巖土爆破理論

巖土爆破理論第一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二本章主要講授內(nèi)容：6.1

巖石爆破理論的發(fā)展6.2

巖石中的爆炸應(yīng)力波6.3

巖石中的爆炸氣體6.4

巖石的爆破破碎機理6.5

爆破漏斗6.6

裝藥量計算原理6.9

影響爆破作用的因素第二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.1巖石爆破理論的發(fā)展

從總體上看，爆破理論的發(fā)展仍然滯后爆破技術(shù)的要求，理論研究和生產(chǎn)實際仍有不小的差距這是由于爆破過程的瞬時性、動態(tài)性，巖體性質(zhì)的模糊性、不確定性等，使得爆破理論的研究非常困難。所以，實際生產(chǎn)中遇到的很多問題，在理論上還不能給出一個很好的回答。第三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二1、巖石爆破理論的發(fā)展階段（1）早期發(fā)展階段：從1613年開始在礦山首先使用炸藥，直到20世紀(jì)60年代初。其特點是出現(xiàn)了炸藥量計算公式，但沒有對爆破過程作實質(zhì)性的說明。（2）爆破理論的確立階段：從20世紀(jì)60年代初直到70年代。其特征是沖擊波和爆炸氣體綜合作用理論得到多數(shù)人的承認(rèn)，初步揭示了破壞的本質(zhì)現(xiàn)象。（3）爆破理論的最新發(fā)展階段：起始于20世紀(jì)80年代，其特征是裂隙介質(zhì)爆破機理的產(chǎn)生，計算機模擬等的出現(xiàn)。第四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2、巖石爆破理論研究的內(nèi)容（1）爆轟波理論的研究（2）巖石特性的研究（3）炸藥能量向巖石傳遞的效率（4）巖石的動態(tài)斷裂與破壞（5）爆破過程的數(shù)值模擬，爆破塊度和爆堆形態(tài)的預(yù)測第五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二爆炸應(yīng)力波：炸藥在巖石或其它固體介質(zhì)中爆炸所激起的應(yīng)力擾動（或應(yīng)變擾動）的傳播，稱為爆炸應(yīng)力波。1、應(yīng)力波的分類（1）按傳播途徑分類應(yīng)力波體積波表面波縱波P橫波S瑞利波R勒夫波L6.2巖石中的爆炸應(yīng)力波第六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（2）按波陣面形狀分類應(yīng)力波球面波柱面波平面波第七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（3）按傳播介質(zhì)變形性質(zhì)分類應(yīng)力波彈性波黏彈性波塑性波沖擊波第八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2、沖擊載荷的特征及爆炸沖擊波參數(shù)（1）沖擊載荷的特征在沖擊載荷作用下，承載體中誘發(fā)出的應(yīng)力是局部性的，在承載體內(nèi)部具有明顯的應(yīng)力不均勻性。在沖擊載荷的作用下，承載體的反應(yīng)是動態(tài)的。第九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（2）爆炸沖擊波參數(shù)爆炸沖擊波參數(shù)沖擊波壓力P沖擊波速度D介質(zhì)質(zhì)點運動速度u內(nèi)能E壓縮比第十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（3）沖擊波壓力的衰減沖擊波作用范圍，一般不超過藥徑的3~7倍，在巖石中，沖擊波峰值壓力的衰減主要與炸藥類型、藥包形狀和巖石特性有關(guān)，其公式為第十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二3、爆炸應(yīng)力波的傳播（1）沖擊波、應(yīng)力波和地震波炸藥在巖體中爆炸后，形成沖擊波，其強度隨傳播距離的增加迅速而減小，并且波的性質(zhì)和形狀也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。根據(jù)波的性質(zhì)、形狀的不同分為3個作用區(qū)，即沖擊波作用區(qū)應(yīng)力波作用區(qū)地震波作用區(qū)第十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（2）爆炸應(yīng)力波的傳播影響爆炸應(yīng)力波傳播速度的因素：巖石密度巖石的彈性模量巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造工程上常常通過實測得到巖石的縱波和橫波速度。第十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（3）應(yīng)力波的反射應(yīng)力波的反射：當(dāng)波遇到界面時，一部分波改變方向，但不透過界面，仍在入射介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象，稱為反射。應(yīng)力波的透射：當(dāng)波從一個介質(zhì)穿過界面進(jìn)入另一介質(zhì)，入射線由于波速的改變而改變傳播方向的現(xiàn)象，稱為透射。第十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二1）應(yīng)力波在自由面上的反射自由面入射縱波反射縱波反射橫波第十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2）應(yīng)力波在不同介質(zhì)分界面上反射和透射ⅠⅡPiPrPtSrSt第十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二4、巖石中的動應(yīng)力場爆炸載荷為動載荷，在爆炸載荷作用下，巖石中引起的應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為動的應(yīng)力狀態(tài)，也就是其應(yīng)力不僅隨時間變化，而且也隨距離變化。動應(yīng)力場的試驗研究表明：自由面對應(yīng)力極大值的變化有很大影響自由面附近巖石的破壞主要是拉伸破壞第十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.3巖石中的爆炸氣體爆炸氣體與沖擊波的比較：（1）從出現(xiàn)的時間講，沖擊波在前，爆炸氣體在后。（2）從對巖石的作用時間長短講，沖擊波作用時間短，爆炸氣體作用時間長。（3）爆炸氣體攜帶巨大的能量，在破碎巖石中起著重要的作用。第十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.4巖石的爆破破碎機理6.4.1

巖石爆破破碎的主因破碎巖石時，炸藥能量以兩種形式釋放出來，一是沖擊波，二是爆炸氣體。對于巖石破碎的主要原因究竟是那一個，主要有三種不同的學(xué)說，即爆炸氣體壓力作用學(xué)說（爆炸氣體膨脹壓理論）、應(yīng)力波作用學(xué)說（沖擊波拉伸破壞理論）、應(yīng)力波和爆炸氣體壓力共同作用學(xué)說（沖擊波和爆炸氣體綜合作用理論）。第十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二一、爆炸氣體壓力作用學(xué)說1、基本觀點藥包爆炸時，產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體，這些爆炸氣體產(chǎn)物迅速膨脹并以極高的壓力作用于藥包周圍的巖壁上，形成壓應(yīng)力場。當(dāng)巖石的抗拉強度低于壓應(yīng)力在切向衍生的拉應(yīng)力時，將產(chǎn)生徑向裂隙。作用于巖壁上的壓力引起巖石質(zhì)點的徑向位移，由于作用力的不等引起徑向位移的不等，導(dǎo)致在巖石中形成剪切應(yīng)力。當(dāng)這種剪切應(yīng)力超過巖石的抗剪強度時，巖石就會產(chǎn)生剪切破壞。當(dāng)爆轟氣體的壓力足夠大時，爆轟氣體將推動破碎巖塊作徑向拋擲運動。第二十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2、觀點的依據(jù)

(1)巖石發(fā)生破碎的時間是在爆炸氣體作用的時間內(nèi)；

(2)炸藥爆炸后，沖擊波的能量僅占爆炸總能量的5%~15%，這樣少的能量不足以破碎整體巖石；第二十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二3、反駁該觀點的依據(jù)

(1)裸露藥包爆破，例如破碎大塊、爆破薄板結(jié)構(gòu)時。

(2)從產(chǎn)生的壓力來看，爆炸氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力只有沖擊波波陣面壓力的1/2~1/4，因此，單獨由這樣低的準(zhǔn)靜態(tài)壓力能否在巖石中引起初始破裂也是令人懷疑的。第二十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二二應(yīng)力波作用學(xué)說1、基本觀點

爆炸沖擊波沖擊和壓縮著藥包周圍的巖壁，在巖壁中激發(fā)形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波。此應(yīng)力波在周圍巖體內(nèi)形成裂隙的同時向前傳播，當(dāng)應(yīng)力波傳到自由面時，產(chǎn)生反射拉應(yīng)力波。當(dāng)拉應(yīng)力波的強度超過自由面處巖石的動態(tài)抗拉強度時，從自由面開始向爆源方向產(chǎn)生拉伸片裂破壞，直至拉伸波的強度低于巖石的動態(tài)抗拉強度時停止。第二十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第二十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2、觀點的依據(jù)

(1)固體應(yīng)力波的研究成果提供了充分的依據(jù)

1947年，K.M.貝爾特用玻璃板作了爆炸試驗，用高速攝影機實測的沖擊波速度為5600~11900m/s，破壞的順序為：爆源附近——邊界端——玻璃板中部。這個結(jié)果與日野氏提出的“粉碎圈”、“從自由面反射波拉斷巖石”的論述是一致的。第二十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二

(2)脆性固體抗拉強度低的特點為應(yīng)力波作用學(xué)說提供了依據(jù)一般巖石可視為脆性固體，脆性固體的抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強度，所以，日野氏認(rèn)為巖石在爆破作用下的破壞，主要是沖擊波產(chǎn)生的拉伸破壞。而且，在自由面附近巖石被拉伸破壞的觀點已得到公認(rèn)。第二十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二3、該理論的不足

(1)對烈性炸藥來說，沖擊波所攜帶的能量只占炸藥爆炸總能量的5%~15%，而真正用于破碎巖石的能量還小。D.E.福吉爾遜等人通過測量和推算，得出沖擊波能量只占炸藥總能量的9%，有的人還說，只占3%，因此，這樣小的能量要將巖石完全破碎是令人難以置信的。第二十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二

(2)根據(jù)日野氏的爆破漏斗試驗證明，單位炸藥消耗量達(dá)到時，才會由反射的應(yīng)力波引起巖石的片落破碎。而在一般的臺階爆破中，裝藥量都較小，按照其試驗的理論，應(yīng)該不會破壞，但實際上都能破壞。因此，巖石的破壞不只是應(yīng)力波的作用產(chǎn)生的。第二十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二

(3)在破碎大塊時，外部裝藥（裸露藥包）與內(nèi)部裝藥（炮眼內(nèi)裝藥）比較，單位炸藥消耗量要高3~7倍，這也充分說明了爆炸氣體對破碎巖石的重要作用。

(4)根據(jù)日野氏的試驗，在壓碎帶與片裂帶之間，存在一個非破碎帶，這部分巖石是由什么作用引起破碎的，沖擊波理論無法解釋。第二十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二三、應(yīng)力波和爆炸氣體壓力共同作用學(xué)說這種學(xué)說的基本觀點如下：沖擊波波陣面的壓力和傳播速度大大高于爆炸氣體產(chǎn)物的壓力和傳播速度。沖擊波首先作用于藥包周圍的巖壁上，在巖石中激發(fā)形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波。沖擊波在藥包附近的巖石中產(chǎn)生“壓碎”現(xiàn)象，應(yīng)力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙。隨后，爆炸氣體產(chǎn)物繼續(xù)壓縮被沖擊波壓碎的巖石，爆炸氣體“楔入”在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生的裂隙中，使之繼續(xù)向前延伸和進(jìn)一步張開。當(dāng)爆炸氣體的壓力足夠大時，爆炸氣體將推動破碎巖塊作徑向拋擲運動。返回第三十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.4.2

炸藥在巖石中爆破

作用的范圍第三十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二一、爆破的內(nèi)部作用爆破的內(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)不到自由面時，這種情況下的爆破作用叫做爆破的內(nèi)部作用。在內(nèi)部作用下，按照巖石的破壞特征將受影響的巖石分為三個作用區(qū)即：粉碎區(qū)、破裂區(qū)、振動區(qū)第三十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第三十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第三十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二二、爆破的外部作用爆破的外部作用：當(dāng)單個藥包在巖體中的埋置深度不大時，可以觀察到自由面上出現(xiàn)了巖體開裂、鼓起或拋擲現(xiàn)象，這種情況下的爆破作用叫做爆破的外部作用。在爆破的外部作用下，破碎的巖石形成爆破漏斗。第三十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第一腔成型情況第三十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第二腔成型情況第三十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.4.3炸藥在巖石中爆破破壞的過程

從時間來說，將巖石爆破過程分為3個階段第一階段為炸藥爆炸后沖擊波徑向壓縮階段第二階段為沖擊波反射引起自由面處的巖石片落第三階段為爆炸氣體的膨脹，巖石受爆炸氣體超高壓力的影響，在拉伸應(yīng)力和氣楔的雙重作用下，徑向初始裂隙迅速擴大。第三十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.4.4巖石中爆破作用的5種破壞模式

炸藥爆炸時，周圍巖石受到多種載荷的綜合作用，在爆破的整個過程中，起主要作用的是5種破壞模式：（1）炮孔周圍巖石的壓碎作用（2）徑向裂隙作用（3）卸載引起的巖石內(nèi)部環(huán)狀裂隙作用（4）反射拉伸引起的“片落”和引起徑向裂隙的延伸（5）爆炸氣體擴展應(yīng)變波所產(chǎn)生的裂隙第三十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.5爆破漏斗爆破漏斗：當(dāng)藥包爆炸產(chǎn)生外部作用時，除了將巖石破壞以外，還會將部分破碎了的巖石拋擲，在地表形成一個漏斗狀的坑這個坑稱為爆破漏斗。1、爆破漏斗的幾何參數(shù)第四十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第四十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第四十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第四十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.6

裝藥量計算原理1、裝藥量體積公式式中Q裝藥量，kg；

q爆破單位體積巖石的炸藥消耗量，kg/m3；

V被爆破的巖石體積，m3。第四十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2）標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破的裝藥量計算式中V標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的體積，即對于標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗來說，r=W，所以簡化的公式為第四十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二6.9

影響爆破作用的因素影響爆破作用的主要因素炸藥性能巖石特性爆破條件爆破工藝第四十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二1、炸藥性能對爆破作用的影響（1）炸藥密度、爆熱和爆速炸藥密度爆破作用力爆熱和爆速爆破作用力（2）爆轟壓力一般來說，爆轟壓力越高，越有利于巖石的破裂，尤其是對于堅硬致密的巖石爆轟壓力過高將會造成炮孔周圍的巖石過度粉碎第四十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二爆轟壓力越高，沖擊波對巖石的作用時間越短，沖擊波的能量利用率越低，而且容易造成不均勻的巖石破碎由爆轟壓力的計算公式

可以看出，要想采用炮轟壓力高的炸藥，就是選用密度和爆速高的炸藥第四十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（3）爆炸壓力爆炸壓力（炮孔壓力）：是指爆轟氣體產(chǎn)物膨脹作用在孔壁上的壓力。爆炸壓力的作用：在爆破破碎過程中，爆炸壓力對巖石起脹裂、推移和拋擲作用。一般來說，爆炸壓力越高，說明爆轟產(chǎn)物攜帶的能量越大，因此對巖石的脹裂推移和拋擲的作用也就越大。第四十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二炮孔內(nèi)壓力隨時間的變化曲線OP3P2Pt1t2tMN第五十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二決定爆炸壓力大小的因素：炸藥爆熱、爆溫、爆轟氣體的體積。決定爆炸壓力作用時間的因素：一是炸藥性能；二是炮泥的堵塞質(zhì)量。第五十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（4）炸藥能量利用率試驗研究表明，爆破巖石時，真正用于破碎巖石的有用能量只占炸藥釋放能量的一小部分，大部分能量都消耗在作無用功上，甚至是有害功上。例如，松動爆破的能量利用率較高，但也不超20%第五十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二提高炸藥能量利用率的措施：

1）合理選擇炸藥的品種

2）合理確定爆破參數(shù)

3）選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)

4）確定合理的起爆順序

5）保證堵塞質(zhì)量第五十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二2、炸藥與巖石的相關(guān)因素及對爆破作用的影響（1）炸藥波阻抗和巖石波阻抗的匹配巖石的波阻抗：是指巖石的密度與縱波在該巖石中的傳播速度的乘積，即炸藥的波阻抗：是指炸藥的密度與炸藥爆速的乘積，即第五十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二通常認(rèn)為炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗相匹配時，炸藥傳遞給巖石的能量最多，在巖石中引起的應(yīng)變值越大，可以獲得較好的爆破效果。（2）藥包與孔壁的耦合不耦合系數(shù)：炮孔直徑與藥包直徑的比值，即時，表明藥包與孔壁緊密接觸時，表明藥包與孔壁存在著空氣間隙第五十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第五十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二3、爆破條件、爆破工藝對爆破作用的影響（1）自由面的大小與方向自由面的存在有利于巖石破碎。自由面越小、個數(shù)越少，爆破時受到的夾制作用越大，爆破越困難，單位炸藥消耗量越大。炮孔中的炸藥在自由面上的投影面積越大，對巖石的破壞越有利。第五十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第五十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第五十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第六十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（2）裝藥結(jié)構(gòu)的影響間隔裝藥的作用：能降低作用在孔壁的峰值壓力，減少炮孔周圍的過度粉碎，提高有效能量的利用率。能增加應(yīng)力波的作用時間。裝藥結(jié)構(gòu)連續(xù)裝藥間隔裝藥（炮泥、木墊、空氣）第六十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第六十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二第六十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期二（3）填塞的影響填塞對爆破效果的影響：包括填塞材料、填塞長度和填塞質(zhì)量對爆破效果的影響。填塞的作用

1）阻止爆轟氣體的過早逸散，使炮孔在相對較長的時間內(nèi)保持高壓狀態(tài)，能有效地提高爆破作用。

第六十四頁，共七十二頁，編輯于20