岩石爆破作用原理.ppt(讲座)

在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较
大的条件下，爆轰气体的破坏作用是主要的。
3 单个药包爆破作用
为研究岩体爆破破碎机理，通常假定岩石是 均匀介质，并将装药简化为一个自由面条件下的 球形药包。 球形药包爆破作用原理是其它形状药包爆破
作用原理的基础。
一、爆破的内部作用
药包埋臵深度大，相当于单个药包在无 限介质中的爆破作用。爆破作用达不到自由 面时，这种爆破作用叫作爆破内部作用。
h W θ
图4-4 爆破漏斗的几何要素
H
R
（一 ）爆破漏斗几何要素 自由面（free face）是指被爆破介质与空气接 触面，又叫临空面。 最小抵抗线（minimum burden）：药包中心距 自由面最短距离。最小抵抗线方向岩石最容易破
坏，是爆破作用、岩石抛掷主导方向。
爆破漏斗半径（crater radius）：形成倒 锥形爆破漏斗底圆半径，常用r表示。 爆破漏斗破裂半径：药包中心到爆破漏 斗底圆圆周上任一点距离，用R表示。 爆破漏斗深度：爆破漏斗顶点至自由面 的最短距离叫爆破漏斗深度，用H表示。
某些理论研究表明：对球形装药，粉碎区半 径是药包半径（1.28～1.75）倍；对于柱形装药， 粉碎区半径是药包半径（1.65～3.05）倍。 虽然粉碎区范围不大，由于岩石遭到强烈粉 碎，能量消耗很大。因此，爆破岩石时，应尽量 避免形成压碎区。
破裂区
粉碎区形成同时，冲击波衰
减成应力波；应力波作用下，径

1.岩石爆破理论发展

早期发展阶段 1613德国马林（Marlin) 、Weigel等在Freisberg矿将爆 破应用于巷道掘进，就有了计算炸药量的方法，出现了早 期爆破理论。
爆破理论确立阶段 20/60年代日野熊雄提出冲击波拉伸破坏理论和U.兰格福 斯（Longefors）等提出爆炸气体膨胀破坏开始，到70年代 L.G朗（Long）提出爆破作用三个阶段止，历时十余年基本 确立岩石爆破理论。
σr
`
σr
θ
σr
σr
σ σ 岩石即被拉断，形成环向裂隙。
θ θ
(a)
σr (b)
θ
σ σ 程中积蓄弹性变形能，形成与压应力
θ θ
σ
σ
`
`
`
`
`
在应力波和爆轰气体共同作用下，径 向裂隙、环向裂隙进一步扩展、贯通，就
形成了紧靠粉碎区的破裂区。
震动区 破裂区外围岩体中，应力波和爆轰气体能 量已不足以对岩石造成破坏，应力波的能量只能
引起该区域内岩石质点发生弹性振动，这个区域
称为震动区。 震动区，可能引起地面、地下建（构）筑物 破坏。
二、爆破漏斗（crater）
当单个药包在岩体中埋深不大时，可观察到自 由面上出现了开裂、鼓起或抛掷现象。 这种爆破作用叫作爆破的外部作用，特点：在 自由面上形成一个倒圆锥形爆坑，称为爆破漏斗。
r
根据岩石的破坏特征，可将偶合装药
条件下，受爆炸影响的岩石分为3个区域。
R0
R1
R2
爆破的内部作用 R0-药包半径；R1-粉碎区半径；R2-破裂区半径
粉碎区
密闭岩体中的药包爆炸时，爆轰压力在数微
秒内急剧增高到几万MPa，并在药包周围形成冲击
波，其强度》岩石动态抗压强度； 冲击波作用下，对坚硬岩石，形成粉碎区； 对松软岩石，则被压缩形成空腔，这种情况 下的粉碎区又称为压缩区。
2 岩石爆破作用原理几种学说
在交通、水利、电、采矿 等土石方工程建设中，爆破 是最广泛、有效破岩手段。 为优化爆破参数，获得 好的爆破效果，必须了解岩 石爆破破碎作用机理、装药 计算原理等影响因素。
施工人员正在钻孔
2 岩石爆破作用原理几种学说

经典岩石爆破破碎机理有以下三大学说
村田勉等提出的爆轰气体压力作用学说 日野熊雄等提出的应力波作用学说
药包爆炸时，产生 高温、压气体。气体迅
σr
θ
速膨胀，以极高压力作
用于药包周围岩壁上， 形成径向压应力场、同 时衍生切向拉应力场。 当岩石抗拉强度低
σr
于切向拉应力时，将产
生径向裂隙。
θ
(a)
θ
σ
σ
θ
σ
σ
同时作用岩壁压力引起质点径向位移，作用
力不等径向位移不同，导致岩石中形成剪应力；
剪应力超过岩石抗剪强度时，产生剪切破坏；爆
R0 R1 R2
随后，爆轰气体继续压缩压碎的岩石， 并“楔入”应力波作用下产生的裂隙中，使 之继续延伸和张开。 当爆轰气体压力足够大时，爆轰气体将推 动破碎岩块作径向抛掷运动。
对于不同性质岩石和炸药，应力波与爆轰气体
作用程度是不同：
在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不
偶合系数较小条件下，应力波破坏作用是主要；

1.岩石爆破理论发展

爆破理论最新发展 始于20/80年代，主要标志：裂隙介质爆破机理 的产生；断裂力学与损伤力学的引入；爆破计算机 模拟技术应用等。 随着实验技术和相关学科的发展，岩石爆破机理 的研究出现了一个崭新局面。 但是，由于爆破对象复杂性、爆破过程高温、高 压、高速等特征的不可测试性，迄今人们对岩石爆 破破碎机理仍无定论。
缺陷
压应力的环向作用也未予考虑。
理论研究 三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说
认为：岩石破坏是应力波和爆轰气体共同作用结果。
该学说综合考虑应力波和爆轰气体在岩石破坏过程中所
起作用，为大多数研究者所接受。基本观点如下：
爆轰波波阵面压力和传
播速度远》爆轰气体压力、 速度，并作用于药包周围岩 壁上，在岩石中形成冲击波 并很快衰减为应力波。 冲击波在药包附近产生 “压碎”现象，应力波在压 碎区域之外产生径向裂隙。
但，当W>25m，用该式计算的装药量偏 小，应乘以修正系数
Qp= (0.4＋0.6n3)
1 W / 25
k W3 b
W 25m W 25m
集中药包松动爆破装药量可按： Qs= ksW3 式中： Qs—装药量，kg； ks —集中药包形成松动爆破单耗， 一般称为松动爆破单位用药量系数，kg/m3 ;
经验表明，ks与kb之间存在着：
1 ks＝f(n)〃kb ＝ 3 ~ 1 2
kb
即集中药包松动爆破单位用药量约为标
准抛掷爆破单位用药量的三分之一到二分之
一。松动爆破的装药量可表示为：
Qs= （0.33～0.5）kbW3
并快速衰减为应力波； 应
力波在周围岩体内形成裂 隙的同时向前传播，传到 自由面时，产生反射波。
1
2 (a) (b)
1-压应力波波头；2-反射拉应力波波头
当拉应力波强度超
过自由面处岩石动抗拉
1 强度时，产生拉伸片裂
破坏，岩石逐渐片裂形 成爆破漏斗。
2 (b)
(a)
应力波作用学说只考虑了拉应力波在
自由面反射作用，不仅忽视了爆轰气体作 用，也忽视了压应力的作用，对拉应力和
r
θ
W
45
加强抛掷爆破漏斗，漏 ° °
45
(a)
r n W (b)
r
r
W
45
°
45
θ
°
减弱抛掷爆破漏斗：当0.75
＜n＜1时，为减弱抛掷爆破
漏斗，漏斗张开角： θ＜90°；形成减弱抛掷爆 破漏斗药包，叫减弱抛掷爆 破药包。 减弱抛掷爆破漏斗又叫 加强松动爆破漏斗。
(a)
r
W
θ
r n W
(c)
θ (a) (b)
爆破漏斗可见深度：碴堆表面最低点到
自由面最短距离，用h所示。 爆破漏斗张开角：爆破漏斗顶角，用θ
所示。
（二）爆破作用指数（crater index）
爆破漏斗半径与最小抵抗线比值称为爆破作用
指数，用n表示，即：
r n W
n在工程爆破中是一个极重要参数。 n值变 化，直接影响爆破漏斗大小、岩石破碎程度、抛 掷效果。
次起爆所不能达到效果。
某 土 石 方 爆 破 工 程
4 装药量体积计算公式
岩土工程爆破中，精确计算装药量(charge quantity)问题未得到解决。 工程中，主要依据经验公式，结合实践经验确
定装药量。
体积公式是装药量计算最常用的经验公式。
一、体积公式计算原理
计算原理：一定炸药、岩石条件下，爆落土石方
松动爆破漏斗：当0＜n
r ＜0.75时，为松动爆破
漏斗，这时爆破漏斗内
岩石只产生破裂、破碎 θ
r
W
而没有向外抛掷现象。
(c)
θ
外表看，没有明显
(d)
n
的可见漏斗出现。
r W
工程中常用群药包（2、3个以上洞室
或炮孔）爆破。群药包是单个药包组合爆破，
通过调整药包间距和起爆时间顺序，可以充
分发挥单个药包爆破作用，达到单个药包分
当装药量大于标准抛掷爆破时，形成的爆破漏
斗r变大， n > 1，为加强抛掷爆破。
可见非标准抛掷爆破装药量是爆破作用指数n的 函数，因此不同爆破作用装药量用下面通式表示： Q = f(n)〃kb〃W3 标准抛掷爆破：f(n)＝1.0，减弱抛掷或松动爆破：
f(n)< 1，加强抛掷爆破：f(n) >1。
岩石爆破作用原理
主要内容
1.岩石爆破理论发展 2. 岩石爆破破碎原因的几种学说 3.单个药包爆破作用 4.药量计算的体积公式 5.药量计算中爆破参数意义和选择 6.影响爆破效果因素 7.控制爆破技术 8.爆破数值模拟技术

1.岩石爆破理论发展
随着科学技术发展，特别计算机模拟技术在爆破领 域应用，岩石爆破理论已有长足进步。 但由于爆破特殊性、岩石性质不确定性，使爆破理 论不统一，众说纷纭。 从发展历程看，岩石爆破理论发展经历3阶段：早期 发展阶段、爆破理论确立阶段、爆破理论最新发展 阶段。