。
深孔爆破除了本身机械化程度较高，解决了其它爆破技术主要依靠人工或机械化程度不高的缺陷外，还能提供适合于机械挖运的破碎岩堆的块度、大小、形状，及满足挖运进度要求的一次爆落方量。
在安全性方面，深孔爆破属露天开挖，装药部位与所爆岩体的位置关系很容易搞清楚和取得数据，加上每次爆破量比硐室爆破要小，爆破时振动强度、飞石距离、空气冲击波强度和破坏范围小且容易控制。
一、台阶要素
深孔爆破通常是在一个事先修好的台阶上进行钻孔作业，这个台阶也称作梯段。
所以台阶深孔爆破也称作梯段深孔爆破。
深孔爆破的孔网参数表示钻孔在台阶中的位置，如图6-1（a）所示。
台阶要素
图中H为台阶高度（m），W1为前排钻孔底盘抵抗线（m），h为超深（或超钻）深度（m），L为钻孔深度（m），L1为堵塞长度（m），L2为装药长度（m），α为台阶坡面角（度），b为排距（m），c为台阶上部边线至前排孔口的距离（m），a为钻孔间距（m），为达到良好的爆破效果，必须正确确定台阶要素的各项参数。
二、钻孔形式
钻孔一般分为垂直钻孔和倾斜钻孔两种形式,如图6-1所示。
垂直钻孔和倾斜钻孔的优缺点比较如表6-1所示。
从表中可以看出，倾斜钻孔在爆破效果方面较垂直钻孔有较多的优点，但在钻凿过程中的操作比较复杂，在相同台阶高度情况下倾斜钻孔比垂直钻孔要长，而且装药时易堵孔，给装药工作带来一定的困难。
在实际工程中，垂直钻孔的应用较倾斜钻孔要广泛得多。
表6-1垂直钻孔与倾斜钻孔比较
钻孔形式
优点
缺点
垂直钻孔
1.适用于各种地质条件的钻孔爆破
2.钻垂直深孔的操作技术比倾斜孔简单
3.钻孔速度比较快
4.爆破后大块率比较高，常留有根底
5.台阶顶部经常发生裂缝，台阶面稳固性比较差
倾斜钻孔
1.抵抗线比较小且均匀，爆破破碎的岩石不易产生大块和残根
2.易于控制爆堆的高度和宽度，有利于提高采装效率
3.易于保持台阶坡面角和坡面的平整，减少凸悬部分和裂缝
4.钻孔设备与台阶坡顶线之间的距离较大，人员与设备比较安全
5.钻凿倾斜深孔的技术操作比较复杂
6.钻孔长度比垂直钻孔长
7.装药过程中容易发生堵孔
三、布孔方式
布孔方式有单排布孔（一字形布孔）及多排布孔两种，多排布孔又分为方形、三角形（或梅花形）三种，如图6-2所示。
从能量均匀分布的观点看，以等边三角形布孔最为理想，方形或矩形多用于挖沟爆破。
在相同条件下，与多排孔爆破相比较，单排孔爆破能取得较高的技术经济指标。
炮孔平面布置
a单排布孔b矩形布孔c交错布孔d方形布孔
第二节设计计算
为了达到良好的深孔爆破效果，必须合理确定台阶高度、网孔参数、装药结构、装填长度、起爆方法、起爆顺序和炸药的单位消耗量等参数。
在以上参数设计合理的情况下，可以达到技术经济的合理性，从而达到高效、经济的目的。
一、钻孔孔径的选择
在钻孔机械确定后，一般钻孔孔径的选择余地不大。
如目前使用较多的进口液压钻，采用Φ38的钻杆，使用的钻头直径为3英寸（76mm）和3.5英寸（89mm）两种，但对Φ38的钻杆，用3英寸的钻头凿进能发挥钻机的最大效率。
从爆破经济效果和装药施工来说，无疑钻头直径越大越好，每米孔爆破方量按钻孔直径增加值的平方增加，孔径越大，装药越方便，越不易发生堵孔现象。
而对爆破效果来讲，无疑孔径小，炸药在岩体中分布更均匀，效果更好。
所以在强风化或中风化的岩石以及覆盖层剥离时可采用大钻头（钻头直径100～165mm），而在中硬和坚硬岩石中钻孔以小钻头（钻头直径75～100mm）为宜。
二、台阶高度的确定
台阶高度是深孔爆破的重要技术参数之一，其选取合理与否，直接影响到爆破的效果和碎石装运效率以及挖掘机械的安全。
因此，确定台阶高度必须满足下列要求：
1．给机械设备（挖掘机、自卸车等）创造高效率的工作条件；
2．保证辅助工作量最小；
3．能否达到最好的技术经济指标；
4．满足安全工作的要求。
从国内外资料看，普遍认为台阶高度不宜过高。
在采矿部门取10～15m为宜；在铁路施工中，根据施工特点和采用钻机及挖掘机械的技术水平，一般取8～12m较为合适。
台阶高度还与钻孔孔径有着密切的联系，不同钻孔孔径有不同的台阶高度适用范围。
台阶高度过小，爆落方量少，钻孔成本高；台阶高度过大，不仅钻孔困难，而且爆破后堆积过高，对挖掘机安全作业不利。
台阶的坡面角最好在60°～75°之间。
若岩石坚硬，采取单排爆破或多排分段起爆时，坡面角可大一些。
如果岩石松软，多炮孔同时起爆，坡面角宜缓一些，坡面角太大（α＞75°）或上部岩石坚硬，爆破后容易出现大块；坡面角太小或下部岩石坚硬，易留根坎。
目前，随着钻机等施工机械的发展，国内外已有向高台阶发展的趋势。
三、底盘抵抗线的确定
底盘抵抗线是指由第一排装药孔中心到台阶坡脚的最短距离。
在露天深孔爆破中，为避免残留根底和克服底盘的最大阻力，一般采用底盘抵抗线代替最小抵抗线，底盘抵抗线是影响深孔爆破效果的重要参数。
过大的底盘抵抗线，会造成残留根底多、大块率高、冲击作用大；过小则不仅浪费炸药，增大钻孔工作量，而且岩块易抛散和产生飞石、震动、噪声等有害效应。
底盘抵抗线同炸药威力、岩石可爆性、岩石破碎要求、钻孔直径和台阶高度以及坡面角等因素有关。
这些因素及其相互影响程度的复杂性，很难用一个数学公式表示，需依据具体条件，通过工程类比计算，在实践中不断调整底盘抵抗线，以便达到最佳的爆破效果。
1．根据钻孔作业安全条件确定
（6-1）
式中W1——底盘抵抗线，m;
H——台阶高度，m；
α——台阶坡面角，一般为60°～75°；
c——从深孔中心到坡顶边线的安全距离，c≥2.5～3m。
2、按照体积法（即药包重量与爆落岩石成正比）反推计算
式中：
d——炮孔直径，dm；
Δ——装药密度，kg/dm3；
τ——装药长度系数，当H＜10m时，τ＝0.6；当H＝10～15m时，τ＝0.5；H=15～20m时，τ＝0.4；H>20m时，τ＝0.35；
q——单位耗药量，kg/m3；
m——炮孔密集系数，一般m＝0.8～1.2（当岩石坚固系数f高，要求爆下的块度小，台阶高度愈小时，可取较小m值，反之可取较大m值）。
L——钻孔深度，m。
3、按台阶高度确定：
岩石坚硬，系数取小值，反之，系数取大值。
4、按钻孔直径确定：
k——日本取k=40,国内铁路上建议取k=32～38;
d——孔径，mm。
四、孔距与排距
孔距a是指同排的相邻两个炮孔中心线间的距离；排距b是指多排孔爆破时，相邻两排炮孔间的距离。
两者确定的合理与否，均对爆破效果产生重要的影响。
炮孔密集系数m是指炮孔间距a与抵抗线W的比值，即m=a/W。
当W1和b确定后，则a=mW1或a=mb。
根据一些难爆岩体的爆破经验，保证最优爆破效果的孔网面积（a×b）是孔径断面积（π·d2/4）的函数，两者之间比值是一个常数，其值为1300～1350。
在露天台阶深孔爆破中，炮孔密集系数m是一个很重要的参数。
一般取m＝0.8～1.4。
然而，随着岩石爆破机理的不断研究和实践经验不断丰富，宽孔距爆破技术发展迅速，即在孔网面积不变的情况下，适当减小底盘抵抗线或排距而增大孔距，可以改善爆破效果。
在国内，炮孔密集系数值已增大到4～6或更大；在国外，炮孔密集系数甚至提高到8以上。
五、超钻
超钻h是指钻孔超出台阶高度的那一段孔深。
其作用是克服底盘岩石的夹制作用，使爆破后不留根底。
超钻过大将造成钻孔和炸药的浪费，破坏下一个台阶顶板，给下次钻孔造成困难，增大地震波的强度；超钻不足将产生根底或抬高底板的标高，而且影响装运工作。
超钻与岩石的坚硬程度、炮孔直径、底盘抵抗线有关。
超钻值可按h＝（0.15～0.35）W1确定。
岩石松软、层理发达时取小值，岩石坚硬时则取大值。
也有按孔径的8～12倍来确定超钻值的。
倾斜钻孔的超钻h＝（0.3～0.5）W。
确定超钻时，还可以参考表6-2进行选取，但表中所列数值适用于钻孔直径为150mm的情形。
如果钻孔直径不是150mm，则将表中的数值乘以d/150即可。
进行多排孔爆破时，第二排以后的超钻值还需加大0.3～0.5m。
表6-2超钻h值（m）
岩石f值台阶高度H（m）
1～3
3～6
6～8
10～20
7
0.60
0.70
0.85
1.00
10
0.70
0.85
1.00
1.25
15
0.85
1.00
1.25
1.50
20
1.00
1.25
1.50
1.75
25
1.25
1.50
1.75
2.00
六、单孔装药量
在深孔爆破中，单位耗药量q值一般根据岩石的坚固性、炸药种类、施工技术和自由面数量等因素综合确定。
在两个自由面的边界条件下同时爆破，深孔装药时单位耗药量可按6-3表选取。
表6-3单位耗药量q值表
f
0.8～2
3～4
5
6
8
10
12
14
16
20
q（kg/m3）
0.40
0.43
0.46
0.50
0.53
0.56
0.60
0.64
0.67
0.70
注：
表中数据以2号岩石铵梯炸药为准。
单排孔爆破（或第一排炮孔）每孔装药量按下式计算：
（6-4）
式中q——单位耗药量，kg/m3；
a——孔距，m；
H——台阶高度，m。
多排孔爆破时，从第二排起，各排孔的装药量可按下式计算：
（6-5）
式中K——为考虑受前面各排孔的岩碴阻力作用的装药量增加系数，一般取1.1～1.2。
第三节深孔爆破施工工艺
一、台阶布置
根据台阶坡面走向与线路走向之间的关系，可以把深孔爆破的台阶布置方法分为以下两种。
1、纵向台阶法
爆破施工形成的台阶坡面走向与线路走向平行时，称为纵向台阶（图6-3）。
采用纵向台阶进行土石方施工的方法称为纵向台阶法。
按纵向台阶法进行钻孔爆破时的炮孔布置方法称为纵向台阶布孔法。
纵向台阶布孔法适用于傍山半路堑开挖。
对于高边坡的傍山路堑，应分层布孔，按自上而下的顺序进行钻爆施工。
施工时应注意将边坡改造成台阶陡坡形式，以便上层开挖后下层边坡能进行光面或预裂爆破（图6-4）。
图6-4傍山高边坡路堑横向台阶分层布孔
（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为施工顺序）
图6-5横向台阶法
图6-6横向台阶单线深拉槽路堑开挖
2、横向台阶法
爆破施工形成的台阶坡面走向与线路走向垂直时，称为横向台阶（图6-5）。
采用横向台阶进行土石方施工的方法称为横向台阶法。
按横向台阶法进行钻孔爆破时的炮孔布置方法称为横向台阶布孔法。
横向台阶布孔法适用于全断面拉槽形式的路堑和站场开挖。
对于全断面拉槽形式的站场开挖，为加快施工进度，可同时从山体两侧向中间进行深孔爆破作业，如图6-5（b）。
单线的深拉槽路堑开挖，由于线路狭窄，开挖工作面小，爆破容易破坏或影响边坡的稳定性，因此在采用横向台阶法时，最好分层布孔，为便于施工和减少岩石的夹制作用，每层的台阶高度不宜过大，以6～8m为宜。
在布置钻孔时，对于上层边孔可顺着边坡布置倾斜孔进行预裂爆破，而下层因受上部边坡的限制，边孔通常不能顺边坡钻凿倾斜孔。
在这种情况下，可布置垂直孔进行松动爆破，但边坡的垂直孔深度不能超过边坡线（图6-6）。
如果下层边坡采用预裂爆破，那么边坡需要改造成台阶形式。
二、深孔钻凿
1、孔位布置
布孔应从台阶边缘开始，边孔与台阶边缘要保留一定距离，以保证钻机安全工作。
孔位应根据设计要求在工地测量确定，遇到孔位处于岩石破碎、节理发育或岩性变化较大的地方，可以调整孔位位置，但应注意最小抵抗线、排距和孔距之间的关系。
一般情况下，应保证最小抵抗线（或排距）和孔距及它们的乘积在调整前后相差不超过10%。
在周围环境许可时，对前排孔最小抵抗线采取宁小勿大的原则，可以减少大块率，并保证后几排炮孔的爆破效果。
布孔时要注意：
①开挖工作面不平整时，选择工作面的凸坡或缓坡处布孔，以防止在这些地方因抵抗线过大而产生大块。
②在底盘抵抗线过大处要在坡脚布孔，或加大超深，以防止产生根坎和大块。
③地形复杂时，应注意钻孔整个长度上的抵抗线变化，特别要防止因抵抗线过小而出现飞石现象。
2、钻孔机械
正是因为钻孔机械的发展，深孔爆破技术才得以广泛应用并迅速发展。
深孔爆破中使用的钻孔机械主要有牙轮钻机、潜孔钻机、旋转钻机、凿岩机和钻车。
在大型矿山中使用的钻机大部分是孔径大于200mm的潜孔钻机和牙轮钻机。
在一般石方开挖和中小型矿山中使用的多是孔径在200mm以下的轻型潜孔钻机和液压钻机。
牙轮钻机是一种效率高，机械化、自动化程度高，适应各种硬度的岩石穿孔作业，技术先进的钻机。
它是大型矿山露天开挖的主要钻孔机械，但由于其一次性投资高，影响了它的广泛使用。
潜孔钻机是一种回转加冲击的钻机，它的钻杆前端装有与钻头相连接的风动（或液压）冲击器，钻杆由回转机构带动回转。
凿岩时，冲击器潜入孔底，压缩空气由钻杆内部送入冲击器中，经配气装置带动锤体以高频冲击钻头，岩石在钻头的冲击和回转作用下被破碎成岩粉，再由压缩空气吹出孔外。
与牙轮钻机相比，潜孔钻机具有灵活机动、设备重量较轻、投资小、成本低等特点，适合中小型矿山深孔爆破使用。
矿山企业可根据自己的生产规模、地质地形条件、岩石情况、铲装设备选折相应的穿孔设备。
3.、炮孔质量
（1）堵孔的原因及预防
在深孔爆破，尤其是在台阶深孔爆破中，受上一台阶超钻部分炸药爆破的影响作用，钻孔作业常发生钻孔被堵现象。
钻孔被堵原因主要有：
岩体破碎导致孔壁在炮眼钻好后塌落；岩粉顺岩体内贯通裂隙沉积到相邻炮孔内，造成邻孔堵孔；钻孔时造成喇叭形孔口，成孔后孔口塌落堵塞钻孔；成孔后没有及时封盖孔口或封盖无效，造成地面岩粉或石渣掉入孔中；雨水冲积造成孔内泥土淤塞。
钻孔被堵导致一些炮孔深度发生变化，给装药带来很大的困难，甚至造成炮孔报废。
若是炮孔被堵部分为孔底，则因装不够药而造成爆后留根；或者由于炮孔被堵深浅不一，造成底盘高低不平；若局部炮孔全堵，将影响整体爆破效果。
可采取以下措施预防堵孔：
避免将孔口打成喇叭状；岩石破碎易塌落时，要用泥浆固壁封缝；及时清除孔口岩碴及碎石；加工专用木塞封堵孔口或用木板将孔口封严；雨天用岩碴在孔口作一小围堰，防止雨水灌入孔内。
（2）钻孔检查及处理
炮孔检查主要指检查孔深和孔距。
孔距一般都能按设计参数控制。
孔深的检查可分为三级检查负责制，即打完孔后钻孔操作人员检查、接班人或班长检查、专职检查人员验收。
检查的方法可用软绳（或测绳）系上重锤进行测量，要作好记录。
装药前的孔深检查应包括孔内的水深检查和数据记录。
炮孔深度不能满足设计要求的原因有：
炮孔壁面掉落石块堵孔；岩碴未排到孔外而回落孔底；孔口封盖不严造成雨水冲垮孔口引起堵孔等。
排出这些原因，或适当加大超深，就可以防止或减少因堵孔而造成的孔深不足的问题。
对发生堵塞的钻孔应进行清孔。
可用高压风管吹排，或用钻机重新钻凿。
如果堵孔部位在上部，也可用炮棍或钢筋捅开。
在地下水位高、水量大的地方或雨季施工，炮孔中容易积水，应使用防水炸药如水胶炸药、乳化炸药等。
由于防水炸药一般多为卷装，在炮孔内的装药密度远小于散装炸药的装药密度，在设计时应对孔网参数进行调整。
排水一般用高压风吹出法。
这种方法简单有效。
使用的高压风管管径与钻孔孔径有关，过细吹不上来，过粗易被孔壁卡住。
操作时要小心，防止将孔壁吹塌或风管飞起伤人。
、
三、装药结构和装药
1.装药结构
在第四章已经介绍过，装药结构是影响爆破效果的主要因素之一。
深孔爆破采用的装药结构主要有连续装药结构、间隔装药结构和混合装药结构。
（1）连续装药结构。
炸药从孔底装起，装完设计药量之后再进行堵塞。
这种方法施工简单，但由于设计装药量一般不足以填满炮孔的较大部分，易出现炮孔上部不装药段（即堵塞段）较长的现象，使岩体上部出现大块的比例增加。
连续装药结构适用于台阶高度较小，上部岩石比较破碎或风化严重，上部抵抗线较小的深孔爆破。
（2）间隔装药结构。
在钻孔中把炸药分成数段，使炸药能量在岩石中比较均匀的分布（图6-7）。
间隔装药结构适合于特殊地质条件下的深孔爆破，如所爆破的岩层中含有软弱夹层或溶洞时，通过堵塞物将炸药布置到坚硬岩层中，可以有效地降低大块率。
除非安全需要，一般不在均匀岩层中采用间隔装药结构，而是通过扩大孔网参数来调整孔口堵塞长度。
这样可以节省钻孔数量、降低钻孔成本。
图6-7孔间交错间隔装药结构
1-沙土、岩粉；2-炸药
（3）混合装药结构。
所谓混合装药结构就是在同一炮孔内装入不同种类的炸药，即在炮孔底部装入高密度、高威力炸药，而在炮孔上部装入威力较低的炸药。
采用混合装药结构的目的是充分发挥高密度、高威力炸药的作用，解决深孔爆破中底部岩体阻力大，炸不开，易留岩坎的问题，同时又可避免上部岩石过度破碎或产生飞石。
深孔装药方法分为手工操作和机械装药两种。
在铁路爆破施工中，手工操作仍是目前主要的装药方法。
装药开始前先核对孔深、水深，再核对每孔的炸药品种、数量，然后清理孔口附近的浮碴、石块。
打开孔口作好装药准备，再次核对雷管段别后，即可进行装药。
在以堵塞长度来控制装药量时，应掌握装药孔的大致装药量。
当装入相当数量的炸药尚未达到预定的装药部位时，应报告技术人员处理，避免因孔内出现异常情况而造成装药量过多过集中而引起安全事故。
起爆药包的位置一般安排在离药包顶面或底面1/3处。
起爆药包的聚能穴应指向主药包方向。
装药长度较大时可安排上下两个起爆体。
在使用电雷管起爆网路时，要注意雷管脚线与孔内联结线接头的绝缘和防水处理。
四、堵塞
堵塞工作在完成装药工作后进行。
堵塞长度与最小抵抗线、钻孔直径和爆区环境有关。
当不允许有飞石时，堵塞长度取钻孔直径的30～35倍；允许有飞石时，取钻孔直径的20～25倍。
堵塞材料可用泥土或钻孔时排出的岩粉，但其中不得混有大于30mm的岩块和土块。
堵塞时，不得将雷管的脚线、导爆索或导爆管拉得过紧，以防被堵塞材料损坏。
堵塞过程要不断检查起爆线路，防止因堵塞损坏起爆线路而引起瞎炮。
五、起爆网路与起爆
起爆网路有电爆网路、导爆索网路、导爆管起爆网路。
其中导爆管起爆网路在各矿山应用较为广泛。
连接网路时应注意以下安全问题:
①孔内引出的导线或导爆管等要留有一定的富余长度，以防止因炸药下沉而拉断网路，在有水炮孔内装药或使用散装炸药时尤其要注意。
②网路连接工作应在堵塞结束，场地炸药包装袋等杂物清理干净后再开始进行。
接线应有爆破员按操作规程进行。
③网路连接后要有专人警戒。
对于导爆索、导爆管非电爆破网路应采用电雷管引爆。
多排炮孔时，为取得好的爆破效果，常采用毫秒微差爆破。
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