岩石爆破理论

1、岩石爆破理论石家庄铁道大学：左金库电话章主要讲授内容：6.1 岩石爆破理论的发展6.2 岩石中的爆炸应力波6.3 岩石中的爆炸气体6.4 岩石的爆破破碎机理6.5 爆破漏斗6.6 装药量计算原理6.7 露天台阶爆破的破碎机理6.8 土中爆破机理6.9 影响爆破作用的因素6.10 精细爆破6.1 岩石爆破理论的发展 从总体上看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研究和生产实际仍有不小的差距这是由于爆破过程的瞬时性、动态性，岩体性质的模糊性、不确定性等，使得爆破理论的研究非常困难。所以，实际生产中遇到的很多问题，在理论上还不能给出一个很好的回答。1、岩石爆破理论的

2、发展阶段（1）早期发展阶段（2）爆破理论的确立阶段（3）爆破理论的最新发展阶段2、岩石爆破理论研究的内容（1）爆轰波理论的研究（2）岩石特性的研究（3）炸药能量向岩石传递的效率（4）岩石的动态断裂与破坏（5）爆破过程的数值模拟，爆破块度和爆堆形态的预测爆炸应力波：炸药在岩石或其它固体介质中爆炸所激起的应力扰动（或应变扰动）的传播，称为爆炸应力波。1、应力波的分类（1）按传播途径分类应力波体积波表面波纵波P横波S瑞利波R勒夫波L6.2 岩石中的爆炸应力波（2）按波阵面形状分类应力波球面波柱面波平面波（3）按传播介质变形性质分类应力波弹性波黏弹性波塑性波冲击波2、冲击载荷的特征及爆炸冲击波参数（1

3、）冲击载荷的特征 在冲击载荷作用下，承受荷载作用的物体的自重非常重要。在冲击载荷作用下，承载体中诱发出的应力是局部性的，在承载体内部具有明显的应力不均匀性。在冲击载荷的作用下，承载体的反应是动态的。（2）爆炸冲击波参数爆炸冲击波参数冲击波压力P冲击波速度D介质质点运动速度u内能E压缩比（3）冲击波压力的衰减冲击波作用范围，一般不超过药径的37倍，在岩石中，冲击波峰值压力的衰减主要与炸药类型、药包形状和岩石特性有关，其公式为式中3、爆炸应力波的传播（1）冲击波、应力波和地震波炸药在岩体中爆炸后，形成冲击波，其强度随传播距离的增加迅速而减小，并且波的性质和形状也产生相应的变化。根据波的性质、形状的

4、不同分为3个作用区，即冲击波作用区应力波作用区地震波作用区（2）爆炸应力波的传播爆炸应力波传播速度的影响因素：岩石密度岩石的弹性模量岩石结构、构造工程上常常通过实测得到岩石的纵波和横波速度。（3）应力波的反射应力波的反射：当波遇到界面时，一部分波改变方向，但不透过界面，仍在入 射介质中传播的现象，称为反射。应力波的透射：当波从一个介质穿过界面进入另一介质，入射线由于波速的改变而改变传播方向的现象，称为透射。1）应力波在自由面上的反射自由面入射纵波反射纵波反射横波2）应力波在不同介质分界面上反射和透射PiPrPtSrSt4、岩石中的动应力场爆炸载荷为动载荷，在爆炸载荷作用下，岩石中引起的应力状态

5、表现为动的应力状态，也就是其应力不仅随时间变化，而且也随距离变化。动应力场的试验研究表明：自由面对应力极大值的变化有很大影响自由面附近岩石的破坏主要是拉伸破坏6.3 岩石中的爆炸气体爆炸气体与冲击波的比较：（1）从出现的时间讲，冲击波在前，爆炸气体在后。（2）从对岩石的作用时间长短讲，冲击波作用时间短，爆炸气体作用时间长。（3）爆炸气体携带巨大的能量，在破碎岩石中起着重要的作用。6.4 岩石的爆破破碎机理6.4.1 岩石爆破破碎的主因破碎岩石时，炸药能量以两种形式释放出来，一是冲击波，二是爆炸气体。对于岩石破碎的主要原因究竟是那一个，主要有三种不同的学说，即爆炸气体压力作用学说（爆炸气体膨胀压

6、理论）、应力波作用学说（冲击波拉伸破坏理论）、应力波和爆炸气体压力共同作用学说（冲击波和爆炸气体综合作用理论）。一、爆炸气体压力作用学说1、基本观点 药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些爆炸气体产物迅速膨胀并以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，形成压应力场。当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的拉应力时，将产生径向裂隙。作用于岩壁上的压力引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起径向位移的不等，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的抗剪强度时，岩石就会产生剪切破坏。当爆轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。2、观点的依据 (1) 岩石发生破碎的时间是在爆

7、炸气体作用的时间内 (2) 炸药爆炸后，冲击波的能量仅占爆炸总能量的5%15%，这样少的能量不足以破碎整体岩石3、反驳该观点的依据 (1) 裸露药包爆破，例如破碎大块、爆破薄板结构时 (2) 从产生的压力来看，爆炸气体的准静态压力只有冲击波波阵面压力的1/21/4，因此，单独由这样低的准静态压力能否在岩石中引起初始破裂也是令人怀疑的二 应力波作用学说1、基本观点 爆炸冲击波冲击和压缩着药包周围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面时，产生反射拉应力波。当拉应力波的强度超过自由面处岩石的动态抗拉强度时，从自由面开始向爆源方

8、向产生拉伸片裂破坏，直至拉伸波的强度低于岩石的动态抗拉强度时停止。2、观点的依据 (1) 固体应力波的研究成果提供了充分的依据 1947年，K. M. 贝尔特用玻璃板作了爆炸试验，用高速摄影机实测的冲击波速度为560011900m/s，破坏的顺序为：爆源附近边界端玻璃板中部。这个结果与日野氏提出的“粉碎圈”、“从自由面反射波拉断岩石”的论述是一致的。 (2) 脆性固体抗拉强度低的特点为应力波作用学说提供了依据 一般岩石可视为脆性固体，脆性固体的抗压强度远远大于其抗拉强度，所以，日野氏认为岩石在爆破作用下的破坏，主要是冲击波产生的拉伸破坏。 而且，在自由面附近岩石被拉伸破坏的观点已得到公认。3、

9、该理论的不足 (1) 对烈性炸药来说，冲击波所携带的能量只占炸药爆炸总能量的5%15%，而真正用于破碎岩石的能量还小。D. E. 福吉尔逊等人通过测量和推算，得出冲击波能量只占炸药总能量的9%，有的人还说，只占3%，因此，这样小的能量要将岩石完全破碎是令人难以置信的。 (2) 根据日野氏的爆破漏斗试验证明，单位炸药消耗量达到 时，才会由反射的应力波引起岩石的片落破碎。而在一般的台阶爆破中，装药量都较小，按照其试验的理论，应该不会破坏， 但实际上都能破坏。因此，岩石的破坏不只是应力波的作用产生的。 (3) 在破碎大块时，外部装药（裸露药包）与内部装药（炮眼内装药）比较，单位炸药消耗量要高37倍，

10、这也充分说明了爆炸气体对破碎岩石的重要作用。 (4) 根据日野氏的试验，在压碎带与片裂带之间，存在一个非破碎带，这部分岩石是由什么作用引起破碎的，冲击波理论无法解释。三、应力波和爆炸气体压力共同作用学说这种学说的基本观点如下： 冲击波波阵面的压力和传播速度大大高于爆炸气体产物的压力和传播速度。冲击波首先作用于药包周围的岩壁上，在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎”现象，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。随后，爆炸气体产物继续压缩被冲击波压碎的岩石，爆炸气体“楔入”在应力波作用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进一步张开。当爆炸气体的压力足够大时，爆炸气体

11、将推动破碎岩块作径向抛掷运动。返回6.4.2 炸药在岩石中爆破作用的范围返回首页一、爆破的内部作用 爆破的内部作用：当药包在岩体中的埋置深度很大，其爆破作用达不到自由面时，这种情况下的爆破作用叫做爆破的内部作用。 在内部作用下，按照岩石的破坏特征将受影响的岩石分为三个作用区即：粉碎区、破裂区、振动区二、爆破的外部作用爆破的外部作用：当集中药包埋置在靠近地表的岩石中时，药包爆破后除产生内部的破坏作用以外，还会在地表产生破坏作用。在地表附近产生破坏作用的现象称为爆破的外部作用。 在爆破的外部作用下，破碎的岩石形成爆破漏斗。根据应力波反射原理，当药包爆炸以后，压缩应力波到达自由面时，便从自由面反射回

12、来，变为性质和方向完全相反的拉伸应力波，这种反射拉伸波可以引起岩石“片落”和引起径向裂隙的扩展。第一腔成型情况第二腔成型情况6.4.3 炸药在岩石中爆破破坏的过程 从时间来说，将岩石爆破过程分为3个阶段第一阶段为炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段。第二阶段为冲击波反射引起自由面处的岩石片落。第三阶段为爆炸气体的膨胀，岩石受爆炸气体超高压力的影响，在拉伸应力和气楔的双重作用下，径向初始裂隙迅速扩大。从能量观点出发，第一、二阶段均是由冲击波的作用而产生的，而第三阶段原生裂隙的扩大和碎石的抛出均是爆炸气体作用的结果。6.4. 4 岩石中爆破作用的5种破坏模式 炸药爆炸时，周围岩石受到多种载荷的综合作用，在

13、爆破的整个过程中，起主要作用的是5种破坏模式：（1）炮孔周围岩石的压碎作用（2）径向裂隙作用（3）卸载引起的岩石内部环状裂隙作用（4）反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙 的延伸（5）爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙6.5 爆破漏斗理论6.5.1集中药包的爆破漏斗爆破漏斗：当药包爆炸产生外部作用时， 除了将岩石破坏以外，还会将部分破碎了的岩石抛掷，在地表形成一个漏斗状的坑 这个坑称为爆破漏斗。1、爆破漏斗的几何参数自由面：被爆破的岩石与空气接触的面，又叫临空面。最小抵抗线W：自药包重心到自由面的最短距离，即表示爆破时岩石阻力最小的方向。最小抵抗线是爆破作用和岩石移动的主导方向。爆破漏斗半径r：爆

14、破漏斗的底圆半径。爆破作用半径R：药包重心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离，简称破裂半径。爆破漏斗深度D：自爆破漏斗尖顶至自由面的最短距离。爆破漏斗可见深度h：自爆破漏斗中岩堆表面最低洼点到自由面的最短距离。爆破漏斗张开角:爆破漏斗的顶角。爆破作用指数n：爆破漏斗半径与最小抵抗线的比值。 n=r/W 2、爆破漏斗的基本形式根据爆破作用指数n值的不同，爆破漏斗有四种基本形式。(a)标准抛掷爆破漏斗(b)加强抛掷爆破漏斗(c)减弱抛掷（加强松动）爆破漏斗(d)松动爆破漏斗返回（a)标准抛掷爆破漏斗n=1,张开角等于90。在确定不同种类岩石的单位炸药消耗量时，或者确定和比较不同炸药的爆炸性能时，往往

15、用标准爆破漏斗容积作为计算依据。（b)加强抛掷爆破漏斗n1.0，漏斗张开角大于90。当n 3时，爆破漏斗的有效破坏范围并不随n值的增加而明显增大。所以，爆破工程中抛掷爆破作用指数为1n3。一般情况下，n=1.22.5。（c)减弱抛掷爆破漏斗1 n0.75，漏斗张开角小于90。它是井巷掘进常用的爆破漏斗形式。（d)松动爆破漏斗n小于或等于0.75。松动爆破时采用的药量一般较小。因此爆破时产生的振动较小，碎石飞散距离也较小。常用于井下和露天爆破中。6.5.2延长药包的爆破漏斗集中药包：长径比4延长药包：长径比4爆破漏斗形态：集中药包漏斗平面形状呈圆形，延长药包漏斗平面形状为中部平直，两端衔接近似于

16、半圆的封闭曲线。抛掷堆积分布：集中药包抛出岩土堆积在漏斗四周，而延长药包的抛体却集中在药包轴线两侧药包长度的范围内。6.5.3利文斯顿爆破漏斗理论基本观点：（1）炸药爆炸后传递给岩石的能量和传递速度，与炸药性能和岩石的特性有关。（2）从能量观点出发，阐明了岩石变形系数E的物理意义。对岩石破坏的分类(1)当药包逐渐移向地表附近爆炸时，传递给岩石的能量将相对减少，而传递给空气的能量将相对增加。(2)药包深度不变，增加药包重量；或者药包重量不变而减少药包埋藏深度，二者的效果是一样的。爆破范围的划分（1）弹性变形带；（2）冲击破裂带；（3）破碎带；（4）空爆带。利文斯顿爆破漏斗理论在露天矿的应用第一步

17、：找出临界深度、计算出弹性变形系数、确定出最佳深度比；第二步：计算出任何重量药包的最佳深度；第三步：计算出药包重心至地表距离、台阶高度、孔网参数和装药量等。利文斯顿爆破漏斗理论在地下矿的应用构成了一种新的爆破技术基础，并发展成为一种新的地下采矿方法VCR法。6.6 装药量计算原理1、装药量体积公式式中 Q 装药量，kg； q 爆破单位体积岩石的炸药消耗 量，kg/m3； V 被爆破的岩石体积，m3。2、集中药包装药量计算公式1）标准抛掷爆破的装药量计算式中 V 标准抛掷爆破漏斗的体积，即对于标准抛掷爆破漏斗来说，r = W，所以简化的公式为2）非标准抛掷爆破的装药量计算 Q=f(n).qb.W

18、3式中f(n)为爆破作用指数函数，按下式计算： f(n)=0.4+0.6n3标准抛掷爆破f(n)=1，减弱抛掷爆破f(n)1，加强抛掷爆破f(n) 1。松动爆破装药量计算 Q=（0.330.5）qb.W3Qb=1.2kg/m3,W=20m。当n=1时，Q=9600kg;当n=1.25时，15090kg;当n=1.5时，Q=23280kg;当n=0.75时，Q=6270kg;当n=0.5时，Q=4560kg。3、延长药包装药量计算公式 q=Q/L=kW2fc(n) fc(n)=(1+n2)/21.4(中国铁道科学研究院建议）6.7露天台阶爆破的破碎机理台阶爆破具有两个自由面，其爆炸应力波形呈圆柱

19、形，如图6-24所示。台阶爆破的破碎机理与一个自由面爆破的破碎机理是基本相通的，只是由于台阶爆破具有两个自由面，更有利于岩石的破碎。6.8露天台阶爆破的破碎机理1、非饱和土中的爆破作用 爆炸空腔的半径与土体的抗压强度、密度、颗粒组成、孔隙率等物理力学性质以及所用炸药种类等有关。对于集中装药，有下面的经验公式： R=kr0 R=kQ1/3对于地表处土体中的药包爆炸，由于土体可往临空面方向运动、变形，药包以下的土体被压实，而药包以上的土体则被抛散，形成爆破漏斗。2、饱和土中爆破作用由于水的不可压缩性，饱和土中的爆炸展现出与水中爆炸某些相似的特征。用爆炸的方法使淤泥软基快速排水固结就是在不均匀的介质

20、中，通过爆炸荷载作用，使土体中产生超孔隙水压力，使土体中的水集中排出，降低含水量，提高承载力，达到加固软基的目的。6.9 影响爆破作用的因素影响爆破作用的主要因素炸药性能岩石特性爆破条件爆破工艺1、炸药性能对爆破作用的影响（1）炸药密度、爆热和爆速 炸药密度 爆破作用力 爆热和爆速 爆破作用力（2）爆轰压力一般来说，爆轰压力越高，越有利于岩石的破裂，尤其是对于坚硬致密的岩石爆轰压力过高将会造成炮孔周围的岩石过度粉碎爆轰压力越高，冲击波对岩石的作用时间越短，冲击波的能量利用率越低，而且容易造成不均匀的岩石破碎由爆轰压力的计算公式 可以看出，要想采用炮轰压力高的炸药，就是选用密度和爆速高的炸药（3

21、）爆炸压力爆炸压力（炮孔压力）：是指爆轰气体产物膨胀作用在孔壁上的压力爆炸压力的作用：在爆破破碎过程中，爆炸压力对岩石起胀裂、推移和抛掷作用一般来说，爆炸压力越高，说明爆轰产物携带的能量越大，因此对岩石的胀裂推移和抛掷的作用也就越大.炮孔内压力随时间的变化曲线OP3P2Pt1t2tMN决定爆炸压力大小的因素：炸药爆热、爆温、爆轰气体的体积。决定爆炸压力作用时间的因素：一是炸药性能；二是炮泥的堵塞质。（4）炸药能量利用率 试验研究表明，爆破岩石时，真正用于破碎岩石的有用能量只占炸药释放能量的一小部分，大部分能量都消耗在作无用功上，甚至是有害功上。例如，松动爆破的能量利用率较高，但也不超20%提高

22、炸药能量利用率的措施： 1）合理选择炸药的品种 2）合理确定爆破参数 3）选择合理的装药结构 4）确定合理的起爆顺序 5）保证堵塞质量2、岩石性质对爆破作用的影响岩石的基本性质决定了岩石的可钻性和可爆性，也影响爆破参数的选择。（1）炸药品种的选择；（2）岩石单位耗药量的确定；（3）爆破漏斗参数的确定、预留保护层厚度系数、药包间排拒；（4）岩石的爆后松散系数等；（5）爆破振动计算中有关系数等。3、结构面对深孔爆破的影响1）炮孔沿岩层走向布置见图6-28和图6-29。前者后冲较小，岩体位移也小，爆堆高，台阶底部阻力大；后者后冲较大，爆堆较低，除岩层、倾角小于设计台阶坡面角较多的情况以外，一般不易产

23、生根底。2)炮孔与岩层走向斜交或垂直布置见图6-30。沿台阶面的岩层多，且各岩层的力学性质差别较大，将产生不等的后冲和不规则的台阶坡面，爆破效果不佳。3）水平岩层时，炮孔与岩层面垂直布置见图6-31。爆后可形成接近90度的台阶坡面角，沿药包长度方向的抵抗线相等，爆破块度比较均匀，且不宜产生根底。爆破条件较理想。4、炸药波阻抗和岩石波阻抗的匹配岩石的波阻抗：是指岩石的密度与纵波在该岩石中的传播速度的乘积，即炸药的波阻抗：是指炸药的密度与炸药爆速的乘积，即通常认为炸药的波阻抗与岩石的波阻抗相匹配时，炸药传递给岩石的能量最多， 在岩石中引起的应变值越大，可以获得较好的爆破效果。（2）药包与孔壁的耦合

24、不耦合系数：炮孔直径与药包直径的比值，即 时，表明药包与孔壁紧密接触 时，表明药包与孔壁存在着空气间隙5、爆破条件、爆破工艺对爆破作用的影响（1）自由面的大小与方向自由面的存在有利于岩石破碎。自由面越小、个数越少，爆破时受到的夹制作用越大，爆破越困难，单位炸药消耗量越大。炮孔中的炸药在自由面上的投影面积越大，对岩石的破坏越有利。（2）装药结构间隔装药的作用：能降低作用在孔壁的峰值压力，减少炮孔周围的过度粉碎，提高有效能量的利用率能增加应力波的作用时间装药结构连续装药间隔装药（炮泥、木垫、空气）（3）堵塞的影响堵塞对爆破效果的影响：包括堵塞材料、堵塞长度和堵塞质量对爆破效果的影响。堵塞的作用 1

25、）阻止爆轰气体的过早逸散，使炮孔在相 对较长的时间内保持高压状态，能有效地提高爆破作用。 2）良好的堵塞质量能加强对炮孔中炸药爆 轰的约束作用，减少炮孔中压力和温度的下降，提高炸药的热效率，使更多的热能转变为机械功。3）在有瓦斯的工作面内，堵塞还能阻止灼 热固体颗粒从炮孔内飞出的作用，有利 于安全。 如下图为在有堵塞和无堵塞的炮孔中， 压力随时间变化的关系。 从图中可以看出，有堵塞时炮孔内压力 高于无堵塞时的炮孔内的压力，而且压 力作用时间长。（4）起爆药包位置对爆破效果的影响起爆药包的位置决定着爆轰波的传播方向，进而决定着爆炸应力波的传播方向和爆轰气体的作用时间，所以会对爆破作用产生一定的影响。起爆方式：根据起爆药包在炮孔中的位置不同，分为3种不同的起爆方式，即 起爆方式反向起爆正向起爆多点