爆破工程巖石中的爆破作用原理

會(huì)計(jì)學(xué)1爆破工程巖石中的爆破作用原理一、爆轟氣體膨脹壓力作用破壞論這派觀點(diǎn)是從靜力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為藥包爆炸后，產(chǎn)生大量高溫高壓的氣體，這種氣體膨脹時(shí)所產(chǎn)生推力，作用在藥包周圍的巖壁上，引起巖石質(zhì)點(diǎn)的徑向位移，由于作用力的不等引起的不同的徑向位移，導(dǎo)致在巖石中形成剪切應(yīng)力，當(dāng)這種剪切應(yīng)力超過(guò)巖石的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)就會(huì)引起巖石的破裂，當(dāng)爆轟氣體的膨脹推力足夠大時(shí)，還會(huì)引起自由面附近的巖石隆起、鼓開(kāi)并沿徑向方向推出，這派觀點(diǎn)完全否認(rèn)沖擊波的作用。第1頁(yè)/共92頁(yè)第2頁(yè)/共92頁(yè)二、應(yīng)力波反射拉伸破壞論這派觀點(diǎn)從爆轟的動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)。認(rèn)為藥包爆破時(shí)，強(qiáng)大的沖擊波沖擊和壓縮周圍的巖石，在巖石中激發(fā)成強(qiáng)烈的壓縮應(yīng)力波。當(dāng)這種應(yīng)力波傳到自由面時(shí)，從自由面反射而成拉伸應(yīng)力波，當(dāng)這種波的強(qiáng)度超過(guò)巖石的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，從自由面開(kāi)始向爆源方向產(chǎn)生拉伸片裂破壞作用。這派觀點(diǎn)完全否認(rèn)了爆轟氣體膨脹的推力作用。第3頁(yè)/共92頁(yè)第4頁(yè)/共92頁(yè)三、沖擊波和爆轟氣體膨脹壓力共同作用的觀點(diǎn)這派觀點(diǎn)認(rèn)為爆破時(shí)巖石的破壞是沖擊波和爆轟氣體膨脹壓力共同作用的結(jié)果。第5頁(yè)/共92頁(yè)

四、巖體爆破的損傷力學(xué)觀點(diǎn)

長(zhǎng)期以來(lái)，在巖體爆破機(jī)理研究中主要圍繞爆破主動(dòng)力問(wèn)題展開(kāi)，對(duì)于巖體破壞準(zhǔn)則仍沿用巖體靜力學(xué)方法，采用拉應(yīng)力破壞理論、莫爾破壞理論等。這種簡(jiǎn)化處理可用于解決不含地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的巖石破裂問(wèn)題。大量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，巖體爆破過(guò)程中80％以上的破裂面是沿巖體中的各種原生結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、層理等）產(chǎn)生，因而近年來(lái)在巖體爆破理論研究中又引入了損傷力學(xué)方法，提出了巖體爆破機(jī)理的損傷力學(xué)觀點(diǎn)。第6頁(yè)/共92頁(yè)

該觀點(diǎn)視巖體裂隙為初始損傷，各種結(jié)構(gòu)弱面和微缺陷為潛在的損傷發(fā)展源，認(rèn)為巖體破裂是損傷積累所致。當(dāng)巖體損傷變量達(dá)到某一臨界值時(shí)，巖體產(chǎn)生破裂。利用巖體爆破的損傷力學(xué)方法，目前基本上可以實(shí)現(xiàn)爆破范圍的計(jì)算機(jī)模擬。該理論在爆破動(dòng)力問(wèn)題上，直接采用爆轟沖擊荷載作用于巖壁的狀態(tài)方程，利用動(dòng)力有限元方法計(jì)算爆區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。其實(shí)質(zhì)是認(rèn)為巖體爆破動(dòng)力是爆炸應(yīng)力波和爆轟氣體的膨脹作用，兩者相輔相成，不可或缺。第7頁(yè)/共92頁(yè)第二節(jié)沖擊載荷的特征和應(yīng)力波

一、沖擊載荷的特征沖擊載荷是一種動(dòng)載荷，特點(diǎn)是加載的速度快和作用的時(shí)間短。將物體受沖擊載荷作用下的情況和一般靜載荷相比，它是以特殊形態(tài)反應(yīng)出來(lái)的，其主要特征如下：1.在沖擊載荷作用下，承受載荷作用的物體的自重非常重要。沖擊載荷作用下所產(chǎn)生力的大小，作用的持續(xù)時(shí)間和力的分布狀態(tài)等等，主要取決于加載體和受載體之間的相互作用。2.在沖擊載荷作用下，在承載體中誘發(fā)出的應(yīng)力是局部性的，在承載體內(nèi)部產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力不均勻性。3.在沖擊載荷作用下，承載體的反應(yīng)是動(dòng)態(tài)的。第8頁(yè)/共92頁(yè)二、應(yīng)力波物體若受到爆炸或其他沖擊載荷作用時(shí)，在物體的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡性的擾動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做波動(dòng)。物體內(nèi)的應(yīng)力是以波動(dòng)方式傳播的，這種波動(dòng)方式的應(yīng)力叫做應(yīng)力波，對(duì)爆破來(lái)說(shuō)這種應(yīng)力波是由爆炸沖擊加載產(chǎn)生的，所以叫做爆炸應(yīng)力波。第9頁(yè)/共92頁(yè)（一）應(yīng)力波的傳播傳播的大致過(guò)程：炸藥在巖體中爆炸引起的瞬時(shí)巨大壓力，壓力以極高的速度沖擊藥包四周的巖石，在巖石中激發(fā)出傳播速度比聲速還大的沖擊波（或叫爆炸應(yīng)力波）。在離藥包稍遠(yuǎn)的地點(diǎn)，由于波的衰減，這些非彈性過(guò)程終止，而開(kāi)始出現(xiàn)彈性效應(yīng)，衰減后的沖擊波已變成只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)而不能引起巖石破裂的彈性擾動(dòng)，這種彈性擾動(dòng)以彈性應(yīng)力波或地震波的形式向外傳播應(yīng)力波按其傳播的途徑不同可以分為兩大類：一類是在巖體內(nèi)部傳播的，叫做體積波；一類是沿著巖體內(nèi)、外表面?zhèn)鞑サ慕凶霰砻娌ā５?0頁(yè)/共92頁(yè)體積波按波的傳播方向和傳播途中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)方向的關(guān)系又可分為縱波和橫波兩種?？v波又叫壓縮波，它的特點(diǎn)是波的傳播方向和傳播途中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向是一致的，這種波在傳播過(guò)程中會(huì)引起物體產(chǎn)生壓縮和拉伸變形。橫波又叫剪切波，它的特點(diǎn)是波的傳播方向和傳播途中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相垂直。在傳播過(guò)程中它會(huì)引起物體產(chǎn)生剪切變形。表面波可分為瑞利波和勒夫波兩類。瑞利波的傳播方式與縱波相似，會(huì)引起物體產(chǎn)生壓縮和拉伸變形。勒夫波與橫波相似，會(huì)引起物體產(chǎn)生剪切變形。爆破時(shí)體積波特別是縱波能使巖石產(chǎn)生壓縮和拉伸變形，是爆破時(shí)造成巖石破裂的重要原因。第11頁(yè)/共92頁(yè)（二）應(yīng)力波的反射應(yīng)力波和其他波動(dòng)一樣，如果在它的傳播過(guò)程中遇到巖石中的層理面、節(jié)理面、斷層面和自由面，或者在傳播過(guò)程中介質(zhì)性質(zhì)發(fā)生了變化時(shí)，那么應(yīng)力波的一部分會(huì)從交界面反射回來(lái)，另外一部分應(yīng)力波則透射過(guò)交界面進(jìn)入第二種介質(zhì)，應(yīng)力波的反射因其入射的角度不同有兩種不同的反射情況，一種是應(yīng)力波呈垂直入射，另一種是應(yīng)力波呈傾斜入射。第12頁(yè)/共92頁(yè)1.應(yīng)力波垂直入射圖5—4表示入射的一種三角形波從自由面反射的過(guò)程。設(shè)入射的應(yīng)力波是壓縮應(yīng)力波，從左向右傳播，如圖中的a所示。波在到達(dá)自由面以前，隨著波的前進(jìn)，介質(zhì)承受壓縮應(yīng)力的作用。當(dāng)波到達(dá)自由面時(shí)立即發(fā)生反射。圖中的b表示三角波正在反射過(guò)程中，圖中的c表示波的反射過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。反射前后的波峰應(yīng)力值和波形完全一樣，但極性完全相反，由反射前的壓縮波變?yōu)榉瓷浜蟮睦觳ǎ稍橘|(zhì)中返回，隨著反射波的前進(jìn)，介質(zhì)從原來(lái)的壓縮應(yīng)力下被解除的同時(shí)，而承受拉伸應(yīng)力。第13頁(yè)/共92頁(yè)第14頁(yè)/共92頁(yè)2．應(yīng)力波傾斜入射應(yīng)力波呈傾斜向自由面入射時(shí)，情況非常復(fù)雜。入射波不管是縱波還是橫波，經(jīng)過(guò)自由面反射以后，都要再度生成縱波和橫波這兩種波來(lái)。第15頁(yè)/共92頁(yè)第三節(jié)爆破時(shí)巖體中的應(yīng)力狀態(tài)

一、應(yīng)力波在巖體中傳播時(shí)引起的應(yīng)力狀態(tài)當(dāng)藥包爆轟時(shí)的爆轟波傳到藥包與巖石的接觸面時(shí)，一部分爆轟波會(huì)反射回來(lái)，一部分爆轟波則以猛烈沖擊的方式透射入巖體中，在巖體內(nèi)激發(fā)出一種波峰壓力很高的脈沖應(yīng)力波，這種脈沖應(yīng)力波叫做爆炸應(yīng)力波或巖體中的沖擊波。第16頁(yè)/共92頁(yè)（一）巖體中沖擊波的傳播規(guī)律沖擊波的初始波峰壓力就是爆轟波給予巖石的最初壓力，其值的大小取決于炸藥的性質(zhì)、巖石的性質(zhì)和炸藥與巖石的耦合情況。波阻抗越大的巖石，在炮孔壁上產(chǎn)生的壓力也越大，如表5—1所示。給予巖石的初始峰壓越大，則巖石的變形也越大，破碎越厲害，消耗能量也越多。因此，在工程爆破中必須根據(jù)工程的要求來(lái)合理地控制巖體中的初始峰壓值。第17頁(yè)/共92頁(yè)沖擊波在巖體內(nèi)傳播過(guò)程中，它的強(qiáng)度隨著距爆源距離的增加而衰減。根據(jù)波的性質(zhì)、形狀和作用性質(zhì)的不同，可將沖擊波的傳播過(guò)程大致分為三個(gè)作用區(qū)，如圖5—5所示。沖擊波作用區(qū)、壓縮應(yīng)力波作用區(qū)、彈性振動(dòng)區(qū)。第18頁(yè)/共92頁(yè)沖擊波在傳播過(guò)程中衰減的一般規(guī)律是：在沖擊波作用區(qū)，應(yīng)力衰減大致與傳播距離的三次方成正比。在壓縮應(yīng)力波作用區(qū)，應(yīng)力衰減大致與傳播距離的平方成正比；在地震波作用區(qū)，應(yīng)力的衰減大致與傳播距離成線性關(guān)系。此外，球形藥包產(chǎn)生的沖擊波，其衰減速度比柱形藥包快。沖擊波在松軟或多裂隙巖石中傳播比在均質(zhì)、致密的整體巖石中衰減要快。沖擊波在巖體中傳播時(shí)，其波陣面上的壓力衰減規(guī)律可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示：（5—1）式中——離藥包的距離為r處的沖擊波波峰壓力，kPa；

——沖擊波初始的波峰壓力，kPa；——距藥包的距離，m；——藥包的半徑，m；

——指數(shù)，，沖擊波作用區(qū)取“+”，壓縮應(yīng)力波作用區(qū)取“-”；

——巖石的泊松比。第19頁(yè)/共92頁(yè)（二）應(yīng)力波在巖體中引起的應(yīng)力狀態(tài)爆炸應(yīng)力波在巖體中引起的應(yīng)力狀態(tài)不但隨時(shí)間不同而變化，而且隨離藥包的遠(yuǎn)近而變化，表現(xiàn)為動(dòng)的應(yīng)力狀態(tài)。在爆炸應(yīng)力波作用的大部分范圍內(nèi)，它是以壓縮應(yīng)力波的方式傳播的，其引起的巖石應(yīng)力狀態(tài)可以近似地采用彈性理論來(lái)研究和解析。爆炸應(yīng)力波從爆源向自由面傾斜入射時(shí)，在自由面附近巖石中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜的，由爆源向四周巖體中發(fā)射的應(yīng)力波主要是縱波。第20頁(yè)/共92頁(yè)如圖5—6所示，設(shè)自由面方向?yàn)闄M軸，最小抵抗線方向?yàn)樨Q軸，O點(diǎn)為炸藥包中心（即爆源），巖體中任一點(diǎn)A的應(yīng)力為三者的合成，由合成應(yīng)力引起的三個(gè)主應(yīng)力為，，。當(dāng)拉伸主應(yīng)力出現(xiàn)極大值時(shí)，自由面附近巖體中各點(diǎn)的主應(yīng)力和的方向如圖5—7所示。第21頁(yè)/共92頁(yè)第22頁(yè)/共92頁(yè)第23頁(yè)/共92頁(yè)自由面對(duì)應(yīng)力極大值的變化產(chǎn)生很大的影響：一般來(lái)說(shuō)在自由面附近所產(chǎn)生的壓縮主應(yīng)力極大值比無(wú)自由面時(shí)所產(chǎn)生的要小；拉伸主應(yīng)力極大值則正好與此相反，它比無(wú)自由面時(shí)所產(chǎn)生的要大，爆源離自由面越近，拉伸主應(yīng)力的增長(zhǎng)越顯著，這意味著自由面附近的巖石是處于比較容易破壞的拉伸應(yīng)力狀態(tài)下這充分說(shuō)明自由面對(duì)爆破效果的提高起著重要的作用。第24頁(yè)/共92頁(yè)二、爆轟氣體壓力作用下巖體中的應(yīng)力狀態(tài)藥包爆破時(shí)，在藥室容積沒(méi)有發(fā)生變化以前，爆轟氣體壓力可以視為是恒定的。由它引起的應(yīng)力狀態(tài)是均勻的，它與時(shí)間無(wú)關(guān)，只決定于該點(diǎn)的位置，表現(xiàn)為靜的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)在巖體中密封的集中藥包爆轟時(shí)，由于藥室周壁巖石被高壓沖擊波壓縮和粉碎，藥室容積被擴(kuò)大，被密封在此容積中的爆轟氣體以準(zhǔn)靜態(tài)壓力的方式作用在巖壁上，在巖體中各點(diǎn)的主應(yīng)力和的作用方向如圖5—8所示，該應(yīng)力分布狀態(tài)與圖5—7中的應(yīng)力分布狀態(tài)極為相似。第25頁(yè)/共92頁(yè)第26頁(yè)/共92頁(yè)第四節(jié)單個(gè)藥包的爆破作用

一、單個(gè)集中藥包的爆破作用

（一）爆破的內(nèi)部作用當(dāng)藥包在巖體中的埋置深度很大，其爆破作用達(dá)不到自由面，即在無(wú)限介質(zhì)中的爆破，這種情況下的爆破作用叫做爆破的內(nèi)部作用。這種情況如圖5—9所示。按照巖石的破壞特征，大致可將它分為三個(gè)區(qū)域。第27頁(yè)/共92頁(yè)第28頁(yè)/共92頁(yè)1.壓碎區(qū)(壓縮區(qū))

這個(gè)區(qū)是指直接與藥包接觸的巖石。在沖擊載荷作用下呈現(xiàn)明顯脆性的堅(jiān)硬巖石，則被壓碎；對(duì)于可壓縮性比較大的軟巖（如塑性巖石、土壤和頁(yè)巖等）則被壓縮成壓縮空洞，并且在空洞表層形成堅(jiān)實(shí)的壓實(shí)層。因此，壓碎區(qū)又叫壓縮區(qū)。壓碎區(qū)的半徑很小，一般約為藥包半徑的2~3倍。破壞范圍雖然不大，但破碎程度大，炸藥消耗能量多。第29頁(yè)/共92頁(yè)2.破裂區(qū)(破壞區(qū))

當(dāng)沖擊波通過(guò)壓碎區(qū)以后，隨著沖擊波傳播范圍的擴(kuò)大而導(dǎo)致單位面積上的能流密度降低，壓縮波（即壓縮應(yīng)力波），其強(qiáng)度已低于巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，所以不能直接壓碎巖石。但是，它可使壓碎區(qū)外層的巖石遭到強(qiáng)烈的徑向壓縮，使巖石的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生徑向位移，因而導(dǎo)致外圍巖石層中產(chǎn)生徑向擴(kuò)張和切向拉伸應(yīng)變，如圖5—10所示。如果這種切向拉伸應(yīng)變超過(guò)了巖石的動(dòng)抗拉強(qiáng)度的話，那么在外圍的巖石層中就會(huì)產(chǎn)生徑向裂隙。這種裂隙以（0.15~0.4）倍壓縮應(yīng)力波的傳播速度向前延伸。當(dāng)切向拉伸應(yīng)力小到低于巖石的動(dòng)抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙便停止向前發(fā)展。另外在沖擊波擴(kuò)大藥室時(shí)，壓力下降了的爆轟氣體也同時(shí)作用在藥室四周的巖石上，在藥室四周的巖石中形成一個(gè)準(zhǔn)靜應(yīng)力場(chǎng)。第30頁(yè)/共92頁(yè)第31頁(yè)/共92頁(yè)當(dāng)壓縮應(yīng)力波通過(guò)破裂區(qū)時(shí)，巖石受到強(qiáng)烈的壓縮，儲(chǔ)蓄了一部分彈性變形能，當(dāng)應(yīng)力波通過(guò)后，巖石中的應(yīng)力釋放，便會(huì)產(chǎn)生與壓縮應(yīng)力波作用方向相反的向心拉伸應(yīng)力。使巖石粒點(diǎn)產(chǎn)生反向的徑向移動(dòng)，當(dāng)徑向拉伸應(yīng)力超過(guò)巖石的動(dòng)抗拉強(qiáng)度時(shí)，在巖石中便會(huì)出現(xiàn)周向的裂隙。圖5—11是徑向裂隙和周向裂隙的形成原理示意圖。徑向裂隙和周向裂隙的相互交錯(cuò)，將該區(qū)中的巖石割裂成塊，如圖5—11所示。此區(qū)域叫做破裂區(qū)（或破壞區(qū)）。第32頁(yè)/共92頁(yè)3.彈性震動(dòng)區(qū)破裂區(qū)以外的巖體中，由于應(yīng)力波引起的應(yīng)力狀態(tài)和爆轟氣體壓力建立起的準(zhǔn)靜應(yīng)力場(chǎng)均不足以使巖石破壞，只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)作彈性振動(dòng)，直到彈性振動(dòng)波的能量被巖石完全吸收為止，這個(gè)區(qū)域叫彈性震動(dòng)區(qū)或地震區(qū)。震動(dòng)區(qū)半徑可按下式估算：

第33頁(yè)/共92頁(yè)（二）爆破的外部作用當(dāng)藥包在巖體中埋置很淺，即爆破作用能達(dá)到自由面，即在半無(wú)限介質(zhì)中的爆破，這種情況的爆破叫做爆破的外部作用。當(dāng)將集中藥包埋置在靠近地表的巖石中時(shí)，那么藥包爆破后，除了產(chǎn)生內(nèi)部的破壞作用以外，還會(huì)在地表產(chǎn)生破壞作用，造成地表附近的巖石破壞。第34頁(yè)/共92頁(yè)1.由應(yīng)力波的合成引起的破壞自由面附近巖石中的爆破破碎機(jī)理，可根據(jù)入射波和反射波疊加結(jié)果所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)（圖5—12）來(lái)判斷。由拉伸應(yīng)力引起的裂隙，是以最小抵抗線為中心呈放射狀的分布，如圖5—12b所示。第35頁(yè)/共92頁(yè)2.由霍布金遜效應(yīng)引起的破壞根據(jù)應(yīng)力波的反射原理，當(dāng)藥包爆炸以后的壓縮應(yīng)力波到達(dá)自由面時(shí)，便從自由面反射回來(lái)，變成性質(zhì)和方向完全相反的拉伸應(yīng)力波，這種效應(yīng)叫霍布金遜效應(yīng)。假定從爆源向自由面方向傳播的壓縮應(yīng)力波是鋸齒形三角形波。那么可用圖5—13來(lái)說(shuō)明霍布金遜效應(yīng)的破壞機(jī)理。第36頁(yè)/共92頁(yè)第37頁(yè)/共92頁(yè)3.由反射拉伸波引起徑向裂隙的延伸從自由面反射回巖體中的拉伸波，即使它的強(qiáng)度不足以產(chǎn)生片裂，但是反射拉伸波同徑向裂隙梢處的應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，可使徑向裂隙大大地向前延伸。裂隙延伸的情況與反射應(yīng)力波傳播的方向和裂隙方向的交角θ的有關(guān)。如圖5—14所示。相反地，反射波在其切向上是壓縮應(yīng)力狀態(tài)，反而會(huì)使已經(jīng)張開(kāi)的裂隙重新閉合。第38頁(yè)/共92頁(yè)第39頁(yè)/共92頁(yè)（三）爆破漏斗當(dāng)藥包爆破產(chǎn)生外部作用時(shí)，除了將巖石破壞以外，還會(huì)將一部分破碎了的巖石拋擲，在地表形成一個(gè)漏斗形的坑，這個(gè)坑叫做爆破漏斗。見(jiàn)圖5—15。爆破漏斗是工程爆破中一些重要參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)，它是由下列一些要素構(gòu)成的（圖5—16）。自由面——被爆破的巖石與空氣接觸的面叫做自由面，又叫臨空面。如圖5—16中的AB面。在長(zhǎng)期的爆破實(shí)踐中，人們總結(jié)了一條簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)，即自由面多，爆破效果好。從圖5—17中就很容易說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。第40頁(yè)/共92頁(yè)第41頁(yè)/共92頁(yè)第42頁(yè)/共92頁(yè)第43頁(yè)/共92頁(yè)最小抵抗線W——自藥包中心到自由面的最短距離，即表示爆破時(shí)巖石阻力最小的方向。因此，最小抵抗線是爆破作用和巖石移動(dòng)的主導(dǎo)方向。爆破漏斗半徑r——即爆破漏斗的底圓半徑。爆破作用半徑R——也叫做破裂半徑，即白藥包中心到爆破漏斗底圓圓周上任一點(diǎn)的距離。爆破漏斗深度D——自爆破漏斗尖頂至自由面的最短距離。爆破漏斗的可見(jiàn)深度h——自爆破漏斗中巖堆表面最低洼點(diǎn)到自由面最短距離。爆破漏斗張開(kāi)角θ——即爆破漏斗的頂角。第44頁(yè)/共92頁(yè)除了上述構(gòu)成爆破漏斗的一些要素以外，在爆破工程中還有一個(gè)經(jīng)常用到的重要指數(shù)，即爆破作用指數(shù)n，它是爆破漏斗半徑r和最小抵抗線W的比值，可以用下式表示：

在工程爆破中常常根據(jù)爆破作用指數(shù)n值的不同，將爆破作用分為五種。1.標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗（圖5—18a）這種爆破漏斗的漏斗半徑r與最小抵抗線W相等，即爆破作用指數(shù)漏斗的張開(kāi)角θ=90°。形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的藥包叫做標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破藥包。第45頁(yè)/共92頁(yè)2.加強(qiáng)拋擲爆破漏斗（圖5—18b）這種爆破漏斗的漏斗半徑r大于最小抵抗線W，即爆破作用指數(shù)n＞l.0，漏斗張開(kāi)角θ＞90°，形成加強(qiáng)拋擲爆破漏斗的藥包叫做加強(qiáng)拋擲爆破藥包。3.減弱拋擲爆破（又叫加強(qiáng)松動(dòng)爆破）漏斗（圖5—18c）這種爆破漏斗的漏斗半徑r小于最小抵抗線W，即爆破作用指數(shù)l＞n＞0.75，漏斗張開(kāi)角θ＜90°。形成減弱拋擲爆破漏斗的藥包叫做減弱拋擲爆破或加強(qiáng)松動(dòng)爆破藥包。第46頁(yè)/共92頁(yè)4.松動(dòng)爆破漏斗（圖5—18d）藥包爆破后只使巖石破裂，幾乎沒(méi)有拋擲作用，從外表看，不形成可見(jiàn)的爆破漏斗。此時(shí)的爆破作用指數(shù)，n小于但接近于0.75。松動(dòng)爆破時(shí)采用的裝藥量一般較小，因此爆破時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)較小，碎石飛散的距離也較小。這樣，有利于提高裝巖的效率和爆破的安全性。因此，在井下和露天的礦石回采作業(yè)和巷道的掘進(jìn)作業(yè)中，常常采用這種爆破。第47頁(yè)/共92頁(yè)5.壓縮（壓碎）爆破（圖5—18e）壓縮爆破的特點(diǎn)是藥包爆破時(shí)，只將它周圍的巖石壓縮（或壓碎）形成空洞，而爆破的作用達(dá)不到自由面。這種爆破在藥壺爆破中常常被采用。第48頁(yè)/共92頁(yè)第49頁(yè)/共92頁(yè)二、單個(gè)延長(zhǎng)藥包的爆破作用延長(zhǎng)藥包是在工程爆破中應(yīng)用最廣泛的藥包。如炮眼爆破法和深孔爆破法中使用的柱狀藥包以及硐室爆破法中使用的條形藥包都屬于延長(zhǎng)藥包。延長(zhǎng)藥包是相對(duì)集中藥包而言的，當(dāng)藥包的長(zhǎng)度和它的橫截面的直徑（對(duì)圓柱形藥包）或邊長(zhǎng)（對(duì)方柱形藥包）之比值φ大于某一值時(shí)，叫做延長(zhǎng)藥包。φ值大小的規(guī)定目前尚未統(tǒng)一，有些人主張φ≥6～8時(shí)屬延長(zhǎng)藥包，而另些人則主張φ≥15～20屬延長(zhǎng)藥包。延長(zhǎng)藥包和集中藥包在爆破破碎機(jī)理方面沒(méi)有多大差別，但是兩者在巖石中爆破后的應(yīng)力波傳播時(shí)的衰減規(guī)律、應(yīng)力波的參數(shù)以及應(yīng)力的分布和爆破后的漏斗形狀及體積卻有明顯的差別。第50頁(yè)/共92頁(yè)第五節(jié)成組藥包爆破作用特征

一、單排成組藥包速攝影記錄表明，當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上藥包單排同時(shí)爆破時(shí)，在最初幾微秒時(shí)間內(nèi)，應(yīng)力波以同心球狀各自從起爆點(diǎn)向外傳播。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，相鄰兩藥包爆破引起的應(yīng)力波相遇，并產(chǎn)生相互疊加，沿炮眼聯(lián)心線的壓應(yīng)力相互抵消，而兩藥包的拉應(yīng)力合成，如果炮眼相距較近，合成拉應(yīng)力值超過(guò)巖石抗拉強(qiáng)度，則沿炮眼聯(lián)心線將會(huì)產(chǎn)生徑向裂隙，將兩炮眼連通。隨后，爆轟氣體會(huì)很快沿裂隙逸散，使其它方向上的徑向裂隙得不到足夠的發(fā)展，從而降低了巖石的破碎程度。第51頁(yè)/共92頁(yè)第52頁(yè)/共92頁(yè)因此，實(shí)際爆破中應(yīng)適當(dāng)增大眼距，并相應(yīng)減小最小抵抗線，使應(yīng)力降低區(qū)位于自由面之外，這樣可以減少大塊的產(chǎn)生。但是，眼距也不能太大，因應(yīng)力隨眼距增大而減小，巖石將得不到充分的破碎，而在兩炮眼間會(huì)留下巖柱。第53頁(yè)/共92頁(yè)二、多排成組藥包多排成組藥包齊發(fā)爆破所產(chǎn)生的應(yīng)力波相互作用情況比單排時(shí)更加復(fù)雜。藥包爆破引起的應(yīng)力波的相互疊加作用，造成了極高的應(yīng)力狀態(tài)，并且延長(zhǎng)了應(yīng)力波的作用時(shí)間，因而使破碎效果大為改善。然而在另一方面，多排成組藥包齊發(fā)爆破時(shí)，只有第一排炮眼爆破具有較優(yōu)越的自由面條件，而后排炮眼爆破所受的夾制作用大，爆破的能量消耗大，爆破效率不高。在實(shí)際中很少采用多排成組炮眼的齊發(fā)爆破。采用微差起爆技術(shù)將會(huì)獲得較好的爆破效果。第54頁(yè)/共92頁(yè)第六節(jié)裝藥量計(jì)算原理裝藥量是工程爆破中一個(gè)最重要的參量。裝藥量確定得正確與否直接關(guān)系到爆破效果和經(jīng)濟(jì)效益。盡管這個(gè)參量是如此重要，但是一直到現(xiàn)在尚沒(méi)有一個(gè)比較精確的理論計(jì)算公式。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直沿用著在生產(chǎn)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)而建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式。第55頁(yè)/共92頁(yè)一、體積法則至今比較廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式是伏奧班的體積公式，其原理是，在一定的炸藥和巖石條件下，爆落的巖石體積與裝藥量的大小成正比。體積公式的形式為：（5—10）式中Q——裝藥量，kg；q——單位體積巖石的炸藥消耗量，kg／m3；V——被爆破的巖石體積，m。第56頁(yè)/共92頁(yè)二、相似原理

根據(jù)布若伯格的相似原理，在某一特定的均質(zhì)巖石中，采用性質(zhì)和形狀相同的炸藥包進(jìn)行爆破漏斗試驗(yàn)時(shí)，欲獲得大小和形狀都相似的爆破漏斗（圖5—22），那么裝藥量和爆破漏斗尺寸間存在下面的關(guān)系：

（5—11）第57頁(yè)/共92頁(yè)三、集中藥包的計(jì)算形狀接近于球狀或立方體的藥包叫集中藥包。采用集中藥包進(jìn)行單自由面單藥包爆破時(shí)，其裝藥量的計(jì)算是利用體積公式的計(jì)算原理。各種不同爆破作用的裝藥量的計(jì)算通式可用下式來(lái)表示：Q=q標(biāo)·W3

（5—15）式中——爆破作用指數(shù)函數(shù)。第58頁(yè)/共92頁(yè)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破f(n)=1.0；加強(qiáng)拋擲爆破f(n)＞1；減弱拋擲爆破f(n)＜1。關(guān)于f(n)的計(jì)算方法，各個(gè)研究者提出了不同的計(jì)算公式，而應(yīng)用比較廣泛的是前蘇聯(lián)學(xué)者鮑列斯闊夫提出的計(jì)算公式，該式為：f(n)=0.4+0.6n3

（5—16）綜上所述，裝藥量計(jì)算的原理是，裝藥量的多少取決于要求爆破的巖石體積、爆破漏斗形狀和巖石性質(zhì)等因素。但是，對(duì)于爆破質(zhì)量問(wèn)題，尤其是隨著采礦工作的需要和工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)爆破巖石塊度的較高要求等，都沒(méi)能準(zhǔn)前述計(jì)算式中得到反映。雖然如此，體積公式還一直沿用至今。第59頁(yè)/共92頁(yè)四、延長(zhǎng)藥包的計(jì)算當(dāng)采用延長(zhǎng)藥包進(jìn)行爆破時(shí)，其裝藥量的計(jì)算原理與集中藥包相同，也是根據(jù)體積公式來(lái)計(jì)算。因?yàn)樵诠こ瘫浦校苌俨捎脝巫杂擅婧蛦嗡幇谋?，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個(gè)，而是由多個(gè)爆破漏斗連通成一個(gè)，所以計(jì)算漏斗體積時(shí)，是計(jì)算一次多孔同時(shí)爆破所破壞的巖石總體積，巖石的總體積取決于一次爆破的孔數(shù)和所選有的有關(guān)爆破參數(shù).第60頁(yè)/共92頁(yè)第七節(jié)影響爆破作用的因素在工程爆破中，為了達(dá)到預(yù)期的爆破目的和不斷改善爆破效果，必需在通曉爆破作用原理的基礎(chǔ)上，全面和正確地分析影響爆破作用的各方面因素。影響爆破作用的因素很多，但可大體歸納為：炸藥因素；巖石因素；炸藥與巖石的相關(guān)因素和爆破條件與爆破技術(shù)有關(guān)的因素。第61頁(yè)/共92頁(yè)一、炸藥因素

影響爆破作用的炸藥性能有：炸藥的密度、爆速、爆轟壓力、爆炸壓力、爆轟氣體產(chǎn)物的體積、炸藥的波阻抗以及炸藥的能量利用率等等，其中一些因素已在前面的有關(guān)節(jié)中論述過(guò)，下面只對(duì)尚未論及的因素作補(bǔ)充分析。第62頁(yè)/共92頁(yè)（一）爆轟壓力爆轟壓力是指炸藥爆轟時(shí)在爆轟波波陣面中的C—J面上所測(cè)得的壓力。當(dāng)爆轟波傳播到炮孔壁面上時(shí)，在孔壁的巖體中會(huì)激發(fā)成強(qiáng)烈的沖擊波，這種沖擊波在巖體中傳播會(huì)引起巖石粉碎和破裂，它為整個(gè)巖石破碎創(chuàng)造了先決條件。一般來(lái)說(shuō)，爆轟壓力越高，在巖石中激發(fā)的沖擊波的初始峰值壓力和引起的應(yīng)力以及應(yīng)變也越大，越有利于巖石的破裂（預(yù)裂），尤其是對(duì)于爆破堅(jiān)韌致密的巖石來(lái)說(shuō)更是如此。但是并不是對(duì)所有巖石來(lái)說(shuō)爆轟壓力越高越好，對(duì)某些巖石來(lái)說(shuō)爆轟壓力過(guò)高將會(huì)造成炮孔周圍巖石的過(guò)度粉碎，白白浪費(fèi)了能量，另外爆轟壓力越高，沖擊波對(duì)巖石的作用時(shí)間越短，沖擊波的能量利用率低而且造成巖石破碎不均勻。因此，必需根據(jù)巖石的性質(zhì)和工程的要求來(lái)合理選配炸藥的品種。第63頁(yè)/共92頁(yè)（二）爆炸壓力（又叫爆壓或炮孔壓力）爆炸壓力是炸藥在完成化學(xué)爆炸反應(yīng)以后，爆轟氣體產(chǎn)物膨脹作用在炮孔壁上的壓力。它是對(duì)破碎效果起決定性作用的因素。在爆破破碎過(guò)程中爆壓對(duì)巖石起脹裂、推移和拋擲作用。一般來(lái)說(shuō)，爆壓越高，說(shuō)明爆轟氣體產(chǎn)物中含有的能量越大，對(duì)巖石的脹裂、推移和拋擲的作用愈強(qiáng)烈。圖5—23表示炮孔中的藥包起爆以后，炮孔內(nèi)的壓力隨時(shí)間變化的曲線。爆炸壓力的大小取決于炸藥的爆熱、爆溫和爆轟氣體的體積。而爆炸壓力作用的時(shí)間除與炸藥本身的性能有關(guān)以外，還與爆破時(shí)炮泥的堵塞質(zhì)量有關(guān)。第64頁(yè)/共92頁(yè)第65頁(yè)/共92頁(yè)（三）炸藥爆炸能量利用率炸藥在巖體中爆炸時(shí)所釋出的能量，是通過(guò)爆炸應(yīng)力波和爆轟氣體膨脹壓力的方式傳遞給巖石，使巖石產(chǎn)生破碎。真正用于破碎巖石的能量只占炸藥釋出能量的極小部分。大部分能量都消耗在作無(wú)用功上。如果不考慮炸藥爆炸時(shí)的熱化學(xué)損失，那么炸藥爆炸時(shí)的能量分配包括：（1）克服巖體中的凝聚力使巖體粉碎和破裂；（2）克服巖體中的凝聚力和摩擦力使爆破范圍內(nèi)的巖石從母巖體中分離出來(lái)；（3）將破碎后巖塊推移和拋擲；（4）形成爆破地震波、空氣沖擊波、噪聲和飛石。第66頁(yè)/共92頁(yè)在工程爆破中，造成巖石的過(guò)度粉碎，產(chǎn)生強(qiáng)烈的拋擲，形成強(qiáng)大爆破地震波、空氣沖擊波、噪聲和飛石均屬無(wú)益消耗的爆炸功。根據(jù)爆破工程的要求，采取有效措施來(lái)提高炸藥爆炸能量的利用率。例如，根據(jù)巖石性質(zhì)來(lái)合理選擇炸藥的品種，合理確定爆破參數(shù)，選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)和藥包的起爆順序，以及保證堵塞質(zhì)量等等，都可以提高炸藥在巖體中爆炸時(shí)的能量利用率。第67頁(yè)/共92頁(yè)二、炸藥與巖石的相關(guān)因素

（一）炸藥波阻抗同巖石波阻抗間的匹配炸藥的波阻抗值與巖石的波阻抗值越接近時(shí)，巖石的應(yīng)變值也增大。為了獲得較好的爆破效果，就應(yīng)當(dāng)選用波阻抗值與巖石的接近的炸藥。我們可以通過(guò)提高裝藥密度來(lái)提高炸藥的波阻抗值。第68頁(yè)/共92頁(yè)(二)藥包與孔壁的耦合藥包與炮孔壁面完全接觸叫做耦合。如果藥包與炮孔壁面不完全接觸則叫做不耦合。藥包與孔壁的不耦合程度常用不耦合系數(shù)De來(lái)表示，即炮孔直徑db與藥包直徑de的比值：

（5—20）從式中看出，當(dāng)De=1，藥包與孔壁完全耦合；當(dāng)De>1時(shí)，藥包與孔壁不耦合。根據(jù)不耦合系數(shù)對(duì)巖體中應(yīng)力與應(yīng)變的影響：實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)改變不耦合系數(shù)時(shí)，巖體中應(yīng)力和應(yīng)變將產(chǎn)生變化：第69頁(yè)/共92頁(yè)1.不耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)變的影響隨著不耦合系數(shù)的增大，孔壁巖體中的相對(duì)應(yīng)變幅值也逐漸下降。2.不耦合系數(shù)對(duì)切向最大應(yīng)力的影響隨著不耦合系數(shù)的增大，測(cè)得孔壁上的切向最大應(yīng)力值成指數(shù)函數(shù)下降。當(dāng)De=2.5時(shí)，作用在孔壁上的壓力主要是爆轟氣體產(chǎn)物的膨脹壓力。從上述試驗(yàn)的結(jié)果同樣也可以看出，當(dāng)De＞1時(shí)，藥包爆炸時(shí)的爆轟波對(duì)孔壁的沖擊效應(yīng)減緩?？妆谏系淖畲笄邢驊?yīng)力急劇下降。這對(duì)爆破堅(jiān)硬致密的巖石來(lái)說(shuō)，是極端不利的。但是對(duì)光面預(yù)裂以及其他需控制孔壁巖石過(guò)度粉碎的爆破來(lái)說(shuō)，常常要借助增大不耦合系數(shù)來(lái)控制爆轟波對(duì)孔壁的沖擊作用。第70頁(yè)/共92頁(yè)三、爆破因素

（一）自由面的影響自由面小和自由面的個(gè)數(shù)少，爆破作用受到的夾制作用大，爆破困難，單位炸藥消耗量增高。自由面的位置對(duì)爆破作用也產(chǎn)生影響。炮孔中的裝藥在自由面上的投影面積愈大，愈有利于爆炸應(yīng)力波的反射，對(duì)巖石的破壞愈有利。當(dāng)其它條件一樣時(shí)，若自由面位于裝藥的下方時(shí)，由于在這種條件下有巖石本身重力的作用所以爆破效果比較好，反之，則爆破效果就要差一些。第71頁(yè)/共92頁(yè)第72頁(yè)/共92頁(yè)（二）堵塞的影響堵塞就是將裝炸藥的藥室（如炮眼、深孔以及硐室等）與大氣的通道用固體或液體材料堵死，即將炸藥密封在巖體中。堵塞的作用是為了在巖石爆破破碎之前，阻止高壓的爆轟氣體過(guò)早地泄漏到大氣中，這樣能延長(zhǎng)高壓爆轟氣體對(duì)巖石的加壓作用，提高爆炸能量的利用率。第73頁(yè)/共92頁(yè)（三）起爆藥包的位置根據(jù)起爆藥包在炮孔中裝置的位置不同，有三種不同的起爆方式：一種是起爆藥包裝于孔底，雷管的聚能穴朝向孔口，叫做反向起爆；第二種是起爆藥包裝于靠近孔口的附近，雷管聚能穴朝向孔底，稱為正向起爆；第三種是將起爆藥包放在整個(gè)藥裝的中間，聚能穴朝向孔底，稱為中間（或雙向）起爆。第74頁(yè)/共92頁(yè)實(shí)踐證明，反向起爆能提高炮孔利用率，減小巖石的塊度，降低炸藥消耗量和改善爆破作業(yè)的安全條件。反向起爆取得較好效果的原因可以解釋如下：（1）提高了爆炸應(yīng)力波的作用。（2）增長(zhǎng)了應(yīng)力波的動(dòng)壓和爆轟氣體靜壓的作用時(shí)間。（3）增大了孔底的爆破作用。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)孔太深而又采用威力較小的硝銨類炸藥時(shí)，若采用單起爆藥包起爆，那么不論是采用正向起爆法還是反向起爆法，都有可能因溝槽效應(yīng)而引起某些藥包的拒爆。此時(shí)，若將起爆藥包裝置在整個(gè)藥柱的中間，有可能保證全藥柱的傳爆。第75頁(yè)/共92頁(yè)第76頁(yè)/共92頁(yè)第八節(jié)利文斯頓爆破漏斗理論50年代美國(guó)利文斯頓（C.W.Livingston）提出了以能量平衡為原則的爆破漏斗理論，該理論引進(jìn)了能量因素，用巖石變形能系數(shù)的大小來(lái)評(píng)價(jià)炸藥的性能，對(duì)比巖性和鑒定巖石的可爆性，從而作為巖石可爆分級(jí)的依據(jù)。利氏研究爆破漏斗時(shí)，著重研究了爆破漏斗的最大和最小體積時(shí)的有關(guān)參數(shù)，因此為爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。第77頁(yè)/共92頁(yè)一、爆破能量變化時(shí)對(duì)巖石變形破壞的影響利氏在研究了大量爆破漏斗的試驗(yàn)資料以后認(rèn)為：一次爆破所傳給巖石的能量大小和傳遞的速度，取決于巖石的性質(zhì)、炸藥的性質(zhì)和裝藥量。假若將炸藥包埋置在很深的地方爆炸，那么炸藥釋放出的絕大部分的能量傳給了巖石。當(dāng)將炸藥逐漸移向地表附近爆炸時(shí)，傳給巖石的能量比例將相對(duì)減少，而傳給大氣的能量比例將逐漸增多。另外，從傳給地表附近巖石的爆破能量觀點(diǎn)看來(lái)，藥包埋置深度不變而增加藥包的重量；或者藥包重量不變而僅僅改變藥包埋置深度，二者的結(jié)果是一致的。利氏在這兩種條件下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，它將巖石的破壞變形狀態(tài)分為四種范疇。第78頁(yè)/共92頁(yè)（一）彈性變形范疇當(dāng)將一個(gè)集中藥包埋置在地表以下很深的地方爆炸時(shí)，在這種條件下的爆破一般稱為約束爆破或內(nèi)部作用的爆破。當(dāng)藥包Q由深處向地面移動(dòng)時(shí)，傳給地表附近巖石的能量隨之增加，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，地表巖石開(kāi)始破壞。此時(shí)的藥包埋置深度叫做“臨界深度”。到達(dá)臨界深度時(shí)，地表附近巖石所能傳遞能量達(dá)到最大值。如當(dāng)巖石傳遞的能量一定時(shí)，則能量傳遞速度是最大值。超過(guò)此值后，巖石將不能傳遞能量而產(chǎn)生破壞現(xiàn)象。在此值以下，巖石只產(chǎn)生彈性變形而不破壞。第79頁(yè)/共92頁(yè)利氏將臨界深度作為彈性變形范疇的上限，由于巖石的性質(zhì)不同，在一定重量的藥包Q下，其臨界深度可以表示為：（5—21）式中的Eb為變形能系數(shù)，其物理意義是在一定藥量Q爆破時(shí)，地表開(kāi)始破裂時(shí)巖石可能吸收的最大能量。超過(guò)此值，巖石將由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)槠屏?。Eb的大小是衡量各種巖石爆破難易的一個(gè)指標(biāo)。第80頁(yè)/共92頁(yè)（二）沖擊破壞范疇當(dāng)藥包上移超過(guò)臨界深度時(shí)，地表巖石的片裂(或隆起)作用將逐漸增大其深度和寬度，進(jìn)而形成爆破漏斗。漏斗體積V隨著藥包上移則逐漸增大。當(dāng)V達(dá)到最大值時(shí)，即為沖擊波破壞范圍的上限。此時(shí)藥包的能量得到最大限度的利用，這時(shí)的藥包埋置深度叫做最佳深度。與之比叫做最佳深度比。第81頁(yè)/共92頁(yè)（三）粉碎破壞范疇當(dāng)藥包Q繼續(xù)向地表上移時(shí)，地表附近的巖石將發(fā)生粉碎，漏斗體積將逐漸減小，巖石塊度逐漸變細(xì)，巖塊拋移的距離和空氣沖擊波所造成的聲響將逐漸增大。炸藥能量很大一部分浪費(fèi)在巖石的粉碎、拋移和聲響上。粉碎破壞的下限為最佳深度，其上限為傳給空氣的能量超過(guò)了傳給巖石的能量。這時(shí)的藥包埋置深度叫做“過(guò)度深度”。第82頁(yè)/共92頁(yè)（四）形成空氣沖擊波當(dāng)藥包上移超過(guò)“過(guò)度深度”時(shí)，巖石粉碎加劇，巖塊拋移更遠(yuǎn)，聲響更大，傳給空氣的能量超過(guò)了傳給巖石的能量，形成強(qiáng)烈的空氣沖擊波。這個(gè)范疇的上限是將藥包裝置在地表上，即埋置深度等于零。第83頁(yè)/共92頁(yè)從以上四個(gè)范疇來(lái)看，炸藥爆炸后的能量消耗在下列四個(gè)方面：（1）巖石的彈性變形；（2）巖石的破碎；（3）巖塊的拋移和飛散；（4）形成空氣沖擊波。消耗在巖石彈性變形上的能量是不可避免的，消耗在巖塊拋移、飛