爆轰气体压力下岩体的应力状态爆轰气体引起的σ1常为压应力课件

第四节岩石爆破基本原理§4.1爆破破碎原理学习目的：1、了解爆炸荷载（能量）作用下岩体的变形与破坏规律，分析爆破破碎的基本原理，指导爆破设计与施工。2、便于实现低能耗、高效率、安全可靠破碎岩体的目的，并有效地控制爆破产生的各种危害。

岩石爆破理论是研究炸药爆炸与爆破对象（目标）相互作用规律的理论。岩石爆破破碎机理研究的主要内容：（1）炸药爆炸释放的能量是通过何种形式作用在岩石上；（2)岩石在这种能量作用下处于什么样的应力状态；（3）岩石在这种应力状态中怎么发生破坏、变形和运动的。（4）影响岩石破坏的因素。（5）炸药装药量和爆破效果关系。岩石爆破破碎机理研究存在的主要困难：（1）炸药爆炸荷载复杂性

高速、高温、高压、高能量密度荷载（2）岩体本身的复杂性

不均质性，各向异性，非连续，非线性（3）爆破施工工艺多样性

在总结生产实践经验的基础上，借助于高速摄影，模拟试验和数值分析对爆破过程中在岩石内发生的应力、应变、破裂、飞散等现象的观测，人们已经逐步掌握了岩石爆破破碎的基本规律，提出了一些爆破破坏理论或假说。炸药在岩石中爆破的破坏模式主要的五种破坏模式12径向裂隙作用；3卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；5爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙。4反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸；炮孔周围岩石的压碎作用；即爆轰气体膨胀推力作用理论（静作用理论）气体膨胀推力岩石径向位移地表距离不等相邻岩石质点移动速度不等位移阻力不等相邻岩石产生切向拉应力岩石破坏一、爆炸作用的基本原理爆轰气体破坏作用的观点径向压应力径向裂隙冲击波引起应力波反射破坏理论

岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。岩石破坏当炸药在岩石中爆轰时，猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的爆炸应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，引起周围岩石的粉碎性破坏。当爆炸应力波通过粉碎圈以后，它的强度己下降到不能直接引起岩石的压缩破坏，但压缩应力波派生的切向拉应力，可在岩石中产生径向裂纹。当压缩应力波达到自由面时，反射成为拉伸波，拉伸波仍足以将岩石拉断，产生层裂（片落）。主要依据（1）冲击波波阵面的压力比爆炸气体产物的膨胀压力大得多；（2）岩石的抗拉强度比抗压强度低得多，在自由面处确实常常发现片裂、剥落现象。（3）根据应力波理论：压缩应力波在自由面处反射成为拉伸应力波。

爆炸气体膨胀压力和应力波共同作用

爆破时岩石的破坏是爆炸气体和应力波共同作用的结果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段起重要作用。

炸药爆炸后在岩石中产生爆炸冲击波，使炮孔周围附近的岩石被“粉碎”；由于消耗大量的能量，冲击波衰减为应力波，在粉碎区之外造成径向裂隙，反射应力波使这些裂纹进一步扩展；爆炸气体产物膨胀，产生“气楔作用”使开始发生的裂隙扩大、贯通形成岩块，当爆生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，使岩石脱离母岩产生抛掷，直到能量消耗完。

说明1:对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆生气体的作用程度是不同的。(1)在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数较小的条件下，应力波的破坏作用是主要的；(2)在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的条件下，爆生气体的破坏作用是主要的。说明2：当仅考虑岩石性质时，则有：高阻抗岩石(ρc=15~25MPa/s)：岩石破坏以应力波为主。中阻抗岩石(ρc=5~15MPa/s)：岩石破坏为应力波和爆生气体压力共同作用的结果。低阻抗岩石(ρc＜5MPa/s)：岩石破坏以爆生气体为主。二、爆破作用过程1.应力波的动态作用过程特点：波峰应力值高，传播速度快，作用时间短。2.爆轰气体的似静压作用过程特点：压力较低，作用时间较长.

炮孔压力—时间曲线

t1-药包爆轰反应完成时间t2-爆轰气体产物作用时间图

3.爆破时岩体内的应力状态（集中药包）(1)应力波在岩体中的传播规律①(3～7)r：冲击波作用区;特点：冲击波强度极大，波峰应力值高，岩石产生塑性变形或粉碎，消耗大部分能量，冲击波急剧衰减。应力衰减与距离三次方成正比。爆炸应力波及其作用范围r—药包半径tH—介质状态变化的时间ts—介质状态恢复到静止状态的时间

②(8～150)r：应力波作用区;特点：冲击波

压应力波，波阵面上的状态参数变化比较平缓；波速等于岩石中的声速。由于压应力波的作用，岩石处于非弹性状态，可导致岩石的破坏或残余变形。应力衰减与距离二次方成正比。爆炸应力波及其作用范围r—药包半径tH—介质状态变化的时间ts—介质状态恢复到静止状态的时间

③＞150r：弹性振动区;特点：应力波

地震波。地震波只能引起岩石质点的弹性振动，而不能使岩石产生破坏；应力衰减与距离呈线性关系。爆炸应力波及其作用范围r—药包半径tH—介质状态变化的时间ts—介质状态恢复到静止状态的时间

(2)应力波在岩体中引起的应力状态某点应力状态：直达纵波、直达横波，纵波反射生成的反射纵波和反射横波，横波反射生成的反射纵波和反射横波等的动应力叠加而成。波到达A点的应力分析自由面附近岩体中各点的主应力σ1和σ2的方向如下左图所示。由于岩石抗拉强度很小，在拉应力的作用下容易产生裂隙，所以爆破裂隙受σ2的控制，是围绕最小抵抗线为对称轴分布的喇叭形，如下右图所示。(3)爆轰气体压力下岩体的应力状态爆轰气体引起的σ1常为压应力，而σ2不常为拉应力，随着至最小抵抗线的距离超过某一极限值后，变为压应力。§4.2单个药包及成组药包的爆破作用一、单个药包爆破的内部作用(无限均匀岩石介质中的爆破作用)1.定义药包爆炸后，只在岩石内部产生破坏和变形，而地表(自由面)不出现明显破坏，这种作用称为爆破的内部作用。概念要点：岩石内部有破坏，地表未破坏。基本假定：①药包是球形的；②药包放在无限介质中；

③介质是均匀的各向同性。2.岩石的破坏特征①药室被扩大，形成一个空腔；②产生了径向、环向裂隙,以及剪切裂隙；③距药包较远处，岩石完好无损。爆破的内部作用径向裂隙环向裂隙空腔岩石完好无损3.岩石破坏的原因①药室扩大为空腔的原因

岩石被压缩，形成一个空腔。

冲击强度大于岩石动抗压强度

药室岩壁受到强烈冲击

爆轰波(冲击波)+高温高压爆生气体炸药爆炸原因：爆轰波（冲击波）和高压爆轰气体对药室岩壁产生了强烈冲击（压缩）。②产生径向裂隙的原因

药室岩壁受到强烈冲击

爆轰波(冲击波)+高压爆轰气体炸药爆炸

空腔

在岩石中形成压应力波(径向压应力)

切向拉应力σθ

岩石开裂

径向裂隙原因:径向压应力(压缩)引起切向拉应力(拉伸)。下

岩石受到径向压缩

产生径向位移③产生环向裂隙的原因径向压应力

岩石受到径向压缩

岩石储存部分弹性变形能

解除压应力

弹性变形能释放,引起岩石质点向心运动

产生径向位移(外内，拉应变)

径向拉应力原因:弹性变形能释放(卸载波)产生了径向拉应力。

径向裂隙

岩石开裂

环向裂隙下④产生剪切裂隙的原因在径向裂隙和环向裂隙形成的同时,岩石还受到径向应力和切向应力的的共同作用,进而产生剪切裂隙。如图所示。4.岩石的分区根据岩石的破坏特征，由内向外，可将岩石大致分为三个区：①压缩区形成的空腔称为压缩区。

下压缩区炸药包返回R1=(2~7)R0c.压缩区范围很小,其半径由于压缩区处于坚固岩石的约束条件下，而在三轴压缩情况下岩石的动抗压强度增大，且大多数岩石的可压缩性很差，所以压缩范围很小。说明：a.压缩区又称为粉碎区；b.压缩区消耗了大部分爆炸能量。②破裂区产生径向、环向裂隙的岩石范围,称为破裂区。

：由于压缩或粉碎岩石消耗了大量能量，岩石中的冲击波衰减成压应力波。在应力波的作用下，岩石在径向产生压应力和压缩变形，而切向方向将产生拉应力和拉伸变形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的十分之一到五十分之一，当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成与粉碎区贯通的径向裂隙。环向裂隙：压缩应力波通过压缩区外层岩石时，岩石受到强烈的压缩而储蓄了一部分弹性变形能；随着径向裂隙的形成，作用在岩石上的压力迅速下降，药室周围的岩石随即释放出压缩过程中积蓄的弹性变形能，形成与压应力波作用方向相反的拉应力，使岩石质点产生反方向的径向运动。当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成环向裂隙。

下径向裂隙环向裂隙径向裂隙返回炸药包压缩区破坏区③震动区：破裂区以外的岩石范围，称为震动区。特点：岩石不会发生破坏，但会发生弹性变形。爆炸应力波衰减为地震波。岩石完好无损在学习爆破的内部作用时，应注意以下几点：①拉力破岩。②爆破过程中，当裂隙与空腔贯通后，爆生气体会迅速膨胀，产生“气楔作用”，使原有裂隙继续向前扩展和进一步张开。出现(贯穿)裂隙、形成爆坑、出现飞石。(1)最小抵抗线W(2)爆破漏斗底圆半径r

(3)爆破作用半径R

二、单个药包爆破的外部作用1.爆破作用指数n爆破漏斗底圆半径r与最小抵抗线W的比值，即爆破作用指数值的变化，直接影响到爆破漏斗的形状、岩石的破碎程度和抛掷效果。常用它对爆破进行分类。2.标准抛掷爆破漏斗n=1r=Wθ=90°标准抛掷爆破后，药室至自由面间的岩石不但充分破碎，而且有较多的岩块被抛出坑外。在确定不同种类岩石的单位炸药消耗量时，或者比较不同炸药的爆炸性能时，往往用标准爆破漏斗体积作为判别的依据。3.加强抛掷爆破漏斗

加强抛掷爆破后，药室至自由面间的岩石不但全部破碎，而且大部分的岩块被抛出一定距离。n＞1

r＞Wθ＞90°n＞3时，爆炸能量消耗在抛掷上，增加药量，破坏范围增大不明显，故已无实际意义了。加强抛掷爆破漏斗的n取值:1＜n＜3，露天抛掷大爆破或定向抛掷爆破常用此形式，一般取n=1.2～2.54.松动爆破漏斗松动爆破可细分为加强松动爆破（0.75<n＜1）、标准松动爆破（n=0.75）和减弱松动爆破（0<n<0.75）n=0.75时，为标准松动爆破。爆破后岩石被破坏、松动，有明显的膨胀移动而形成鼓包，岩石不抛出坑外，不形成可见的爆破漏斗。

n<0.75时，出现不连续破坏，不形成爆破漏斗

0.3＜n＜

0.75r＜Wθ＜90°0.75＜n＜1，药室至自由面间的岩石全部破碎，还把一小部分破碎岩块抛掷出去。井巷掘进爆破常用这种形式。三、成组药包的爆破作用原理（成组药包爆破时岩石破坏的特征）1.单排药包齐发爆破原理（单排成组药包齐发爆破时岩石破坏特征）a.相邻炮孔连心线上应力加强，产生裂缝（隙）;b.连心线中点两侧出现应力降低区，易出现大块。(1)相邻炮孔连心线产生裂缝(隙)的原因（机理）即相邻炮孔爆破成缝机理。①应力波理论：形成裂缝是应力波叠加的结果。

爆炸应力波相遇

应力叠加

σ压引起的σ拉得到加强,合成为σ合

炮孔相距较近，σ合＞岩石动抗拉强度

产生裂隙(缝),两炮孔联通。该理论认为：最大拉应力出现在连心线中点，故裂隙首先出现在连心线中点，再向孔壁发展。②应力波与爆生气体综合作用理论认为：a.应力波作用时间极短暂，但爆生气体在炮孔中能维持较长时间的高压状态(产生准静态压力)。b.准静态压力

炮孔连心线各点上产生切向拉应力。该理论论认为：炮孔连心线与孔壁的交点处切向拉应力最大，故裂隙(缝)首先出现在炮孔壁,再向连线中点发展，最后贯通。生产实践证明：拉伸裂隙是从炮孔向外发展的。(2)连心线中点两侧出现应力降低区。降低区:应力波作用线正交处；产生原因分析如下：＋原因:相邻药包爆炸引起的压应力和拉应力相互抵消。应力降低区对爆破效果的影响：易产生大块。消除应力降低区影响的措施：大孔距小抵抗线技术。即

①适当增大炮孔间距。②减小抵抗线。原因：使应力降低区落在岩石之外的空气中，在岩石中避免出现应力相互抵消作用，减少大块的产生，从而改善爆破效果。2.多排药包齐发爆破原理(1)爆炸应力波相互叠加,造成应力极高的状态；(2)第1排炮孔有2个自由面，爆破条件好；后排炮孔仅1个自由面，受到较大夹制作用，影响爆破效果。综合以上分析，多排成组药包齐发爆破效果不佳，实际很少应用，一般被微差爆破所代替。1.体积公式计算原理

在一定的炸药和岩石条件下，装药量与爆破岩石(漏斗)的体积成正比。2.抛掷爆破装药量计算的通用公式(球状药包)3.松动爆破(球状药包)炸药单耗k的确定方法①查表法：查表、参考定额或有关资料的数据；②类比法：参考相似工程取值；③爆破漏斗试验法：通过标准抛掷爆破漏斗试验求算;④试爆法。Q=kV四、装药量计算方法查表和定额；各种岩石单位炸药消耗量(硝铵类炸药)1.堵塞的影响堵塞的作用：(1)改善爆轰条件，保证炸药充分反应，防止不完全爆轰,使炸药爆炸释放出最大能量和减少有毒气体量;(2)阻止高温、高压的爆轰气体过早地泄漏到大气中，延长爆轰气体作用时间,提高爆炸能量的利用率;

(3)防止因灼热固体颗粒(如雷管壳碎片等)从炮孔中飞出而引起瓦斯爆炸。(4)水炮泥能消焰、降温、灭尘和减少有毒气体。五、影响爆破效果的几个因素2.装药结构对爆破效果的影响(1)装药结构分类①从轴向分：连续装药、间隔装药(分段装药)②从径向分：耦合装药、不耦合装药1—炸药；2—炮眼壁；3—药卷(a)耦合装药；(b)、(c)不耦合装药(2)耦合装药对爆破效果的影响①耦合装药时，爆炸能的传递效率与波阻抗有关：波阻抗相匹配，则传递效率高。②孔壁产生较大的峰值压力,在岩石中引起较大应变值.③冲击压力过高，在岩体中激起冲击波，产生压碎圈,使炮孔附近的岩石过度破碎，消耗了大量能量，从而影响压碎圈以外岩石的破碎效果。(3)不耦合装药对爆破效果的影响①爆炸能作用过程冲击波间隙空气炮孔壁药包和孔壁之间存在空气间隙，药包爆轰的冲击波效应就要削弱很多，这一规律被利用在控制爆破上。②不耦合系数KdKd

=孔径÷药径③炮孔压力与不耦合系数Kd的关系如下图所示。实验表明药包爆炸直接作用在孔壁上的动压力随着不耦合系数的增加而降低PP1P2t1t2t211-偶合装药；2-不偶合装药

装药结构的改变会引起炸药爆炸性能的改变，从而影响爆炸能量有效利用率。空气间隙可以起缓冲作用，使爆炸压力较平缓的作用在孔壁上，避免过渡破坏区的形成，使更多的能量用于岩石的破裂，从而提高能量利用率。由以上分析得出：①可以通过采用不耦合装药来控制炸药爆炸能量及其作用过程，降低爆炸冲击波的峰值压力（或动压应力），避免在炮孔周围产生压碎区，减弱对原岩体的破坏作用。

②合理的不耦合系数应使作用在炮孔壁上的压应力小于孔壁岩石的抗压强度，而在炮孔连心线上产生的切向拉应力大于岩石的抗拉强度。3.起爆位置的影响(1)正向起爆

即起爆药包靠近炮孔口的装药端，炸药起爆后，爆轰波从孔口向孔底传播。(2)反向起爆

即将起爆药包布置在孔底装药端，炸药起爆后，爆轰波从孔底向孔口传播。

反向起爆应力波的动压和爆轰气体静压作用时间长。爆炸应力波叠加效果好堵塞效果好。直到爆轰结束时，堵塞物才受到爆炸气体作用而开始运动。底部炸药的爆速爆轰压力最大，有利于克服岩石的夹制作用。正向起爆应力波的动压和爆轰气体静压作用时间长。爆炸应力波叠加效果差堵塞效果差。药包起爆后，堵塞物立即受到爆炸气体压缩作用而开始运动孔口自由面反射拉伸波有可能造成孔口部分岩石破裂，使爆炸气体较早逸散

自由面的作用规纳起来有三点：

①反射应力波。当爆炸应力波遇到自由面时发生反射，压缩应力波变为拉伸波，引起岩石的片落和径向裂隙的延伸。

②改变岩石的应力状态及强度极限。在无限介质中，岩石处于三向应力状态，而自由面附近的岩石则处于单向或双向应力状态。故自由面附近的岩石强度接近岩石单轴抗拉或抗压强度，比在无限介质中承受爆破作用时相应的强度减少几倍甚至几十倍。

③自由面是最小抵抗线方向，应力波抵达自由面后，在自由面附近的介质因阻力减少而加速，随后而到的爆炸气体，进一步向自由方向运动，形成鼓包，最后破碎、抛掷。4.自由面对爆破效果的影响(1)自由面越大越多，越有利于爆破的破坏作用。自由面多

爆破受到的夹制性小

易爆破

炸药单耗低。(2)自由面的位置对爆破作用有较大影响相同装药条件下,炮孔中的装药在自由面的投影面积越大,越有利于应力波的反射,就越有利于岩石的破坏。5.最小抵抗线对爆破效果的影响从装药中心至自由面的最短距离。

——最小抵抗线原理：由于最小抵抗线方向距离最小，爆破时岩石在这个方向的阻力最小。所以，岩石破碎和抛掷的主导方向是最小抵抗线方向。——在爆破工程中，可以人为地创造自由面，以控制爆破作用。最小抵抗线示意图最小抵抗线原理实际应用：（1）最小抵抗线方向是岩石破碎和抛掷的主导方向，施工中需要岩石向哪里抛掷，设计就应当让W指向哪，这就实现了定向爆破的基本原理。（2）最小抵抗线的方向是最宜产生飞石的方向，爆破时应避免W正对着需要保护的目标。（3）在有多个自由面的情况下，装药中心若至各自由面的距离相等或基本相等时，则各方向均为最小抵抗线。自由面越多，爆破效果越好，也越省炸药。（4）最小抵抗线的反方向是爆破地震最严重的方向，爆破时，近处有怕震的建筑及设施时，应注意正确选择W方向。（5）