岩土爆破理论课件

岩土爆破理论岩石爆破理论的发展1岩石中的爆炸应力波2岩石中的爆炸气体3岩石的爆破破碎机理4爆破漏斗理论5装药量计算原理6影响爆破作用的因素71.1岩石爆破理论的发展阶段

爆破理论作为一个学科，划分其发展的不同阶段，在时间上是很难划分清楚的，但就其发展过程来说，又必然存在着不同的发展阶段。即早期发展阶段、爆破理论的确立阶段、爆破理论的最新发展阶段。1.2爆破理论研究的内容在岩石爆破理论的确立阶段研究内容主要针对岩石是在何种力作用下破碎的？破碎的规律以及影响因素是什么或称岩石的爆破破碎机理为何？随着人们对爆破现象的认识逐步加深，对爆破理论研究的内容和范围也相应扩大。岩石爆破理论的发展1岩石中的爆炸应力波2岩石中的爆炸气体3岩石的爆破破碎机理4在介质中传播的扰动称为波。由于任何有界或无界介质的质点是相互联系着的，其中任何一处的质点受到外界作用而产生变形和扰动时，就要向其他部分传播，这种在应力状态下介质质点的运动或扰动的传播称为应力波。炸药在岩石和其他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。纵波（a）和横波（b）传播过程中质点振动示意图固体、液体、气体介质均能传播纵波。但是，只有固体介质才能传播横波。2.1.3按传播介质变形性质不同分类炸药爆炸后，在岩石中传播的主要是弹性波。塑性波和冲击波只能在爆源处才能观察到，而且不是所有岩石都能产生这样的波。2.2冲击荷载的特征及爆炸冲击波参数2.2.1冲击荷载的特征在冲击荷载的作用下，承载体的反应是动态的。冲击荷载使物体发生运动，物体出现的各种现象均呈运动状态。2.2.2爆炸冲击波参数冲击波的三个基本方程式如下：式中E1，E2——介质扰动前后的内能；

p0，p——介质扰动前后的压力；

V0，V——介质扰动前后的体积。2.2.3冲击波压力的衰减岩石中冲击波峰值压力衰减与炸药类型、药包形状和岩石特性有关，数学表达式为：式中p——岩石中冲击波峰值压力；

P2——炸药爆炸后岩石界面上的初始冲击波压力；

——比距离

α——压力衰减系数，α=1~3。2.3爆炸应力波的传播2.3.1冲击波，应力波和地震波tr—应力增至峰值的上升时间；tf—由峰值应力降至零时的下降时间；r0—装药半径爆炸应力波及其作用范围：2.3.2爆炸应力波的传播在无限介质的三维传播情况下，纵波和横波的传播速度为：式中E——介质的弹性模量，kPa；

ν——介质的泊松比；

G——介质的剪切模量，kPa。应力波在自由面上的反射应力波传播到自由面时均要发生反射，无论是纵波，还是横波经过自由面反射后都要再度生成反射纵波和反射横波。当应力波到达自由面时，将全部发生反射。应力波在不同介质分界面上的反射和透射P波由介质Ⅰ入射到介质Ⅱ中的示意图假设入射波为纵波（P）时，一般要激发四种波，即反射纵波Pr，反射横波Sr，透射纵波Pt和透射横波St。应力波在不同介质分界面上的反射和透射应力波在不同介质分界面上的反射和透射应力波反射类型图波到达A点的应力分析1—入射纵波；2—反射纵波；3—反射横波当爆炸应力波从爆源向自由面倾斜入射时，设自由面方向为横轴，最小抵抗线方向为竖轴，O点为爆源，岩体中任一点A的应力状态的分析如左图所示。如果爆源附近有自由面时，自由面对应力极大值的变化产生很大的影响，一般来说在自由面附近所产生的压缩主应力极大值比无自由面时所产生的要大。当σ达到最大值时r1和r2的作用方向右图表示了入射波倾斜入射时，反射纵波（Pr）和反射横波（St）分别产生的主应力。包括拉应力、压应力和剪切应力。在反射纵波和反射横波波阵面上的主应力的大小和方向1—拉应力；2—压应力；3—剪应力如果药包靠近自由面，孔壁岩石被高压冲击波压缩和粉碎，炮孔容积被扩大，被密封在炮孔中的爆炸气体以准静态压力作用在孔壁上。其力学分析方法是：首先由岩石的应力、应变、位移关系导出爆破微分方程式；再用普通塑性力学方法求解在岩石中各点的主应力σ1和σ2的作用方向。主应力σ1和σ2的作用方向根据右图所示的主应力作用方向，可以推断在爆轰气体静压的作用下，岩体中产生破坏的裂隙方向。岩石爆破理论的发展1岩石中的爆炸应力波2岩石中的爆炸气体3岩石的爆破破碎机理4岩石是在冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用下破碎的。爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。此外，爆炸冲击波对高阻抗的致密、坚硬岩石作用更大，而爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软弱岩石的破碎效果更佳。4.1炸药在岩石中爆破作用的范围4.1.1炸药的内部作用假设岩石为均匀介质，当炸药置于无限均质岩石中爆炸时，在岩石中将形成以炸药为中心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎区、裂隙区及弹性震动区。粉碎区爆破内部作用示意图1—装药空腔；2—粉碎区；3—裂隙区；4—震动区

粉碎区处于坚固岩石的约束条件下，而大多数岩石的动态抗压强度都很大，冲击波的大部分能量已消耗于岩石的塑性变形、粉碎和加热等方面，致使其波阵面的压力很快就下降到不足以粉碎岩石。裂隙区

当冲击波通过粉碎区以后，继续向外层岩石中传播。随着冲击波传播范围的扩大，岩石单位面积的能流密度降低，冲击波衰减为压缩应力波。其强度已低于岩石的动抗压强度，不能直接压碎岩石。但是，它可使粉碎区外层的岩石遭到强烈的径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因而导致外围岩石中产生径向扩张和切向拉伸应变。裂隙区

径向压缩引起的切向拉伸假定在岩石层的单元体上有两点A和B，它们的距离最初为Xmm，受到径向压缩后推移到C和D，它们彼此的距离变为X+dXmm。这样就产生了切向拉伸应变dX/X。裂隙区

径向裂隙和环向裂隙的形成原理当切向拉伸应变超过了岩石的动抗拉强度时，在外围的岩石层中就会产生径向裂隙；当径向拉伸应力小超过岩石的动抗拉强度时，在岩石中便会出现环向裂隙。弹性振动区

裂隙区以外的岩体中，由于应力波引起的应力状态和爆轰气体压力建立起的准静应力场均不足以使岩石破坏，只能引起岩石质点作弹性振动，直到弹性振动波的能量被岩石完全吸收为止，这个区域叫弹性振动区。4.1.2炸药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，即外部作用。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，便从自由面反射回来，变为拉伸应力波，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。反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落反射拉应力波破坏过程示意图a—入射压力波波前；b—反射拉应力波波前反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落霍普金森效应的破碎机理（a）应力波合成的过程；（b）岩石表面片落过程反射拉伸波引起径向裂隙的延伸反射拉伸波对径向裂隙的影响从自由面反射回岩体中的拉伸波，即使它的强度不足以产生“片落”，但是反射拉伸波同径向裂隙梢处的应力场互相叠加，可使径向裂隙大大地向前延伸。4.2炸药在岩石中的爆破破坏过程爆破过程的三阶段（a）径向压缩阶段；（b）冲击波反射阶段；（c）爆炸气体膨胀阶段4.3岩石中爆破作用的5种破坏模式岩石中爆破作用5种破坏模式：炮孔周围岩石的压碎作用；径向裂隙作用；卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸；爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙。爆破漏斗理论5装药量计算原理6影响爆破作用的因素75.1集中药包的爆破漏斗5.1.1爆破漏斗的几何参数爆破漏斗示意图AB—自由面（临空面）；W—最小抵抗线；r—爆破漏斗半径；R—爆破作用半径；D—爆破漏斗深度；h—爆破漏斗可见深度；θ—爆破漏斗张开角5.1.2爆破漏斗的基本形式

爆破作用指数（n）是指爆破漏斗半径r和最小抵抗线W的比值，即

n=r/W根据爆破作用指数n值的不同，将爆破漏斗分为标准抛掷爆破漏斗、加强抛掷爆破漏斗、减弱抛掷爆破漏斗和松动爆破漏斗四种基本形式。标准抛掷爆破漏斗

漏斗半径r与最小抵抗线W相等。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，往往用标准爆破漏斗容积作为计算的依据。爆破作用指数n=1.0漏斗张开角θ=90°加强抛掷爆破漏斗爆破作用指数n>1.0漏斗张开角θ>90°

漏斗半径r大于最小抵抗线W。当n>3时，爆破漏斗的有效破坏范围并不随n值的增大而明显增大。所以，爆破工程中加强抛掷爆破作用指数为1<n<3。一般情况下，n=1.2~2.5。减弱抛掷爆破漏斗爆破作用指数1.0>n>0.75漏斗张开角θ<90°

漏斗半径r小于最小抵抗线W。它是井巷掘进常用的爆破漏斗形式。松动爆破漏斗爆破作用指数n≤0.75药包爆破后只使岩石破裂，几乎没有抛掷作用，从外表看，不形成可见的爆破漏斗。爆破时所产生的振动较小，碎石飞散距离也较小。常用于井下和露天的矿石回采作业。5.2利文斯顿爆破漏斗理论美国科罗拉多矿业学院的利文斯顿20世纪50年代提出了以能量平衡为准则的爆破漏斗理论。他根据大量的漏斗试验，用V/Q-Δ曲线作为变量，科学地确定了爆破漏斗的几何形态。60年代经过进一步的补充形成了比较完整的爆破理论——实用爆破理论。5.2.1基本观点以各类岩石的爆破漏斗试验为基础，阐明了炸药能量分配给周围岩石和空气的方式。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。从能量观点出发，阐明了岩石变形系数E的物理意义。5.2.2对岩石破坏的分类根据一定药包在地表下不同深度爆炸时产生的爆破效果，利文斯顿将爆破范围划分为四带：弹性变形带；冲击破裂带；破碎带；空爆带。临界深度（Le）当药包埋在地表以下足够深时，炸药的能量消失在岩石中，在地表观察不到破坏。在药包以上的地带称为弹性变形带。如果药包重量增加或者埋深减小，则地表的岩石就可能发生破坏。使岩石开始发生破坏的埋深称为临界深度（Le），而在临界深度时的炸药量称为临界药量（Qe），此条件定位弹性变形的上限。临界深度（Le）在临界深度可以观察到三种破坏形式：冲击式破坏：对脆性岩石而言；剪切式破坏：对塑性岩石而言；碎化疏松式破坏：对松散无内聚力岩石而言。最佳深度（Lj）当药量不变，继续减小药包埋深，药包上方的岩石破坏就会转变为冲击式破坏。漏斗体积逐渐增大。当体积V达到最大值时，冲击破坏的上限与爆破的炸药能量利用的最有效点相吻合，即为冲击破裂带的上限。药包能量充分被利用，此时药包的埋深称为最佳深度（Lj）。与最大岩石破碎量相对应的炸药量称为最佳药量（Q0）。最佳深度（Lj）当药包埋深进一步减小时，爆破能量超出达到最佳破坏效应所要求的能量，岩石的破坏可划分为破碎带和空爆带。5.2.3V/Q-Δ曲线V/Q-Δ曲线将V除以Q而成为“单位重量炸药所爆下的岩石体积”作为纵坐标，将Ly（各任意深度）与临界深度Le之比称为深度比Δ作为横坐标。即得到V/Q-Δ曲线。5.2.4利文斯顿的弹性变形方程弹性变形方程是以岩石在药包临界深度时才开始破坏为前提，描述了三个主要变量间的关系。式中Le——药包临界深度，m；

Eb——弹性变形系数；

Q——药包重量，kg；与最大岩石破碎量和冲击式破坏上限有关的最佳药包埋深可用下式确定：式中Lj——最佳埋深，m；Eb——弹性变形系数；Q0——最佳药量，kg；Δ0——最佳深度比，对某一种特定岩石来说，Δ0是一个定值5.2.4利文斯顿的弹性变形方程5.2.5利文斯顿爆破漏斗理论在露天矿的应用将利文斯顿爆破漏斗理论用于露天矿爆破参数计算的步骤如下：在给定炸药与岩石组合条件下，确定弹性变形系数Eb和最佳深度比（Δ0）；根据已知的弹性变形系数和最佳深度比，计算出任何重量药包的最佳深度（Lj）；计算出药包埋深Ly、台阶高度、孔网参数和装药量等。5.2.6利文斯顿爆破漏斗理论在地下矿的应用利文斯顿建立的爆破漏斗理论为我们研究和掌握爆炸现象创造了一个极有用的工具，以往的爆破漏斗的试验，最小抵抗线均指向上向水平自由面，形成一个锥形的爆破漏斗。如果我们将巷道或任何地下工程的顶板做自由面爆炸球形药包时，就会出现一个全新的爆破漏斗概念，它构成了一种新的爆破技术基础，如VCR法。爆破漏斗理论5装药量计算原理6影响爆破作用的因素76.1装药量计算的基本公式通过量纲分析理论推导，爆破药量计算的基本公式可以表示为：Q=k2W2+k3W3+k4W4式中k2W2的物理意义是表示克服张力形成断裂面所需要的能量；k3W3表示介质体积变形所需要的能量；k4W4表示介质克服重力场所需要的能量。瑞典学者兰格福尔斯在《现代岩石爆破》一书中，提出的在一般岩石中采用松动爆破情况下的药量计算公式为：Q=0.07W2+0.35W3+0.004W4分析表明：在小抵抗线0.1m≤W≤1.0m时，第一项占总需能的16%以上，是不能忽略的，在药包抵抗线小的情况下，单位炸药消耗量高，就是这个道理。瑞典学者兰格福尔斯在《现代岩石爆破》一书中，提出的在一般岩石中采用松动爆破情况下的药量计算公式为：Q=0.07W2+0.35W3+0.004W4分析表明：在抵抗线W＞20.0m时，第一项占需要总能量的比例小于1%，可以忽略；这时第三项上升到占需要总能量的18%以上，是不能忽略的。瑞典学者兰格福尔斯在《现代岩石爆破》一书中，提出的在一般岩石中采用松动爆破情况下的药量计算公式为：Q=0.07W2+0.35W3+0.004W4分析表明：在抵抗线1.0m＜W≤20.0m时，爆破装药量可以不考虑岩土的重力和内聚力的影响，主要用于使介质体积变形所需要的能量，其药量计算公式可以只采用第二项。6.2集中药包装药量计算公式6.2.1集中药包的标准抛掷爆破对于采用单个集中药包进行的标准抛掷爆破，其装药量计算式为：Qb=qb×W3式中Qb—形成标准抛掷漏斗的装药量，kg；qb—形成标准抛掷爆破漏斗的单位体积岩石的炸药消耗量，kg/m3。6.2.2集中药包的非标准抛掷爆破非标准抛掷爆破的装药量是爆破作用指数的函数。不同爆破作用的装药量用下面的计算通式来表示：

Q=f（n）×qb×W3式中，f（n）为爆破作用指数函数。对于标准抛掷爆破f（n）=1.0，减弱抛掷爆破或松动爆破f（n）＜1，加强抛掷爆破f（n）＞1。爆破漏斗理论5装药量计算原理6影响爆破作用的因素77.1炸药性能对爆破作用的影响炸药性能包括物理性能、爆炸性能和热化学参数。其中，直接影响爆破作用及其效果的是炸药密度、爆热和爆速。是它们进而又影响了爆轰压力、爆炸压力、爆炸作用时间以及炸药爆炸能量利用率。7.1.1炸药密度、爆热和爆速增加炸药爆热和密度，可提高单位体积炸药的能量密度。提高炸药热化学参数，增大密度，可提高理想爆速。对于单质猛炸药，当药包直径一定时，爆速随密度的增加而增大，二者呈直线关系。对于工业炸药二者的关系比较复杂，在直径一定时炸药的爆速先随密度的增加而增大，但达到一定极限后，再增加密度爆速反而降低。右图显示了两种不同的粉状硝铵类炸药（曲线1和曲线2）在直径为100mm时装药密度与爆速的关系。硝铵炸药密度与爆速的关系7.1.1炸药密度、爆热和爆速爆速也是炸药性能的主要参数之一，不同爆速的炸药，在岩石中爆炸可激起不同的应力波参数，对于坚固的岩石使用高爆速的乳化炸药比低爆速的铵油炸药，爆破效果明显不同。采用高密度炸药是提高爆破作用的有效途径。7.1.1炸药密度、爆热和爆速7.1.2爆轰压力

爆轰压力是指炸药爆轰时爆轰波波阵面中的C-J面所测得的压力，当爆轰波传到炮孔孔壁上时，在孔壁的岩石中会激发成强烈的冲击波和应力波。这种冲击波在岩石中，特别是在硬岩中会引起炮孔周围岩石出现粉碎和破裂，它为整个岩石破裂创造了先决条件。但并不是对所有岩石来说爆轰压力越高越好，对某些岩石来说爆轰压力过高将会造成炮孔周围岩石的过度粉碎。另外爆轰压力越高，冲击波对岩石的作用时间越短，冲击波的能量利用率底而且造成岩石破碎不均匀。因此，必须根据岩石的性质和工程的要求来合理选配炸药的品种。7.1.2爆轰压力7.1.3爆炸压力

爆炸压力又称炮孔压力，它是爆轰气体产物膨胀作用在孔壁上的压力。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，一般说来，爆炸压力越高，说明爆轰产物中含有能量越大，对岩石的胀裂、推移和抛掷的作用越强烈。7.1.3爆炸压力岩石爆破的压力-时间的变化曲线t1—药包爆轰反应所经历的时间；t2—爆炸气体膨胀作用的时间；p2—爆轰压力；p3—爆炸其他的膨胀压力在均压以后的爆炸压力；曲线MN—爆炸压力随时间的变化。7.1.3爆炸压力爆炸压力的大小取决于炸药爆热、爆温和爆轰气体的体积。而爆炸压力作用的时间除与炸药本身的性能有关以外，还与爆破时炮泥的填塞质量有关。因此在工程爆破中除了针对岩石性能和爆破目的，选用性能相适应的炸药品种外，还应注意填塞质量。7.1.4炸药能量利用率炸药在岩体中爆炸时所释放出的能量，是通过爆炸应力波和爆轰气体膨胀压力的方式传递给岩石，使岩石产生破碎。但是，真正用于破碎岩石的能量只占炸药释出能量的极小部分。大部分能量都消耗在作无用功上。7.1.4炸药能量利用率如不考虑炸药爆炸时的热化学损失，那么炸药爆炸时的能量分配包括：（1）克服岩体中的凝聚力使岩体粉碎和破裂；（2）克服岩体中的凝聚力和摩擦力使爆破范围内的岩石从母岩中分离；（3）将破碎后岩块推移和抛掷；（4）形成爆破地震波、空气冲击波、噪声和爆破飞石。7.1.4炸药能量利用率在工程爆破中，造成岩石的过度粉碎，产生强烈的抛掷，形成强大爆破地震波、空气冲击波、噪声和飞石均属无益消耗的爆炸功。根据岩石性质来合理选择炸药品种，合理确定爆破参数，选择合理的装药结构和药包的起爆顺序，以及保证填塞质量等，都可以提高炸药在岩体中爆炸时的能量利用率。具体的爆破设计中，设计计算参数的选取与岩性有密切关系：炸药品种的选择；岩石单位炸药耗药量的确定；进行爆破漏斗及方量计算时的压缩圈系数、上破裂线系数、预留保护层厚度系数、药包间排距；7.2岩石性质对爆破作用的影响具体的爆破设计中，设计计算参数的选取与岩性有密切关系：岩石的爆后松散系数，抛掷堆积计算的抛距系数和塌散系数；爆破安全计算中的不逸出半径、地表破坏圈范围，以及爆破振动计算中有关系数等。7.2岩石性质对爆破作用的影响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就大，可获得较好的爆破效果。对于工程上常用的硝铵类炸药来说，其波阻抗一般为5×105g/（cm2·s），而坚硬致密岩石的波阻抗为（10~25）×105g/（cm2·s）。7.3炸药波阻抗和岩石波阻抗的匹配7.4爆破条件、爆破工艺的影响7.4.1自由面的大小与方向的影响自由面的作用：反射应力波；改变岩石的应力状态及强度极限；自由面是最小抵抗线方向。7.4.1自由面的大小与方向的影响炮孔与自由面相关位置对爆破的影响（a）垂直布置炮孔；（b）倾斜布置炮孔自由面的位置对爆破作用也产生影响。炮孔中的装药在自由面上的投影面积愈大，愈