第三章 岩石爆破理论第一部分

岩石爆破理论
爆破破坏作用理论

②爆炸气体膨胀压力破坏作用理论：
基本观点： 该理论从静力学观点出发，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 用在药包周围地的岩壁上，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
岩石爆破理论
有关知识
炸药爆炸后进入岩体过程：

岩体中炸药爆炸时，岩体介质受到冲击扰动，而在 岩体中传播的波，在波的阵面前后，岩体应力状态 发生变化，因此把在固体中传播的扰动波，统称为 应力波。

应力波分体积波和表面波； 体积波分纵波(P波)和横波(S波)，纵波波速表征岩 石特性； 表面波主要是瑞利波(R波)：在岩体中传播的纵波、 横波传到岩体与空气界面时，在界面上生成一种沿
岩石破坏首先是爆炸冲击波在炮孔周围的岩石中 产生裂隙破坏，其后是爆炸气体进一步地扩展了 裂隙。在破碎岩石上冲击波和爆炸气体共同起作 用。该理论明确提出了爆破作用三个阶段。 对于冲击波和爆炸气体所起作用各占多大比例以 及两者在时间和空间的分配上又有不同的观点， 而且随着时间的推移、实验技术的改进又时有新 的变化。 倡导和支持这种观点的学者有C．W．利文斯顿， Ф ．A．鲍姆，伊藤一郎，P．A．帕尔逊，H．K ．卡特尔雪，L．K．朗和T．N．哈根等。
1、冲击波所携带的能量只占理论估算的炸药总能
量的5%~15%。
缺陷 时才能够引起岩石的片落。 2、K=5.0kg/m3
3、外部作用与内部作用比较，单耗相差3~7倍。 4、根据试验，在压碎带和片裂带之间，存在一个
非破碎带，这部分岩石有什么机理引起破碎的
，冲击波理论无法解释。
岩石爆破理论
爆破破坏作用理论
剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆炸气体膨胀推力 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。
岩石爆破理论
爆破破坏作用理论

②爆炸气体膨胀压力破坏作用理论：
观点的依据： 岩石发生破碎的时间是在爆炸气体作用时间内
炸药中的冲击波能仅占炸药总能量的5%~15%。
对该理论的评述： 该理论全面阐述了爆炸气体在岩石破碎中的作用，可取
爆破
岩石爆破理论
岩石爆破理论
有关知识
炸药爆炸后进入岩体过程：
炸药爆炸后进入岩体， 冲击波在岩体内开始传播：

分为3个作用区：
1.冲击波作用区：在3～7倍药包半径范围内； 2.应力波作用区或压缩应力波作用区； 3.弹性振动区，在岩体中这个区域内，以弹性波 的形式传播，符合虎克定律。
爆破
岩石爆破理论
岩石爆破理论
观点依据： 1. 固体应力波的研究成果提供了可贵的借鉴；
①玻璃内的冲击波； ②日野氏等吸收了H.考尔斯基对固体应力波研究最主要 的成果；
2. 脆性固体的抗拉强度；
①抗拉强度的重要性。 ②破裂论提供了裂隙发展的原理和计算方法。
岩石爆破理论 2.岩体的爆破破碎机理 爆破破坏作用理论 爆炸冲击波反射拉伸破坏理论： 不破坏处为临界状态
抵 抗 线
入射波
反射波
入射反射拉压相互 作用使岩石破坏
1
2 (a) (b) (c) (c)
图3-1 反射拉伸波破坏过程示意图 1-压应力波波头；2-反射拉应力波波头
岩石爆破理论
爆破破坏作用理论
爆炸冲击波反射拉伸破坏理论：

对冲击波拉伸破坏理论的评述

⑴冲击波拉伸破坏理论的重要意义
⑵ 冲击波拉伸破坏理论的不足
岩石爆破理论
在装药量一定的条件下，若最小抵抗线超过某一
临界值，当装药爆炸后，在自由面上就不会看到
爆破迹象。我们把最小抵抗线的这一临界值称为
临界抵抗线Wc。
在自由面上没有爆破迹象，说明爆破作用只发
生在岩体内部，装药的这种作用称为内部作用。
2.岩体的爆破破碎机理 炸药在岩石中的作用范围 爆破的内部作用
爆炸
第三章岩石爆破理论
从爆炸到工程爆破：

岩石爆破理论
爆炸是某一物质系统在有限空间和极短
回 顾
的时间内，释放出大量能量的物理、化学
变化过程。在这个变化过程中，通常伴随
着热、光、声响和电磁等现象发生。

爆炸分物理爆炸、化学爆炸、核爆
炸三类

炸药爆炸属化学爆炸
岩石爆破理论
从爆炸到工程爆破


爆破：利用炸药爆炸的能量对介质作功。
2.岩体的爆破破碎机理 爆破破坏作用理论
岩石爆破理论
爆破作用三个阶段
a 径向压缩阶段； b 冲击波反射阶段；c 爆炸气体膨胀阶段
2.岩体的爆破破碎机理 炸药在岩石中的作用范围
空 裸露 气 药包
岩石爆破理论
自由面
抵 抗 线
WO WC 岩 石
外部 作用
爆破 漏斗
最佳抵 抗线 临界 抵抗线
内部 作用
抵抗线 三个 破坏区 炸药

爆破
岩石爆破理论
岩石爆破理论
有关知识
炸药爆炸后进入岩体过程：

炸药爆炸后生成的高温、高压气体在岩体中 膨胀作功，使岩体破碎、移动、抛掷，它反 映了炸药爆力的大小。

爆炸气体作用的时间远远大于冲击波的作用 时间，相对于后者的“动”的作用，一般把 前者看作“静”的作用。
岩石爆破理论
爆破破坏作用理论
岩石爆破理论 2.岩体的爆破破碎机理 爆破破坏作用理论 ③ 爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破 坏理论：
爆破作用三个阶段。 第一阶段：冲击波径向压缩阶段。爆轰波的高 压作用，炮孔孔壁粉碎并开始膨胀； 第二阶段：冲击波反射阶段。压应力波从炮孔 开始向外传播，其传播速度等于岩石中声速，当 其从自由面返回时，便在自由面和炮孔之间产生 拉应力，拉应力大于岩石的抗拉强度，岩石出现 破裂； 第三阶段：爆炸气体膨胀阶段。爆轰气体在高 压作用下进入裂隙，造成裂隙扩展，形成岩石的 破碎与移动。
岩石爆破理论
震动区（弹性区）：破裂区以外，应力波 的瞬态应力和爆炸产物的作用不能再引起岩
石的破坏，岩体变形属于弹性变形，所以破
裂区之外的区域统称为震动区，在该区中应
力波可以传到很远的距离，变成正负相大体
对称的振动波，直至其能量完全被岩体吸收
。
2.岩体的爆破破碎机理 炸药在岩石中的作用范围 爆破的外部作用
的过度破碎。当压缩应力波通过压碎带后，继续传播但强
度大大下降，不能直接引起岩石的压破碎。当达到自由面 时反射成拉应力波，虽然拉应力比较小但达到了岩石的抗 拉强度，岩石拉断。表现为“折断”、“片落”、“分离” 等现象。逐渐形成爆破漏斗范围内的完全拉裂。
2.岩体的爆破破碎机理 爆破破坏作用理论 爆炸冲击波反射拉伸破坏理论：
R0
R1
R2
图3-2 爆破的内部作用 R0-药包半径；R1-粉碎区半径；R2-破裂区半径
σr
θ θ
σr
`
θ
σr
σr
`
σr
`
θ θ
σ
σ (a)
σr (b)
图3-3 破裂区裂隙的形成（管伯伦） σr-径向压应力；σθ-切向拉应力； σ’r-径向拉应力；σ’θ-切向压应力
θ
σ
σ
σ
σ
`
`
`
2.岩体的爆破破碎机理 炸药在岩石中的作用范围 爆破的内部作用
之处
不足之处： 从裸露药包爆破破碎大块来看，岩石破碎主要靠冲击波 的动压作用、准静态压力只有冲击波波阵面压力的 1/2~1/4
岩石爆破理论
爆破破坏作用理论 ③ 爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破 坏理论：
冲击波拉伸破坏理论和爆炸气体膨胀压破坏理论
是基于对破碎岩石的两种能源——冲击波能和爆炸
爆破理论的确立和发展
从20世纪60年代初日野氏提出冲击波拉伸破坏理论 和 U．兰格福斯（Longfors）等人提出爆炸气体膨胀压 破坏理论开始，到70年代L．C．朗（L．C．Long）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，在争论中各派都在不断完善和发展 自己的观点。
气体膨胀能的不同认识而提出来的，各有一定的理论 基础和试验依据，但又都有一定的不足之处。这一方
面是由于爆炸过程的“三性”（瞬发性、复杂性、
模糊性）造成的，另一方面也受当时的技术水平和测 试手段的限制。综合两派的论点吸收所长，结合各人 的研究成果，便提出了冲击波和爆炸气体综合作用
理论。
岩石爆破理论 2.岩体的爆破破碎机理 爆破破坏作用理论 ③ 爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破 坏理论：
工程爆破：通过爆破达到预定工程目标的作业 。 炸药
大量放热 爆炸三要素 过程极快
回 顾
爆炸 岩土爆破 拆除爆破 特种爆破 工 程 爆 破
大量气体
岩土
介 质 爆 破 砼构件 金属构件
炸药
化学变化的四形式
岩石爆破理论
炸药
回 顾
热分解
散热量大于放热量 放热量大于散热量
Hale Waihona Puke Baidu
燃烧
气体热量 排不出， 速度加快
速度放慢
爆破
岩石爆破理论
岩石爆破理论
有关知识
空气与岩石介质的分界面称为爆破自由面。 抵抗线：药包中心到自由面的距离。在英文中
为Burden，其意同负重、荷载、装载量，可看 作炸药爆炸时可以破碎的岩石量。
装药中心（轴）距自由面的最短距离称为最小
抵抗线，通常以W 来表示。
2.岩体的爆破破碎机理 炸药在岩石中的作用范围 爆破的内部作用
岩石爆破理论
当药包埋置在靠近地表的岩石中时，药包爆破后除产 生内部的破坏作用以外，还会在地表产生破环作用。 反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落和径向裂隙的 延伸。
1
2 (a) (b) (c) (c)
2.岩体的爆破破碎机理 炸药在岩石中的作用范围 爆破的外部作用
2.岩体的爆破破碎机理 炸药在岩石中的作用范围 爆破的内部作用
岩石爆破理论
破裂区（破坏区）：爆炸冲击波在通过压碎区后，锐变
为压缩波。此时压缩应力波径向应力峰值小于岩石的东 抗压强度，不能引起岩石的压碎破坏，只能使岩石质 点产生径向位移。径向方向产生压应力和压缩变形， 而切向方向产生拉应力和拉伸变形，由于岩石抗拉强 度很低，当拉应力超过岩石动抗拉强度时，就会在径 向方向上产生裂缝。爆生气体的气楔作用使裂隙得到 扩散和延伸。当应力波和爆生气体的压力进一步衰减 后，岩石受径向压缩面积蓄的能量将对外释放，转化 为卸载波而朝向爆源，形成径向拉应力，产生切向裂 隙，于是岩石被拉断成块，形成裂隙区。
岩石爆破理论
按岩石破坏的特征，可将内部作用爆破范围内的岩 石划分为三个部分：
压碎区（压缩区）：装药爆炸时，在岩体内
产生的冲击荷载越过岩石冲击变形曲线上的临 界应力后（约等于岩石的体积压缩模量），就 会在岩体内激起冲击波。使岩体产生强烈压缩 和塑性变形，岩石结构遭到严重破坏，从而在 爆炸空腔外形成压碎区。 压碎区是由塑性变形或剪切破坏形成的，其半 径一般不超过装药半径的3～7倍。
爆炸
岩石
沉积岩
分类
变质作用
岩石爆破理论
地 表
副变质岩 变质岩 正变质岩
地 壳
岩浆岩
火山岩(喷出岩 ) 变质作用 浅成岩 侵入岩 深成岩
爆破
岩石爆破理论
岩石爆破理论
基本概念
炸药 爆 炸 爆破
爆破：利用炸药爆炸的能量
岩体
对介质作功。
岩石爆破理论介绍爆破（炸药爆炸对岩石作功）的破 坏作用理论，通过对爆破作用的理论研究，了解爆破作 用过程，可以使工程爆破技术得到提高。

②爆炸气体膨胀压力破坏作用理论：
1966年《岩石爆破现代技术》（瑞典）全面论述
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。 爆炸冲击波对高阻抗的致密、坚硬岩石作用更大 。 爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软弱岩石的破碎效 果更佳。
（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。
岩石爆破理论
爆破破坏作用理论 爆炸冲击波反射拉伸破坏理论：
基本观点： 炸药在岩石中爆轰时，生成高温、高压、高速冲击波 猛烈冲击周围岩石，在岩石中引起强烈的应力波。刚开始 释放时它的强度远远超过了岩石的动抗压强度，引起周围
爆炸 爆轰
炸药
岩石爆破理论
炸药
热能起爆 理论 灼热核 理论
起爆与感度
热感度 热能 机械能 爆炸冲击 能理论 爆炸能 机械感度 爆轰感度 起爆炸药 所需外能 小，则该 炸药的感 度高；起 爆炸药所 需外能大 ，则该炸 药的感度 低。
光能、超声振动、粒子轰击、高频电磁波 （如手机通话）等也都可激起炸药爆炸。