第五章 岩石爆破理论
岩土爆破理论
1
岩石爆破理论的发展 岩石中的爆炸应力波
岩石中的爆炸气体
2 3 4
岩石的爆破破碎机理
5
爆破漏斗理论 装药量计算原理
影响爆破作用的因素
6 7
1
岩石爆破理论的发展 岩石中的爆炸应力波
岩石中的爆炸气体
2 3 4
岩石的爆破破碎机理
1.1 岩石爆破理论的发展阶段
爆破理论作为一个学科，划分其发展的不 同阶段，在时间上是很难划分清楚的，但就其 发展过程来说，又必然存在着不同的发展阶段。 即早期发展阶段、爆破理论的确立阶段、爆破 理论的最新发展阶段。
反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落
反射拉应力波破坏过程示意图
a—入射压力波波前；b—反射拉应力波波前
反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落
霍普金森效应的破碎机理
（a）应力波合成的过程；（b）岩石表面片落过程
反射拉伸波引起径向裂隙的延伸 从自由面反射回岩体 中的拉伸波，即使它的强 度不足以产生“片落”， 但是反射拉伸波同径向裂 隙梢处的应力场互相叠加， 可使径向裂隙大大地向前 延伸。
1 1 2
E G 2 2 C s =[ ] =[ ] 2ρ(1 + ν ) ρ
1
式中
E——介质的弹性模量，kPa； ν——介质的泊松比； G——介质的剪切模量，kPa。
2.3.3 应力波的反射 当波遇到界面时，一部分波改变方向，但 不透过界面，仍在入射介质中传播的现象称为 反射。当波从一个介质穿过界面进入另一介质， 入射线由于波速的改变，而改变传播方向的现 象称为透射。
4.1 炸药在岩石中爆破作用的范围
4.1.1 炸药的内部作用 假设岩石为均匀介质，当炸药置于无限均 质岩石中爆炸时，在岩石中将形成以炸药为中 心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎 区、裂隙区及弹性震动区。
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 )。
爆破工程4第五章---岩石中的爆破作用原理
该理论在爆破动力问题上，直接采用爆轰冲击荷 载作用于岩壁的状态方程，利用动力有限元方法 计算爆区的应力状态。其实质是认为岩体爆破动 力是爆炸应力波和爆轰气体的膨胀作用，两者相 辅相成，不可或缺。
第二节 冲击载荷的特征和应力波 一、冲击载荷的特征
一、爆轰气体膨胀压力作用破坏论
这派观点是从静力学的观点出发，认为药包爆炸后， 产生大量高温高压的气体，这种气体膨胀时所产生 推力，作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的 径向位移，由于作用力的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， 当爆轰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，这派观 点完全否认冲击波的作用。
（一）岩体中冲击波的传播规律
冲击波的初始波峰压力就是爆轰波给予岩 石的最初压力，其值的大小取决于炸药的 性质、岩石的性质和炸药与岩石的耦合情 况。
波阻抗越大的岩石，在炮孔壁上产生的压 力也越大，如表5—1所示。
给予岩石的初始峰压越大，则岩石的变形 也越大，破碎越厉害，消耗能量也越多。 因此，在工程爆破中必须根据工程的要求 来合理地控制岩体中的初始峰压值。
压碎区的半径很小，一般约为药包半径的 2~3倍。破坏范围虽然不大，但破碎程度大， 炸药消耗能量多。
2.破裂区(破坏区) 当冲击波通过压碎区以后，随 着冲击波传播范围的扩大而导致单位面积上的能 流密度降低，压缩波（即压缩应力波），其强度 已低于岩石的动抗压强度，所以不能直接压碎岩 石。但是，它可使压碎区外层的岩石遭到强烈的 径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因而导 致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变， 如图5—10所示。如果这种切向拉伸应变超过了 岩石的动抗拉强度的话，那么在外围的岩石层中 就会产生径向裂隙。这种裂隙以（0.15~0.4）倍 压缩应力波的传播速度向前延伸。当切向拉伸应 力小到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止向 前发展。另外在冲击波扩大药室时，压力下降了 的爆轰气体也同时作用在药室四周的岩石上，在 药室四周的岩石中形成一个准静应力场。
第五章 岩土中爆炸的基本理论
一、岩石的物理力学性质（续）
岩石密度与纵波波速乘积。 岩石波阻抗 ρc p ：岩石密度与纵波波速乘积。表征岩石 对纵波传播的阻尼作用， 对纵波传播的阻尼作用，它与炸药爆炸后传给岩石的总 能量及这种能量传给岩石的效率有直接关系， 能量及这种能量传给岩石的效率有直接关系，是衡量岩 石可爆性的一个重要指标。 石可爆性的一个重要指标。通常认为炸药的波阻抗与岩 石的波阻抗相匹配（相等或相近） 石的波阻抗相匹配（相等或相近）时，爆破传递给岩石 的爆炸能量最多。 的爆炸能量最多。 岩石的碎胀性： 岩石的碎胀性：岩石破碎后因碎块间孔隙增多而使总体 积增大，这一性质即为岩石的碎胀性。 积增大，这一性质即为岩石的碎胀性。其值为碎胀后的 体积V 与岩石原体积V之比 之比， 体积 1与岩石原体积 之比，即：
二、爆炸荷载下岩石的强度特性（续） 爆炸荷载下岩石的强度特性（
★动载下岩石强度（岩石动态强度）： 动载下岩石强度（岩石动态强度）： 提高加载速度，就提高了岩石的应变率， 提高加载速度，就提高了岩石的应变率，岩石由弹塑 塑性向脆性转化，弹性模量增大，强度也随之提高。 性、塑性向脆性转化，弹性模量增大，强度也随之提高。 岩石的动态强度和加载速率有关，速率越高， 岩石的动态强度和加载速率有关，速率越高，强度提 高越大。影响程度抗压强度高于抗拉强度。 高越大。影炸药在岩石中的爆炸时， 炸药在岩石中的爆炸时，最初施加在岩石上的是冲击荷 在极短的时间内上升到峰值压力，而后又迅速下降， 载，在极短的时间内上升到峰值压力，而后又迅速下降， 爆炸载荷的整个作用过程很短。在此冲击荷载作用下， 爆炸载荷的整个作用过程很短。在此冲击荷载作用下， 岩石内激起爆炸应力波。冲击压缩岩石，造成岩石破坏。 岩石内激起爆炸应力波。冲击压缩岩石，造成岩石破坏 爆炸应力波在距爆源不同距离的区段内可表现为： 爆炸应力波在距爆源不同距离的区段内可表现为：爆炸 冲击波、爆炸应力波和爆炸地震波。 冲击波、爆炸应力波和爆炸地震波。在爆源近区是冲击 具有陡峭的波阵面并以超声速传播， 波，具有陡峭的波阵面并以超声速传播，波阵面前后的 岩石状态参数（压力、密度、温度、岩石质点移动速度） 岩石状态参数（压力、密度、温度、岩石质点移动速度） 都发生突跃变化。冲击波在传播过程中能量消耗大、 都发生突跃变化。冲击波在传播过程中能量消耗大、衰 减快。随着距离增大，冲击波衰变为压缩应力波， 减快。随着距离增大，冲击波衰变为压缩应力波，波头 变缓，以声速传播，能量衰减较慢。随传播距离增大， 变缓，以声速传播，能量衰减较慢。随传播距离增大， 应力波又衰变为周期性振动的地震波。 应力波又衰变为周期性振动的地震波。
岩石爆破原理与方法
岩石爆破原理与方法嘿，咱今儿就来讲讲这岩石爆破！你说这岩石啊，那可真是顽固得很呢，就像那怎么都赶不走的倔驴！那咱要怎么对付它呢？这就得靠爆破啦！想象一下，岩石就像是一个坚固的堡垒，而爆破就是我们攻打这个堡垒的秘密武器。
爆破的原理呢，其实就是利用炸药爆炸时产生的巨大能量，让岩石瞬间破碎。
这就好比是给岩石来了一记猛拳，一下子就把它给打散了。
那这炸药是怎么发挥作用的呢？当炸药爆炸的时候，会产生极高的温度和压力，就像一个小太阳在岩石内部爆发一样。
这股强大的力量会迅速向四周扩散，把岩石从内部往外撑开，最后“嘭”的一声，岩石就被炸得七零八落啦！说到爆破的方法，那也是有讲究的。
就像做菜一样，不同的菜有不同的做法，这爆破也得根据岩石的具体情况来选择合适的方法。
有一种叫浅孔爆破的，就像是用小针轻轻地扎一下。
它适合那些不太厚的岩石，在岩石上打几个小孔，把炸药放进去，就能把岩石炸碎啦。
这种方法比较精细，就像绣花一样，一点点地把岩石瓦解。
还有深孔爆破呢，这可就像是用大锤子狠狠地砸下去。
它是在岩石上打很深的孔，放很多炸药进去，然后来个大规模的爆破。
这种方法适合对付那些大块头的岩石，一下子就能把它们炸得稀巴烂。
另外啊，还有预裂爆破，这就像是给岩石划一道口子，让它顺着这条口子裂开。
这样可以减少对周围岩石的破坏，让爆破更加精准。
不过啊，爆破可不是随便就能玩的，这可是个技术活，也是个危险活。
要是不小心弄错了，那可不得了，说不定会引起大灾难呢！就像放鞭炮一样，你要是不小心把鞭炮扔到了不该扔的地方，那后果可不堪设想啊！所以啊，进行岩石爆破的时候，一定要找专业的人来干，他们有经验，知道怎么安全地把岩石给炸了。
而且，爆破前的准备工作也很重要呢！得先好好勘察一下地形，看看周围有没有什么建筑物啊、人啊之类的，可不能伤到他们。
还要计算好炸药的用量，用多了浪费，用少了又炸不碎岩石，这可得好好掂量掂量。
总之啊，岩石爆破这事儿，既有趣又危险。
我们要好好利用它的原理和方法，把那些顽固的岩石给征服了，同时也要注意安全，可别让它反过来伤到我们自己哟！你说是不是这个理儿？。
5.岩石爆破破碎机理
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26
（3）爆破能量的计算
1）临界深度W c 当岩石条件、炸药条件一定时，炸药埋置深度 达到一定深度后，炸药的爆破作用只限于岩体 内部作用，此时炸药埋深的上限。
1
Wc EbQc3
（5-20）
2）最佳深度 W 0
当岩石条件、炸药条件一定时，炸药埋置深度 逐渐减小，爆破漏斗体积达到最大时，炸药的 埋置深度。
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②环状裂隙的形成
当爆炸压应力波通过破裂区时，由于岩石受到 强烈的压缩而储蓄了一部分弹性变形能。当压 应力波通过后，这部分能量就会释放出来，从 而引起岩石质点的向心运动而产生径向拉伸应 力。如果这个拉伸应力值高于岩石动抗拉强度， 就会在岩石中产生环状裂隙（即岩石出现卸载 拉伸断裂）。
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2.爆破漏斗特性
根据利文斯顿爆破漏斗理论，对爆破漏斗进行 研究，得到如下结论
图5-11花岗岩爆破漏斗特性曲线
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图5-12铁燧石爆破漏斗特性曲线
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图5-13 不同岩石的爆破漏斗特性曲线 图5-14不同炸药的花岗岩爆破漏斗特性曲线
1-花岗岩；2-砂岩；3-泥土岩
此时的最小抵抗线 计算方法应按下式 计算
W
l2
1 2 l1
（5-34）
图5-15 柱状装药垂直于自由面
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34
（2）柱状药包平行于自由面 1）标准抛掷沟槽爆破
Q qbW 2l
（5-35）
2）非标准抛掷沟槽爆破
Qf nqbW2l（5-36）
图5-16 柱状装药平行于自由面
1-铵油炸药；2-浆状炸药；3-含铝浆状炸药
第5章 爆破工程岩石爆破基本原理
• 也就是药包在自由面附近爆炸时，岩石是怎样破坏的。 又称自由面的破坏作用。
§5
岩石爆破基本ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理
• (1)反射拉应力波引起自由面岩石破坏(片落)
• 即由霍布金森效应引起的破坏。
• ①当入射压应力波传播到自由面时，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，拉应力 超过岩石的抗拉强度时，发生片落现象。这种效应叫 做霍布金森(Hopkinson)效应。
下
§5
岩石爆破基本原理
σr σr
径向拉应力 岩石开裂 环向裂隙 返回
`
`
§5
岩石爆破基本原理
• ④产生剪切裂隙的原因
• 在径向裂隙和环向裂隙形成的同时,岩石还受到径向 应应力和切向应力的的共同作用,进而产生剪切裂隙。 如下图所示。
• 4. 岩石的分区 • 根据岩石的破坏特征，由内向外，可将岩石大致分为 三个区： • ① 压缩（粉碎）区（近区） • 形成的空腔称为压缩区。
§5
岩石爆破基本原理
• ②(8～150)r：应力波作用区;
• 特点：冲击波压应力波，波阵面上的状态参数变化 比较平缓；波速等于岩石中的声速。
• 由于压应力波的作用，岩石处于非弹性状态，可导致 岩石的破坏或残余变形。 • 应力衰减与距离二次方成正比。
爆炸应力波及其作用范围 r—药包半径 tH—介质状态变化的时间 ts—介质状态恢复到静止状态的时间
§5
岩石爆破基本原理
• 3.爆破漏斗的几何参数
θ
r
H h W
• (1)最小抵抗线W • (3)爆破作用半径R
•(4)爆破漏斗深度H •(6)爆破漏斗张开角θ
• (2)爆破漏斗底圆半径r •(5)爆破漏斗可见深度h •说明：(1)、(2)、(3)称为爆破漏斗三要素。
岩石爆破理论
爆轰压力、爆炸压力、爆炸作用时间、能量利用率
炸药爆热、爆温、 爆轰气体体积
7.7.2 岩石特性对爆破作用的影响
• 岩石特性——物理力学性质、动载特性和地 质条件。实际是岩石对应力波传播的影响
• 结构面对应力波传播的影响：加剧了应力波 能量的吸收；改变了应力波的传播方向（反 射、透射）。决定了爆破裂隙的扩展程度。
为了获得较好的爆破效果，应使炸药的波阻抗尽量 接近岩石的波阻抗。
• 岩石中的动应力场
爆炸荷载为动荷载，在爆炸荷载作用下，岩石中引 起的应力 状态表现为动的应力状态。它不仅随时 间变化，而且随距离远近而变化。
最大主应力、最小主应力、剪应力
7.3岩石中的爆炸气体
• 冲击波在前，爆炸气体在后 • 冲击波时间短，爆炸气体作用时间长 • 爆炸气体能量大 • 按准静态分析
爆破理论确立阶段 ：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，爆破过程3阶段论。
爆破理论最新发展阶段 ：裂隙岩体爆破理论；断裂力学和损伤力学引入； 计算机模拟和再现，爆破块度和爆堆形态预测； 新思想和新方法进入爆破理论研究。
岩石爆破理论研究的内容：
• 爆轰波理论的研究
• 应力波分类：
应力波 （传播途径）
体积波
表面波
纵波P波
运动方向一致 压缩波
横波S波
运动方向垂直 剪切波
瑞利波R波
能量大 地震破坏
勒夫波 Q波
按波阵面形状分类：球面波、柱面波、平面波 按介质变形性质分类：弹性波、粘弹性波、塑性波、冲击波
冲击荷载的特征： 承受载荷作用的物体自重非常重要； 在承载体中诱发出的应力是局部性的； 承载体的反应是动态的
爆破工程复习大纲
爆破⼯程复习⼤纲爆破⼯程复习⼤纲第⼀章炸药爆炸基本理论1.何谓爆炸现象？有何特点？⼀般地说，压⼒急剧释放的现象都可称为爆炸。
⽕药的快速燃烧、炸药爆轰都是爆炸、从核爆到锅炉、煤⽓罐爆裂，岩爆也都是爆炸。
爆炸现象的主要特点有（1）在极短时间内产⽣⾼温、⾼压⽓体的骤然膨胀；（2）在爆炸点周围介质中发⽣急剧的压⼒突跃；（3）伴有声、光现象。
2.爆炸现象哪⼏类？根据其本质的不同可分为三类（1）物理爆炸；（2）化学爆炸；（3）核爆炸。
3.形成化学爆炸的必要条件是什么？化学爆炸的必要条件是（1）爆炸过程必须放出⼤量的热量；（2）化学反应过程必须是⾼速的；（3）化学反应过程应能⽣成⼤量的⽓体产物。
4.什么是炸药？炸药的主要成分是什么，各起何作⽤？炸药是在⼀定条件下，能够发⽣快速化学反应，放出能量，⽣成⽓体产物，显⽰爆炸效应的化合物或混合物，主要由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）四种元素组成，其中O 为氧化剂，C、H为还原剂，N为载氧体。
5.起爆药和猛炸药各有何特点？起爆药主要有雷汞、氮化铅、⼆硝基重氮酚等，其主要特点是感度⾼，威⼒不⼤，仅做起爆⽤。
猛炸药分单质猛炸药和混合猛炸药。
单质猛炸药主要有梯恩梯、⿊索⾦、特屈⼉、太安、硝化⽢油等。
主要的混合猛炸药有铵梯类炸药、铵油类炸药、铵松蜡炸药、浆状炸药、⽔胶炸药、乳化炸药等⼯业炸药。
猛炸药的主要特点是感度⼩、威⼒⼤，作为炮孔、弹体主装药，被起爆后对介质做功，威⼒⼤。
6.什么是炸药的起爆？起爆能的形式主要有哪⼏种？起爆是指在外部起爆能作⽤下，炸药从不稳定状态到稳定状态的化学体系变化过程。
起爆能的形式主要有：热能、机械能和爆炸冲能。
7.什么是炸药的感度？研究炸药感度有何意义？炸药感度是指炸药在外能作⽤下发⽣爆炸反应的难易程度。
感度⾼的，所需起爆能⼩。
研究炸药感度的意义是（1）关系到炸药在制造、运输、搬运、储存、使⽤过程中的安全。
（2）关系到装药能否安全起爆，对爆破效果有重要作⽤。
5第五章 岩石爆破理论
炸药爆炸能量利用率
区分: 爆炸压力
2019/9/18
爆轰压 力
爆轰压力是指炸药爆炸时爆轰波波阵面（C-J面）上的压力。
炸药完成爆炸反应以后，爆轰气体产物膨胀作用在炮孔壁上的压力。
第五章 岩石爆破理论
32
自由面在爆破中的作用
① 反射应力波。 当爆炸应力波遇到自由面时发生反射，压缩应力波变为拉伸波，引起
哈努卡耶夫把岩石按波阻抗值分为三类：
(1) 第一类岩石属于高阻抗岩石。其波阻抗为15~25MPa·s/m . 这类岩石的破坏，主要取决于应力波，包括入射波和反射波。 (2) 第二类岩石属于中阻抗岩石。其波阻抗为5~15MPa·s/m。 这类岩石的破坏,主要是入射应力波和爆生气体综合作用的结果 (3) 第三类岩石属于低阻抗岩石。其波阻抗小于5MPa·s/m。 这类岩石的破坏，以爆生气体形成的破坏为主。
炮孔堵塞的作用：
（1） 保证炸药充分反应，使之放出最大热量和减少有毒气体生成量.
（2） 降低爆生气体逸出自由面的温度和压力，提高炸药的热效 率，使更多的热量转变为机械功。
（3） 在有瓦斯的工作面内，除降低爆炸气体逸出自由面的温度和压 力外，炮泥还起着阻止灼热固体颗粒（例如雷管壳碎片等）从 炮孔内飞出的作用，提高爆破安全性。
Q p(0.40.6n3)kbW 3 1W/
25
W25m W25m
松动爆破的装药量公式可以表示为：
Q s(0.33~0.5)kbW 3
2019/9/18
第五章 岩石爆破理论
21
延长药包装药量计算
A
2019/9/18
延长药包垂直于自由面
Qkbf(n)W3 1
W ld 2 le
拉伸应力 2达到极大值时 1和 2的方向
第五章岩石爆破理论
2019/11/20
第五章 岩石爆破理论
16
a n = 1.0
标准抛掷爆破漏斗
b n > 1.0
加强抛掷爆破漏斗
0.75 < n < 1.0
c 减弱抛掷爆破漏斗 （也称加强松动爆破漏斗）
d n < 0.75
松动爆破漏斗
2019/11/20
第五章 岩石爆破理论
17
第三节 成组药包爆破时岩石破坏特征
5 爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙。
2019/11/20
第五章 岩石爆破理论
12
爆破的外部作用，其特点是在自由面上形成了一个倒圆锥形爆 坑，称为爆破漏斗。
爆 破 漏 斗
2019/11/20
第五章 岩石爆破理论
13
爆破漏斗的几何要素 自由面：被爆破的介质与空气接触的面，又叫临空面。 最小抵抗线：药包中心距自由面的最短距离。爆破时，最小抵抗线方向的岩石最容易
f(n)具体的函数形式有多种，各派学者的观点不一，
我国工程界应用较为广泛的是前苏联学者鲍列斯阔夫
提出的经验公式：
f(n) = 0.4＋0.6n3 Qp= (0.4＋0.6n3)kbW3
适用于集中药包抛掷爆破装药量的计算
2019/11/20
第五章 岩石爆破理论
28
上式计算加强抛掷爆破的装药量时，结 果与实际情况比较接近。但是，当最小抵抗
2
爆生气体膨胀作用理论
爆炸应力波反射拉抻 作用理论
爆生气体和应力波综合 作用理论
爆轰波冲击和压缩着药包周围的岩壁，在岩壁中激 发形成冲击波并很快衰减为应力波。 此应力波在周围 岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面 时，产生反射拉应力波。当拉应力波的强度超过自由面 处岩石的动态抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产 生拉伸片裂破坏，直至拉伸波的强度低于岩石的动态抗 拉强度处时停止。
5.岩石爆破破碎机理
13.04.2021
19
（2）破裂区的形成
1）径向裂隙的形成
①在应力波的作用下，使岩石质点产生径向 位移，在构成径向压应力场和切向拉应力场。 当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处 岩石被拉断，形成与粉碎区贯通的径向裂隙；
②高压爆生气体膨胀作用在对周围岩石产生 强烈压缩的同时，也对已形成的径向裂隙产 生气楔作用，促进了径向裂隙的扩展；
此时的最小抵抗线 计算方法应按下式 计算
1 W l2 2 l1
（5-34）
图5-15 柱状装药垂直于自由面
13.04.2021
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（2）柱状药包平行于自由面 1）标准抛掷沟槽爆破
Q qbW 2l
（5-35）
2）非标准抛掷沟槽爆破
Qf nqbW2l（5-36）
图5-16 柱状装药平行于自由面
13.04.2021
13.04.2021
11
③爆生气体的作用
炸药爆炸后产生的大量爆生气体，一方面对径 向裂隙产生气楔作用，促使径向裂隙进一步扩 展；同时它同样强烈压缩周围岩石，随着压力 的降低，也会产生卸载拉伸，使环向裂隙得到 进一步扩展。
因此，裂隙区的岩石在爆轰波和爆轰气体 共同作用下，就形成相互交错的径向裂隙和环 状裂隙，并将此区域内的岩石分割成大大小小 的碎块。
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二、面积公式 1.适用范围 预裂爆破、光面爆破和切割爆破 2.计算公式
Q qm A
（5-37）
13.04.2021
37
三、单位炸药消耗量的确定方法(BE0101-2) 单位炸药消耗量q b 是指单个集中药包形成标准 抛掷爆破漏斗时，爆破每立方岩石所消耗的2 号岩石铵梯炸药的质量。
1.查表法
13.04.2021
第五章 岩石爆破基本原理
第5章 岩石爆破基本原理第1节 爆破破碎原理炸药在岩体内爆炸瞬间释放出巨大的能量，使岩体产生不同程度的变形和破坏。
为了达到低能耗、高效率破碎岩体的目的，并能有效地控制爆破产生的各种危害，就必须了解爆炸荷载作用下岩体的变形与破坏规律，分析爆破破碎原理，指导爆破设计与施工。
只有这样，才能合理地确定爆破参数和有效地控制爆破作用。
由于炸药的爆炸反应是高温、高压和高速的瞬态过程，岩体性质和爆破条件复杂多变，加之爆破工作具有较大的危险性，因此给直接观测和研究岩体的爆破破坏过程造成了极大的困难。
迄今为此，人们对岩体爆破作用过程仍然了解得不透彻，尚不能形成一套完整而系统的爆破理论。
尽管如此，随着长期实践经验的积累和现代科学技术的发展，借助先进的爆破测试技术以及模拟爆破试验，对爆破作用原理的研究取得了较大的进展，提出了多种岩体爆破机理的观点，在一定程度上反映了岩体的爆破破坏规律，具有一定的指导意义和实用价值。
一、爆破作用的基本原理1． 爆破破坏作用的基本观点爆破破坏作用的观点很多，大致可归纳为如下三种：（1） 爆轰气体破坏作用的观点。
从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量的高温、高压气体。
这种气体膨胀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。
当药包埋深不大时，在最小抵抗线方向（即地表方向），岩1石移动的阻力最小，运动速度最高。
由于存在不同速度的径向位移，在岩体中形成剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的动态抗剪强度时就会引起岩石破裂。
在爆轰气体膨胀推力作用下，自由面附近的岩石隆起、开裂，并沿径向方向推出，如图5—1。
这种观点不考虑冲击波的破碎作用。
（2） 应力波破坏作用观点。
从爆炸动力学的观点出发，认为药包爆炸产生强烈的冲击波，冲击、压缩周围的岩体，造成邻近药包的岩体局部压碎，之后冲击波衰减为压应力波继续向外传播。
当压应力波传播到岩体界面（自由面）时，产生反射拉应力波，若此拉应力波超过岩石的动态抗拉强度时，从界面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，如图5—2所示。
5岩土中爆炸的基本理论
这种学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引起岩 石破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏 作用，其基本观点如下：爆轰波冲击和压缩着药包周 围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为应 力波。 此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前 传播，当应力波传到自由面时，产生反射拉应力波当 拉应力波的强度超过自由面处岩石的动态抗拉强度时， 从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，直至拉 伸波的强度低于岩石的动态抗拉强度处时停止。
二 爆破破坏作用分析
★1、应力波的动态破坏作用： ＊（1）：压应力波作用产生径向裂隙； ＊（2）：稀疏波作用产生环向裂隙； ＊（3）：应力波反射拉伸破坏作用； 霍金逊效应 反射拉伸波使径向裂隙延伸 2、爆生气体的似静压破坏作用 ＊（1）：爆轰气体的似静压作用产生径向裂隙； ＊（2）：爆轰气体的压力释放产生环向裂隙； ＊（3）：爆轰气体的“气楔”作用使裂隙延伸； 3、应力波和爆轰气体的共同作用
1)耦合装药时传入岩石中的爆炸载荷 (1)爆洪波参数：根据流体动力学爆轰理论， 可以建立炸药正常爆轰条件下的爆轰参数 计算式，目前普遍采用的炸药爆轰参数的 简明（近似）计算式如下：
式中Qv为炸药的爆热；ρ 0 为炸药的密度； D为炸药的爆速； p、u、c分别为爆轰波 阵面的压力、产物密度、质点速度和声速。
1)等效波阻抗法 右图所示为应力波垂直 通过k+1 层岩石介质的 传播。在层面1上有应力 和速度连续条件
式中， z1为第一层介质 的波阻抗，后面类同。
改变波的相位因子，可确定同一瞬时界面2的质点速度。 正向前进的波乘因子 ， 负向前进的波乘因子 于是，有
式中，
d1为层厚；λ1为波长。
由式(1)、(2)，得到 同理，在界面2上有 将式(4)代入式(3)，并 进行矩阵运算 同理，根据界面2、3 上的连续条件，有 重复上述过程，直到 界面k和k+1，可得到 联立以上方程，有
岩石爆破理论
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和理论依据归类，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。
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第五章 岩石爆破理论
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（2）反射拉伸波引起径向裂隙的延伸 外 部 作 用
反射拉伸波对径向裂隙的影响
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第五章 岩石爆破理论
10
炸药在岩石中爆破的破坏过程
A
第一阶段
炸药爆炸 后冲击波径 向压缩阶段 .
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B
第二阶段
对应力波 反射引起自 由面处的岩 石片落。
第五章 岩石爆破理论
主要内容 5.1 岩石爆破破坏基本理论
5.2 单个药包爆破作用
5.3 成组药包爆破时岩石破坏特征
5.4 装药量计算
5.5 利文斯顿爆破漏斗理论
5.6 影响爆破作用的主要因素
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第五章 岩石爆破理论
1
第一节 岩石爆破破坏基本理论
爆生气体膨胀作用理论
爆炸应力波反射拉抻 作用理论
应力波作用学说只考虑了拉应力波在自由面的反射 作用，不仅忽视了爆轰气体的作用，而且也忽视了压应 力的作用，对拉应力和压应力的环向作用也未予考虑。 实际上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作用为主。
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第五章 岩石爆破理论
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爆炸应力波反射拉抻作用理论 (爆破的外部作用-----霍金逊效应)
岩石杆件的爆破
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第五章 岩石爆破理论
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a n = 1.0
标准抛掷爆破漏斗
b n > 1.0
加强抛掷爆破漏斗
0.75 < n < 1.0
c 减弱抛掷爆破漏斗 （也称加强松动爆破漏斗）
d n < 0.75
松动爆破漏斗
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第五章 岩石爆破理论
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第三节 成组药包爆破时岩石破坏特征
当相邻两药包齐发爆破时，在沿炮孔连心线上的应力得到 加强，而在炮孔连心线中段两侧附近则出现应力降低区。
爆破漏斗张开角：爆破漏斗的顶角。（ θ）
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第五章 岩石爆破理论
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最小抵抗线方向 ——破碎和抛掷、堆积的主导方向。
各种爆破方法的最小抵抗线
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第五章 岩石爆破理论
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爆破漏斗的基本形式
爆破作用 指数
爆破作用指数n ：它是爆破漏斗半径r和最小抵抗线W的比值，即：
n r W
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相邻炮孔中心连线上准静态拉应力分析
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。
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第五章 岩石爆破理论
5
第二节 单个药包爆破作用
当药包在岩体中的埋置深度很大，
内
其爆破作用达不到自由面时，这种
C
第三阶段
爆炸气体膨胀， 岩石受爆炸气体超 压力的影响，在拉 伸应力和气楔的双 重作用下，径向初 始裂隙迅速扩大。
第五章 岩石爆破理论
11
炸药在岩石中爆破的破坏模式
1 炮孔周围岩石的压碎作用；
主要的 五种破 坏模式
2 径向裂隙作用 ； 3 卸载引起的岩石内部环状裂隙作用； 4 反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸；
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第五章 岩石爆破理论
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当单个药包在岩体中的埋置外部ຫໍສະໝຸດ 深度不大时，可以观察到自由面
作
上出现了岩体开裂、鼓起或抛掷
用
现象。这种情况下的爆破作用叫
爆破的外部作用。
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第五章 岩石爆破理论
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（1）反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落 外 部 作 用
霍普金森效应的破碎机理
A—应力波合成的过程；B—岩石表面片落过程
5 爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙。
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第五章 岩石爆破理论
12
爆破的外部作用，其特点是在自由面上形成了一个倒圆锥形爆 坑，称为爆破漏斗。
爆 破 漏 斗
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第五章 岩石爆破理论
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爆破漏斗的几何要素 自由面：被爆破的介质与空气接触的面，又叫临空面。 最小抵抗线：药包中心距自由面的最短距离。爆破时，最小抵抗线方向的岩石最容易
药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些爆 炸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。当岩石的抗拉强度低于压 应力在切向衍生的拉应力时，将产生径向裂隙。
作用于岩壁上的压力引起岩石质点的径向位移， 由于作用力的不等引起径向位移的不等，导致在岩石 中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的抗剪强 度时，岩石就会产生剪切破坏。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。
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板件爆破试验
1—装药孔 2—破碎区 3—拉裂区 4—震动区
水泥板的爆轰破坏
1—空气冲击波波阵面； 2—水泥板中冲击波波阵面； 3—水泥板
第五章 岩石爆破理论
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爆生气体膨胀作用理论
爆炸应力波反射拉抻 作用理论
爆生气体和应力波综合 作用理论
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。
部
情况下的爆破作用叫作爆破的内部
作
用
作用，相当于单个药包在无限介质
中的爆破作用。
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第五章 岩石爆破理论
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（1）粉碎区（压缩区）
内
（2）裂隙区（破裂区） （3）震动区
部
作
用
径向压缩引起的切向拉伸
爆破的内部作用
1—径向裂隙 2—环向裂隙
Rc－药包半径；Rp－粉碎区半径；Rc－破裂区半径 径向裂隙和环向裂隙的形成原理
爆生气体和应力波综合 作用理论
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第五章 岩石爆破理论
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爆生气体膨胀作用理论
爆炸应力波反射拉抻 作用理论
爆生气体和应力波综合 作用理论
爆轰波冲击和压缩着药包周围的岩壁，在岩壁中激 发形成冲击波并很快衰减为应力波。 此应力波在周围 岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面 时，产生反射拉应力波。当拉应力波的强度超过自由面 处岩石的动态抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产 生拉伸片裂破坏，直至拉伸波的强度低于岩石的动态抗 拉强度处时停止。
破坏，它是爆破作用和岩石抛掷的主导方向。 （W） 爆破漏斗半径：形成倒锥形爆破漏斗的底圆半径。（r ） 爆破漏斗破裂半径：从药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。 （R） 爆破漏斗深度：爆破漏斗顶点至自由面的最短距离。 （H） 爆破漏斗可见深度：爆破漏斗中碴堆表面最低点到自由面的最短距离。 （h ）