爆破工程复习提纲

爆破器材与起爆方法1炸药基本概念及其爆炸必须具备的3个条件爆炸是物质系统一种极为迅速的物理或化学能量释放或转化的过程。根据爆炸原因，可将爆炸分为物理爆炸、化学爆炸以及核爆炸。炸药爆炸必须具备3个基本条件。（1）变化过程释放大量的热炸药在爆炸瞬间释放出巨大热能。如果反应过程中不放热或放热很少，则不具备爆炸的特征。例如，在常温下硝酸铵的分解是一个吸热反应，不能发生爆炸；但加热到2000c左右时，分解反应为放热反应，如果放出的热量不能及时散失，炸药温度就会不断升高，促使反应速度不断加快和放出更多的热量，最终就会引起硝酸铵的燃烧和爆炸。（2）变化过程必须是高速的只有高速度的化学反应，才能忽略能量转化过程中热传导和热辐射的损失，在极短的时间内将反应形成的大量气体产物加热到数千摄氏度，压力猛增到几万乃至几十万大气压，高温高压气体迅速向四周膨胀作功，便产生了爆炸现象。（3）变化过程应能生成大量的气体炸药爆炸所释放出的热能必须借助气体介质的膨胀才能转化为机械功。因此，这也是不可缺少的条件。2、炸药化学变化的基本形式根据化学反应的激发条件、炸药性质和其它因素的不同，炸药化学变化过程可能以不同的速度进行传播，同时在性质上也有重大区别。按照其传播性质和速度的不同，可将炸药化学变化的基本形式分为4种：热分解、燃烧、爆炸和爆轰。（1）热分解炸药和其它物质一样，在常温下也要进行分解作用，但分解速度很慢，不会形成爆炸。当温度升高时，分解速度加快，温度继续升高到某一定值（爆发点）时，热分解就能转化为爆炸。（2）燃烧燃烧是伴随有发光、发热的一种剧烈氧化反应。与其它可燃物一样，炸药在一定的条件下也会燃烧，不同的是炸药的燃烧不需要外界提供氧，也就是说，炸药可以在无氧环境中正常燃烧。与缓慢热分解不同，炸药的燃烧过程只是在炸药的局部（即反应区）内进行并在炸药内传播。（3）爆炸与燃烧相比较，爆炸在传播的形态上有着重大的本质区别。燃烧通过热传导来传递能量和激起化学反应，受环境条件的影响较大，而爆炸则借助于压缩冲击波的作用来传递能量和激起化学反应，基本上不受环境条件的影响；燃烧产物的运动方向与反应区的传播方向相反，而爆炸产物的运动方向则与反应区的传播方向相同。（4）爆轰炸药以最大而稳定的爆速进行传播的过程叫爆轰。它是炸药所特有的一种化学反应形式，与外界的压力、温度等条件无关。不同炸药的爆轰速度不同，一般为每秒数千米。在爆轰条件下，爆炸具有最大的破坏作用。爆炸和爆轰并无本质区别，只是传播速度不同而已。爆轰的传播速度是恒定的，爆炸的的传播速度是可变的。在这个意义上讲，也可以认为爆炸就是爆轰的一种形式，即不稳定的爆轰。在一定条件下，炸药的上述四种变化形式可以互相转化：炸药的热分解在一定条件下可以转变为燃烧，而炸药的燃烧随着温度和压力的增加可能发展转变为爆炸，直至爆轰3、炸药的爆速、威力、殉爆距离、沟槽现象的基本概念爆速：爆轰波在炸药中的传播速度称为爆轰速度，简称为爆速，通常以m/s或km/S表示。炸药威力：炸药的作功能力。单位ml。炸药的猛度：系指炸药爆炸瞬间爆轰波和爆炸气体产物直接对与之接触的固体介质局部产生破碎的能力。单位mm。沟槽效应，也称管道效应、间隙效应，就是当药卷与炮孔壁间存在有月牙形空间时，爆炸药柱所出现的自抑制——能量逐渐衰减直至拒(熄)爆的现象。殉爆距离：一个药包(卷)爆炸后，引起与它不相接触的邻近药包(卷)爆炸的现象，称为殉爆。殉爆在一定程度上反映了炸药对冲击波的感度。通常将先爆炸的药包称为主发药包，被引爆的后一个药包称为被发药包。前者引爆后者的最大距离叫做殉爆距离，一般以厘米计聚能现象：在某种特定药包形状（如，药包底部有凹槽）的影响下可以使爆炸的能力在空间上重新分配，大大增强对某一方向的局部破坏作用，药包底部有凹槽交聚能穴，这种现象就聚能现象。4、导爆管雷管的结构非电毫秒雷管结构示意图1-导爆管；2-塑料连接；3-消爆空腔；4-空信帽；5-延期药；6-加强帽；7-正起爆药；8-副起爆药；9-金属壳。5电子雷管电子雷管是一种延期时间根据实际需要可以任意设定并精确实现发火延时的新型电能起爆器材，具有使用安全可靠、延期时间精确度高、设定灵活等特点，已被称为爆破技术的一场革命。（1）电子雷管结构电子雷管是在原有雷管装药的基础上，其延期装置不是传统的延期药，而是采用具有电子延时功能的专用集成电路芯片实现延期的雷管。利用电子延期精度可靠、可校准的特点，使雷管的延期精度和可靠度极大提高，延时时间可以精确到1ms，且延时时间由现场爆破员按其意愿设置。传统雷管与电子雷管结构示意图不同之处：延期结构和点火头的位置，传统雷管的延期结构为化学物质，电子雷管的延期采用集成电路芯片；传统雷管点火头位于延期体之前，由延期体引爆雷管的正起爆源，电子雷管的点火头位于延期体后，直接引爆雷管的正起爆药。目前，工程上广泛使用的电雷管和导爆管雷管的延期方法主要采取控制化学药剂燃烧速度。采用化学延期药剂实现延期，由于受工艺水平的影响，精度较差，延期误差为±10ms~±150ms。电子雷管是一种可以任意设定并准确实现延期发火时间的新型电雷管，其本质是采用一个微电子芯片取代普通电雷管中的化学延期药与电点火元件，不仅大大地提高了延时精度，而且控制了通往引火头的电源，从而保证了雷管的安全。采用电子延期在延期精度和延期时间上远比药剂延期精确，延期精度在±0.1%以内。常规电雷管和导爆管雷管，由于其延时误差大，实现不了错峰降振；常规雷管段数少，一般为15段位，个别为20个段位，最长延时时间一般小于1000ms，在复杂环境隧道的钻爆施工时，由于同时起爆的炮孔数量较多，产生的振动较大。电子雷管最大延时时间为15~16s，延时精准，可以实现错峰降振，复杂环境隧道可以实现单孔起爆，极大降低爆破产生的振动。电子雷管为以前不能采用爆破方法的工程或采用爆破方法引起众多麻烦的工程，提供了一个可以采用爆破方法进行安全、快速施工的技术工具。目前正在铁路系统推广应用。乳化炸药乳化炸药是以氧化剂水溶液为分散相，以不溶于水、可液化的碳质燃料作连续相，借助乳化作用及敏化剂的敏化作用而形成的一种油包水（W/O）型特殊结构的含水混合炸药。（1）其主要成分及作用=1\*GB3①氧化剂水溶液。主要为硝酸铵过饱和溶液，占乳化炸药质量的90%左右。=2\*GB3②油相材料。可广义理解为一种不溶于水的有机化合物，当乳化剂存在时，与氧化剂水溶液一起形成油包水（W/O）型乳化液。=3\*GB3③乳化剂。乳化剂作用使油水相互紧密吸附，形成比表面积很高的乳状液并使氧化剂同还原剂的耦合程度增强。乳化剂含量一般为乳化炸药总量的1~2%。=4\*GB3④敏化剂。单质猛炸药（梯恩梯、黑索金等）、金属粉（铝、镁粉等）发泡剂（亚硝酸钠等）、珍珠岩、空心玻璃微球、树脂微球等都可以作为乳化炸药的敏化剂。因发泡剂、珍珠岩、树脂微球等的加入可以调整炸药密度，所以又称为密度调节剂。=5\*GB3⑤其它添加剂。包括乳化促进剂、晶形改性剂和稳定剂等，用量为0.1~0.5%。二、炸药爆炸的基本理论1炸药起爆的基本理论（1）炸药的热能起爆理论该理论的基本要点是在一定的温度、压力和其他条件下，如果一个体系反应放出的热量大于热传导所散失的热量，就能使该体系发生热积聚，从而使反应自动加速而导致爆炸。就是说，爆炸是系统内部温度渐增的结果。（2）炸药的机械能起爆理论——灼热核理论。灼热核理论认为，当炸药受到撞击、摩擦等机械能作用时，并非受作用的各个部分都能被加热到相同的温度，而只是其中的某一部分或几个极小的部分。例如个别晶体的棱角处或微小气泡处，首先被加热到炸药的爆发温度，促使局部炸药首先起爆，然后迅速传播至全部。这种温度很高的微小区域，通常被称为灼热核。（3）炸药的爆炸冲击能起爆理论实践表明，均相炸药（即不含气泡、杂质的液体或晶体炸药）和非均相炸药的爆炸冲击能起爆机理是不同的。=1\*GB3①均相炸药的爆炸冲击能起爆过程。其过程大致是，主发装药爆炸产生的强冲击波进入均相炸药，经过一定的延迟以后，便开始在其表面形成爆轰波。这个爆轰波是强冲击波通过后，在已被冲击压缩的炸药中发生的，此时爆轰波的传播速度比正常的稳定爆速大得多。虽然它开始是跟随于强冲击波的后面，但经一定的距离后，它会赶上冲击波阵面，其爆速突然降低到略高于稳定的值，然后慢慢地达到稳定爆轰。一般地说，均相炸药的爆炸冲击能起爆，取决于临界起爆压力值（Pk）。例如，1.6g/cm3的硝化甘油炸药，其临界起爆压力值Pk=8.5x109Pa；而1.8g/cm3的黑索金炸药，其临界起爆压力值Pk=10x1010Pa。=2\*GB3②非均相炸药的爆炸冲击起爆过程非均相炸药的爆炸是指物理性质不均匀的炸药。这种物理性质不均匀即可以是不同物质的相互混合，也可以是炸药中留有空气间隙，或二者皆有之。非均相炸药的爆炸冲击起爆和均相炸药的爆炸冲击起爆有很大不同，这是由于非均相炸药反应是从局部“热点”处扩展开的，而不像均相炸药反应那样能量均匀地分配到整个起爆面上，这样非均相炸药所需的临界起爆压力值（Pk）要比均相炸药小。实际上，非均相炸药的爆炸冲击能起爆是可以用灼热核理论进行解释的。2爆轰波的概念炸药爆轰时，其前阵面是带有冲击波的化学反应区，该阵面称为爆轰波。3炸药的3种氧平衡概念①零氧平衡。系指炸药中所含的氧刚够将可燃元素完全氧化。②正氧平衡。系指炸药中所含的氧将可燃元素完全氧化后还有剩余。③负氧平衡。系指炸药中所含的氧不足以将可燃元素完全氧化。三、岩石爆破理论1霍布金逊（Hopkinson）现象。药包在岩体中爆炸后形成压缩波向四周传播，当压应力波到达自由面时，一部分或全部反射形成同传播方向相反的拉应力波，这个拉应力波使脆性岩石拉裂造成表面岩石与岩体分离，形成片落（软岩则隆起），这种效应叫霍布金逊（Hopkinson）。2解释岩石爆破径向裂隙和切向裂隙形成的原因在粉碎区形成的同时，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1/10~1/50，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径向裂隙环向裂隙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，该处岩石即被拉断，形成环向裂隙。在径向裂隙和环向裂隙形成的过程中，由于径向应力和切向应力的作用，还可形成与径向成一定角度的剪切裂隙，应力波的作用在岩石中首先形成了初始裂隙，爆轰气体的膨胀、挤压和气楔作用，使初始裂隙进一步延伸和扩展。当应力波的强度与爆轰气体的压力衰减到一定程度后，岩石中裂隙的扩展趋于停止。在应力波和爆轰气体的共同作用下，随着径向裂隙、环向裂隙的形成、扩展和贯通，在紧靠粉碎区处就形成了一个裂隙发育的区域，称为裂隙区。岩石在爆破作用下的破碎机理从时间来说，将岩石爆破破坏过程分为3个阶段。爆破过程的3个阶段第一阶段为炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段。炸药起爆后，产生的高压粉碎了炮孔周围的岩石，冲击波以3000~5000m/s的速度在岩石中引起切向拉应力，由此产生的径向裂隙向自由面方向发展，冲击波由炮孔向外扩展到径向裂隙的出现需要1~2ms。第二阶段为冲击波反射引起自由面处的岩石片落。第一阶段冲击波为正值，当冲击波达到自由面后发生反射时，波的压力变为负值。即由压缩应力波变为拉伸应力波。在反射拉伸应力波的作用下，岩石被拉断，发生片落。此阶段发生在起爆10~20ms。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，在拉应力和气楔的双重作用下，径向初始裂隙迅速扩大。当炮孔前方的岩石被分离、推出时，岩石内产生的高应力卸载如同被压缩的弹簧突然松开一样。这种高应力的卸载作用，在岩体内引起极大的拉伸应力，继续了第二阶段开始的破坏过程。第二阶段形成的细小裂隙构成了薄弱带，为破碎的主要过程创造了条件。应该指出的是：第一阶段除产生径向裂隙外，还有环状裂隙的产生；如果从能量观点出发，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。（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，包括：冲击波产生和传播引起的动载荷；爆炸气体形成的准静态和岩石移动及瞬间应力场张弛导致的载荷释放。在爆破的整个过程中，起主要作用的是5种破坏模式：=1\*GB3①炮孔周围岩石的压碎作用；=2\*GB3②径向裂隙作用；=3\*GB3③卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；=4\*GB3④反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸；=5\*GB3⑤爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙。无论是冲击波拉伸破坏还是爆炸气体膨胀压缩破坏理论，就其岩石破坏的力学作用而言，主要的仍是拉光面爆破（smoothblasting）即沿开挖边界布置密集炮孔，采用不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区岩体爆破后起爆，以形成平整轮廓面的爆破作业。预裂爆破（presplittingblasting）即沿开挖边界布置密集炮孔，采用不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区岩体爆破之前起爆，在爆破和保留区之间形成一道有一定宽度的贯穿裂缝，达到隔断主体开挖区爆破振动以减弱主体爆破对保留岩体的破坏，并形成平整轮廓面的爆破技术。爆轰压力爆轰压力是指炸药爆炸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。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，尤其是对于爆破坚硬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高将会造成炮孔周围岩石的过度粉碎。（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，一般来说，爆炸压力越高，说明爆轰产物中含有能量越大，对岩石胀裂、推移和抛掷的作用越强烈。岩石波阻抗是岩石密度与纵波在岩石中传播速度的乘积。它反映了应力波使岩石质点运动时，岩石阻止波能传播的作用。岩石波阻抗对爆破能量在岩石中的传播效率有直接影响。炸药的波阻抗是炸药的密度与其爆速的乘积。炸药爆轰时传递给岩体的能量多少、传递效率与岩石波阻抗和炸药波阻抗有着直接的关系。若炸药波阻抗与岩石波阻抗越接近，则炸药能量传递效率越高，爆破引起的岩体应变值越大，可获得较好的爆破效果。不耦合装药时，装药直径比炮孔直径小。炮孔直径与装药直径之比称为不耦合装药系数。散装药或耦合装药时，不耦合系数为1。在一定的岩石和炸药条件下，采用不耦合装药或空气间隔装药可以增加炸药用于破碎或抛掷岩石能量的比例，提高炸药爆炸能量有效利用率，改善岩石破碎的均匀度，降低大块率，提高装药效率；同时还能降低炸药消耗量，有效保护围岩免遭过度破坏。台阶爆破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状，如图所示。在炸药爆炸冲击波作用下，药包附近孔壁呈塑性变形或剪切破碎形成压缩粉碎区。当爆炸冲击波衰减为压应力波作用于孔壁岩石时，径向方向产生压应力和压缩变形，形成径向裂隙，并以0.15~0.4倍的应力波传播速度发展。当压应力波传到自由面时，形成反射拉应力波，将加速径向裂隙的发展，随之爆炸气体的膨胀楔劈作用，进一步使径向裂隙发展，到达自由面。其次，当压缩粉碎区爆炸空腔形成瞬间及压应力通过之后，积储在岩体内的一部分弹性变形能得到释放，产生与径向压应力作用相反的向心拉应力，当径向拉应力超过岩石的抗拉强度后，岩石质点产生反向的径位移，形成切向（环向）裂隙。自由面的反射作用，使压应力波变为拉应力波，当拉应力超过岩石的抗拉强度时，则形成断裂裂隙。对于具有两个自由面的台阶爆破，两个反射波的共同作用，形成复合裂隙。它有利于减小台阶顶部大块的产生。同时，爆破气体的膨胀作用，使得台阶表面鼓起，形成表面裂隙。足够的超深有利于提高孔底炸药能量利用率，可以形成克服“根底”的底部径向裂隙，同时可以形成克服“后冲”的边坡径向裂隙。毫秒延时爆破是利用毫秒延时雷管，在排间、孔间使各个药包以毫秒级的不同时间顺序起爆的爆破技术。采用该技术可以提高爆炸能量利用率、改善破碎质量、降低爆破振动、减小对边坡和附近建筑物的破坏、控制对围岩的损伤来确保围岩稳定性。毫秒爆破技术降振原理：（1）将大的装药量分成小的装药量，降低爆破振动强度。（2）形成新的自由面。采用毫秒爆破时，先爆的炮孔为后爆炮孔提供新的自由面，有利于降振和降低炸药单耗。（3）应力波叠加作用。先爆药包起爆后，在爆炸产生的膨胀气体及应力波作用下，使周围介质处于准静压应力状态并建立残余应力场，后起爆药包爆炸后形成应力波的叠加，有利于冲击能量利用残余应力强化对岩体的破碎。（4）地震波的干扰作用。毫秒爆破中，由于相邻炮孔之间存在一个短的时间间隔，使得药包爆破时产生的地震波相互干扰，从而减弱爆破地震效应。（5）辅助破碎作用。先起爆药包改变了后面药包的抵抗线，减轻了后面药包的阻力，使分离的岩块初始速度增大；先起爆药包的破碎岩块为后起爆药包形成一道岩幕，并与后起爆药包的破碎岩石在抛移过程中相互碰撞，同时阻挡个别飞散物的作用，使爆渣比较集中。岩石中的爆炸应力波：r—药包半径；tH—介质状态变化时间；ts—介质状态恢复到静止状态时间爆炸应力波在岩石内传播时，它的强度随着传播距离的增加而减小。波的性质和形状相应的变化。根据波的性质、形状和作用的不同，可将冲击波的传播过程分为3个作用区，如图所示。在离爆源约3~7倍药包半径的距离内，波的强度极大，波峰压力一般都大大超过岩石的动抗压强度，故使岩石产生塑性变形或粉碎，消耗了大部分的能量