爆破工程岩石中的爆破作用原理

会计学1爆破工程岩石中的爆破作用原理一、爆轰气体膨胀压力作用破坏论这派观点是从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温高压的气体，这种气体膨胀时所产生推力，作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂，当爆轰气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出，这派观点完全否认冲击波的作用。第1页/共92页第2页/共92页二、应力波反射拉伸破坏论这派观点从爆轰的动力学观点出发。认为药包爆破时，强大的冲击波冲击和压缩周围的岩石，在岩石中激发成强烈的压缩应力波。当这种应力波传到自由面时，从自由面反射而成拉伸应力波，当这种波的强度超过岩石的极限抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏作用。这派观点完全否认了爆轰气体膨胀的推力作用。第3页/共92页第4页/共92页三、冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用的观点这派观点认为爆破时岩石的破坏是冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用的结果。第5页/共92页

四、岩体爆破的损伤力学观点

长期以来，在岩体爆破机理研究中主要围绕爆破主动力问题展开，对于岩体破坏准则仍沿用岩体静力学方法，采用拉应力破坏理论、莫尔破坏理论等。这种简化处理可用于解决不含地质结构面的岩石破裂问题。大量的调查统计发现，岩体爆破过程中80％以上的破裂面是沿岩体中的各种原生结构面（节理、层理等）产生，因而近年来在岩体爆破理论研究中又引入了损伤力学方法，提出了岩体爆破机理的损伤力学观点。第6页/共92页

该观点视岩体裂隙为初始损伤，各种结构弱面和微缺陷为潜在的损伤发展源，认为岩体破裂是损伤积累所致。当岩体损伤变量达到某一临界值时，岩体产生破裂。利用岩体爆破的损伤力学方法，目前基本上可以实现爆破范围的计算机模拟。该理论在爆破动力问题上，直接采用爆轰冲击荷载作用于岩壁的状态方程，利用动力有限元方法计算爆区的应力状态。其实质是认为岩体爆破动力是爆炸应力波和爆轰气体的膨胀作用，两者相辅相成，不可或缺。第7页/共92页第二节冲击载荷的特征和应力波

一、冲击载荷的特征冲击载荷是一种动载荷，特点是加载的速度快和作用的时间短。将物体受冲击载荷作用下的情况和一般静载荷相比，它是以特殊形态反应出来的，其主要特征如下：1.在冲击载荷作用下，承受载荷作用的物体的自重非常重要。冲击载荷作用下所产生力的大小，作用的持续时间和力的分布状态等等，主要取决于加载体和受载体之间的相互作用。2.在冲击载荷作用下，在承载体中诱发出的应力是局部性的，在承载体内部产生了明显的应力不均匀性。3.在冲击载荷作用下，承载体的反应是动态的。第8页/共92页二、应力波物体若受到爆炸或其他冲击载荷作用时，在物体的内部就会产生过渡性的扰动现象，这种现象叫做波动。物体内的应力是以波动方式传播的，这种波动方式的应力叫做应力波，对爆破来说这种应力波是由爆炸冲击加载产生的，所以叫做爆炸应力波。第9页/共92页（一）应力波的传播传播的大致过程：炸药在岩体中爆炸引起的瞬时巨大压力，压力以极高的速度冲击药包四周的岩石，在岩石中激发出传播速度比声速还大的冲击波（或叫爆炸应力波）。在离药包稍远的地点，由于波的衰减，这些非弹性过程终止，而开始出现弹性效应，衰减后的冲击波已变成只能引起岩石质点振动而不能引起岩石破裂的弹性扰动，这种弹性扰动以弹性应力波或地震波的形式向外传播应力波按其传播的途径不同可以分为两大类：一类是在岩体内部传播的，叫做体积波；一类是沿着岩体内、外表面传播的叫做表面波。第10页/共92页体积波按波的传播方向和传播途中介质质点扰动方向的关系又可分为纵波和横波两种。纵波又叫压缩波，它的特点是波的传播方向和传播途中介质质点的运动方向是一致的，这种波在传播过程中会引起物体产生压缩和拉伸变形。横波又叫剪切波，它的特点是波的传播方向和传播途中介质质点的运动方向相垂直。在传播过程中它会引起物体产生剪切变形。表面波可分为瑞利波和勒夫波两类。瑞利波的传播方式与纵波相似，会引起物体产生压缩和拉伸变形。勒夫波与横波相似，会引起物体产生剪切变形。爆破时体积波特别是纵波能使岩石产生压缩和拉伸变形，是爆破时造成岩石破裂的重要原因。第11页/共92页（二）应力波的反射应力波和其他波动一样，如果在它的传播过程中遇到岩石中的层理面、节理面、断层面和自由面，或者在传播过程中介质性质发生了变化时，那么应力波的一部分会从交界面反射回来，另外一部分应力波则透射过交界面进入第二种介质，应力波的反射因其入射的角度不同有两种不同的反射情况，一种是应力波呈垂直入射，另一种是应力波呈倾斜入射。第12页/共92页1.应力波垂直入射图5—4表示入射的一种三角形波从自由面反射的过程。设入射的应力波是压缩应力波，从左向右传播，如图中的a所示。波在到达自由面以前，随着波的前进，介质承受压缩应力的作用。当波到达自由面时立即发生反射。图中的b表示三角波正在反射过程中，图中的c表示波的反射过程已经结束。反射前后的波峰应力值和波形完全一样，但极性完全相反，由反射前的压缩波变为反射后的拉伸波，由原介质中返回，随着反射波的前进，介质从原来的压缩应力下被解除的同时，而承受拉伸应力。第13页/共92页第14页/共92页2．应力波倾斜入射应力波呈倾斜向自由面入射时，情况非常复杂。入射波不管是纵波还是横波，经过自由面反射以后，都要再度生成纵波和横波这两种波来。第15页/共92页第三节爆破时岩体中的应力状态

一、应力波在岩体中传播时引起的应力状态当药包爆轰时的爆轰波传到药包与岩石的接触面时，一部分爆轰波会反射回来，一部分爆轰波则以猛烈冲击的方式透射入岩体中，在岩体内激发出一种波峰压力很高的脉冲应力波，这种脉冲应力波叫做爆炸应力波或岩体中的冲击波。第16页/共92页（一）岩体中冲击波的传播规律冲击波的初始波峰压力就是爆轰波给予岩石的最初压力，其值的大小取决于炸药的性质、岩石的性质和炸药与岩石的耦合情况。波阻抗越大的岩石，在炮孔壁上产生的压力也越大，如表5—1所示。给予岩石的初始峰压越大，则岩石的变形也越大，破碎越厉害，消耗能量也越多。因此，在工程爆破中必须根据工程的要求来合理地控制岩体中的初始峰压值。第17页/共92页冲击波在岩体内传播过程中，它的强度随着距爆源距离的增加而衰减。根据波的性质、形状和作用性质的不同，可将冲击波的传播过程大致分为三个作用区，如图5—5所示。冲击波作用区、压缩应力波作用区、弹性振动区。第18页/共92页冲击波在传播过程中衰减的一般规律是：在冲击波作用区，应力衰减大致与传播距离的三次方成正比。在压缩应力波作用区，应力衰减大致与传播距离的平方成正比；在地震波作用区，应力的衰减大致与传播距离成线性关系。此外，球形药包产生的冲击波，其衰减速度比柱形药包快。冲击波在松软或多裂隙岩石中传播比在均质、致密的整体岩石中衰减要快。冲击波在岩体中传播时，其波阵面上的压力衰减规律可以用下列经验公式来表示：（5—1）式中——离药包的距离为r处的冲击波波峰压力，kPa；

——冲击波初始的波峰压力，kPa；——距药包的距离，m；——药包的半径，m；

——指数，，冲击波作用区取“+”，压缩应力波作用区取“-”；

——岩石的泊松比。第19页/共92页（二）应力波在岩体中引起的应力状态爆炸应力波在岩体中引起的应力状态不但随时间不同而变化，而且随离药包的远近而变化，表现为动的应力状态。在爆炸应力波作用的大部分范围内，它是以压缩应力波的方式传播的，其引起的岩石应力状态可以近似地采用弹性理论来研究和解析。爆炸应力波从爆源向自由面倾斜入射时，在自由面附近岩石中某点的应力状态是复杂的，由爆源向四周岩体中发射的应力波主要是纵波。第20页/共92页如图5—6所示，设自由面方向为横轴，最小抵抗线方向为竖轴，O点为炸药包中心（即爆源），岩体中任一点A的应力为三者的合成，由合成应力引起的三个主应力为，，。当拉伸主应力出现极大值时，自由面附近岩体中各点的主应力和的方向如图5—7所示。第21页/共92页第22页/共92页第23页/共92页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小；拉伸主应力极大值则正好与此相反，它比无自由面时所产生的要大，爆源离自由面越近，拉伸主应力的增长越显著，这意味着自由面附近的岩石是处于比较容易破坏的拉伸应力状态下这充分说明自由面对爆破效果的提高起着重要的作用。第24页/共92页二、爆轰气体压力作用下岩体中的应力状态药包爆破时，在药室容积没有发生变化以前，爆轰气体压力可以视为是恒定的。由它引起的应力状态是均匀的，它与时间无关，只决定于该点的位置，表现为静的应力状态。当在岩体中密封的集中药包爆轰时，由于药室周壁岩石被高压冲击波压缩和粉碎，药室容积被扩大，被密封在此容积中的爆轰气体以准静态压力的方式作用在岩壁上，在岩体中各点的主应力和的作用方向如图5—8所示，该应力分布状态与图5—7中的应力分布状态极为相似。第25页/共92页第26页/共92页第四节单个药包的爆破作用

一、单个集中药包的爆破作用

（一）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，即在无限介质中的爆破，这种情况下的爆破作用叫做爆破的内部作用。这种情况如图5—9所示。按照岩石的破坏特征，大致可将它分为三个区域。第27页/共92页第28页/共92页1.压碎区(压缩区)

这个区是指直接与药包接触的岩石。在冲击载荷作用下呈现明显脆性的坚硬岩石，则被压碎；对于可压缩性比较大的软岩（如塑性岩石、土壤和页岩等）则被压缩成压缩空洞，并且在空洞表层形成坚实的压实层。因此，压碎区又叫压缩区。压碎区的半径很小，一般约为药包半径的2~3倍。破坏范围虽然不大，但破碎程度大，炸药消耗能量多。第29页/共92页2.破裂区(破坏区)

当冲击波通过压碎区以后，随着冲击波传播范围的扩大而导致单位面积上的能流密度降低，压缩波（即压缩应力波），其强度已低于岩石的动抗压强度，所以不能直接压碎岩石。但是，它可使压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，因而导致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变，如图5—10所示。如果这种切向拉伸应变超过了岩石的动抗拉强度的话，那么在外围的岩石层中就会产生径向裂隙。这种裂隙以（0.15~0.4）倍压缩应力波的传播速度向前延伸。当切向拉伸应力小到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止向前发展。另外在冲击波扩大药室时，压力下降了的爆轰气体也同时作用在药室四周的岩石上，在药室四周的岩石中形成一个准静应力场。第30页/共92页第31页/共92页当压缩应力波通过破裂区时，岩石受到强烈的压缩，储蓄了一部分弹性变形能，当应力波通过后，岩石中的应力释放，便会产生与压缩应力波作用方向相反的向心拉伸应力。使岩石粒点产生反向的径向移动，当径向拉伸应力超过岩石的动抗拉强度时，在岩石中便会出现周向的裂隙。图5—11是径向裂隙和周向裂隙的形成原理示意图。径向裂隙和周向裂隙的相互交错，将该区中的岩石割裂成块，如图5—11所示。此区域叫做破裂区（或破坏区）。第32页/共92页3.弹性震动区破裂区以外的岩体中，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，这个区域叫弹性震动区或地震区。震动区半径可按下式估算：

第33页/共92页（二）爆破的外部作用当药包在岩体中埋置很浅，即爆破作用能达到自由面，即在半无限介质中的爆破，这种情况的爆破叫做爆破的外部作用。当将集中药包埋置在靠近地表的岩石中时，那么药包爆破后，除了产生内部的破坏作用以外，还会在地表产生破坏作用，造成地表附近的岩石破坏。第34页/共92页1.由应力波的合成引起的破坏自由面附近岩石中的爆破破碎机理，可根据入射波和反射波叠加结果所产生的应力状态（图5—12）来判断。由拉伸应力引起的裂隙，是以最小抵抗线为中心呈放射状的分布，如图5—12b所示。第35页/共92页2.由霍布金逊效应引起的破坏根据应力波的反射原理，当药包爆炸以后的压缩应力波到达自由面时，便从自由面反射回来，变成性质和方向完全相反的拉伸应力波，这种效应叫霍布金逊效应。假定从爆源向自由面方向传播的压缩应力波是锯齿形三角形波。那么可用图5—13来说明霍布金逊效应的破坏机理。第36页/共92页第37页/共92页3.由反射拉伸波引起径向裂隙的延伸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裂，但是反射拉伸波同径向裂隙梢处的应力场相互叠加，可使径向裂隙大大地向前延伸。裂隙延伸的情况与反射应力波传播的方向和裂隙方向的交角θ的有关。如图5—14所示。相反地，反射波在其切向上是压缩应力状态，反而会使已经张开的裂隙重新闭合。第38页/共92页第39页/共92页（三）爆破漏斗当药包爆破产生外部作用时，除了将岩石破坏以外，还会将一部分破碎了的岩石抛掷，在地表形成一个漏斗形的坑，这个坑叫做爆破漏斗。见图5—15。爆破漏斗是工程爆破中一些重要参数计算的基础，它是由下列一些要素构成的（图5—16）。自由面——被爆破的岩石与空气接触的面叫做自由面，又叫临空面。如图5—16中的AB面。在长期的爆破实践中，人们总结了一条简单的经验，即自由面多，爆破效果好。从图5—17中就很容易说明这个问题。第40页/共92页第41页/共92页第42页/共92页第43页/共92页最小抵抗线W——自药包中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。因此，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——即爆破漏斗的底圆半径。爆破作用半径R——也叫做破裂半径，即白药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。爆破漏斗深度D——自爆破漏斗尖顶至自由面的最短距离。爆破漏斗的可见深度h——自爆破漏斗中岩堆表面最低洼点到自由面最短距离。爆破漏斗张开角θ——即爆破漏斗的顶角。第44页/共92页除了上述构成爆破漏斗的一些要素以外，在爆破工程中还有一个经常用到的重要指数，即爆破作用指数n，它是爆破漏斗半径r和最小抵抗线W的比值，可以用下式表示：

在工程爆破中常常根据爆破作用指数n值的不同，将爆破作用分为五种。1.标准抛掷爆破漏斗（图5—18a）这种爆破漏斗的漏斗半径r与最小抵抗线W相等，即爆破作用指数漏斗的张开角θ=90°。形成标准抛掷爆破漏斗的药包叫做标准抛掷爆破药包。第45页/共92页2.加强抛掷爆破漏斗（图5—18b）这种爆破漏斗的漏斗半径r大于最小抵抗线W，即爆破作用指数n＞l.0，漏斗张开角θ＞90°，形成加强抛掷爆破漏斗的药包叫做加强抛掷爆破药包。3.减弱抛掷爆破（又叫加强松动爆破）漏斗（图5—18c）这种爆破漏斗的漏斗半径r小于最小抵抗线W，即爆破作用指数l＞n＞0.75，漏斗张开角θ＜90°。形成减弱抛掷爆破漏斗的药包叫做减弱抛掷爆破或加强松动爆破药包。第46页/共92页4.松动爆破漏斗（图5—18d）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。此时的爆破作用指数，n小于但接近于0.75。松动爆破时采用的装药量一般较小，因此爆破时所产生的振动较小，碎石飞散的距离也较小。这样，有利于提高装岩的效率和爆破的安全性。因此，在井下和露天的矿石回采作业和巷道的掘进作业中，常常采用这种爆破。第47页/共92页5.压缩（压碎）爆破（图5—18e）压缩爆破的特点是药包爆破时，只将它周围的岩石压缩（或压碎）形成空洞，而爆破的作用达不到自由面。这种爆破在药壶爆破中常常被采用。第48页/共92页第49页/共92页二、单个延长药包的爆破作用延长药包是在工程爆破中应用最广泛的药包。如炮眼爆破法和深孔爆破法中使用的柱状药包以及硐室爆破法中使用的条形药包都属于延长药包。延长药包是相对集中药包而言的，当药包的长度和它的横截面的直径（对圆柱形药包）或边长（对方柱形药包）之比值φ大于某一值时，叫做延长药包。φ值大小的规定目前尚未统一，有些人主张φ≥6～8时属延长药包，而另些人则主张φ≥15～20属延长药包。延长药包和集中药包在爆破破碎机理方面没有多大差别，但是两者在岩石中爆破后的应力波传播时的衰减规律、应力波的参数以及应力的分布和爆破后的漏斗形状及体积却有明显的差别。第50页/共92页第五节成组药包爆破作用特征

一、单排成组药包速摄影记录表明，当两个或两个以上药包单排同时爆破时，在最初几微秒时间内，应力波以同心球状各自从起爆点向外传播。经过一定时间后，相邻两药包爆破引起的应力波相遇，并产生相互叠加，沿炮眼联心线的压应力相互抵消，而两药包的拉应力合成，如果炮眼相距较近，合成拉应力值超过岩石抗拉强度，则沿炮眼联心线将会产生径向裂隙，将两炮眼连通。随后，爆轰气体会很快沿裂隙逸散，使其它方向上的径向裂隙得不到足够的发展，从而降低了岩石的破碎程度。第51页/共92页第52页/共92页因此，实际爆破中应适当增大眼距，并相应减小最小抵抗线，使应力降低区位于自由面之外，这样可以减少大块的产生。但是，眼距也不能太大，因应力随眼距增大而减小，岩石将得不到充分的破碎，而在两炮眼间会留下岩柱。第53页/共92页二、多排成组药包多排成组药包齐发爆破所产生的应力波相互作用情况比单排时更加复杂。药包爆破引起的应力波的相互叠加作用，造成了极高的应力状态，并且延长了应力波的作用时间，因而使破碎效果大为改善。然而在另一方面，多排成组药包齐发爆破时，只有第一排炮眼爆破具有较优越的自由面条件，而后排炮眼爆破所受的夹制作用大，爆破的能量消耗大，爆破效率不高。在实际中很少采用多排成组炮眼的齐发爆破。采用微差起爆技术将会获得较好的爆破效果。第54页/共92页第六节装药量计算原理装药量是工程爆破中一个最重要的参量。装药量确定得正确与否直接关系到爆破效果和经济效益。尽管这个参量是如此重要，但是一直到现在尚没有一个比较精确的理论计算公式。长期以来人们一直沿用着在生产实践中积累的经验而建立起来的经验公式。第55页/共92页一、体积法则至今比较广泛应用的经验公式是伏奥班的体积公式，其原理是，在一定的炸药和岩石条件下，爆落的岩石体积与装药量的大小成正比。体积公式的形式为：（5—10）式中Q——装药量，kg；q——单位体积岩石的炸药消耗量，kg／m3；V——被爆破的岩石体积，m。第56页/共92页二、相似原理

根据布若伯格的相似原理，在某一特定的均质岩石中，采用性质和形状相同的炸药包进行爆破漏斗试验时，欲获得大小和形状都相似的爆破漏斗（图5—22），那么装药量和爆破漏斗尺寸间存在下面的关系：

（5—11）第57页/共92页三、集中药包的计算形状接近于球状或立方体的药包叫集中药包。采用集中药包进行单自由面单药包爆破时，其装药量的计算是利用体积公式的计算原理。各种不同爆破作用的装药量的计算通式可用下式来表示：Q=q标·W3

（5—15）式中——爆破作用指数函数。第58页/共92页对于标准抛掷爆破f(n)=1.0；加强抛掷爆破f(n)＞1；减弱抛掷爆破f(n)＜1。关于f(n)的计算方法，各个研究者提出了不同的计算公式，而应用比较广泛的是前苏联学者鲍列斯阔夫提出的计算公式，该式为：f(n)=0.4+0.6n3

（5—16）综上所述，装药量计算的原理是，装药量的多少取决于要求爆破的岩石体积、爆破漏斗形状和岩石性质等因素。但是，对于爆破质量问题，尤其是随着采矿工作的需要和工程技术的发展，对爆破岩石块度的较高要求等，都没能准前述计算式中得到反映。虽然如此，体积公式还一直沿用至今。第59页/共92页四、延长药包的计算当采用延长药包进行爆破时，其装药量的计算原理与集中药包相同，也是根据体积公式来计算。因为在工程爆破中，很少采用单自由面和单药包的爆破，一般都是多自由面下的多炮孔爆破，因此爆破漏斗不只是一个，而是由多个爆破漏斗连通成一个，所以计算漏斗体积时，是计算一次多孔同时爆破所破坏的岩石总体积，岩石的总体积取决于一次爆破的孔数和所选有的有关爆破参数.第60页/共92页第七节影响爆破作用的因素在工程爆破中，为了达到预期的爆破目的和不断改善爆破效果，必需在通晓爆破作用原理的基础上，全面和正确地分析影响爆破作用的各方面因素。影响爆破作用的因素很多，但可大体归纳为：炸药因素；岩石因素；炸药与岩石的相关因素和爆破条件与爆破技术有关的因素。第61页/共92页一、炸药因素

影响爆破作用的炸药性能有：炸药的密度、爆速、爆轰压力、爆炸压力、爆轰气体产物的体积、炸药的波阻抗以及炸药的能量利用率等等，其中一些因素已在前面的有关节中论述过，下面只对尚未论及的因素作补充分析。第62页/共92页（一）爆轰压力爆轰压力是指炸药爆轰时在爆轰波波阵面中的C—J面上所测得的压力。当爆轰波传播到炮孔壁面上时，在孔壁的岩体中会激发成强烈的冲击波，这种冲击波在岩体中传播会引起岩石粉碎和破裂，它为整个岩石破碎创造了先决条件。一般来说，爆轰压力越高，在岩石中激发的冲击波的初始峰值压力和引起的应力以及应变也越大，越有利于岩石的破裂（预裂），尤其是对于爆破坚韧致密的岩石来说更是如此。但是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，白白浪费了能量，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低而且造成岩石破碎不均匀。因此，必需根据岩石的性质和工程的要求来合理选配炸药的品种。第63页/共92页（二）爆炸压力（又叫爆压或炮孔压力）爆炸压力是炸药在完成化学爆炸反应以后，爆轰气体产物膨胀作用在炮孔壁上的压力。它是对破碎效果起决定性作用的因素。在爆破破碎过程中爆压对岩石起胀裂、推移和抛掷作用。一般来说，爆压越高，说明爆轰气体产物中含有的能量越大，对岩石的胀裂、推移和抛掷的作用愈强烈。图5—23表示炮孔中的药包起爆以后，炮孔内的压力随时间变化的曲线。爆炸压力的大小取决于炸药的爆热、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，还与爆破时炮泥的堵塞质量有关。第64页/共92页第65页/共92页（三）炸药爆炸能量利用率炸药在岩体中爆炸时所释出的能量，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。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。如果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体中分离出来；（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、噪声和飞石。第66页/共92页在工程爆破中，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。根据爆破工程的要求，采取有效措施来提高炸药爆炸能量的利用率。例如，根据岩石性质来合理选择炸药的品种，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，以及保证堵塞质量等等，都可以提高炸药在岩体中爆炸时的能量利用率。第67页/共92页二、炸药与岩石的相关因素

（一）炸药波阻抗同岩石波阻抗间的匹配炸药的波阻抗值与岩石的波阻抗值越接近时，岩石的应变值也增大。为了获得较好的爆破效果，就应当选用波阻抗值与岩石的接近的炸药。我们可以通过提高装药密度来提高炸药的波阻抗值。第68页/共92页(二)药包与孔壁的耦合药包与炮孔壁面完全接触叫做耦合。如果药包与炮孔壁面不完全接触则叫做不耦合。药包与孔壁的不耦合程度常用不耦合系数De来表示，即炮孔直径db与药包直径de的比值：

（5—20）从式中看出，当De=1，药包与孔壁完全耦合；当De>1时，药包与孔壁不耦合。根据不耦合系数对岩体中应力与应变的影响：实验证明，当改变不耦合系数时，岩体中应力和应变将产生变化：第69页/共92页1.不耦合系数对应变的影响随着不耦合系数的增大，孔壁岩体中的相对应变幅值也逐渐下降。2.不耦合系数对切向最大应力的影响随着不耦合系数的增大，测得孔壁上的切向最大应力值成指数函数下降。当De=2.5时，作用在孔壁上的压力主要是爆轰气体产物的膨胀压力。从上述试验的结果同样也可以看出，当De＞1时，药包爆炸时的爆轰波对孔壁的冲击效应减缓。孔壁上的最大切向应力急剧下降。这对爆破坚硬致密的岩石来说，是极端不利的。但是对光面预裂以及其他需控制孔壁岩石过度粉碎的爆破来说，常常要借助增大不耦合系数来控制爆轰波对孔壁的冲击作用。第70页/共92页三、爆破因素

（一）自由面的影响自由面小和自由面的个数少，爆破作用受到的夹制作用大，爆破困难，单位炸药消耗量增高。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，愈有利于爆炸应力波的反射，对岩石的破坏愈有利。当其它条件一样时，若自由面位于装药的下方时，由于在这种条件下有岩石本身重力的作用所以爆破效果比较好，反之，则爆破效果就要差一些。第71页/共92页第72页/共92页（二）堵塞的影响堵塞就是将装炸药的药室（如炮眼、深孔以及硐室等）与大气的通道用固体或液体材料堵死，即将炸药密封在岩体中。堵塞的作用是为了在岩石爆破破碎之前，阻止高压的爆轰气体过早地泄漏到大气中，这样能延长高压爆轰气体对岩石的加压作用，提高爆炸能量的利用率。第73页/共92页（三）起爆药包的位置根据起爆药包在炮孔中装置的位置不同，有三种不同的起爆方式：一种是起爆药包装于孔底，雷管的聚能穴朝向孔口，叫做反向起爆；第二种是起爆药包装于靠近孔口的附近，雷管聚能穴朝向孔底，称为正向起爆；第三种是将起爆药包放在整个药装的中间，聚能穴朝向孔底，称为中间（或双向）起爆。第74页/共92页实践证明，反向起爆能提高炮孔利用率，减小岩石的块度，降低炸药消耗量和改善爆破作业的安全条件。反向起爆取得较好效果的原因可以解释如下：（1）提高了爆炸应力波的作用。（2）增长了应力波的动压和爆轰气体静压的作用时间。（3）增大了孔底的爆破作用。应当指出，当孔太深而又采用威力较小的硝铵类炸药时，若采用单起爆药包起爆，那么不论是采用正向起爆法还是反向起爆法，都有可能因沟槽效应而引起某些药包的拒爆。此时，若将起爆药包装置在整个药柱的中间，有可能保证全药柱的传爆。第75页/共92页第76页/共92页第八节利文斯顿爆破漏斗理论50年代美国利文斯顿（C.W.Livingston）提出了以能量平衡为原则的爆破漏斗理论，该理论引进了能量因素，用岩石变形能系数的大小来评价炸药的性能，对比岩性和鉴定岩石的可爆性，从而作为岩石可爆分级的依据。利氏研究爆破漏斗时，着重研究了爆破漏斗的最大和最小体积时的有关参数，因此为爆破参数优化设计提供了依据。第77页/共92页一、爆破能量变化时对岩石变形破坏的影响利氏在研究了大量爆破漏斗的试验资料以后认为：一次爆破所传给岩石的能量大小和传递的速度，取决于岩石的性质、炸药的性质和装药量。假若将炸药包埋置在很深的地方爆炸，那么炸药释放出的绝大部分的能量传给了岩石。当将炸药逐渐移向地表附近爆炸时，传给岩石的能量比例将相对减少，而传给大气的能量比例将逐渐增多。另外，从传给地表附近岩石的爆破能量观点看来，药包埋置深度不变而增加药包的重量；或者药包重量不变而仅仅改变药包埋置深度，二者的结果是一致的。利氏在这两种条件下进行了一系列试验，根据试验结果，它将岩石的破坏变形状态分为四种范畴。第78页/共92页（一）弹性变形范畴当将一个集中药包埋置在地表以下很深的地方爆炸时，在这种条件下的爆破一般称为约束爆破或内部作用的爆破。当药包Q由深处向地面移动时，传给地表附近岩石的能量随之增加，当增加到一定程度时，地表岩石开始破坏。此时的药包埋置深度叫做“临界深度”。到达临界深度时，地表附近岩石所能传递能量达到最大值。如当岩石传递的能量一定时，则能量传递速度是最大值。超过此值后，岩石将不能传递能量而产生破坏现象。在此值以下，岩石只产生弹性变形而不破坏。第79页/共92页利氏将临界深度作为弹性变形范畴的上限，由于岩石的性质不同，在一定重量的药包Q下，其临界深度可以表示为：（5—21）式中的Eb为变形能系数，其物理意义是在一定药量Q爆破时，地表开始破裂时岩石可能吸收的最大能量。超过此值，岩石将由弹性变形转变为破裂。Eb的大小是衡量各种岩石爆破难易的一个指标。第80页/共92页（二）冲击破坏范畴当药包上移超过临界深度时，地表岩石的片裂(或隆起)作用将逐渐增大其深度和宽度，进而形成爆破漏斗。漏斗体积V随着药包上移则逐渐增大。当V达到最大值时，即为冲击波破坏范围的上限。此时药包的能量得到最大限度的利用，这时的药包埋置深度叫做最佳深度。与之比叫做最佳深度比。第81页/共92页（三）粉碎破坏范畴当药包Q继续向地表上移时，地表附近的岩石将发生粉碎，漏斗体积将逐渐减小，岩石块度逐渐变细，岩块抛移的距离和空气冲击波所造成的声响将逐渐增大。炸药能量很大一部分浪费在岩石的粉碎、抛移和声响上。粉碎破坏的下限为最佳深度，其上限为传给空气的能量超过了传给岩石的能量。这时的药包埋置深度叫做“过度深度”。第82页/共92页（四）形成空气冲击波当药包上移超过“过度深度”时，岩石粉碎加剧，岩块抛移更远，声响更大，传给空气的能量超过了传给岩石的能量，形成强烈的空气冲击波。这个范畴的上限是将药包装置在地表上，即埋置深度等于零。第83页/共92页从以上四个范畴来看，炸药爆炸后的能量消耗在下列四个方面：（1）岩石的弹性变形；（2）岩石的破碎；（3）岩块的抛移和飞散；（4）形成空气冲击波。消耗在岩石弹性变形上的能量是不可避免的，消耗在岩块抛移、飞