岩土爆破理论sjs
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岩土爆破理论
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。
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。
岩土中爆炸的基本理论
炸药在岩土介质中爆炸发展图像
1)岩石中爆炸应力波的演变
炸药在岩土介质中爆炸发展图像（续）
2) 冲击 载荷作 用下岩 石的变 形及其 对应的 各种应 力波
冲击载荷作用下岩石的变形规律
炸药在岩土介质中爆炸发展图像（续）
2)冲击载荷作用下岩石的变形及其对应的各种应力波不同应力幅值时岩Fra bibliotek中传播的各种应力波
内部作用时根据岩石的破坏情况除在装药周围扩大爆腔外还将在岩石中自爆源向外依次形成粉碎区或称压缩区压碎区破裂区或称裂隙区和震爆破内部作用岩石破坏分区示意图r0r2r1破裂区半径装药内部爆破作用粉碎区密闭在岩体中的药包爆炸时产生高温高压气体爆轰压力在数微秒内急剧增高到数万兆帕强烈冲击药包周围岩石激起起冲击波产生很高的径向和切相压应力其强度远远超过岩石的动态抗压强度
式中Cp为岩石中的弹性波速度； r 为岩石的密度； D1为 爆轰波速度。
传入岩石中的爆炸载荷（续）
不耦合装药时炮孔压力 不耦合装药情况下，爆轰波首先压缩装药与孔壁间间 隙内的空气，引起空气冲击波，而后再由空气冲击波 作用于孔壁，对岩石加载。假定： a）爆炸产物在间隙内的膨胀为绝热膨胀，其膨胀规律 为PV 3=常数；b）忽略间隙内空气的存在；c）爆轰产 物开始膨胀时的压力按平均爆压Pm计算，即有： 因此求得不耦合装药时， 孔壁冲击压力为：
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： 药包爆炸，产生大量高温高压气体，这些爆炸气体迅 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 点径向位移，由于不同方向受力不等引起径向位移速度不 等，导致在岩石中形成剪切应力。当剪切应力超过岩石抗 剪强度时，岩石即产生剪切破坏。破碎岩块又在爆轰气体 推力作用下沿径向抛出，形成爆破漏斗坑。（内——外）
第三章 岩石爆破理论第一部分
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
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：
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
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。
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。
第六章 岩土中爆炸的基本理论
爆破工程
炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变 形和运动。由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万 兆帕，以致于可在岩石表面形成冲击波，并在岩 石中传播。 岩石中某局部被激发的应力脉冲是时间和距离的 函数。由于应力作用时间短，往往其前沿才传播 一小段距离而荷载已作用完毕，因此在岩石中产 生明显的应力不均现象。 岩石中各点的应力呈动态，即岩石的变形、位移 均与时间有关，岩石中的应力场随时间而变化。
中国矿大建筑工程学院
岩石的可爆性
爆破工程
岩石爆破性指数F分级方法 在标准的爆破试验条件和标准装药条件下，根据 爆破漏斗的体积、岩石破碎块度、岩石的波阻抗综合 评价岩石的可爆性，以多元回归经验公式对岩石进行 分级。 67 . 22 7 . 42 2 . 03
e K (c) d F ln 38 . 44 v 1 . 89 4 . 75 K K e p x
σθ2
微单元
σθ2
r 1 t 2 c
σr1
岩石不会被压碎
产生径向裂隙
中国矿大建筑工程学院
岩石爆破破碎机理
爆破工程
爆破体作用在爆炸空腔的 岩壁上，形成准静压应力场。 在高压气体的膨胀挤压、气楔 作用下，径向裂隙继续扩展和 延伸，并且在裂隙尖端处的气 体压力下引起应力集中，加速 裂隙的扩展，构成了靠近粉碎 区的内密外疏、开始宽末端细 的径向裂隙。
中国矿大建筑工程学院
岩石爆破破岩机理
一、岩石爆破破岩机理三种假说
爆破工程
1、爆生气体膨胀作用理论
2、反射拉伸应力波作用理论 3、爆生气体和应力波共同作用理论
中国矿大建筑工程学院
岩石爆破破碎机理
爆生气体膨胀作用理 论（静作用理论）
现代爆破技术课件第五章 岩石爆破理论
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
2019/12/18
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
2019/12/18
第五章 岩石爆破理论
20
第四节 装药量计算
目前，在岩土工程爆破中，精确计算装药量 (charge quantity)的问题尚未得到十分圆满的解决。工 程技术人员更多的是在各种经验公式的基础上，结 合实践经验确定装药量。其中，体积公式是装药量 计算中最为常用的一种经验公式。
2019/12/18
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 影响爆破作用的主要因素
2019/12/18
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
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。
2019/12/18
第五章 岩石爆破理论
7
当单个药包在岩体中的埋置
外
部
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
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
2019/12/18
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
2019/12/18
第五章 岩石爆破理论
20
第四节 装药量计算
目前，在岩土工程爆破中，精确计算装药量 (charge quantity)的问题尚未得到十分圆满的解决。工 程技术人员更多的是在各种经验公式的基础上，结 合实践经验确定装药量。其中，体积公式是装药量 计算中最为常用的一种经验公式。
2019/12/18
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 影响爆破作用的主要因素
2019/12/18
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
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。
2019/12/18
第五章 岩石爆破理论
7
当单个药包在岩体中的埋置
外
部
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
《岩土爆破理论》课件
可持续发展要求
合理利用资源、降低能耗 、提高效率、推动技术创 新等
和减震降噪技术， 实现绿色施工
05
岩土爆破理论展望
岩土爆破理论研究前沿
数值模拟与物理模拟相结合
通过建立更精确的数值模型，结合物理实验，深入研究岩土爆破 过程中的力学行为和破坏机制。
智能爆破技术
岩土爆破的基本原理
01
炸药爆炸产生的高温高压气体使岩土介质破碎或松 动。
02
炸药爆炸产生的冲击波和爆炸气体在岩土中形成冲 击应力波和剪切波，使岩土介质产生破坏。
03
炸药爆炸产生的爆炸气体膨胀作用将破碎的岩土介 质抛出，形成爆破漏斗。
岩土爆破的历史与发展
01
19世纪中叶，炸药和爆破技术开始应用于采矿和隧道开挖领域 。
利用微震监测技术，实时监测爆破过 程中的振动和破坏情况，提高爆破效 果和安全性。
通过控制炸药爆炸的方向和能量分布 ，实现特定方向的岩土破碎和分离。
岩土爆破工程实践展望
1 2 3
复杂环境下的爆破工程
针对复杂地形、地貌、地质条件下的岩土爆破工 程，研究相应的技术和方法，提高工程安全性和 可靠性。
城市地下空间开发中的爆破工程
确保使用的爆破设备和工具符合安全标准， 并定期进行检查和维护。
应急预案
制定应急预案，以应对可能发生的意外情况 ，包括人员伤亡、设备损坏等。
岩土爆破效果评估
01
02
03
破碎效果评估
根据破碎后的岩土粒径分 布、破碎程度等指标，评 估爆破效果是否达到预期 要求。
经济效益评估
比较不同爆破方案的施工 成本、经济效益等指标， 选择最优方案。
根据岩土性质、爆破条件和爆破 要求，选择合适的炸药类型和规 格，以达到最佳的爆破效果。
岩土中爆炸理论
C1 R
3
+
C2 R
2
+
C3 R
相应最大超压的一般计算公式
C1 C 2 C3 ∆p m = ρ 0 c P 3 + 2 + R R R
7.6.3 波形曲线与比冲量
岩石中爆炸波波形曲线特点是超压上升时间比较大，而 且随爆心距的增加而较快地增加
∆p(t ) = ∆pme
t+
弹性区中应力与体积应变关系
2 p = λ + G θ 3
4 σ x = p + Gθ 3
θ=
∆v = εx +εy +εz v0
σ y = σ z = p − 2 Gθ
3
体积应变 静水压力
p = 1 (σ x + σ y + σ z ) 3
屈服准则
岩土介质必然要进入塑性变形，米赛斯（Mises）屈服准则
−t / t +
im = ∫ ∆p(t )dt = ρ 0 c p ∫ u (t )dt
re 0 R b
2γ
7.7 岩土中的爆炸波传播
由于岩土介质本身的复杂性，从理论上求解爆炸波在岩土介 质中传播规律比空气和水更困难 大多数关于岩土中爆炸波参数和传播的正确知识都是从相似 模拟理论，由实验研究中得到 实验表明，在岩土中，爆炸波仍近似满足爆炸几何相似律
7.7.1 超压和超压作用时间
7.2.3 岩土的冲击绝热 岩土的冲击绝热—D-u曲线 曲线
冲击波速度与冲击波阵面上质点运动速度的关系
D = a + bu
原因：D，u都归结为对距离间隔和相应的时间间隔的测量， 是目前的测试技术比较容易实现的；而动态高压条件下的压 力、密度和内能等热力学参量，则相对较难直接测量
第4章岩石爆破理论
第4章岩石爆破理论4.1 岩石爆破特性及爆炸应力波岩石爆破理论的发展岩石爆破理论在20世纪70年代确立了冲击波拉伸破坏理论、爆炸气体膨胀压碎破坏理论、冲击波和爆炸气体综合作用理论。
随着爆破技术和相邻学科的发展，特别是岩体结构力学、岩石动力学、断裂、损伤力学和计算机模拟爆破技术的发展，使爆破理论的研究更实用化，更系统化。
计算机模拟，用以研究裂纹的产生、扩展。
但是，从总体上看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研究和生产实际仍有不小的差距。
岩石爆破理论的研究内容应该包括：（1）岩石特性，包括岩体结构、构造特征和岩石动力学性质及其对爆破效果的影响；（2）炸药能量向岩石的传递效率；（3）岩石的动态断裂与破坏；（4）爆破过程的数值模拟，预测爆破块度和爆堆形态。
岩石中的爆炸应力波在介质中传播的扰动称为波。
由于任何有界或无界的质点是相互联系着的，其中任何一处的质点受到外界作用而产生变形和扰动时，就要向其他部分传播，这种在压力状态下介质质点的运动或扰动的传播称为应力波。
炸药在岩石和其他固体介质中爆炸所激起的应力扰动（或应变扰动）的传播称为爆炸应力波。
应力波分类（1）按传播速度分类按传播途径不同，应力波分为两类：在介质内部传播的应力波称为体积波；沿着介质内、外表面传播的应力波称为表面波。
体积波按波的传播方向和在传播途径中介质质点扰动方向的关系又分为纵波和横波。
纵波又称P波，其特点是波的传播方向与介质质点运动方向一致，在传播过程中引起压缩和拉伸变形。
因此，纵波又可分为压缩波和稀疏波。
横波又称S波，特点是波的传播方向与介质质点运动方向垂直，在传播过程中会引起介质产生剪切变形。
横波纵波纵波和横波传播过程中质点振动示意图（2）按波阵面形状分类应力波在传播过程中，由于所形成的波阵面形状不同，将应力波分为球面波、柱面波和平面波。
球形药包激起的是球面波；柱状药包沿全长同时起爆时激发的是柱面波；平面药包激起的是平面波。
（3）按传播介质变形性质不同分类由于固体介质变形性质不同，在固体中传播的应力波可分为以下几种：①弹性波。
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
岩石爆破理论
2.爆炸 爆炸是某一种物质系统在有限空间和极短 时间内,大量能量迅速释放或急聚转化的物理、化学 过程。在这种变化过程中通常伴随有强烈放热、发 光和声响等效应。通常可以将爆炸归纳为三大类， 即：物理爆炸、核爆炸和化学爆炸。
3.爆轰 炸药以最大而稳定的爆速进行传播的过程 叫做爆轰。它是炸药所特有的一种化学变化形式， 并且与外界的压力、温度等条件无关。各种不同炸 药爆轰的传播速度一般为每秒数千米乃至万米。比 如，梯恩梯的爆速为6800m/s，对于任何一种炸药 来说，在给定的条件下，爆轰速度均为常数。在爆 轰条件下，爆炸具有最大的破坏作用。
▪ 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。
▪ 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。
▪ 4.岩石爆破理论研究的内容 ▪ 岩石爆破理论研究的内容包括以下几方面： ▪ ⑴爆轰波理论的研究；
▪ 十一、临界埋深和最佳埋深
▪ 药包大小一定，在一定的埋深范围内，随着埋置深度的 增加，爆破漏斗的体积也有所增加，当深度达到一定值时， 再增加埋置深度，漏斗体积反而减小，到达某一个深度时， 不再出现爆破漏斗。把爆破漏斗体积最大的埋深成为最佳埋 深，把不再出现爆破漏斗的最小埋深称为临界埋深。美国科 罗拉多矿业学院的利文斯顿经长期研究，发现临界埋深和最 佳埋深均与炸药量的三分之一次方成正比。
爆炸和爆轰并无本质上的区别，只不过传播速 度不同而已。爆轰的传播速度是恒定的，爆炸的传 播速度是可变的。从这个意义上来讲，也可认为爆 炸就是爆轰的一种形式，即不稳定的爆轰。
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。
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。
岩土中爆炸的基本理论
2)隧洞掘进爆破（柱状装药）孔壁压力计算
炮孔岩石壁受到的冲击压力
式中为db dc 分别为炮孔直径和装药直径， lb lc分别为炮孔长度 和装药长度
3)硐室爆破、光面爆破孔壁压力计算
如果装药与药室之间存在较大的间隙（如：硐室、光面爆破装 药），则爆轰产物的膨胀宜分为高压膨胀和低压膨胀两个阶段。 当气体产物压力大于临界压力时，为高压膨胀阶段，膨胀规律为 PV3=常数，当气体产物压力小于临界压力时，为低压膨胀阶段， 膨胀规律为PVx=常数（x=1.2~1.3）。临界压力pcri 为
式度中。Cp为岩石中的弹性波速度；r 为岩石的密度； D1为爆轰波速
2)不耦合装药时传入岩石中的爆炸载荷
不耦合装药情况下，爆轰波首先压缩装药与药室壁之间间隙内的 空气，引起空气冲击波，而后再由空气冲击波作用于药室壁，对 药室壁岩石加载。为求得这一载荷值，先做3点假定： （a）爆炸产物在间隙内的膨胀为绝热膨胀，其膨胀规律为PV3= 常数，遇药室壁激起冲击压力，并在岩石中引起爆炸应力波。 （b）忽略间隙内空气的存在。 （c）爆轰产物开始膨胀时的压力按平均爆压Pm计算，即有：
3)不耦合装药类型：除不耦合装药外，也采用轴向 留有空气柱的空气间隔装药，分别用装药不耦合系 数和装药系数来表述各自的装药充满程度。
不耦合系数定义为：
4)不耦合系数： 5)装药系数： 式中k 为装药不耦合系数；
为装药系数；
db和dc分别为药室直径和药包直径； lb和lc分别为药室长度和药包长度。
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
岩土中爆炸的基本理论
岩土中爆炸的基本理论第一节 岩石的动态特性和可爆性一、岩石的物理性质 (一)岩石的孔隙度岩石的孔隙度η是指岩石中各孔隙的总体积V 0。
对岩石总体积V 之比，用百分率 表示。
100%V Vη=⨯ 孔隙的存在削弱了岩石颗粒之间的连接力而使岩石强度降低，孔隙度越大，岩石强度的降低就越严重。
(二)岩石的密度和重力密度岩石的密度ρ是指构成岩石的物理质量M 对该物质所具有的体积0V V -之比，即M V V ρ=-岩石的重力密度γ是指岩石的重力G 对包括孔隙在内的岩石体积V 之比，即G Vγ=岩石的密度和重力密度性质不同，一般情况下，岩石的密度和重力密度越大，岩石就 越难以破碎，在抛掷爆破时需消耗较多的能量去克服重力的影响。
(三)岩石的波阻抗岩石的波阻抗是指岩石密度ρ与纵波在该岩石中传播速度p c 的乘积。
其物理意义是 使岩石介质产生单位质点运动速度所需要的应力波的应力值，它反应了应力波使岩石质点 运动时，岩石阻止波能传播的作用。
岩石的波阻抗值对爆破能量在岩石中的传播效率有直 接影响，通常认为炸药的波阻抗与岩石的波阻抗相匹配(相等或相接近)时，爆破传给岩石的能量最多，在岩石中引起的应变值就大，可获得较好的爆破效果。
(四)岩石的碎胀性岩石破碎后因碎片间孔隙增多而总体积增大，这一性质称为岩石的碎胀性。
碎胀性可 用碎胀系数η表示，其值为岩石破碎膨胀后的体积1V 与原岩破碎前体积V 之比，即1V Vη=二、岩石爆破荷载特性炸药爆炸施加于岩石的是冲击荷载，压力峰值高、作用时间短，即加载速度高，属动 力学范畴，研究岩石的爆破破碎就必须研究岩石的动态特性。
(一)岩石爆破的荷载性质静载时，岩石内应力场与时间无关，岩石呈静态。
爆炸荷载作用时，岩石内引起应力，应变以波的形式在岩石中传播，即岩石内应力场随时间变化，岩石呈动态。
区别动、静荷载，一般用应变率或加载速度作为指标。
应变率为应变随时间的变化率，它表征在时间增量dt 内，外荷载所引起的岩石应变增量d ε与dt 的比值，即d dtεε=式中t ——岩石受载时间；ε——岩石应变，l l ε∆=，l ∆为岩石受载后的变形量。
岩土爆破理论
6.4.4 岩石中爆破作用的5种破坏模式
在爆破的整个过程中，起主要作用的是5种破坏 模式：
(1)炮孔周围岩石的压碎作用； (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； (5)爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙。
6.5 爆破漏斗理论
由上式看出：①装药量Q与岩石体积V成正 比；②爆破单位体积岩石的炸药消耗量q不 随岩石体积V的变化而变化。应该指出，体 积公式只有当介质是松散的或者黏结很差 的情况下，以及最小抵抗线W变化不大时才 是正确的。实际上，在很多情况下，药包
6.5.3.3 利文斯顿爆破漏斗试验及V/Q-△曲
线
为了更全面地表示漏斗的特性并消除由于Q 变化而引起的曲线变化，常将V除以Q而成 为“单位重量炸药所爆下的岩石体积”作 为纵坐标，将Ly（各任意深度）与临界深度
Le之比称为深度比△作为横坐标。由于在一
组试验条件下，Q是常量，横坐标因Le对一 定岩石也是一常数，这样可得出另一组曲 线，如图6-23所示。
爆堆形态。
6.2 岩石中的爆炸应力波
在介质中传播的扰动称为波。由于任何有 界或无界介质的质点是相互联系着的，其 中任何一处的质点受到外界作用而产生变 形和扰动时，就要向其他部分传播，这种 在应力状态下介质质点的运动或扰动的传 播称为应力波。炸药在岩石和其他固体介 质中爆炸所激起的应力扰动（或应变扰动） 的传播称为爆炸应力波。
6.5.2 延长药包的爆破漏斗
按药包长径比（药包长度与其直径的比值） 的不同可将药包分为集中药包（长径比≤4） 和延长药包（长径比>4）。
在抛掷堆积分布方面，两种药包却不相同： 集中药包抛出岩土堆积在漏斗四周，而延 长药包的抛体却集中在药包轴线两侧药包 长度的范围内，堆体峰值线在过药包轴心 的垂线附近，但在药包两端却无抛体堆积。
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岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 药包爆炸时，产生高温、
压气体。气体迅速膨胀，以极 高压力（104MPa量级）作用 于药包周围岩壁上，形成径向 压应力场、同时衍生切向拉应 力场。 ❖ 当岩石抗拉强度低于切向拉
应力时，将产生径向裂隙。
θ
σr σσ
σr
θ
θ
σ
σ
θ
岩土爆破理论sjs
(a)
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
爆轰波、爆轰气体，作用于 药包周围岩壁上，在岩石中 形成冲击波并很快衰减为应 力波。
冲击波在药包附近产生 “压 碎”现象，应力波在压碎区 域之外产生径向裂隙。
岩土爆破理论sjs
R0
R1 R2
3 岩石爆破作用机理三大学说
随后，爆轰气体继续压缩压碎的岩石，并“楔入”应力波作 用下产生的裂隙中，使之继续延伸和张开。
❖ 了解岩石爆破破碎作用机 理是优化爆破参数，获得 良好爆破效果的基础。
岩土爆破理论sjs
施工人员正在钻孔
3 岩石爆破破碎机理三大学说
❖ 经典岩石爆破破碎机理有如下三大学说：
村田勉等提出的爆炸气体膨胀压力作用学说； 日野熊雄等提出的爆炸冲击波（应力波）作用学说； 综合2派观点的爆炸应力波和气体膨胀共同作用学说。
冲击波作用区之外，是应力波，其衰减规律与冲击波相
同，但衰减指数较小。前苏联学者给出的衰减指数为
• 我国武汉岩土力学研究所通过现场试验得出的应力波
衰减指数为：
• 在应力波作用区，岩石中柱状应力波的径向应力与切向
应力之间有如下关系：
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 在交通、水利水电、采矿 等工程领域，爆破是最广 泛、有效破岩手段。
破应用于巷道掘进，就有了计算炸药量的方法，出现了早 期爆破理论。
❖ 爆破理论确立阶段 20/60年代日野熊雄提出冲击波拉伸破坏理论和U.兰格福
斯（Longefors）等提出爆炸气体膨胀破坏开始，到70年代 L.G朗（Long）提出爆破作用三个阶段止，历时十余年基本 确立岩石爆破理论。
岩土爆破理论sjs
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
❖ 应力波作用学说只考虑了拉应
缺陷
力波在自由面反射作用，忽视
了爆轰气体作用。
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说
该学说综合考虑应力波和爆轰气体在岩石破 坏过程中所起作用，认为：岩石爆破破坏是 应力波和爆轰气体共同作用结果。 为大多数研究者所接受。基本观点如下：
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
❖ 岩石中应力波特性 ➢ 炸药在岩石中爆炸，开始产生的是冲击波，极短时
间上升到峰值压力，而后迅速下降，作用过程很短。 ➢ 冲击荷载作用下，岩石内激起爆炸应力波。 ➢ 了解应力波特性是研究爆破机理的前提。
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
➢ 爆炸应力波随爆源距离变化特点： • 爆源近区是冲击波，以超声速传播； • 随距离增大，冲击波衰减为压缩应力波，以声速传播； • 距离进一步增大，应力波衰变为周期性振动地震波。
❖ 但由于爆破特殊性、岩石性质不确定性，使爆破理 论不统一，众说纷纭。
❖ 从发展历程看，岩石爆破理论发展经历3阶段：早期 发展阶段、爆破理论确立阶段、爆破理论最新发展 阶段。
岩土爆破理论sjs
1.岩石爆破理论发展
❖ 早期发展阶段 1613德国马林（Marlin) 、Weigel等在Freisberg矿将爆
Байду номын сангаас• 若药室半径为a，距离爆
心r处的岩体内冲击波压力：
Pr
PD
(
a r
)n
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 应力波向前传播，传到
自由面产生反射拉应力波 1
2
• 当拉应力波强度超过自
由面处岩石动抗拉强度，
产生拉伸片裂破坏，岩石
(a)
(b)
1-压应力波波头；2-反射拉应力波头
逐渐片裂形成爆破漏斗。
1.岩石爆破理论发展
❖ 爆破理论最新发展 ❖ 始于20/80年代，主要标志：裂隙介质爆破机理的产
生；断裂力学与损伤力学的引入；爆破计算机模拟 技术应用等。 ❖ 随着实验技术和相关学科的发展，岩石爆破机理的 研究出现了一个崭新局面。 ❖ 但是，由于爆破对象复杂性、爆破过程高温、高压、 高速等特征的不可测试性，迄今人们对岩石爆破破 碎机理仍无定论。
❖ “三大学说”一定程度上反映了岩石爆破作用机理， 对爆破理论研究和实践具有重要意义。
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
一、爆轰气体压力作用学说( explosion gas failure theory) 该学说从静力学观点出发，认为岩石破碎主要是由
爆轰气体（explosion gas）膨胀压力引起的。其基本观 点如下：
岩石爆破理论 第一部分
岩土爆破理论sjs
主要内容
❖ 1.岩石爆破理论发展概况 ❖ 2. 岩石中爆炸应力波 ❖ 3. 岩石爆破作用机理三大学说 ❖ 4. 药包爆破作用原理 ❖ 5.爆破漏斗 ❖ 6. 利文斯顿爆破漏斗理论
岩土爆破理论sjs
1.岩石爆破理论发展
❖ 随着科学技术发展，特别计算机模拟技术在爆破领 域应用，岩石爆破理论已有长足进步。
二、应力波作用学说（shock wave failure theory） 该学说以爆炸动力学为基础，认为岩石破 碎主要是应力波引起。基本观点如下：
岩土爆破理论sjs
2 岩石爆破作用机理三大学说
• 爆轰波冲击、压缩药包
周围岩壁，形成冲击波并快
速衰减为应力波；应力波使
近距离岩石破碎，远距离岩
石变形开裂。
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
❖ 岩石中爆炸冲击波的衰减规律 爆源近区，岩石中传播的是冲击波。岩石可看成流体，
冲击波压力随距离衰减规律为：
Pr
P2r
式中
为比距离，r 为距药室中心的距离；
rb 为药室（炮眼）半径； r 为径向应力峰值；
为压力衰减指数，对冲击波取
，
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 同时作用岩壁压力引起质点径向位移，作用力不等径向位 移不同，导致岩石中形成剪应力。超过岩石抗剪强度时， 产生剪切破坏；爆轰气体压力足够大时，将推动破碎岩块 作径向抛掷运动。
• 该学说忽视了岩体中冲击波和应力波（stress wave）
的破坏作用。
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 药包爆炸时，产生高温、
压气体。气体迅速膨胀，以极 高压力（104MPa量级）作用 于药包周围岩壁上，形成径向 压应力场、同时衍生切向拉应 力场。 ❖ 当岩石抗拉强度低于切向拉
应力时，将产生径向裂隙。
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(a)
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
爆轰波、爆轰气体，作用于 药包周围岩壁上，在岩石中 形成冲击波并很快衰减为应 力波。
冲击波在药包附近产生 “压 碎”现象，应力波在压碎区 域之外产生径向裂隙。
岩土爆破理论sjs
R0
R1 R2
3 岩石爆破作用机理三大学说
随后，爆轰气体继续压缩压碎的岩石，并“楔入”应力波作 用下产生的裂隙中，使之继续延伸和张开。
❖ 了解岩石爆破破碎作用机 理是优化爆破参数，获得 良好爆破效果的基础。
岩土爆破理论sjs
施工人员正在钻孔
3 岩石爆破破碎机理三大学说
❖ 经典岩石爆破破碎机理有如下三大学说：
村田勉等提出的爆炸气体膨胀压力作用学说； 日野熊雄等提出的爆炸冲击波（应力波）作用学说； 综合2派观点的爆炸应力波和气体膨胀共同作用学说。
冲击波作用区之外，是应力波，其衰减规律与冲击波相
同，但衰减指数较小。前苏联学者给出的衰减指数为
• 我国武汉岩土力学研究所通过现场试验得出的应力波
衰减指数为：
• 在应力波作用区，岩石中柱状应力波的径向应力与切向
应力之间有如下关系：
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 在交通、水利水电、采矿 等工程领域，爆破是最广 泛、有效破岩手段。
破应用于巷道掘进，就有了计算炸药量的方法，出现了早 期爆破理论。
❖ 爆破理论确立阶段 20/60年代日野熊雄提出冲击波拉伸破坏理论和U.兰格福
斯（Longefors）等提出爆炸气体膨胀破坏开始，到70年代 L.G朗（Long）提出爆破作用三个阶段止，历时十余年基本 确立岩石爆破理论。
岩土爆破理论sjs
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
❖ 应力波作用学说只考虑了拉应
缺陷
力波在自由面反射作用，忽视
了爆轰气体作用。
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说
该学说综合考虑应力波和爆轰气体在岩石破 坏过程中所起作用，认为：岩石爆破破坏是 应力波和爆轰气体共同作用结果。 为大多数研究者所接受。基本观点如下：
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
❖ 岩石中应力波特性 ➢ 炸药在岩石中爆炸，开始产生的是冲击波，极短时
间上升到峰值压力，而后迅速下降，作用过程很短。 ➢ 冲击荷载作用下，岩石内激起爆炸应力波。 ➢ 了解应力波特性是研究爆破机理的前提。
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
➢ 爆炸应力波随爆源距离变化特点： • 爆源近区是冲击波，以超声速传播； • 随距离增大，冲击波衰减为压缩应力波，以声速传播； • 距离进一步增大，应力波衰变为周期性振动地震波。
❖ 但由于爆破特殊性、岩石性质不确定性，使爆破理 论不统一，众说纷纭。
❖ 从发展历程看，岩石爆破理论发展经历3阶段：早期 发展阶段、爆破理论确立阶段、爆破理论最新发展 阶段。
岩土爆破理论sjs
1.岩石爆破理论发展
❖ 早期发展阶段 1613德国马林（Marlin) 、Weigel等在Freisberg矿将爆
Байду номын сангаас• 若药室半径为a，距离爆
心r处的岩体内冲击波压力：
Pr
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(
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岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 应力波向前传播，传到
自由面产生反射拉应力波 1
2
• 当拉应力波强度超过自
由面处岩石动抗拉强度，
产生拉伸片裂破坏，岩石
(a)
(b)
1-压应力波波头；2-反射拉应力波头
逐渐片裂形成爆破漏斗。
1.岩石爆破理论发展
❖ 爆破理论最新发展 ❖ 始于20/80年代，主要标志：裂隙介质爆破机理的产
生；断裂力学与损伤力学的引入；爆破计算机模拟 技术应用等。 ❖ 随着实验技术和相关学科的发展，岩石爆破机理的 研究出现了一个崭新局面。 ❖ 但是，由于爆破对象复杂性、爆破过程高温、高压、 高速等特征的不可测试性，迄今人们对岩石爆破破 碎机理仍无定论。
❖ “三大学说”一定程度上反映了岩石爆破作用机理， 对爆破理论研究和实践具有重要意义。
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说
一、爆轰气体压力作用学说( explosion gas failure theory) 该学说从静力学观点出发，认为岩石破碎主要是由
爆轰气体（explosion gas）膨胀压力引起的。其基本观 点如下：
岩石爆破理论 第一部分
岩土爆破理论sjs
主要内容
❖ 1.岩石爆破理论发展概况 ❖ 2. 岩石中爆炸应力波 ❖ 3. 岩石爆破作用机理三大学说 ❖ 4. 药包爆破作用原理 ❖ 5.爆破漏斗 ❖ 6. 利文斯顿爆破漏斗理论
岩土爆破理论sjs
1.岩石爆破理论发展
❖ 随着科学技术发展，特别计算机模拟技术在爆破领 域应用，岩石爆破理论已有长足进步。
二、应力波作用学说（shock wave failure theory） 该学说以爆炸动力学为基础，认为岩石破 碎主要是应力波引起。基本观点如下：
岩土爆破理论sjs
2 岩石爆破作用机理三大学说
• 爆轰波冲击、压缩药包
周围岩壁，形成冲击波并快
速衰减为应力波；应力波使
近距离岩石破碎，远距离岩
石变形开裂。
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
❖ 岩石中爆炸冲击波的衰减规律 爆源近区，岩石中传播的是冲击波。岩石可看成流体，
冲击波压力随距离衰减规律为：
Pr
P2r
式中
为比距离，r 为距药室中心的距离；
rb 为药室（炮眼）半径； r 为径向应力峰值；
为压力衰减指数，对冲击波取
，
岩土爆破理论sjs
2 岩石中爆炸应力波
3 岩石爆破作用机理三大学说
• 同时作用岩壁压力引起质点径向位移，作用力不等径向位 移不同，导致岩石中形成剪应力。超过岩石抗剪强度时， 产生剪切破坏；爆轰气体压力足够大时，将推动破碎岩块 作径向抛掷运动。
• 该学说忽视了岩体中冲击波和应力波（stress wave）
的破坏作用。
岩土爆破理论sjs
3 岩石爆破作用机理三大学说