第一部分爆破作用基本原理

第一部分爆破作用基本原理第一章炸药爆炸与爆破工程1.1炸药爆炸的基本要素炸药在能作用下可能发生3种基本形式的化学反应，即热分解、燃烧和爆炸。热分解：炸药在常温下或受热作用时，会发生缓慢的分解并放出热量，这就是热分解。炸药热分解的速度随温度的升高而加快。所以在贮存炸药时要注意通风，保持常温，防止炸药因温度过高导致分解加快而引起爆炸事故。燃烧：炸药在火焰或热作用下可能引起燃烧。燃烧的速度一般比较慢，但当燃烧生成的气体或热量不能及时排出时，可能导致爆炸。因此，当遇到炸药燃烧时，切不可采用砂土覆盖去灭火。1.1炸药爆炸的基本要素爆炸：当炸药受到足够大的外能作用时，会发生猛烈的化学反应，引起炸药爆炸。爆炸反应传播速度保持在稳定值时的化学反应称为爆轰。这时炸药的能量释放最充分、最集中。上述三种反应形式不是相互独立的，在一定的条件下，可以相互转化。如当炸药失火时，应设法控制温升和热能积聚，以免转化为爆炸，造成事故。使用炸药时，要给予足够的外能，防止出现不稳定爆炸，造成爆燃和息爆事故。1.1炸药爆炸的基本要素炸药爆炸是化学爆炸的一种。化学爆炸与物理爆炸（如锅炉爆炸、轮胎爆炸等）的共同点是：在发生爆炸处，周围的压力突跃升高，因而在空气中同时拌有声响效应。它们不同点是：物理爆炸在爆炸前后，物质的性质及化学成分没有改变；而化学爆炸，如炸药、瓦斯、煤尘、鞭炮等的爆炸，在爆炸前后物质的性质及化学成分发生改变。1.1炸药爆炸的基本要素炸药爆炸具有以下３个基本要素：１）化学反应过程大量放热。放热是炸药爆炸得以自动高速进行的必要条件，也是炸药爆炸对外力作功的动力。一般常用工业炸药爆炸时，每１ｋｇ放出的热量大于３０００ｋＪ。２）化学反应速度极快。这是区别于一般化学反应的显著特点。一般工业炸药爆炸的反应速度大于３０００ｍ／ｓ。３）化学反应过程生成大量气体。炸药爆炸所产生的气体产物，是爆炸作功的媒介。工业炸药爆炸时生成气体量在１ｍ３／ｋｇ左右。１.２爆破工程的主要特征我们知道，炸药是一种蕴藏着巨大能量的物质，１ｋｇ球形药包爆炸时，所释放的能量有数百万焦耳。利用炸药的爆炸能量对介质作功，可以完成预定工程目标的作业。爆破工程，作为人类改造自然的有力工具，有以下４点主要特征：１）具有特定的工程对象和目标要求。任何一个爆破工程项目，都有确定的爆破对象和范围，以及对爆破效果（质量）、安全、工期及主要技术经济指标等的要求。１.２爆破工程的主要特征２）均应进行工程设计和施工作业。任何一个爆破工程项目，都应在调研、勘测以及可行性研究的基础上进行技术设计和施工组织设计，施工作业应严格依据设计文件实施。３）药包爆炸过程及所产生的效应必须是可控的。这是炸药作为能源用于工程的基本要求，不仅要做到严格按照设计要求的方式、时序实现对药包起爆，并保证准爆，而且应做到有效地控制爆破产生的有害效应，保证环境的安全。４）项目密切结合工程实际，爆破效果通过实践评价检验。任何一个爆破工程项目，都有各自不同的客观环境和施工条件，无论是爆破设计，还是施工都必须密切结合工程实际，针对性地选择方案、参数、技术和安全措施，才能取得良好的爆破效果。1.3单个药包在介质中的爆破作用爆破破碎机理:当埋置在距地面很深处的药包爆炸时，在地面没有显现出爆破作用，这时药包的爆破作用只局限在地面以下，称为爆破的内部作用。通常按岩石破坏的特征，可将爆破作用范围内的岩石划分为3个圈：即压缩圈、破裂圈和振动圈。在压缩圈内，由于岩石直接受到药包爆炸的巨大压力和高温作用，如果岩石是可塑的，就会遭受压缩而形成空腔；如果岩石是脆性的，就会遭受到粉碎。压缩圈的范围很小，其半径一般不超过药包半径的2~3倍。1.3单个药包在介质中的爆破作用破裂圈围绕在压缩圈以外的一圈岩石，虽然受到的爆炸作用力较压缩圈中的岩石小很多，但岩石受到结构性破坏，生成纵横交错的裂隙，岩体被割裂成块，此范围叫做破裂圈。破裂圈的范围大约为药包半径的8~10倍。振动圈在破裂圈以外的范围内，爆破作用力已衰减到不能使岩石的结构产生破坏，而只能引起岩石颗粒产生弹性振动，这一圈叫做振动圈。振动圈的范围很大，直到爆破作用力完全被岩土所吸收时为止。1.3单个药包在介质中的爆破作用临空面：通常是指被爆岩石与空气的交界面，即对爆破作用能发生影响并在爆破时能使岩石移动的那个岩面为临空面（亦称自由面）。临空面的存在是爆破工程破岩所必须具备的条件，没有临空面就谈不上破碎岩石的效果。临空面条件不同，对爆破的作用和爆破的效果也不一样，临空面越多，爆破破岩越容易，爆破效果也越好。当岩石性质、炸药品种相同时，随着临空面的增多，爆破单位体积的岩石所耗用的炸药量（简称炸药单耗）将明显降低。1.3单个药包在介质中的爆破作用最小抵抗线（W）：爆破工程中，通常将药包中心到最近自由面的距离，称为最小抵抗线。最小抵抗线是爆破工程设计中的重要参数，由于它代表了爆破时岩石阻力最小的方向，所以在此方向上岩石运动速度最高，爆作用最集中。因此，最小抵抗线是爆破作用的主导方向，也是抛掷作用的主导方向。爆破漏斗：将球形药包埋置在一个水平临空面下的岩体中爆破时，如果埋置深度合适，则爆破后将会在岩体中由药包中心到临空面形成一个倒圆锥体的爆破坑，这个坑就叫做爆破漏斗。1.3单个药包在介质中的爆破作用爆破漏斗要素：1）爆破漏斗半径r，表示在临空面上爆破破坏范围的大小；2）最小抵抗线W，在临空面为水平的情况下，它就是药包的埋置深度；3）漏斗破裂半径R，爆破漏斗的侧边线长，表示爆破作用在岩体中的破坏范围；4）漏斗可见半径P，药包爆破后，一部分岩块被抛掷到漏斗以外，一部分又回落到漏斗内，形成一个可见漏斗。从临空面到漏斗内岩块堆积表面的最大深度，叫做漏斗可见深度。5）漏斗张开角θ，即爆破漏斗的锥角，它表示漏斗的张开程度。1.3单个药包在介质中的爆破作用爆破作用指数n：在岩石性质和爆破条件一定，当装药量不变而改变药包的埋置深度，或药包埋置深度固定不变而改变装药量时，都可发现爆破漏斗的尺寸和爆破作用性质发生变化。这种变化可用爆破漏斗半径r与最小抵抗线W的比值来表征，此比值为爆破作用指数，用n表示，即n=r/W。当n发生变化时，爆破的作用性质，爆破漏斗的大小，岩块的抛掷量和抛掷距离都将发生变化。所以，根据n不同，可将爆破作用性质和爆破漏斗进行分类：即标准抛掷爆破、加强抛掷爆破、加强松动爆破、松动爆破。1.3单个药包在介质中的爆破作用标准抛掷爆破漏斗：当爆破作用指数n=1时，药包爆破后即可形成标准抛掷爆破漏斗坑，即漏斗半径r等于最小抵抗线W，漏斗张开角等于90°，此时，漏斗中的岩石不仅全部被破碎，而且有相当数量的岩块被抛掷到漏斗外，出现了明显的漏斗坑。形成这种标准抛掷爆破漏斗的爆破作用，称为标准抛掷爆破。加强抛掷爆破漏斗：当1＜n＜3时，药包爆破后，所形成的漏斗半径r大于最小抵抗线W，漏斗张开角也大于90°，漏斗中的大部分岩块将被抛掷到漏斗以外，这种漏斗称为加强抛掷爆破漏斗，其爆破作用叫作加强抛掷爆破。1.3单个药包在介质中的爆破作用减弱抛掷（或称加强松动）爆破漏斗：当0.75＜n＜1时，药包爆破所形成的漏斗半径r小于抵抗线W，漏斗张开角θ也小于90°，漏斗范围的岩石遭受到破坏，而且有少部分岩块被抛掷到漏斗外，出现深度不大的漏斗坑。这种漏斗称为减弱抛掷漏斗或加强松动爆破漏斗。其爆破作用叫作减弱抛掷爆破或加强松动爆破。松动爆破漏斗：当爆破作用指数在0.4~0.75范围内时，药包爆破后基本上没有抛掷作用，地表上只见到鼓包现象，面看不到爆破漏斗坑，漏斗范围内的岩石破碎，这种漏斗称为松动爆破漏斗，其爆破作用叫作松动爆破。1.3单个药包在介质中的爆破作用由上述可见，爆破作用指数n表征着爆破作用的性质，因此在爆破工程中，可通过选择适宜的n值来控制爆破作用的性质，从而达到预期的爆破目的。例如在开山筑坝、矿山露天剥离、开挖路堑和移山平地等爆破工程中，可采用爆破作用指数n＞1的加强抛掷爆破，以便尽可能将破碎后的岩块抛掷到一定的距离以外，减少搬运工作量。在一定范围内n值愈大，抛掷方量愈多，抛掷距离也愈远。加强松动和松动爆破由于装药量较小，爆堆比较集中，几乎不产生飞散物，因此在爆破工程中，使用比较广泛。对城镇复杂环境爆破，为防止爆破飞散物及其他危害，常采用n=0.4~0.75的松动爆破。1.3单个药包在介质中的爆破作用装药量计算：装药量是爆破工程中一个最重要的参量。装药量确定的正确与否直接关系到爆破效果和经济效益。一般来说，装药量的确定与爆落岩石体积、岩性、临空面状况及其他爆破条件等各种因素有关，长期以来人们一直沿用着在生产实践中总结出来的经验公式——体积公式。它的基本原理为：装药量的大小应与被爆破的岩石体积成正比。公式为：Q=K×V1.3单个药包在介质中的爆破作用试验证明，在岩石性质、炸药品种和药包埋置深度均相同的情况下，改变装药量Q的大小即可获得爆破作用指数不同的爆破漏斗。此外，爆破单位体积炸药消耗量随着爆破作用指数的不同而变化。因此，装药量可视为爆破作用指数n的函数。故各种不爆破作用的装药量的计算通式可表示为：Q=K标W3f（n），其中f（n）=0.4+0.6n3称为爆破作用指数；K为单位用药量系数或称单耗等。K值在某种意义代表岩石的可爆性，与岩石的物理力学性质、岩层结构、节理、风化程度等有关。可通过爆破试验或经验确定。1.3单个药包在介质中的爆破作用在爆破工程应用中，常常根据实际情况采用合理的药包形状以达到不同的工程目的。药包形状主要分为以下4类：即集中药包、条形（延长）药包、平面药包和特定形状药包。集中药包：这种药包在理论上应是球体，在工程实际中通常把药包做成正方体或长方体，长方体的最长边不超过最短边的4倍。在实际应用中药室（方形）法、药壶法的药包属集中药包。1.3单个药包在介质中的爆破作用条形药包；根据施工条件将药包做成长条形，可以是圆柱状也可以方柱状。通常人们把药包长度大于最短边或其换算直径4倍时的药包，称为条形药包。在实际应用中，炮孔法、中深孔法和硐室爆破中的条形药包都属条形（延长）药包。平面药包：理想的平面药包一般理解为药包的长度和宽度比厚度要大得多，利用药包爆炸产生的的平面压缩波对介质作功，能显著地提高爆炸作用能量的定向性和密集性。爆炸复合、硬化、压实以及水下大面积炸礁等，可以看做是平面药包在实际中的应用。1.3单个药包在介质中的爆破作用特定形状药包：将炸药做成特定的药包，用以达到特定的爆破作用。应用最广泛的是聚能爆破法，把药包外壳的一端加工成圆锥形或抛物面形的凹穴，使爆轰波按圆锥或抛物线形凹穴的表面聚集在它的焦点或轴线上，形成高速射流，击穿与它接触的介质的某一特定部位。这种药包在军事上用做破甲弹以穿透坦克的外壳或其他军事目标，在工程上用来切割金属板材、大块的二次破碎以及在冻土中穿孔等。１.４成组药包在介质中的爆破作用在实际爆破工程中，一般很少采用单个药包爆破，常常要多个药包爆破才能达到预期的工程目的，研究成组药包的爆破作用原理，对合理确定爆破参数具有重要意义。当两个或两个以上药包同时爆破时，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，并产生相互迭加，其结果在波阵面的切线方向上的拉伸应力增大，则形成应力增高现象，从面使沿炮孔联线上的岩石首先产生径向裂隙。炮孔距离愈近，这种裂隙就愈多，但是不能认为炮孔愈近，爆破效果就愈好，因为炮孔联线上产生裂隙后，爆轰气体很快沿裂隙逸散，而使其他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；当炮孔距太大时，因应力随孔距增大面减小，岩石得不到充分的破碎，在两孔间可能会留下岩柱。１.４成组药包在介质中的爆破作用在一定的界面多个药包按适当的间距排列，在爆破时就可以按界面产生爆破裂缝，而对界面两侧的介质很小损伤，预裂爆破、光面爆破技术就是基于这一爆破作用原理发展起来的。当药包周围一定范围内存在空孔时，空孔将产生应力集中现象，即由于药包爆破产生的应力波遇到空孔时，在空孔两边引起动拉应力集中，如该值大于介质的动抗拉极限强度，在空孔的径向将产生裂缝，当两孔的距离大于孔径的３倍时，空孔就不易产生裂纹。空孔的导向作用，常应用于预裂爆破和光面切割爆破的拐角部位，由于介质的不均匀性可能引起的应力集中现象，在爆破工程设计中即应当重视，也可以加以利用。１.４成组药包在介质中的爆破作用在台阶爆破中（梯段爆破），多排成组齐发爆破产生的应力波相互作用情况比单排时更加复杂，在前后排各炮孔所构成的四边形中的岩石，受到四个炮孔药包爆破引起的应力波的相互迭加作用，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，只有第一排炮孔爆破具有两个临空面的优越条件，而后排炮孔爆破无平行炮孔方向的自由面可利用，爆破后所受的夹制作用大，爆破能量消耗大，因此在实际工程中很少采用多排成组炮孔的齐发爆破。在多排成组炮孔爆破时，前后排炮孔采用微差起爆技术，将会获得较好的爆破效果，对降低爆破振动也十分有利。１.４成组药包在介质中的爆破作用孔网参数与药包起爆时序：爆破工程设计的核心内容，