集中药包爆破漏斗和球形药包爆破漏斗理论比较

两种爆破漏斗理论的分析比较

金骥良

(中国铁道科学研究院，北京100081)

摘要：以前苏联为代表的集中药包爆破漏斗理论和美国利文斯顿球形药包爆

破漏斗理论都是研究土岩爆破破坏作用的基础。本文就这两种理论有什么特点

和它们之间的联系，做一分析探讨。

关键词：爆破机理；爆破漏斗；集中药包；球形药包

1 引言

冯叔瑜院士和朱忠节、马乃耀三位老前辈在20世纪60年代及时总结了大量

爆破的实践经验，书写了我国第一部爆破学术著作《大量爆破设计与施工》，详

细介绍了前苏联和西欧学者在爆破研究方面的主要成果，特别是炸药在土岩介质

中爆破破坏的作用原理，并应用爆破漏斗的理论，总结了大量爆破的药量计算和

施工方法，经过40多年的工程实践，证明了这些理论和方法是正确的。

20世纪80年代，瑞典兰格福尔斯(U．Iangefors)的《现代岩石爆破技术》

和美国科罗拉

多矿业学院c．w．Livingston的爆破漏斗理论等引入我国，冶金部门把利文斯

顿球形药包爆破漏斗理论应用于地下采矿爆破，形成了垂直爆破漏斗后退式采矿

法即VCR方法(vertical craterretreat)，提高了作业效率，降低了采矿成本。

2 集中药包爆破漏斗理论

把一定质量的集中炸药包埋在某种土岩介质中进行爆炸，按照药包在不同深

度W爆破时生成漏斗的变化及爆破作用指数n的不同情况，分成以下几类(图1)：

(1) 最大内部作用药包：当药包置深为临界深度时，炸药的爆炸作用刚好达

到临空面,最大内部作用药包的药量可由式(1)，式(2)计算：

对工业炸药 Q=0.187KW3 (1) 对烈性炸药 Q=0.125KW3 (2) 式中 Q —药量，kg；

K —标准抛掷爆破单位体积用药量，kg／m3；

W—埋深，m。

(2)松动爆破药包：爆破作用指数n<0.75，介质表面出现鼓包，但是没有抛

掷作用，地面一般也不形成可见的爆破漏斗。

(3)减弱抛掷(加强松动)爆破药包：爆破作用指数0.75

图1 药包在同一介质中、不同深度条件下爆破时的爆破漏斗分类a—最大内部爆破作用； b—松动爆破漏斗； c—减弱抛掷爆破漏斗；

d—标准抛掷爆破漏斗； e—加强抛掷爆破漏斗

(4)标准抛掷爆破药包：n=r/w=1，形成标准抛掷爆破漏斗。

(5)加强抛掷爆破药包：n>1.0，这时大部分介质被抛掷出漏斗以外，生成加强抛掷爆破漏斗。

爆破漏斗药量计算的鲍列斯科夫公式为：

Q = (0.4 + 0.6n3)KW3 (3)

式中 Q——药量，kg；

W——埋深，最小抵抗线，m；

K——标准抛掷爆破单位体积用药量，kg/m3;

n——爆破作用指数。

3 利文斯顿爆破漏斗理论

利文斯顿在同一介质、不同深度埋置一定药量的炸药包进行爆破漏斗的试验，得到了以下主要成果：

(1)药包由深入浅变化过程中得到如图2的四个岩石破坏分区：

1)变形能区(the strain energy range)。当药包埋置在地下深处爆破，爆炸能全部消耗在岩石的内部变形上，如果地表刚好出现飞片或隆起，这时的埋深称为临界深度，即为变形能区的上限。

图2利氏岩石破坏分区

通过试验，得到了临界深度与药量之间的关系：

L

e

=EQ1/3

(4)

式中 L

e

——临界深度，与炸药、岩石有关，m；

E ——变形能量系数，与炸药、岩石有关，“m/kg1/3；

Q ——炸药药量，kg。

2)冲击破坏区(the shock range)。药包超过临界深度L

e

上移，岩石产生破坏，破碎的岩石在爆破作用下出现抛掷，并形成爆破漏斗。随着药包上移，漏斗体积逐渐增大，达到最大值，即为冲击破坏区的上限，这时爆炸能量得到充分的利用，此时的埋深形．，称为最佳深度(the optimum depth)，引入最佳深度比

△

j =形W

j

/ L

e

。

3)破碎区(the fragmentation range)。药包由临界深度上移，上部岩石阻力减弱，漏斗体积减小，爆炸能量部分用于破碎和抛掷，部分消耗于空气冲击波，当消耗于空气冲击波的能量大到与岩石破碎能量相当时，这时深度形W

p

就是该区的上限，称为转变深度(the transition depth)。

4)空爆区(the air blast range)。当药包上移超过转变深度后，爆炸能量大部分消耗于空气冲击波。

(2)药包埋深变化过程中，存在一个最佳深度W

j

，得到爆破漏斗体积最大值：

利氏把爆破漏斗随埋深变化的过程，用漏斗曲线V / Q～△=W/L

e

表示，如图

3所示，曲线横坐标为深度比△=W/L

e

，纵坐标为单位药量爆破的方量V/Q,那么在任意埋深W和药量Q的关系式就可以用式(5)表达：

W=△L

e

=△EQ1/3 (5)

在曲线上可以找到在最佳深度比△

j =W

j

/ L

e

时，V/Q有最大值(V/Q)

max 。

根据

式(5)，可以求出最佳深度为：

W j = △

j

L

e

= △

j

EQ 1/3 (6)

式中△

j

——最佳深度比，与岩石种类和性质有关，脆性岩石值小，塑性岩石值较大。

图3利氏爆破漏斗曲线

4 两种爆破漏斗理论的比较

将上述两种爆破漏斗理论进行比较后，可以发现它们之间有不同点，也有类似的地方，而且还存在一定的联系：

(1)两种理论都是建立在集中药包爆破漏斗试验基础上的，而且都是用同一品种、定量药包在同一介质中不同埋深条件下进行爆破的方法得到的结论。但是，前苏联的爆破理论主要从试验漏斗的形状和大小进行分析归纳，从而得到不同爆破漏斗形态下的药量计算方法；而利氏爆破理论是从不同埋深条件下找到爆破漏斗体积变化规律，找到药包临界深度和最大漏斗体积对应的最佳深度，从而建立了埋深与药量之间的关系，得到了最佳深度的计算方法。

(2)从两种爆破理论所阐述的爆破内部破坏作用的情况分析，前苏联爆破漏斗理论所述的最大内部作用药包与利氏爆破理论所说的临界深度药包是同一回事。但是前者对内部药包作用没有更深人的研究，主要集中在标准抛掷爆破漏斗试验研究上，从而推导出非标准抛掷爆破情况下的药量计算方法；利氏对临界状态下的爆破破坏作用研究得比较深入，而且从爆破能量上进行了分析，由试验归纳得到了临界深度的计算公式，并对变形能量系数E赋予了明确的物理意义。