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1、第 三 章岩石爆破原理与方法,本章主要内容： 岩石的物理力学性质 岩石中的爆炸应力波 岩石爆破破碎原理 爆破漏斗及利文斯顿的爆破漏斗原理 装药结构与起爆方法 炮孔的堵塞 毫秒爆破 影响炸药爆破效果的因素,爆破工程,第 三 章 岩石爆破原理与方法,概述 a 为使爆破效果良好，需要了解岩石的物理力学性质； b 岩石组成特点：岩石性质决定其组成的结构； c 岩体与岩石（岩块）：岩石各向异性、节理特性； d 爆破应有效的利用岩石特性。 2 岩石的物理性质 (1)容重（表观密度）：分天然、干、饱和三种容重，岩石单位体积（包括岩石中的孔隙体积）的重量称为岩石的容重。,第一节 岩石的物理力学性质,第 三 章
2、 岩石爆破原理与方法,(2) 密度：岩石单位实体体积（不包括岩石中的孔隙体 积）的质量， 。 (3) 相对密度（比重）：岩石的比重指岩石固体部分的重量与4 0C时同体积纯水的重量之比。,(4) 孔隙率与孔隙比： a 孔隙比（e）:指岩石中的孔隙体积与岩石实体体积之比，计算式为: b 空隙率（）：指岩石中的孔隙体积与岩石总体积之比，计算式为： (5) 软化系数：表示岩石抗风化能力的指标，定义为岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值计算式为： 。,第一节 岩石的物理力学性质,3 岩石的力学性质 (1) 岩石的变形特性 a 弹性、塑性、粘性 b 全应力与应变曲线：见图3-1。,第一节
3、岩石的物理力学性质,图3-1典型岩石的全应力应变曲线,c 应力应变曲线分类（类）,图3-2 不同岩石的应力应变曲线,d 岩石弹性转化：同一种岩石，由于所加外力的类型、大小和特性不同，也可具有不同的变形性质。在分析岩石破碎问题时，须首先根据破坏载荷的性质和破碎条件，确定岩石的变形性质和合理的岩石模型。,第一节 岩石的物理力学性质,e 弹性模量分类 分为初始弹性模量（通常所说 的弹性模量系指初始弹性模 量），割线弹性模量和切线 弹性模量，见图3-3 。 (2) 岩石的强度特性 a 各种强度关系： 三轴压缩强度单轴压缩强度剪切强度单轴拉伸强度三轴拉伸强度。 b 不同载荷下的破坏形式：见图3-。 c
4、影响强度的因素：岩石自身的结构组成、加载条件 、围压、加载速率。,第一节 岩石的物理力学性质,图3-3 岩石弹性模量的表示方法 1初始弹性模量；2割线弹性模量；3切线弹性模量,图3-4 不同载荷条件下岩石的不同破坏形式 a单轴压缩下的纵向破裂；b剪切破坏；c多重剪切破坏；d拉伸破坏； e线载荷引起的拉伸破坏,d 强度理论 最大拉应力准则 ： Mises准则： 莫尔强度准则： Griffith强度准则：当 0时,第一节 岩石的物理力学性质,4 岩石的可爆性 (1) 定义：岩石的可爆性是指岩石对爆破破坏的抵抗能力或岩石爆破破坏的难易程度。 (2) 可爆性分级：根据岩石可爆性的定量指标，将岩石划分为
5、爆破破坏难易的等级称为岩石的可爆性分级，它是爆破工程中进行方案选择、定额编制和爆破参数确定等爆破设计的重要依据。 (3) 可爆性表示： a 岩石坚固性系数：优点是抓住了岩石抵抗各种破坏方式能力趋于一致，表示： b 波速表示:优点是波速测定简便，测值准确，且有明确的理论概念，便于理论计算等。 c 波阻抗表示:定义为岩石中的弹性波速度与岩石表观容重的乘积，反映应力波使岩石质点运动时岩石的阻力 。,第一节 岩石的物理力学性质,a 定义（概念）：爆炸在岩体中所激起的应力扰动的传播称为爆炸应力波。 b 分类及特点：分为 冲击波、弹塑性应力波、弹性应力波和地震波。,第二节 岩石中的爆炸应力波,第 三 章
6、岩石爆破原理与方法,1 岩石中的爆炸载荷初始值 a 几个概念： 如果炸药充满整个药室空间，不留有任何空隙，则称为偶合装药。如果装入药室的炸药包（卷）与药室壁之间留有一定的空隙，则称为不偶合装药。,不耦合系数： 装药系数：lL=lc/lb 如果装药的长度小于其直径的4倍，则称为集中装药或球形装药或点装药；否则称为延长装药或柱状装药或线装药；距离较近的成排柱状装药称为平面装药或面装药。 (1) 耦合装药的初始爆炸荷载： 透射压力为 其中 或根据声学近似理论 得到初始压力 ： (2) 不耦合装药的爆炸荷载： 三点假定 ：绝热膨胀；忽略间隙内空气的存在 ；爆轰产物开始膨胀时的压力按平均爆轰压计算。 药
7、室壁受到的冲击压力 柱状装药受到的冲击压力,第二节 岩石中的爆炸应力波,2 岩石中的冲击波 a 冲击波形成取决于岩石性质、炸药特性 和装药条件， 图3-8为冲击载荷作用下 岩石的典型变形曲线 。 b 波速： c 分四种情况：用图3-9表示 d 冲击波衰减规律： 对冲击波， 或,第二节 岩石中的爆炸应力波,。,图3-8 冲击载荷作用下岩石的变形特性,e 其他参数： f 状态方程： g 冲击波的作用范围：,第二节 岩石中的爆炸应力波,3 岩石中的应力波 (1) 应力波参数（参数主要包括应力峰值、作用时间ts、应力波冲量I0和应力波比能e0等。） a 峰值（不断衰减 ）： 特点：应力上升时间比应力下
8、降时间短，应力波衰减较慢，作用范围较大。,第二节 岩石中的爆炸应力波,图3-10 柱状装药在炮孔周围岩石中引起的应力波 a炮孔近处的应力波形；b较远处的应力波形,图3-10所示为炮孔柱状装药爆破时，岩石内引起爆炸应力波的应力峰值随时间的变化，（a）为爆炸近区，(b) 为距爆源较远处，从图中可归纳出以下几点：,第二节 岩石中的爆炸应力波, 近炮眼处切向拉应力幅值几乎与径向压应力幅值（绝对值）一样大，但随传播距离增大，前者衰减比后者快； 无论是径向方向，还是切向方向，最初出现的都是压应力，而后转变成为拉应力，但在近炮孔处，径向方向以压应力为主，切向方向以拉应力为主； 随距离增大，径向方向压应力和拉
9、应力的幅值比值减小，而切向方向该比值则增大； 径向压应力幅值与切向拉应力幅值不在同一时刻出现，前者较早，后者较晚。 根据径向应力是压应力，还是拉应力，相应地将应力波称为压缩波和拉伸波。,第二节 岩石中的爆炸应力波,c 比冲量、比冲能：应力波通过时，经单位面积传给岩石的冲量和能量称为比冲量I0和比能量e0，即： d 应力与质点速度的关系： 根据 动量守恒得到：,第二节 岩石中的爆炸应力波,b 作用时间:应力上升时间与下降时间之和称为应力波的作用时间。,(2) 应力波参数与岩石动理学参数的关系,应力波速度的大小取决于应力波的性质和岩石的物理力学性质参数，是岩石孔隙率、弹性模量、结构完整性等的综合反
10、应 。利用实验测得的岩石（岩体）内的纵波与横波速度，可以计算出岩石的动态弹性模量和动态泊松比等性质参数：,第二节 岩石中的爆炸应力波,(3) 应力波反射 a 边界条件：在边界面的两侧，其应力状态必须相等； 垂直于边界面方向的质点运动速度必须相等，用公式表示： b 计算公式： c 意义： 它对研究岩体爆破过程中应力波的弥散损失，根据不同的岩性选择炸药的品种和分析自由面对提高爆破效果都具有指导性的作用，公式还说明反射应力波和透射应力波的大小是交界面两侧岩石特性阻抗的函数。,第二节 岩石中的爆炸应力波,第二节 岩石中的爆炸应力波,第二节 岩石中的爆炸应力波,第三节 岩石爆破破碎原理,1 岩石爆破破坏
11、原理的几种假说 (1) 应力波反射拉伸作用理论 理论认为岩石的破坏主要是由于岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波的作用，岩石的破坏形式是拉应力大于岩石的抗拉强度而产生的，岩石是被拉断的。见图3-13 、3-14 。,图3-13 岩石杆件的爆破（霍布金森效应）试验,第 三 章 岩石爆破原理与方法,图3-14 板件爆破试验 1装药孔；2破碎区；3拉断区；4震动区,第三节 岩石爆破破碎原理,1 岩石爆破破坏原理的几种假说 (2) 爆生气体膨胀作用理论 见图3-15 。理论认为，炸药爆炸引起岩石破坏，主要是高温高压气体产物对岩石膨胀做功的结果，见图3-15 。 (3) 爆生气体和应力波综合作用
12、理论 理论认为，实际爆破中，爆生气体膨胀和爆炸应力波都对岩石破坏起作用，不能绝对分开，而应是两种作用综合的结果，因而加强了岩石破碎效果。,其实质，可以认为是岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展。,第三节 岩石爆破破碎原理,图3-15 爆炸生成气体产物的膨胀作用,第三节 岩石爆破破碎原理,a 岩石的波阻抗分类：见下表。,2 爆炸的内部作用 a 最小抵抗线装：药中心距自由面的垂直距离称为最小抵 抗线（简称最小抵抗）。 b 内部作用：若其最小抵抗超过某一临界值（称为临界抵抗线），则装药爆炸后，在自由面上不会看到爆破的迹象
13、，也就是爆破作用只发生在岩体的内部，未能达到自由面。装药的这种作用称为内部作用。发生这种作用的装药称为药壶装药。,第三节 岩石爆破破碎原理,c 按照岩石的破坏特征，见图3-16。大致可将它分为四个区域：扩大的炮孔孔腔、压碎区、破裂区和震动区。,(a) (b) 图3-16 无限岩石中炸药的爆破作用 a有机玻璃模拟爆破试验结果；b无限岩石中的爆破破坏分区 1扩大空腔； 2压碎区；3裂隙区；4震动区 RK空腔半径；RC压碎区半径；RP裂隙区半径,第三节 岩石爆破破碎原理,(1) 压碎区（压缩区）：这个区是指直接与药包接触的岩石，坚硬岩石被压碎；可压缩性比较大的软岩（如塑性岩石、土壤和页岩等）则被压缩
14、成压缩空洞，并且在空洞表层形成坚实的压实层。 a 压碎区半径： b 空腔半径： (2) 破裂区（破坏区）：不能直接压碎岩石。然而它可使压碎区外层的岩石遭到强烈的径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因而导致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应力。 a 按应力波作用计算： b 按爆生气体准静压作用计算：,第三节 岩石爆破破碎原理,(3) 弹性震动区 只能引起岩石质点作弹性振动，直到弹性振动波的能量被岩石完全吸收为止，这个区域叫弹性震动区或地震区。 弹性震动区的范围可按下式估算： 3 爆炸的外部作用 当将药包埋置在靠近地表的岩石中时，药包爆炸，除产生内部的破坏作用外，还会产生外部破坏作用，造成地表附
15、近的岩石破坏，这些破坏可从以下几个方面来解释。,第三节 岩石爆破破碎原理,(1) 反射拉应力造成岩石破坏 由于岩石的抗拉强度很低，很容易被拉断。随反射拉波的传播，岩体将从自由面开始，向岩体内部形成片落破坏块，参见图3-13、3-14。 (2) 反射拉应力引起径向裂隙延伸 反射拉伸波同径向裂隙尖端处的应力场相互叠加，可使径向裂隙大大地向前延伸。裂隙延伸的情况与反射应力波方向和裂隙方向的交角有关，如图3-17所示 。,第三节 岩石爆破破碎原理,图3-17 反射拉伸波对径向裂纹形成的影响,第三节 岩石爆破破碎原理,(3) 自由面改变了岩石中的准静态应力场 自由面的存在改变了岩石由爆生气体膨胀压力形成
16、的准静态应力场中的应力分布和应力值的大小，使岩石更容易在自由面方向受到剪切破坏，图3-18 。,图3-18 岩石的破坏在自由面方向加强,第三节 岩石爆破破碎原理,结论：岩石的爆破破碎、破裂是爆炸应力波的压缩、拉伸、剪切和爆生气体的膨胀、挤压、致裂和抛掷等共同作用的结果。,第四节 爆破漏斗及利文斯顿的爆破漏斗理论,1 爆破漏斗：岩石中形成一漏斗状的炸坑 ，见图3-19 。 (1) 爆破漏斗的几何要素 (只有两个独立) a 最小抵抗线W：药包中心到自由面的垂直距离，即药包的埋置深度。 b 爆破漏斗半径r：即爆破漏斗的底圆半径。 c 爆破作用半径R：也叫做破裂半径，即自药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。,第 三 章 岩石爆破原理与方法,图3-19 爆破漏斗的形成条件示意图 a
