爆破自由面的存在与个数对炸药单耗的影响

最小抵抗线（Minimal resistance line）：指从装 药重心到自由面的最短距离，需要根据不同爆破形式 来进行确定。 容易理解炸药爆破破碎岩石，岩石的临空面越多， 岩石越容易被破坏，所需炸药量越少，炸药单耗也就 越低。
1 爆破存在自由面时的应力状态
在炸药爆炸作用下岩石的破坏，虽然可以看 作是一种力学现象，但这个过程决不是一般的力 学过程。岩石在爆炸作用下的破坏过程，既不能 用静力学来解释，也不能用一般的动力学来解释。 目前的研究认为，岩石的爆破破坏主要是由炸药 爆轰反应产生的爆轰波激起的爆炸应力波和爆轰 气体产物膨胀推力两个方面综合引起的，爆破破 坏过程虽然极其短促，只在几十毫秒甚至几毫秒 的时间内就完成了，但这个过程的实质是炸药能 量释放、传递、分配和做功的过程。
3.4 自由面越大，爆破效果越好。
自由面的大小是压缩应力波反射成拉伸应力 波的阵面大小，受拉伸作用的面越大，爆破效果 越好，其次是自由面大，爆破岩体受约束的力亦 小，易于爆破。所以采矿场都有两个以上的自由 面，井巷掘进的掏槽爆破便于创造更多更大的自 由面，以提高炮眼的利用率，露天深孔梯段微差 爆破采取V形起爆、对角式起爆、波浪式起爆和 径向式起爆等都是为了扩大自由面，提高爆破效 果。
所以采矿场都有两个以上的自由面井巷掘进的掏槽爆破便于创造更多更大的自由面以提高炮眼的利用率露天深孔梯段微差爆破采取v形起爆对角式起爆波浪式起爆和径向式起爆等都是为了扩大自由面提高爆破效谈谈中深孔爆破炸药单耗采用连续装药的扇形中深孔爆破如图1所示下层位面炮孔如3炮孔孔内装较低段别的非电毫秒雷管上层位面炮孔如4炮孔孔内装较高段别的非电毫秒雷管
爆破自由面的存在与个数对炸 药单耗的影响
单位炸药消耗量 （powder factor）：爆破单位体 积岩石或煤消耗的炸药质量。 它首先受岩石自身物理力学性质如岩石的坚硬程 度、风化程度、岩体完整性程度等影响。其次，炸药 单耗还受炸药性能如炸药猛度、爆力及爆速等影响； 再者，影响炸药单耗的另一个重要的因素就是自由面 个数，其对炸药单耗的影响十分显著。 自由面又称临空面（free face）。被爆破的岩石 或介质与空气接触的表面。有自由面时，爆破的岩石 才能沿此面移动破坏，它在工程爆破中起重要作用。
图2
同一层位面单排孔起爆示意图 1一第一段起爆；2一第二段起爆
因此爆破自由面在工程爆破中的作用和 形成就显得十分重要和特殊，分析研究自由 面的应力状态、个数多少，对爆破效应及爆 破效果具有十分重要的意义。
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3.3 多面临空爆破获得良好爆破效果的 原因
(1)充分利用有效临空面(一般为2—3个)，增加了 爆破量和抛掷方量； (2)爆破能量获得重新分布； (3)鼓包最大速度降低，底部速度增加，速度分布比 较均匀，延长了爆炸气体的作用时间(近20 ms)，提 高了爆能有效利用率； (4)因临空面多，波的叠加与干涉作用增强，加强了 对岩体破碎。
1.1 有自由面岩石中的动应力场
当药包附近(60R一120R)有自由面时，爆破过程 中岩体中的应力状态非常复杂。如下图中的A点， 将受人射波和反射波的共同作用。人射波为纵波， 则A点要受到人射纵波、反射纵波和反射横波引起 该点应力叠加而合成的应力的综合作用。此外，不 同位置的点在同一时刻因其人射角α不同，则其应 力作用方向又不同。
3.2.1 2个自由面的情况
由2个自由面传来的两个பைடு நூலகம்向的拉伸波相 互作用，在波相遇的位置产生应力集中，出现 角裂。角裂的情况如下图所示。
3.2.2 4个自由面的情况
由4个自由面反射过来的多个拉伸波相互作用在 波的相遇的位置产生应力集中，出现多个角裂。如 图所示。自由面数目影响炸药消耗量 自由面数目 越多，爆破效果越好，而且耗药也少。
此时，先起爆药包形成的爆破漏斗侧边以及漏斗体外 的细微裂隙为后起爆药包创造了附加自由面，后起爆 药包不仅拥有下冲方向的自由面，而且还增加了左右 邻侧两个方向的瞬时自由面。大量工程经验表明，被 爆岩体每增加一个自由面，炸药单耗约降低15％。
图1 扇形中深孔 布置示意图
采用不同层位面炮孔微差起爆、同一层位面炮 孔孔间微差起爆的方法，先爆装药段为后爆装药 段提供了更多方向的爆破瞬时自由面，进而大大 降低了中深孔爆破的炸药单耗，节约了开采成本。
4 谈谈中深孔爆破炸药单耗
采用连续装药的扇形中深孔爆破(如图1所示)， 下层位面炮孔(如3#炮孔)孔内装较低段别的非电毫 秒雷管，上层位面炮孔(如4#炮孔)孔内装较高段别 的非电毫秒雷管；下层位面炮孔先起爆，上层位面 炮孔后起爆，这样就为上层位面炮孔提供了下冲方 向的自由面。而当同一层位面的炮孔采用孑L间微 差爆破时(如图2所示)，炮孔按奇偶数分别先后起爆， 在先起爆的药包形成爆破漏斗并与原来的岩体发生 分离但未有明显位移时，后起爆的炮孔起爆。
3 自由面对爆破效果的影响
3．1 自由面的种类与爆破效果根据爆破矿岩 表面所直接接触的介质性质可将自由面分为 三类：空气自由面，水自由面，碴体自由面。 自由面的种类不同，爆破效果亦不同。密度 小的介质作为自由面时，其爆破效果要好些。
3.2 自由面的数目与爆破效果
岩体爆破自由面数目越多，爆破效果越好。 自由面多，应力波通过界面产生反射拉伸波越 多，这些波返回时又互相干扰，产生综合复杂 的破坏作用。原苏联 Kucheryavii等用高速摄像 在透明的模型中研究过两个自由面条件下的爆 破，他们求得附加的自由面产生一个变化的反 射应力场，它与入射波的干涉导致生成一个很 强的反射波，有利于岩石破碎。
岩体中动应力场任一点A的应力状态
1.2 沿最小抵抗线方向的应力分布
研究认为，沿最小抵抗线方向的应力分布 如下图所示，自由面表面处的拉应力最大，愈 往爆源处的拉应力愈小，靠近爆源处呈压应力。
2 自由面的爆破效应
岩石爆破有自由面存在才能产生霍金逊效应。 由于爆破存在着自由面，压缩应力波反射生成的 拉伸应力波阵面，在岩石内的一定位置既受到人 射压缩应力波的压应力作用，又同时受到反射拉 伸波的拉应力作用。两种应力波的合成应力为拉 应力(即反射波的头部与人射波的尾部叠加，使 岩石在自由面附近处于受拉状态)。当合成拉应 力达到岩石的动态抗拉强度时，岩石就将被拉断 而发生片落，产生霍金逊效应。