第二章岩石的破碎理论
东北大学岩石力学讲义第二章 岩石破坏机制及强度理论
第二章 岩石破坏机制及强度理论第一节 岩石破坏的现象在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。
特点出现与最大应力方向平行的裂隙。
二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 形破坏。
从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。
(a ) (b )三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。
从岩石破坏的现象看，从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，并可归纳为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。
对岩石破坏的研究：在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。
但是三向受力条件下，不同应力的组合有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，因此在一般应力状态，对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。
现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系123(,)f σσσ=研究的方法有：理论分析；2、试验研究；3、理论研究结合试验研究。
第二节 岩石拉伸破坏的强度条件一、最大线应变理论该理论的主要观点是，岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力状态无关。
强度条件为c εε≤ (2-1) c ε—拉应变的极限值，ε—拉应变。
若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下σ1>σ2>σ3下， 3ε是最小主应力。
按弹性力学有33E Eσμεσσ=-12（+），即33E εσμσσ=-12（+）。
若3ε<0则产生拉应变。
由于E >0，因此产生拉应变的条件是3σμσσ-12（+）<0，3μσσσ12（+）>若3ε=0ε<0则产生拉破坏，此时抗拉强度为0tEσε＝⇒0t E σε＝。
露天采矿学第02章__矿岩松碎工作
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2.3 爆破松碎矿岩露天深孔爆破
露天深孔爆破一般采用多排孔微差爆破 方式。 该爆破方式的优点： ☻一次爆破量大 ☻降低爆破震动 ☻控制爆破方向 ☻充分利用炸药的爆炸能量 ☻改善爆破效果
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2.3 爆破松碎矿岩露天深孔爆破
（一）确定爆破参数 ①底盘抵抗线
与钻孔直径、装药直径、炸药特性、装药密度、岩石 可爆性、要求破碎程度、台阶高度等有关。 ②孔距a、排距b、炮孔临近系数m ③钻孔超深 取决于岩石性质、构造，且与底盘抵抗线、炮孔直径及炸药 性质有关。 超深作用： 降低药柱中心 克服底盘、底部阻力 减少根底
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2.3 爆破松碎矿岩露天深孔爆破
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好的爆破质量
合适的块度（低大块率） 爆堆形状（高度、宽度）、集中且有一定的松散
度 没有根底、伞岩，台阶坡面平整 没有后裂、挎坡，尤其对永久边坡 较小的爆破振动 无爆破飞石、空气冲击波等
能促使露天矿生产总成本最低
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2.3 爆破松碎矿岩
经过大量的数据计算统计，得出炸药单耗的离 差（均方差）：
2
n 0.172q 3
制定分级范围时，采用t分布计算，分布范围的
界限由下式可得：
2
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qSX q 0.117q 3
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2.3 爆破松碎矿岩
研究岩石的可爆性分级，主要目的不是 为了进行岩石分级，而是在于根据不同岩 石对爆破作用的阻抗能力，预计合理的炸 药单耗和所能达到的岩石爆破破碎效果， 并以此作为爆破工艺设计的依据。
岩石爆破理论
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与理论依据归类，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1/10～1/15），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，阻力不平衡在介质中就会引起剪切应力，若药包附近有自由面时，质点位移的阻力在最小抵抗线方向最小，其质点位移速度最高，偏离最小抵抗线方向阻力增大，质点位移速度降低，这样在阻力不等的不同方向上，不等的质点位移速度，必然产生质点间的相对运动而产生剪切应力。
在剪切应力超过岩石抗剪强度的地方，将发生径向剪切破坏。
(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。
岩石的脆性破裂
Eγ 1 / 2 ) a
σ ≈ 2σ ∞ (c / ρ )1/ 2 ，设宏观的外加载荷应 对裂纹，已知 力为 σ f ，则
σ t = 2σ f (c / a)1/ 2
σt = (
Eγ 1/ 2 ) a
σ f = ( Eγ / 4c)1/ 2
Eγ 1 / 2 比较 σ f = ( ) 与 4c
σ f = (2 Eγ / π c)1/ 2
这两个结果的密切吻合表明它们是裂纹扩展的充要条 件。Griffith 的热力学研究证明了裂纹的扩展条件，而 Orowan的计算证明了打开原子键的裂纹尖端的必要的应力 条件。 根据原子力的非简谐简化模型得到的典型 γ=Ea/30， 通常的观测值是E/500，这被解释为由于存在c≈1μm的裂 纹。在电子微观时代来临之前，这种裂纹被假设为普遍存在 的，称为Griffith裂纹。
σ ≈ σ ∞ (1 + 2c / b)
2 端部处的曲率半径为 ρ = b / c
σ ≈ σ ∞ [1 + 2(c / ρ )1/ 2 ]
若 c >> b
σ ≈ 2σ ∞ (c / ρ )1/ 2
由此可以看出，对于狭长的裂纹，即便 σ ∞ << σ t ，该点的应 力也可以很快达到理论强度。而且，应力集中随裂纹的而增 加，裂纹扩展会引起动态失稳。
Obrioemoff 的云母解理实验过程中的能量分配
Obriemoff 的系统可以被看作无限刚性的，裂纹的扩展 是可控的和稳定的；而Griffith系统是零刚度的，裂纹是不稳 定的。实际的系统是有限刚度的，必须通过平衡加载系统所 作的功和裂纹扩展所吸收的能量来计算裂纹的稳定性。 实验中， Obriemoff 发现裂纹并非马上达到平衡位置， 而是在楔入的瞬间向前跃迁扩展，然后才逐渐蠕变扩展到其 最后位置。但当实验在真空下进行时，这种效应消失。此 外，他还发现真空中测出的表面能大约时大气环境下的10 倍。 Obriemoff 最先发现化学环境对脆性固体具有重要的弱 化效应以及由此导致的“亚临界裂纹扩展”现象。
岩石的爆破破碎机理2008
岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39一、岩石爆破破碎的主因破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。
但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。
1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔）当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高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，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。
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，虽然此时波的强度已很低，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”。
随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗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，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。
2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等）从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。
当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。
当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。
它在很大程度上忽视了冲击波的作用。
3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等）这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。
即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。
第二章岩石的破碎理论PPT课件
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继爆管
继爆管是一种专门与导爆索配合使用，具有毫秒延期作用的起爆器材。
继爆管结构示意图 a单向继爆管； b双向继爆管 1—消爆管；2—大内管；3—外套管；4—延期药；5—加强帽； 6—正起爆药；7—副起爆药；8—导爆索；9—连接管
继爆管根据延期时间分10个段别。继爆管的起爆威力不低于8号工业雷管。
机械感度
（1）冲击感度 （2）摩擦感度
（sensitivity to impact）在机械撞击的作用 下，炸药发生爆炸的难易程度称为炸药的撞击 感度。 （sensitivity to friction）在机械摩擦的作用 下，炸药发生爆炸的难易程度称为炸药的摩擦 感度。
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起爆感度 （sensitivity to initiation） 炸药的起爆感度是指在其他炸药（起爆药、起爆具等）的爆炸作用
类
感度降低，造成拒爆；装药、堵塞时操作不当，损坏网路；水孔中水将部分炸药溶
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第五节 爆破破岩原理和爆破安全
一、瓦斯矿井的安全爆破
爆破作业引起瓦斯、煤尘爆炸的原因： 1. 炸药爆炸时形成的空气冲击波的绝热压缩。 2. 炸药爆炸时生成的炽热的或燃着的固体颗粒的点火作 用。 3. 炸药爆炸时生成的气态爆炸产物及二次火焰的直接加 热。
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二 、微差爆破
毫秒爆 破
（MS blasting）
爆炸的分类：
▪ 物理爆炸（不发生化学变化 ） ▪ 核爆炸 （核裂变或核聚变 ） ▪ 化学爆炸（有新的物质生成 ）
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炸药爆炸的三要素
1
2
3
反应的放热性
反应过程的高速度
反应中生成大量气 体产物
炸药爆炸必须的能 源
爆炸反应区别一般 化学反应的重要标 志
露天采矿学第02章矿岩松碎工作
矿岩松碎工作对环境的影响及应对策略
土地破坏
矿岩松碎工作可能导致土地破坏、 水土流失等问题。应对策略包括 合理规划作业区域、加强水土保 持措施等。
水资源污染
矿岩松碎过程中可能产生废水，对 水资源造成污染。应对策略包括建 立废水处理设施、加强废水排放监 管等。
生态失衡
矿岩松碎工作可能对周边生态环境 造成影响，导致生态失衡。应对策 略包括生态修复、加强生态监测等。
破碎后矿岩的处理与运
筛分
将破碎后的矿岩进行筛分， 分离出不同粒度的矿岩， 以便于后续的运输和处理。
运输
将破碎后的矿岩运输到指 定的地点，如选矿厂、堆 场等。
储存与堆放
将运输到目的地的矿岩进 行储存和堆放，确保安全、 有序。
矿岩松碎工作的安全
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与环境保护
矿岩松碎工作的安全措施
制定安全规程
建立完善的安全规程，包括操作规程、 应急预案等，确保作业人员了解并遵 循。
露天采矿学第02章矿岩 松碎工作
目 录
• 矿岩松碎工作概述 • 矿岩松碎的主要方法 • 矿岩松碎工作的实施流程 • 矿岩松碎工作的安全与环境保护 • 矿岩松碎工作的经济效益与社会效益
矿岩松碎工作概述
01
矿岩松碎的定义与目的
定义
矿岩松碎是露天采矿过程中的一项重 要作业，主要通过爆破、机械破碎等 方式将原岩进行破碎，以便后续的装 载、运输和排土等作业。
矿岩松碎工作的社会效益
保障就业机会
矿岩松碎工作需要大量的人力资源，可以提供就业机会，促进当 地经济发展。
促进资源开发
矿岩松碎是采矿过程中的重要环节，可以促进矿产资源的开发利用， 满足社会经济发展的需求。
环境保护
合理的矿岩松碎可以减少采矿对环境的影响，保护自然生态平衡。
第二节 岩石破碎的基本原理
1.破岩齿的形状
与岩石相互作用的破碎岩石工具是由多个破岩齿组合形成的，因此可通 过分析单个破岩齿破岩过程来分析破岩工具的破岩机理。 破岩齿的形状多种多样（图3.2.1），但可归结为圆柱体和球形体的不同 组合。为便于研究，在分析破岩机理时往往采用平底圆柱和球形体来表示破 岩齿的基本形状。在分析破岩过程时主要以平底圆柱破岩齿为例。
由于破岩齿下部岩石应力状态的变化，导致破岩齿下部岩石的破 碎区出现不对称性，在水平力作用方向破岩齿前方出现大体积的剪切 破坏，密实核的趋向也向水平作用力方向偏移，破岩齿后部出现拉应 力破坏但范围较小。形成的破碎坑的形状示意如图3.2.15：
作用力 崩切区 破 岩 齿 压碎形成的密实核 拉应力破坏 区
第二节 岩石破碎的基本原理
一、破岩齿受力状态分析
利用特定的机械工具在岩石表面施加载荷，使岩石所 受载荷超过其强度极限而破碎的破岩方式称为机械破岩方 法。石油钻井所用的破岩方式主要为机械破岩。 石油钻井机械破岩的工具为钻头，既通过钻头的破岩 齿与岩石发生相互作用来破碎岩石，也既破岩齿受到不同 形式的力的作用并将力传递到岩石，达到破岩的目的。因 此分析破岩机理应从单齿破碎岩石的过程压入岩石表面图示
图3.2.6圆柱平底破岩齿受单向垂直力 压入岩石表面图应力分布图
周边岩石发生塑性变形后，破岩齿向下移动侵入岩石一定深度，载荷 变为均布载荷；同时由于破岩齿的移动使得破岩齿周边区域形成拉应力区 （图3.2.7）。
图3.2.7 圆柱平底破岩齿受单向垂直力 压入岩石表面塑性变形后的应力分布图
P P Q
P F
Q
垂直力（压入力）
斜向力作用
图3.2.4破岩齿的受力状态简化
二、圆柱平底破岩齿受单向垂直力压入岩石（图3.2.5）的破碎过程 1. 破碎过程描述 ①岩石发生塑性变形阶段 根据弹性力学的赫兹接触理论：圆柱平底破岩齿受单向垂直力作用，岩 石表面所受应力的分布如图3.2.6。 根据应力分布图，圆柱破岩齿作用于岩石表面的压力在破岩齿周边存在 应力分布的极值，随着载荷的增加，周边岩石所受应力首先达到屈服极限而 发生塑性变形破坏。
岩石的爆破破碎机理
岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39一、岩石爆破破碎的主因破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。
但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。
1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔）当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高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，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。
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，虽然此时波的强度已很低，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”。
随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗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，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。
2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等）从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。
当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。
当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。
它在很大程度上忽视了冲击波的作用。
3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等）这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。
即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。
爆破破岩机理
r DV 2
传入岩石中的爆炸载荷（续）
岩石中透射波参数——孔壁荷载近似计算 实践表明，并非在所有岩石中都能生成冲击波，这取决于炸药 与岩石的性质。对大多数岩石而言，即便生成冲击波，也很快 衰减成弹性应力波，作用范围也很小，故有时也近似认为爆轰 波与炮孔壁岩石的碰撞是弹性的，岩石中直接生成弹性应力波 （简称应力波），进而按弹性波理论或声学近似理论确定岩石 界面上的初始压力。根据声学近似理论可推得：
岩石爆破机理早期发展阶段主要为 L.W.利文斯顿的爆破 理论、流体动力学理论以及炸药量与岩石破碎体积成比例 理论。
4.1 岩石爆破理论发展阶段
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，爆破机理发展 第二阶段的开始。
岩石爆破理论发展的第二阶段主要提出了岩石爆破机理 的三种假说：
岩石在冲击载荷作用下，对应不同应力幅值，所形成 的应力波特征不同： （1）在装药近区，作用于岩石的爆炸载荷值很高，当 σ>σC , 时，将在岩石中形成冲击波（图a）。 （2）随着冲击波向外传播、衰减，当σB<σ<σC时，如 （图b）所示，由于变形模量dσ/dε随应力的增大而增 大，波速大于图中A--B 段的塑性波波速，但小于O-A 段的弹性波波速，因此应力幅值大的塑性波追赶前 面的塑性波，形成速性追赶加载，形成陡峭的波阵面， 但波速低于弹性波速，为亚音速，这种波称为非稳定 的冲击波。
1）爆生气体膨胀推力作用假说； 2）爆炸应力波反射拉伸作用假说； 3）爆生气体和爆炸应力波综合作用假说。
爆生气体膨胀推力作用假说
这种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。这种学说忽视了岩体中 冲击波和应力波的破坏作用，其基本观点如下：
第2章 爆破破碎机理
有机玻璃中的爆炸裂纹
• 二图板尺寸相 同，仅仅右图 药量是上图的 3倍
内部 作用 示意 图
• 1—装药空腔；2—粉碎区； • 3—裂隙区；4—震动区
• 1.2 爆破的外部作用
反射拉伸为主造成自由面岩石片落
霍普金森效应破碎机理
反射拉伸应力波引起径向裂隙延伸
自由面改变了岩石中的准静态应力场
不足
• 裸露药包破碎大块：爆生气体都扩散到大 气中去了，并没有对大块破碎起什么作用。 （这时主要是冲击波的动压作用） • 准静态压力较低，能否引起初始破裂值得 怀疑。
1.2 冲击波拉伸作用理论（动作用理论） • 代表人物：日本：日野熊田（Kunao Nino） • 美国：戴维尔（Duvall W.L）
• ——抗拉强度的重要性 • ——Griffith研究脆性物体破坏时指出：脆性 物体的破坏是由内部存在的裂隙引起的。 由于固体内微小裂隙的存在，在裂隙尖端 产生应力集中，从而裂隙沿着尖端继续扩 张。 • ——基于杆件试验和平板试验中的应力波
岩石杆件爆破试验
板件爆破试验
（1）1947年， K．M．贝尔特 （K．M．Baird）用 高速摄影机实测了 冲击波的速度。用 电力引爆直径0.25 ㎜的铜丝在玻璃板 中爆炸，产生的冲 击波速度为 5600~11900m/s、 破坏的顺序是，爆 源附近→边界端→ 玻璃板中部。
• 冲击波反射阶段：片落、促进径向裂纹的 发展 • 爆生气体膨胀阶段：
通过以上对岩石爆破破碎机理的分析可知，岩石 的爆破破碎、破裂是爆炸（冲击波）应力波的压缩、 拉伸、剪切和爆生中爆破破坏过程
• a、径向压缩阶段；b、冲击波反射阶段；c、 爆炸气体膨胀阶段
爆破过程三阶段
• 冲击波径向压缩阶段：粉碎、引起切向拉 应力——径向裂纹、回弹——环状裂隙；
东北大学岩石力学讲义第二章岩石破坏机制及强度理论
精品文档第二章岩石破坏机制及强度理论岩石破坏的现象第一节在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。
特点出现与最大应力一、拉破坏方向平行的裂隙。
)(b) (a形破坏。
从应力分析可知，单向压缩下某一剪二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 切面上的切向应力达到最大引起的破坏。
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并可归纳从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，从岩石破坏的现象看，为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。
对岩石破坏的研究：不同应力的组合在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。
但是三向受力条件下，对岩石破因此在一般应力状态，有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。
现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系???)(,?f321、理论研究结合试验研究。
、试验研究；3研究的方法有：理论分析；2岩石拉伸破坏的强度条件第二节一、最大线应变理论岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力该理论的主要观点是，状态无关。
强度条件为(2-1)???c—拉应变的极限值，—拉应变。
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σ下，σ>σ>若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下3123??????3，E>0<0则产生拉应变。
由于，即。
若按弹性力学有?????）?（?+）E?（?+32312133EE因此产生拉应变的条件是????????）>（（?++）<0，312132??????t?E＝＝。
第二节 岩石破碎的基本原理
②压实核形成阶段（局部破碎） 根据上述结论，随着力的进一步增加，在破岩齿下方深度为Zm处， 剪应力极值达到岩石的抗剪强度，此处形成剪应力破坏点。
图3.2.9 压实核示意图
③岩石大面积崩裂阶段（体积破碎） 在载荷的进一步作用下,破岩齿周边裂隙和Zm处裂隙贯穿，在破岩 齿下方形成破碎核—压实核。由于密实核处于全面压缩状态，不能形成 剪切破坏。但压实核作为力的载体对周围岩石产生挤压作用。
利用特定的机械工具在岩石表面施加载荷，使岩石所 受载荷超过其强度极限而破碎的破岩方式称为机械破岩方 法。石油钻井所用的破岩方式主要为机械破岩。 石油钻井机械破岩的工具为钻头，既通过钻头的破岩 齿与岩石发生相互作用来破碎岩石，也既破岩齿受到不同 形式的力的作用并将力传递到岩石，达到破岩的目的。因 此分析破岩机理应从单齿破碎岩石的过程分析入手。
Ⅰ区—多项压缩区
Ⅲ区—拉压混合 区
图3.2.14 在两向载荷作用下的等应力线
从图中可以明显地看出：当破岩齿受倾斜力作用时，出现极值载荷 的位置发生偏移，最大剪应力出现在与作用力方向一致的轴线上。同时 破岩齿下部岩石的受力状态发生变化，形成受力状态不同的三个区域。 岩石的应力状态可分为三个区： 1—多向压缩区； 2—拉应力区； 3—拉压混合区。
1.破岩齿的形状
与岩石相互作用的破碎岩石工具是由多个破岩齿组合形成的，因此可通 过分析单个破岩齿破岩过程来分析破岩工具的破岩机理。 破岩齿的形状多种多样（图3.2.1），但可归结为圆柱体和球形体的不同 组合。为便于研究，在分析破岩机理时往往采用平底圆柱和球形体来表示破 岩齿的基本形状。在分析破岩过程时主要以平底圆柱破岩齿为例。
2.破岩齿破岩过程分析的工程意义 在工程实际中，钻头破岩齿的载荷是由钻井参数决定的，因此通过 破岩齿破岩过程分析可以优化钻井参数。 ①钻压的优化 破岩工具上所有破岩齿受到的垂直载荷之 和既为钻头的钻压。 根据破岩过程分析，岩石破碎分为三种状 态，在体积破碎阶段岩石的单位体积破碎功 小，破岩效果好。因此工程实际中施加的钻压 必须使破岩齿压入地层一定深度，达到体积破 碎状态。使破岩齿压入地层一定深度以体积破 碎状态破碎岩石的最小钻压称为门限钻压。在 实际钻井过程中钻压值一定要大于门限钻压。
第二章：岩石破碎基本原理
强度条件：
三向应力时： 3 (1 2 ) t
3
1 E
[ 3
(1
2)]
单向拉伸时： 3 t
3
t
E
单向压缩时： 1 c
3
E
c
适用范围：适合于破坏形式为脆断的材料。
3
2.1 四种常用的强度理论
三、最大剪应力理论（第三强度理论）
莫尔应力圆：
1 3 2 2 1 3 2
2
2
剪切破坏角与内摩擦角的关系：
C
A
2
0 3
1
4 2
12
2.2 岩石破坏准则
三、库伦-莫尔准则（Coulomb-Mohr Criterion）
几个重要关系式推导：
三轴应力状态下的畸变能：
Ud
1
6E
[(
1
2 )2
( 2
3 )2
(3
1 )2 ]
强度条件：
1 2
[(
1
2 )2
( 2
3 )2
(3
1 )2
s
局限性：① 适用于塑性材料; ② 可得出抗拉强度与抗压强度相等的结论，与岩石不符。
8
2.2 岩石破坏准则
二、岩石破坏准则
岩石破坏准则—指岩石在某应力或应变状态下产生破坏的判据。 通常表示为极限应力状态下的主应力间的关系方 程或处于极限平衡状态截面上的剪应力与主应力 的关系方程。
1 f ( 2 , 3 ) 或 f ( )
由于岩石抗压强度与抗拉强度相差较大，所以材料力学中的第一 （最大拉应力理论）、第二（最大拉应变理论）、第三（最大剪应 力理论）、第四强度理论（畸变能理论）都不适用。
第二章 岩石的破碎理论(1)
1．影响稳定爆轰的主要因素
药卷直径 炸药密度 起爆冲能 其他因素
(1)药卷直径。炸药爆轰所产生的能量并未全部用于传 爆，有一部分径向逸散到药卷周围产生空气冲击波或 应力波。药卷直径越小，逸散出去的这部分能量所占 的比例越大。因此，当药卷直径小到一定程度时，就 完全不能传爆，这时的直径称为临界直径。将药卷直 径自临界直径逐渐增大，爆速也逐渐提高，最后达到 了稳定值。此后，药卷直径再增大，爆速也不会提高， 这时的直径称为极限直径。
测定炸药猛度的方法为铅柱压缩法，其实验设备及 装置如图所示。起爆后测量铅柱压缩尺寸作为猛度的 数据，单位为毫米。
(二)爆力 炸药爆炸时对周围介质做功的能力称为爆力，它是 由炸药能量转化而来的。测定炸药爆力的方法常用铅 柱扩孔法，试验装置如图所示，起爆后可用量筒向孔 内注水测得形容积，从中减去原孔眼体积和雷管扩孔 体积，即得炸药的爆力数据，其单位为毫升。
(三)爆速 爆速小于3000m/s，猛度小于10mm的炸药为低 威力炸药；爆速大于4000m/s，猛度小于16mm的 炸药为高威力炸药；界于二者之间的为中威力炸药。
如图所示，在药卷上A、B 两点并精确量出距离，用直径 0.1~0.3mm的漆包线双股权 成两根探针(下端剪开不通电)， 分别插入A、B处，并连接在 爆速仪的导线上。药卷起爆后， 探针的漆包线被爆轰波高温烧 坏，先后向仪器输入记时开始 和终止信号，这段时间由数码 管显示出来。将距离除以爆轰 波通过它需要的时间，即得爆 速值。
殉爆距离一般可通过实验来确定。试验时，将同一种 炸药的两个药卷沿轴线隔一定距离平放在坚实的沙土上， 其中一个药卷装有雷管作为主动药卷，另一个药卷作被 动药卷，然后引爆。根据形成的炸坑以及有无残留的炸 药和药卷来判断殉爆情况。通过一系列实验，找出相邻 药卷能殉爆的最大距离。
采掘机械第1篇2章煤岩破碎理论
第一节 煤岩的物理机械性质
6．截割阻抗
截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能， 作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。 截割阻抗：单位截割深度作用于刀具上的截割阻力， A(kN/m)表示。
1，9-立柱；2-刀杆；3-卡紧器； 4-刀具；5-测力传感器；6-记录仪； 7-电动机；8-绞车
Z A h
第二节 煤岩破碎理论
岩体脆性破碎形成破碎坑步骤： ①压碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕；
②岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；
③钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体； ④粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸 应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片； ⑤重复循环上述过程，最终形成破碎坑。
第二节 煤岩破碎理论
第一节 煤岩的物理机械性质
一、煤岩的物理性质 密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、 传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有： 1．密度 单位体积煤岩在干燥状态下的质量。 在1.3～1.45t/m3变化，计算时取1.35 t/m3。
2．湿度 煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩的缝隙 中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。 含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开 采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩 易产生变形，巷道维护的难度增加。
Pi
n
pk岩石接触强度，MPa；Pi岩石材料脆性破坏瞬间的压头载 荷，N；n压头下压次数；S压头下表面积，mm2。
第一节 煤岩的物理机械性质
接触强度在掘进机设计与使用中经常遇到。 前苏联根据接触强度值的大小，岩石分六类：松软， 次中等坚固，中等坚固，坚固，很坚固和极坚固。
4．弹性、塑性与脆性 弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之 间关系的性质。 弹性：所受外力撤消后煤岩恢复原来形状的性能。 破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变 形，破碎也比较困难。 塑性：所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性 能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。 脆性：煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的 煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。
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起爆感度
（sensitivity to initiation）
炸药的起爆感度是指在其他炸药（起爆药、起爆具等）的爆炸作用 下，猛炸药发生爆轰的难易程度。
凡能用1发8号工业雷管可靠起爆的炸药称其具有雷管感度；
凡不能用1发8号工业雷管可靠起爆的炸药称其不具有雷管感度。
第三节 矿用炸药与起爆器材
煤矿许用炸药
一、国内普通电雷管
二、秒延期电雷管
秒延期电雷管结构 1-蜡纸； 2-排气孔； 3-精制导火索 三、毫秒延期电雷管
毫秒延期电雷管结构 1-塑料塞； 2-延期内管； 3-延期药； 4-加强帽
四、抗杂散电流电雷管
（1）无桥丝抗杂毫秒电雷管
（2）低阻桥丝式抗杂电雷管。
电雷管的主要性能参数
（1）全电阻
（二）钻杆
钎杆是承受活塞冲击力并将冲击功和回转力矩传递到钎头上去的细 长杆体。钎杆在冲击时还会由于横向振动产生弯曲应力。故在凿岩 过程中，钎杆承受着冲击疲劳应力、弯曲应力、扭转应力和矿井水 的侵蚀。 钎杆断面形状通常有中空六角形与中空圆形两种，以中空六角形 B22、B25（B指边列边尺寸，单位mm）使用最多。中空圆形D32 、D38(D指直径，单位mm)多用于重型导轨式凿岩机上。 用于制造钎杆的钢材称钎钢。我国使用的是中空8铬(ZK8Cr)、中空 55硅锰钼（ZK55SiMnMo）、中空35硅锰钼钒ZK35SiMnMoV)和中 空40锰钼钒（ZK40MnMoV）等。具有强度高、抗疲劳性能好、耐 腐蚀等优点。虽价格贵，但使用寿命长。 钎尾是承受和传递能量的部位。其长度和断面尺寸应与配套的凿岩 机转动套相适应。气腿式凿岩机钎尾长108mm。 钎肩形状有两种 ，六角形钎杆用环形钎肩，圆钎杆用耳形钎肩，。向上式凿岩机用 的钎子没有钎肩，因机头内有限定钎尾长度的砧柱。
殉爆距离是指主发药包爆炸时一定引爆被发药包的两药包 间的最大距离 。 炸药的殉爆能力用殉爆距离表示，单位一般为cm
研究殉爆的目的：
确定炸药生产房间的安全距离（safety distance），为厂 房设计提供基本数据；改进工 业炸药的性质，提高在工程爆破 时起爆或传爆的可靠性。 在采用炮孔法进行爆破工作时，为保证相邻药卷完全殉爆， 对药卷之间的殉爆距离有一定要求。 装药时，应尽可能使相邻药卷紧密接触，防止岩粉或碎石 等惰性物质将药卷隔开。因有惰性介质时，殉爆距离将明显减 小。
炸药的猛度是指爆炸瞬间爆轰波和爆轰产物对邻近的 局部固体介质的冲击、撞碰、击穿和破碎能力。它表征了 炸药的动作用。
殉爆
（sympathetic detonation）
殉爆是指炸药（主发药包）发生爆炸时引起与它不相 接触的邻近炸药（被发药包）爆炸的现象
殉爆距 离 （transmission distance）
贵州乌江东风水电站地下厂 房爆破后的整齐基岩面
拒爆事故的分类
1、炸药过期变质、质量差引起拒爆，如失去雷管感度，不能正常传爆， 受潮 结块，感度下降；密度变大，失去爆轰性能。 2、电爆网路拒爆，如设计电流不够，起爆器容量不够，接触电阻过大，线路 接地、漏电，违反“三同”原则，漏接。 3、导爆索网路拒爆，如导爆索质量差，或因储存时间长，保管不良而受 潮变 质，漏接，施工过程中砸断线路，雷管反接，锐角传爆，搭接不好，导爆索浸油， 前排爆破挤、拉断后排导爆索，导爆索断药。 4、装药、堵塞作业造成拒爆，如不连续装药造成部分拒爆，装药过密，炸药 感度降低，造成拒应造成残爆；线路接错。
与风动凿岩机相比，液压凿岩机的主要优点 如下： (1)钻速可提高2～3倍以上； (2)噪声可降低10～15 dB； (3)工作环境改善，消除了油雾水气； (4)可钻较深和大直径的炮孔。
三、冲击式凿岩工具
钻眼工具是安装在钻眼机械上用以破碎 岩石的工具，在凿岩机上使用的叫钎子。如图 所示，钎子由活动钎头1和钎杆3组成。 钎杆后部的钎尾6插人凿岩机的转动套筒 内，是直接承受冲击力和回转力矩的部分。钎 尾前钎肩5起限制钎尾进人凿岩机头长度的作 用，并便于卡钎器卡住钎子，防止钎子从机头 内脱出。钎杆中央有中心孔 4，用以供水冲洗 岩粉。活动钎头与钎杆多采用锥形连接，即用 钎杆 前部的锥形梢头2，与钎头上的锥窝楔紧 连接。锥度常常取1：8，即锥体角约为3°30‘ 。此为组合钎子。还有整体钎子。
四、电钻钻具
煤电钻的钻具如图由钻头1和麻花钻杆4组成。钻杆前部的方槽2和 尾孔3，是用来插入钻头的，钻头插入后，从尾孔3上的小圆孔中插入销 钉固定钻头。麻花钻杆尾部5车成圆柱形，用以插入电钻的套筒内。套筒 前端有两条斜槽，可以卡紧在麻花螺纹上．以传送回转力矩。
第五节 爆破破岩原理和爆破安全
一、瓦斯矿井的安全爆破
第二章 岩石的破碎理论
主要内容 ：
•2.1 概述 •2.2爆炸理论与炸药 •2.3矿用炸药与起爆器材 •2.4 钻眼机具及其破岩方法 •2.5爆破破岩原理与爆破安全
第一节 概述
爆炸是物质系统一种极迅速的物理或化学变化。在变化过程 中，瞬间放出其内台能量，并借助系统内原有气体或爆炸生成气 体的膨胀，对系统周围介质做功，使之发生巨大的破坏效应，同 时可能伴随声、光、热效应。
二、液压凿岩机
液压凿岩机是一种以液压为动力的新型凿岩机。由于油压比压气压力大得多，通 常都在10 MPa以上，并有粘滞性、几乎不能被压缩也不能膨胀做功，以及油可以循环 使用等特点，因而使液压凿岩机的构造与压气凿岩机的基本部分既相似又有许多不同 之处。液压凿岩机也是由油缸冲击机构、转钎机构和排粉系统所组成。
起爆方 法
起爆方法就是通过起爆网络来实现的起爆方 法。
构成起爆法的器材有：
电雷管、导线、起爆电源。
电爆网路
一、串联 二、并联 三、串并联
第四节 钻眼机具及其破岩方法
井巷施工首先要破碎岩石，常用的破岩方法有机械破岩和爆破破岩两种。目前 使用最普遍的是爆破破岩。
一、冲击式凿岩机
冲击式凿岩机是以压缩空气为动力的钻孔机具，按其支架方式可分 为手持式、气腿式、向上式(伸缩式)和导轨式几种。
炸药爆力是指爆生气体在高温下膨胀做功破坏周围 介质的能力。
炸药爆炸作功示意图
炸药的敏感度
炸药在外界起爆能的作用下发生爆炸的难易程度称为炸药 的敏感度(简称炸药的感度)。各种炸药的敏感度相差非常大， 例如半冻结的硝化甘油胶质炸药只要轻轻弯折一下就会爆炸， 而对硝酸铵施加冲击、摩擦、点火，也几乎都不能使它爆炸。 对不同的外能，炸药的敏感度并不一致，如梯恩梯对机械 作用的敏感度较低，但对电火花的敏感度则较高，所以需分 别检测。
（2）最大（高）安全电流
（3）最小发火电流（最低准爆电流）
导爆索
导爆索是用单质猛炸药黑索金或太安作为索芯，用棉、麻、纤维 及防潮材料包缠成索状的起爆器材。
导爆索可以直接引爆工业炸药，用导爆索组成的起爆网路可以起爆群药包， 但导爆索网路本身需要雷管先将其引爆。导爆索起爆法属非电起爆法。 1
普通导爆索
光面爆 破 （Smooth blasting ）
沿开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主 爆区之后起爆，以形成平整轮廓面的爆破作业，称为光面爆破。 光面爆破的质量标准如下： (1)围岩面上留下均匀眼痕的周边眼数 应不少于其总数的50％； (2)超挖尺寸不得大于150 mm，欠挖不 得超过质量标准规定； (3)围岩面上不应有明显的炮震裂缝。
3 4
震源导爆索
继爆管
继爆管是一种专门与导爆索配合使用，具有毫秒延期作用的起爆器材。
继爆管结构示意图 a单向继爆管； b双向继爆管 1—消爆管；2—大内管；3—外套管；4—延期药；5—加强帽； 6—正起爆药；7—副起爆药；8—导爆索；9—连接管
继爆管根据延期时间分10个段别。继爆管的起爆威力不低于8号工业雷管。
爆破作业引起瓦斯、煤尘爆炸的原因： 1. 炸药爆炸时形成的空气冲击波的绝热压缩。 2. 炸药爆炸时生成的炽热的或燃着的固体颗粒的点火作 用。 3. 炸药爆炸时生成的气态爆炸产物及二次火焰的直接加 热。
二 、微差爆破
毫秒爆 破 （MS blasting）
毫秒爆破又称微差爆破或毫秒微差爆破。 它是利用毫秒雷管（millIseconcond MS）或其他毫秒延期引爆装置， 将同一网路的装药分组，以毫秒级的时间间隔进行顺序起爆的方法。
-3
成分 性能
作功能力 ≥298 殉爆距离 ≥5 D/m· s-1 ≥3200
木粉 4±0.5
D/m· s-1
2号岩石铵梯炸药
水胶炸药
只有2～3个工厂继续生产。
1. 爆炸性能好； 2. 抗水性能强； 3. 安全性好； 4. 环境污染小； 5. 原料来源广泛、加工工艺简单； 6. 生成成本低，爆破效果好。
炸药爆炸
热感度 （sensitivity to heat）是指在热的作用下，炸药发生爆炸的难易程度。 热感度通常用爆发点（ignition point）来表示. 热作用的方式主要有两种：均匀加热、火焰点火 。 机械感度
（1）冲击感度
（2）摩擦感度
（sensitivity to impact）在机械撞击的作用 下，炸药发生爆炸的难易程度称为炸药的撞击 感度。 （sensitivity to friction）在机械摩擦的作用 下，炸药发生爆炸的难易程度称为炸药的摩擦 感度。
氧化剂
主要为硝 酸铵
乳化炸 药成分
油相材料 一类非水溶性的有机物质，形成乳 化炸药的连续相，又称外相。
微小气泡 油包水型乳化剂 密度调整剂 封闭性夹带气体的固体微粒
起爆器材－－用于起爆炸药的器材。
工程爆破中使用的起爆器材主要有：雷管、 导火索、导爆索、导爆管、导爆管连接元件、 继爆管（detonating relay）和起爆药柱等。
乳化炸药
（emulsion explosive）
乳化炸药是以氧化剂水溶液与油类经乳化而成的油包水型乳胶体（即借助 乳化剂并通过搅拌，使氧化剂水溶液分散成为微细液滴，均匀悬浮在含敏 化气泡的油类物质中所形成的乳液）做爆炸性基质，再添加其他成分混制 成的一种乳脂状或膏状炸药。