5 岩石爆破作用理论

岩石动力学、断裂、损伤力学和计算机模拟爆破技术的发展。
爆破理论的发展仍滞后爆破技术的要求。从总体上看，理论研究和生产 实际仍有不小的差距。再加上爆破过程的瞬时性和岩石性质的模糊性、
不确定性，致使爆破理论众说纷纭，争论不止。
理论观点存在争议和分歧。在爆破理论日益发展又众说纷纭，相互矛盾 的情况下，从发展角度研究各派爆破理论的主要论点、依据，找出共
5.3.2 半无限岩石介质中的爆破作用
岩石中的装药若W<Wc，除发生内部作用外，自 由面附近岩石也将产生破碎、移动、抛掷，形成 爆破漏斗——即外部作用。 外部作用的两种形式： 霍布金生效应； 拉伸波引起径向裂隙的延伸。
1） 霍布金生效应
压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，正好相反的拉应力波，这种效应叫 Hopkinson。
最小抵抗线（W）——自药包中心到自由面的最短距离。
最小抵抗线是爆破作用岩石移动的主导方向。
Wc为装药的临界抵抗线。
5.3.1 装药的内部作用（若W>Wc）
可认为药包处在无限岩石介质中，药包爆炸后，自由面上
看不到爆破的迹象，爆破作用只发生在岩石内部，未能达
到自由面——即内部作用。 将在装药爆炸作用处形成（空腔、压碎区、破裂区、震动 区）如图5.3 所示。 ①压碎区——岩石被各向压碎；
用岩石应力-应变关系曲线解释，图5.1。
图5.1
图5.2
上述四种情况是由低应力到高应力对应不同的应力波，药包在炮孔中 爆炸首先形成的是冲击波随后衰减为非稳态冲击波、弹塑性波、弹性应力
波和地震波，其解释类似，图5.2。
5.2.2 爆炸荷载下岩石的本构关系
在爆炸荷载作用下，岩石的(p、T、 )状态之间的关系， 为岩石的本构关系。 即岩石的状态方程：p=p( ,T )。
程并未作实质性的说明。
2）爆破理论确立阶段
这一阶段从20世纪60年代初，提出冲击波拉伸破坏理论和爆炸气体膨 胀压破坏理论开始，到70年代明确提出爆破作用三个阶段为止，历时十余
年，这一阶段的特征是：
① 冲击波拉伸破坏理论；爆炸气体膨胀压破坏理论；冲击波和爆炸气体综 合作用理论已经确立。
② 在爆炸破坏主因是冲击波压力还是爆炸气体膨胀压方面展开激烈的争论，
3）爆生气体和应力波综合作用理论
这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同作用 的结果。它综合考虑了应力波和爆轰气体在岩石破坏过程中 所起的作用，更切合实际而为大多数研究者所接受。其基本 观点如下：
爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高于爆轰气体产物的压力和传播 速度。 爆轰波首先作用于药包周围的岩壁上，在岩石中激发形成冲击波 并很快衰减为应力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎”现象， 应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。 随后，爆轰气体产物继续压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体“楔入” 在应力波作用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进一步张开。当爆 轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。
0 Du P P0
E 1 ( P P0 )( v0 v) 2
P B( 4 1)
式中：
B
0C p 2
n
n
Cp Cv
（鲍姆认为：当冲击波波速达千米以上时B为定值，即n = 4）
求解 以上四个方程有五个未知数（P、u、、D、E），必须先
用实验方法测出一个参数，然后解其它。
在争论中各派都在不断完善和发展自己的观点。 ③ 争论的结果：冲击波和爆炸气体综合作用理论，爆破过程的三个阶段论
逐步得到多数人的承认。
④ 利用现代测量仪器，例如高速摄影机进行的观测，大大丰富和完善了爆 破理论的内容，初步揭示了破坏的本质现象。
3）最新发展阶段
爆破理论的最新发展阶段起始于20世纪80年代，标志之一是裂隙介质 爆破机理的产生。随着实验技术和相关学科的发展，爆破理论和爆破技术的 研究呈现一派蓬勃发展的新景象。 纵观国内外研究现状，可以看出：这一阶段各学派虽然仍在不断完善 自己的观点，但这已不是研究的主流，代表该阶段的主要特征是： ① 裂隙岩体爆破理论的深入研究和岩体结构面对岩石爆破的影响和控制。 ② 断裂力学和损伤力学的引入。
鲍姆把炸药爆炸荷载作用下的爆源近区岩石视为“可压
缩流体”，该处无剪应力存在，由此给出岩石的本构方程为：
p1 B 1

4

5.2.3 岩石中爆炸冲击波
岩石中冲击波 邻近药包的岩石失去刚性，变成似流体介质，产生塑性 流动破坏。岩石中冲击波也遵守三个基本方程：
0 D ( D u )
5 岩石爆破作用原理
§5.1 岩石的动态特性和可爆性 §5.2 岩土中爆炸应力波 §5.3 岩石爆破破碎机理 §5.4 爆破漏斗及利文斯顿爆破漏斗理论 §5.5 装药量计算原理 （教材目录） 5.1 岩石爆破破碎机理
5.2 岩石中的爆炸应力波
5.3 药包的内部作用与外部作用 5.4 装药量计算原理
5.5 影响爆破作用效果的因素
5.2 岩石中爆炸应力波
装药在岩石中爆炸时，最初加载的是冲击荷载，迅速上
升到峰值并下降，过程很短，在此冲击荷载作用下岩石内激
起应力扰动，然后以爆炸应力波的形式在岩石中传播。
5.2.1 冲击荷载在岩体内引起的应力-应变
爆炸冲击加载，在距离爆心不同距离的区段内可表现为 不同的波传递：爆炸冲击波、爆炸应力波和地震波。
图5.6。
①反射拉伸应力波造成自由面附近岩石片落； ②反射拉伸应力波引起径向裂隙延伸； ③自由面改变了岩石中的准静态应力场。 通过以上对岩石破碎机理的分析可知，岩石的爆破破碎、 破裂时爆破应力波的压缩、拉伸、剪切和爆生气体的膨胀、 挤压、致裂和抛掷共同作用的结果。
1）早期发展阶段
1613年德国人在弗雷斯帕格（Freisberg）矿山首先用炸药掘进坑道，
开创了爆破采矿的历史。应该说从炸药用于爆破作业起，人们就有了计算
炸药量的方法，也就出现了早期爆破理论。这一阶段比较著明的理论有炸 药量与岩石破碎体积成比例理论；利文斯顿爆破漏斗理论和流体动力学理 论。 直到20世纪60年代日野熊雄的冲击波拉伸破坏理论的出现，标志着早 期爆破理论发展阶段的结束。 综观早期爆破理论的特点是，出现了炸药量计算公式，但是对爆破过
论研究中引入损伤力学方法，提出了岩体爆破机理的损伤力学观点。
说明： ① 对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气体的作
用程度是不同的。
② 在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系 数较小的条件下，应力波的破坏作用是主要的； ③ 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。
4）岩体爆破破碎的损伤力学观点
在岩石爆破机理的研究中，主要围绕爆破动力学问题展开，对于 岩石破坏准则仍沿用岩体静力学方法，采用拉应力破坏理论、莫尔破坏理 论等。 这种简化处理可用于解决不含地质结构面的均质岩体破坏问
题。然而，大量的调查统计发现，岩体爆破过程中80%以上的破坏面是
沿着岩体各种原生结构面产生，岩体破坏问题难以从岩体力学角度进行分 析。 考虑到岩体中的各类结构面虽然仍具有一定的强度，但相对于岩石强 度而言却小得多，加之其所占空间体积又小，因而近年来在岩体爆破理
学习要点：
1、了解岩石爆破破碎机理的几种假说； 2、熟悉药包在岩石中的内部作用； 3、掌握药包的外部破坏作用与爆破漏斗的形成；
4、熟悉爆破漏斗要素与爆破作用指数理论；
5、掌握装药量计算原理。
5.1 岩石爆破破碎机理
5.1.1概述
从爆破理论的发展过程来说，存在着3个阶段。
即：早期发展阶段；理论确立阶段；最新发展阶段。
1）爆生气体膨胀作用理论
该学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是由于 爆轰气体的膨胀压力引起的。忽视了岩体中冲击波和应力 波的破坏作用，其基本观点如下：
药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些气体产物迅速膨胀并 以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，形成压应力场。当压应力在
切向衍生的拉应力大于岩石的抗拉强度时，将产生径向裂隙。
识，无论是对爆破理论的研究还是指导工程实践都有着重要意义。
60年代出现的信息论、控制论；70年代发展起来的突变论、耗散结构 论、分形理论和非线性理论；80年代以后发展起来的混沌学和分叉理论，
使爆破理论的研究出现了一个崭新的局面。
5.1.2 岩石爆破破碎机理 关于岩石爆破破碎机理的假说，可以归结为4种： 爆炸应力波反射拉伸理论（动力学观点） 爆生气体膨胀压力破坏理论（静力学观点） 爆生气体和应力波综合作用理论 岩体爆破破碎的损伤力学观点
大多数岩石存在 D=a+bu ； a、b 为常数，有表可查。
冲击波作用范围很小，一般不超过装药半径的3～7倍，衰减很快 变成压缩应力波。
衰减规律：
r
按指数衰减
r r0
P2 P r
——对比距离；

——为压力衰减指数，对冲击波近似取3。
5.2.4 岩石中爆炸应力波 冲击波入射压力
初始径向应力峰值 耦合装药
③ 计算机模拟和再现爆破过程，用以研究裂纹的产生、扩展；预测爆破块
度的组成和爆堆形态；供计算机模拟用的爆破模型不断涌现。 ④ 一些新的思想，新的研究方法开始进入爆破理论的研究。
5
总之，
爆破理论的研究有了长足的进步。随着爆破技术和相关学科的发展，使 爆破理论的研究更实用化，更系统化了。主要表现在：岩体结构力学、
②破裂区——岩石应力波作用区，形成裂隙组；
③震动区——在破裂区外围的岩体中；
4 3 1 2
2Rk
2Rc
2Rp
(a)
(b) 图5.3 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 Rb—空腔半径；Rc—压碎区半径；Rr—裂隙区半径。