定向断裂控制爆破理论与技术应用

第25卷第5期 辽宁工程技术大学学报 2006年10月
Vol.25 No.5 Journal of Liaoning Technical University Oct
2006 收稿日期：2004-10-18
基金项目：河南省高校杰出科研人才创新工程资助项目（2006KYCX012）；河南省科技攻关资助项目（0624210002）； 河南教育厅科技攻关基金
资助项目（200510460005）
作者简介：梁为民（1967-），男，河北 承德人，博士，副教授，主要从事爆破工程、岩土工程方面研究，Email ：liangwm@ 本文编校：赵 娜
文章编号：1008-0562(2006)05-0702-03
定向断裂控制爆破理论与技术应用
梁为民
1，2
，杨小林2，余永强2，王金星
2
(1.总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471000 ；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)
摘 要：基于定向断裂控制爆破技术参数的选取有别于普通光面爆破，研究了定向断裂控制爆破理论及应用成果。

分析了定向断裂
控制爆破理论聚能装药结构和装药外壳切缝爆破技术定向导向缝成缝机理，提出了炸药爆炸能量随爆炸动静作用变化分配观点，指出定向断裂控制爆破实质是对炸药爆炸能量在介质中的作用加以控制的问题，研究新型装药结构，提高炸药爆炸的能量利用率和定向断裂方向的爆炸能流是改善定向断裂控制爆破效果的主要研究方向。

关键词：断裂控制；控制爆破；爆炸能量
中图分类号：TD 235 文献标识码：A
Research on theory on directional fracture controlled blasting
LIANG Wei-min 1,2，YANG Xiao-lin 2，YU Yong-qiang 2，WANG Jin-xin 2
(1.The Third Engineering Institute of Headquarters of General Staff, Luoyang 471000, China;
2.College of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China )
Abstract ：Base on the fact that the technical parameters of the direction fracture controlled blasting differ from those of the smooth-wall blasting, the theory and loaded constitution of the direction fracture controlled blasting are researched. In the paper, the mechanism of creating guide fracture of the cumulative blasting and the lancing cartridge blasting is analyzed. The allocating viewpoint of the blasting energy change with blasting is proposed. By analyses, the paper puts forward that the essential of directional fracture controlled blasting is the control of dynamite energy, and the new type of dynamite configuration that can increase dynamite energy-using ratio and explosion energy density in the fracture direction is the main research direction, Key words ：fracture control ；control blasting ；explosion energy
0 引 言
断裂控制爆破作为爆破领域的一个研究方向，现在从理论研究和技术发展上都有了很大的进展。

断裂控制爆破与过去以爆破漏斗为理论基础的普通爆破相比，在爆破目的、作用机制、装药结构和炸药品种选择上都有很大的区别。

不再以破碎为主要目的，而是以对作用介质形成一定宽度的平滑裂缝为主要目的。

传统的光面爆破是以通过不耦合装药结构或空气柱间隔装药结构，降低装药爆炸对炮孔壁的作用，达到保护围岩的目的，确定光爆层参数就表明光面爆破仍是以爆破漏斗理论作为其理论研究基础。

而定向断裂控制爆破理论主要是研究装药爆炸时介质预定方向裂缝的形成，即裂纹的起裂、扩展、和止裂。

本文将分析定向断裂控制爆破理论和技术研究成果，并提出今后研究方向建议。

1 定向断裂控制爆破理论
关于定向断裂控制爆破理论的研究，目前主要以岩石断裂力学、损伤力学和分形几何等理论为研究手段，对定向导向缝形成、裂纹扩展、扩展速度，以及爆破断裂能量方面做了许多工作。

1.1 定向导向缝形成机理
在采用的定向断裂控制爆破技术中，除炮孔预切槽技外，聚能装药结构和装药外壳切缝技术是爆破切割效果最好的。

其主要原理就是在炮孔之间的连线方向上首先形成初始裂缝。

当炸药爆炸时，聚能装药结构的药包在一个方向产生一定宽度B 的爆轰产物聚能流，先期到达炮孔表面；同样由于装药外壳有切缝，限制了爆轰产物的向外扩散，也在一定方向产生一定宽度B 的爆轰产物聚能流，以压力p 先期到达炮孔表面如图1。

第5期 梁为民等：定向断裂控制爆破理论与技术应用 703
图2 炸药爆轰产物流作用下定向裂缝的形成 Fig.2 the formation of directional fracture as a resultof detonation outgrowth
爆轰产物流对岩石的冲击作用，受切缝宽度的限制，以及聚能装药的药形罩锥角的影响，首先是有一个射流尖端作用于炮孔壁面，之后，爆轰产物流才作用到整个宽度为B 的炮孔壁面。

将爆轰产物流看作一个侵入岩石的压头，由于受到高压爆轰产物流直接冲击作用，在宽度为B 的炮孔壁处的岩石首先形成密实核，在接触面的边界处，沿径向产生拉应力[1]。

在高压爆轰产物流的继续作用下，密实核与临近岩石间发生局部滑移，以及与径向拉应力的共同作用，在炮孔壁面上形
成初始导向裂缝。

炸药爆轰产物流作用下形成的岩石定向断裂导向裂缝长度a [2]，根据莫尔－库仑强度准则，岩石密实核两侧剪切滑移面之间的夹角δ为
π
2
δϕ＝－ （1）
式中， φ为岩石的内摩擦角
根据图2几何关系，定向断裂导向裂缝长度a 为
2
cot 2δ
B a =
（2） 式中， B 为聚能射流宽度。

1.2 裂纹扩展机理及扩展过程
在炮孔内炸药爆轰产物的准静态压力作用下，根据断裂动力学理论，如果下式满足，则定向导向裂缝起裂扩展。

IC K K ≥1 （3）
式中，K I 为I 型裂纹尖端的应力强度因子；K IC 为断裂韧度。

根据[3]断裂动力学裂纹尖端的应力强度因子K I 表达为
(/)K a r Ι= （4）
式中， p 为爆轰产物准静态压力，MPa;
k b
c d d D k p 220)()1(21
ρ+=
（5）
式中， k 为等熵指数，一般取3； ρ0为装药密度；D 为炸药爆速； d c 为装药直径；d b 为炮孔直径； r 为炮孔半径； f (a/r )为形状因子。

断裂韧度K IC 的确定，在文献[3]中给出断裂韧度与单轴抗压强度之间关系
15.1141.0t C K σ=Ι （6）
式中，σt 为岩石单轴抗压强度，MPa ；
裂纹扩展过程理论研究很多，一般认为裂纹扩展过程可分为稳定扩展阶段和非稳定阶段[4],而且扩展速度具有一定的起伏波动[5]。

作者[6]基于岩石细观损伤断裂理论，认为裂纹扩展的过程就是裂纹尖端到周围岩石的逐渐损伤引起的损伤区移动过程；建立了这两个区域的损伤断裂准则和裂纹尖端的损伤局部化模型，得到爆生气体驱动下爆破近区裂纹尖端的损伤局部化带长度为
0π()
[1sin ]
2()l C p θθσσσ+=−+ （7）
爆破中区裂纹尖端的损伤局部化带长度为
0[1cos(π/2)]l C θσσ=− （8） 式（7）和式（8）可以更好地反映爆生气体作用下裂纹扩展的实际过程。

1.3 定向断裂爆破的能量问题
定向断裂控制爆破是利用炸药爆炸瞬间释放的能量对周围介质产生强烈冲击和压缩作功的。

炸药的爆炸作用可分为动作用和静作用。

假定炸药爆炸释放的总能量为U 总，动作用所占能量为U 动，静作用所占能量为U 静，则有
图1 爆轰产物流作用炮孔壁示意图 Fig.1 the diagrammatic sketch of detonation
outgrowth act on the hole
a 药包聚能装药结构
b 外壳切缝药包结构
辽宁工程技术大学学报 第25卷
704U 总＝U 动＋U 静 （9）
炸药爆炸能量可认为是一个恒定值，在对周围介质作功时，U 动和U 静互为增减关系。

换言之，U 动大，U 静则小；U 静大，U 动则小。

对定向断裂控制爆破，一旦介质初始裂纹形成，之后主要利用爆生气体的准静态压力对裂纹进行扩展延伸。

装药结构能够改变炸药爆炸对介质的动作用和静作用的大小，也就是能够调节U 动和U 静分配比例。

从爆轰产物的射流能量密度表达式
2224
181v v E ρρ+= （10）
可看出，爆轰产物流穿透能力与射流速度v 和爆轰
产物密度ρ密切相关。

提高爆轰产物的密度ρ，更易于在介质中产生初始裂缝，控制裂缝方向。

所以研究新型装药结构，提高炸药爆炸的能量利用率和断裂方向的爆炸能流是改善定向断裂控制爆破效果的主要研究方向。

通过对控制断裂能量与爆破效果的分形分析[7]知，当井巷周边的不平整度从0.1 m 减小到0.05 m 时，断裂能量可以节省25%，炮孔间距可以增大25%；当不平整度从0.2 m 减小到0.05 m 时，断裂能量可以节省32%，炮孔间距增大2倍。

该研究成果就说明定向断裂控制爆破特殊装药结构，炸药爆炸能量在预定方向的贡献大于其他方向，消除了普通光爆和预裂爆破贯通裂缝启裂和扩展的随机性，表现在特定方向上裂缝优先于其他方向扩展延伸。

2 定向断裂控制爆破技术应用
据理论分析，明确装药结构改变了炸药能量分配，提高了裂缝扩展所需的U 静，减少了引起炮孔周边损伤的U 动，极大地提高了炸药能量利用率。

中国矿业大学北京研究生部采用装药外壳切缝技术在大同煤矿（集团）有限责任公司马脊梁矿、开滦（集团）有限责任公司唐山矿和范各庄矿进行了现场试验[8-9]，试验结果见表 1。

从上面三个矿的应用可以看出，使用定向断裂控制爆破技术炸药、雷管等消耗呈降低趋势，而炮眼利用率和周边眼痕率得到明显提高，说明改变装药结构可以明显改善爆破效果和减低爆破器材的使用量，降低了生产成本，提高了炸药能量利用率，并保证了围岩的稳定性。

表1 定向断裂控制爆破技术使用前后效果比较 Tab.1 the test result comparison of directional
fracture controlled blasting
项 目 试验前 试验期 效果比/ %唐 山 矿 炸药消耗/（kg·m -1
） 雷管消耗/（个·m -1） 炮眼利用率/ % 周边眼痕率/ % 27.8 41.6 75.0 74.0 23.63 36.72 92.3 87.5 -15.0 -11.7 +23.1 +18.2 范 各 庄 矿 炸药消耗/（kg·m -1） 雷管消耗/（个·m -1） 炮眼利用率/ % 周边眼痕率/ % 35.4 48.9 70.0 65.4 29.7 42.8 87.6 83.3 -16.1 -12.5 +25.1 +27.4 马脊梁矿
单位炸药消耗量/(kg·m -3) 单位雷管消耗量/(个·m -3)
炮眼利用率/ % 周边眼痕率/ %
2.48
3.47 80 48
1.96
2.17 94 8
3.6
-25 -37 +14 +36
3 结 语
综上所述，定向断裂控制爆破实质是对炸药爆炸能量在介质中的作用加以控制的问题。

定向断裂控制爆破理论研究着重研究介质在爆炸能作用下的起裂、扩展和终止的条件和方式，解释和分析了不同装药形式和不同装药结构产生定向断裂的不同爆炸作用机理，明确了爆炸动作用的冲击是介质起裂的主要原因，而裂缝的扩展是爆轰产物的准静压力作用的结果。

定向断裂控制爆破技术则是通过对装药形状（聚能药包）、装药结构（装药切缝）的改变，或者在介质中人为造成缺陷（炮孔刻槽）等技术措施，达到引导爆炸能量在断裂方向形成集中的目的，从而实现定向断裂。

因此，如何提高断裂方向的爆炸能流密度，是解决定向断裂控制爆破起裂和扩展的核心问题。

研究新型装药结构，提高炸药爆炸的能量利用率和定向断裂方向的爆炸能流是改善定向断裂控制爆破效果的主要研究方向。

参考文献：
[1] 徐小荷,余 静.岩石破碎学[M].北京:煤炭工业出版社,1984: 59-66. [2] 戴 俊.岩石动力学特性与爆破理论[M].北京:冶金工业出版社,
2002:200-203.
[3] 杨永琦.岩石定向断裂控制爆破原理与参数研究[J]. 爆破器
材,2000(12):24-28.
[4] 卢文波,陶振宇.爆生气体驱动的裂纹扩展速度研究[J].爆炸与冲击
1994(3):264-268.
[5] 肖正学.断裂控制爆破裂纹发展规律的研究[J].岩石力学与工程学
报,2002,21(4): 546-549.
[6] 杨小林,王梦恕.爆生气体作用下岩石裂纹的扩展机理[J]. 爆炸与冲击
2001(2): 111-116.
[7] 张 奇.控制断裂能量与爆破效果的分形分析[J].爆炸与冲,1996(3):
278-282.
[8] 李彦涛.切缝药包爆破模型及生产试验研究[J].辽宁工程技术大学学
报,2000,19(2):116-118.
[9] 戴 俊.岩石定向断裂控制爆破技术的工程应用[J].煤炭科学技术,
2000,28(4):7-9.。