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1、5岩石爆破理论5.1岩石爆破破坏基本理论炸药爆炸引起岩石破坏，这是一个高能转化释放、传递作功的过程。在这个过程中，岩石受力情 况极其复杂，而历时又极为短暂，因此要正确地解释岩石爆破破碎机理，就极为困难，人们已作了多年 的努力，仍没有一个确切全面的唯一的解释，而是各执一词。但将多类解释的基本观点和理论依据归类，可概括为三大假说：5.1.1爆生气体膨胀作用理论这种理论是从静力学的观点出发，认为：岩石的破碎主要是由爆炸气体产物的膨胀压力引起。(1) 炸药爆炸时，产生高压膨胀气体，在周围介质中形成压应力场。炸药爆炸生成大量气体产物，在爆热的作用下，处于高温高压的状态，而急剧膨胀，这些膨胀气体 以极高的
2、压力作用于周围介质，而形成压应力场。(2) 气体膨胀推力使质点产生径向位移，而产生径向压应力，其衍生拉应力，产生径向裂隙。很高的压应力场，势必使周围岩石质点发生径向移动，这种位移又产生径向压应力，形成径向压应 力的传递；质点在受径向压应力时，将产生径向压缩变形，而在切向伴随有拉伸变形生产，这个拉伸应 变就是径向压应力所衍生的切向拉应力所产生。当岩石的抗拉强度低于此切向拉应力时，就将产生径向 裂隙；岩石的抗拉强度远远地小于抗压强度(常为其1/101/15),所以拉伸破坏极易发生，而形成径向 裂隙。(3) 质点移动所受阻力不等，引起剪切应力，而导致径向剪切破坏。质点位移受到周围介质的阻碍，阻力不平
3、衡在介质中就会引起剪切应力，若药包附近有自由面时，(4) 当介质破裂，爆炸气体尚有较高的压力时，则推动破裂块体沿径向朝外运动，形成飞散。上述破坏发生将消耗大量的爆炸能，如果爆炸气体还有足够大的压力，则将推动破碎岩块作径向外抛运动，若压力不够就可能仅是松动爆破破坏，而没有抛散，甚至只是内部爆破。用这种理论来解释破岩原因，可简化为：气体推动f压应力场f径向位移I f外抛衍生切向拉应力T径向裂隙H不一剪切应力-径向剪切破坏5.2.2爆炸应力波反射拉伸作用理论这种理论是从爆轰动力学观点出发，认为：爆破时岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射，转变 成的拉应力波所造成。当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高
4、压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强 烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。当压缩应力波通 过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度己大大下降到不能直接引起岩石的破碎见图5-2(a) pl43。 当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波强度己很低，但是岩石的抗拉 强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。这种破裂方式亦称片落”见图5-2(b) p143。随着 反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗范围内的岩石完全拉裂为止。因此岩石破碎的主要部分是入射波和反射波作用的结果，爆生气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂
5、岩石的抛掷。(a)(b)-4该理论的试验基础是岩石杆件的爆破试验(亦称为霍普金森杆件试验)和板件爆破试验。杆件爆破 试验是用长条岩石杆件，在一端安置炸药爆炸，则靠炸药一端的岩石被炸碎，而另一端岩石也被拉断成 许多块，杆件中间部分没有明显破坏，如图5-3 (p143)所示。板件爆破试验是在松香平板模型的中心 钻一小孔，插入雷管引爆，除平板中心形成和类似同心圆的破碎区外，在平板的边缘部分形成了由自由 面向中心发展的拉裂区，如图5-4 (p143)所示。这些试验说明了拉伸波对岩石的破坏作用。这种理论 也称为动作用理论。际二Q DI n n ok滤eu)o D5.2.3爆生气体和应力波共同作用理论该理
6、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，是其共同作用的结果。 而哪一种作用是主要作用，应根据不同的情况来确定。经验表明：对松软的塑性土壤，波阻抗很低，应 力波衰减很大，这类岩土的破坏主要靠爆生气体的膨胀作用。而对致密坚硬的高波阻抗岩石，应主要靠 爆炸应力波的作用，才能获得较好的爆破效果。即这种理论认为：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。爆生气体膨胀的准静态能量，是破碎岩石的主要 能源。因此，岩石的爆破破坏与岩石特性和装药条件等因素有关，即不同岩性选用炸药不同，应使其波 阻抗相互匹配。为
7、此将岩石和炸药按波阻抗值分为三类：第一类，高阻抗岩石。其波阻抗为1525 MPa.s/m，其破坏主要取决于应力波，包括入射波和反射 波，应选用高波阻抗、高猛度、高爆速炸药。第二类，中阻抗岩石。其波阻抗为515 MPa.s/m。这类岩石的破坏，主要是入射应力波和爆生气 体综合作用的结果，选用中等炸药。第三类，低阻抗岩石。其波阻抗小于5 MPa.s/m。这类岩石的破坏，以爆生气体形成的破坏为主。 选用低波阻抗、低爆速、低猛度、高爆力炸药。5.2单个药包爆破作用5.2.1内部作用爆破作用只发生在岩体的内部，未能达到自由面，这种作用叫做爆破的内部作用；或者说，爆破后 地表不会出现明显破坏，亦称为装药在
8、无限介质中的爆破作用。此时，岩石的破坏特征随距药包中心距 离的变化而明显不同，在耦合装药条件下可分为三个不同特征区域（p144图5.6）： 1、粉碎区（压缩区）； 2、裂隙区（破裂区）；3、震动区。（1）粉碎区（压缩区）炸药爆炸产生的强冲击波和高压气体对药包周围的岩石产生着 强烈的作用，其强度远远超过了岩石的动抗压强度，使与药包接触 岩石产生压缩破坏，并将岩石压得粉碎，直至作用强度小于岩石的 动抗压强度为止，故此区域称为粉碎区。同时强烈压缩形成岩移、 压缩成空洞，即形成比原装药空间大的一个空腔。在靠药包几毫米 几十毫米内的岩石甚至可能被熔化，而呈塑性流态。故此区域又称 为压缩区。压缩区厚度不大
9、，一般不超过药包半径的两倍。此区以抗压强度定界。其半径Rc可用(5-1)式(P145)进行估算，式中爆后空腔半径Rb可以用(5-2) 式进行估算。c 2 1R = (0.2 p )2 R(5-1)cs Qbc式中:R粉碎区半径(m)；Rb爆破后形成的空腔半径,m)；。一一岩石的单轴抗压强度(Pa)； Pcbcs岩石密度(kg/m3)； c岩石纵波速度(m/s)。p爆破后形成的空腔半径由下式计算：(5-2)式中：rb炮孔半径(mm)； pm炸药的平均爆压(Pa) , pm=PsD2/8 D炸药爆速，m/s；。0多向应力条件下的岩石强度(Pa),I cO= O p0c s Oc虽然粉碎区的范围不大
10、，但由于岩石遭到强烈粉碎，能量消耗却很大，又使岩石过度粉碎加大矿石 损失，因此爆破岩石时应尽量避免形成压碎区。(2) 裂隙区(破裂区)(p146,图 5-7、 8)。岩石在受冲击波压缩作用后，压力迅速步扩展和径向裂隙的产生，动压力急剧下降。这样，压缩应力波所到之处岩衰减，冲击波衰减为压缩应力波，虽然不足再 将岩石压碎，却可使粉碎区外层岩石受到强烈 径向压缩而产生径向位移。由此而衍生的切向 拉伸应力，使岩石产生径向破坏，而形成径向裂隙 随着压缩应力波的进 石先受到径向压缩作用，虽然没将岩石压碎，却在岩石中储有了相当的压缩变形能或称弹性变形能；而 冲击波通过，应力解除后，岩石能量快速释放，岩石变形
11、回弹，形成卸载波，即产生径向卸载拉伸应力， 使岩石形成环状裂隙(p146，图5-7、8)。爆炸气体对岩石也有同样的破坏作用，但其气楔作用更能使爆生气体象尖劈一样渗入裂隙，将压缩 应力波形成的初始裂隙进一步扩大、延伸。因此，在压缩应力波和爆炸气体的共同作用下，压缩区外围 岩石径向裂隙和环状裂隙的交错生成、割裂成块，故亦称破裂区。此区以抗拉强度定界，其计算方法有两种：1) 按应力波作用计算。径向裂隙是由切向拉应力引起的，当岩石中的切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，产生径向裂隙，其半径Rc可用(5-3)式估算p 丄R 二(V 2)ar(5-3)potb式中：Rp破裂区半径(m)；巾一一侧应力系数，只依
12、赖于泊松比的系数，甲=卩(1-卩)，卩泊松 比；p2炮孔壁初始压力峰值(Pa)； J岩石的抗拉强度(Pa)； a应力波衰减系数；气一一 炮孔半径(mm)。2) 按爆生气体准静压作用计算。封闭在炮孔内的爆生气体以准静压的形式作用于炮孔壁，其应力 状态类似于均匀内压的厚壁筒。根据弹性力学的厚壁圆筒理论及岩石中的抗拉强度准则，有Rp=pj。 t12rb (54)式中pj为作用于炮孔壁的准静态压力，视装药条件分别计算，当采用柱状不耦合装药时有pj=18psD2rcrb6 (55)式中rc为装药半径(m)。一般来说，岩体内最初形成的裂隙是由应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙起气楔作用，并在静压作 用下，
13、使应力波形成的裂隙进一步扩大。(P146)。和(5-4)式进行(3) 震动区爆炸能量经压缩区和裂隙区的消耗和衰减，已余下多，在继续传播中已不能造成岩石的破坏，而只 能引起岩体的弹性震动。在这个区域内能量以地震波的形式传播，传播距离很远，直至其能量完全被岩 石所吸收。其范围可用(5-6)式估算。5.2.2外部作用就是爆破后，地表有明显破坏，亦称为爆破在有限介质中的作用。爆炸作用通达地表，自由面的存在使其爆破作用过程分为了两个阶段：(1)应力波朝离开装药的各个方向传播，这时自由面还未起作用， 其岩石破坏规律与爆破内部作用相同，即形成三个作用圈(压碎、裂隙、震动)；(2)应力波到达自由 面，压缩波反
14、射成拉伸波，并与入射波叠加在岩体中形成复杂应力状态。(1) 反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落压缩应力波传播到自由面，一部分或全部反射回来成为同传播方向正好相反的拉伸应力波，当拉伸 应力波的峰值压力大于岩石的抗拉强度时，可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)，这种效应叫霍普金森(Hopkinson)效应。片落的过程如图5-9所示。压缩应力波自由面f xz /z y 誥Jy M2新自由面(2)W(4)(2)反射拉伸波引起径向裂隙的延伸入射压应力波在自由面反射形成拉伸波，其强度若不足以引起岩石的片落，也将加强岩石裂隙的发 展。入射时应力场是以同心圆向四周扩散，反射时也在反
15、射点形成反射拉伸同心圆应力场。因此，各质 点受拉伸应力作用方向为同心圆弧的法线方向，这个方向势必与原应力波入射所产生的裂隙形成一定的 角度。(1) 0 = 90，即径向裂隙与拉伸波传体方向成90角时，裂隙所受拉伸应力最大，拉伸延伸效果最呈漏斗状，通常叫做爆破漏斗。5.2.4爆破漏斗爆破漏斗张开角Oo此外，在爆破工程中，还有一个经常使用的指数，称为爆破作用指数n。它是爆破漏斗半径和最小 抵抗线的比值，即n=rW(5 7)(2) 爆破作用指数与爆破强弱的分类对于等量炸药在一定埋深范围内，埋置深度越小，其爆破作用越强，所形成的爆破坑越大；若最小 抵抗线不变，即埋深不变，爆破作用越强所形成的漏斗底圆半径越大。为了反应这种爆破作用的强弱， 引入了爆破作用指数n的概念。表示为，爆破作用指数是爆破漏斗底圆半径r与最小抵抗线W的比值：rn w根据爆破作用指数n的不同，即根据爆破作用强弱的不同，将各种爆破归为下列类型： 标准抛掷爆破，n =1, 0=90,所形成的漏斗称为标准抛掷爆破漏斗，药包为标准抛掷爆破药包。 加强抛掷爆破，n1, 090。，所形成的漏斗称为加强抛掷爆破漏斗，药包加强
