岩石爆破损伤机理及对围岩损伤作用(杨小林著)思维导图
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爆破工程4第五章---岩石中的爆破作用原理
利用岩体爆破的损伤力学方法，目前基本上可以 实现爆破范围的计算机模拟。
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。
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。
第四章岩石爆破基本理论PPT课件
2020/3/28
可编辑
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3 爆破破岩机理
图3-32中的药包布置在断层的破碎带中。当断 层内的破碎物胶结不好时，爆炸气体将从断层破碎 带冲出，造成冲炮并使爆破漏斗变小。图3-33中的 药包位于断层的下面。爆破后，爆区上部断层上盘 的岩体将失去支撑，在重力的作用下顺断层面下滑， 从而使爆破方量增大，甚至造成原设计爆破影响范 围之外的建筑物损坏。
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3 爆破破岩机理
6.2.2爆破漏斗
当单个药包在岩体中的埋置深度不大时，可以观察 到自由面上出现了岩体开裂、鼓起或抛掷现象。在自 由面上形成了一个倒圆锥形爆坑，这个坑称为爆破漏 斗。
（1）爆破漏斗几何要素
自由面（free face）是指被爆破的介质与空气接触的面，又叫 临空面,如图中AB面。 最小抵抗线W（minimum burden）是指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破坏，它是 爆破作用和岩石抛掷的主导方向。
另外，工业炸药的密度也不能进行大幅 度的变动，例如当铵梯炸药的密度超过其极 限值后，就不能稳定爆轰。因此，根据爆破 对象的性质，合理选择炸药品种并采取适宜 的装药结构，从而提高炸药能量的有效利用， 是改善爆破效果的有效途径。
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3 爆破破岩机理
爆速是炸药本身影响其能量有效利用的一 个重要性能指标。不同爆速的炸药，在岩 体内爆炸激起的冲击波和应力波的参数不 同，从而对岩石爆破作用及其效果有着明 显的影响。
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；Rc－粉碎区半径；Rp－破裂区半径径向裂隙和环向裂隙的形成原理
第五章岩石爆破理论 -PPT精选文档83页
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
02.12.2019
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
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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
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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
r
2
式中：Q----装药量，kg；
W
W----最小抵抗线，m；
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
3
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)
第五章 岩石爆破理论
21
一、体积公式的计算原理
在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土石方体积与 所用的装药量成正比。这就是体积公式的计算原理。 体积公式的形式为：
Q=k·V
式中： Q — 装药量，kg ;
k — 单位体积岩石的炸药消耗量，kg/m3 ;
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
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第五章 岩石爆破理论
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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
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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
17
第三节 成组药包爆破时岩石破坏特征
r
2
式中：Q----装药量，kg；
W
W----最小抵抗线，m；
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
3
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)
第五章 岩石爆破理论
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一、体积公式的计算原理
在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土石方体积与 所用的装药量成正比。这就是体积公式的计算原理。 体积公式的形式为：
Q=k·V
式中： Q — 装药量，kg ;
k — 单位体积岩石的炸药消耗量，kg/m3 ;
岩石爆破作用原理共101页
当压缩应力波达到自由面时，反射成为拉伸波，拉 伸波仍足以将岩石拉断，产生层裂（片落），如图7.3所 示。
图7. 3 爆炸应力波破坏过程
主要依据： （1）冲击波波阵面的压力比爆炸气体产物的膨胀压力大 得多； （2）岩石的抗拉强度比抗压强度低得多，且在自由面处 确实常常发现片裂、剥落现象。 （3）根据应力波理论有：压缩应力波在自由面处反射成 为拉伸应力波。
① 炸药爆炸—气体产 物（高温，高压）—在岩 中产生应力场—引起应力 场内质点的径向位移—径 向压应力—切向拉应力— 岩石产生径向裂纹；
② 如果存在自由面， 岩石质点速度在自由面方 向上最大，位移阻力各方 向上的不等—剪切应力— 剪切破坏岩石；
③ 爆炸气体剩余压力 对破碎岩块产生径向抛掷。
炸药能量中动能仅为5%~15%，大部分能量在爆炸气 体产物中；岩石发生破裂和破碎所需时间小于爆炸气体 施载于岩石的时间。
第二类：低阻抗岩石，其波阻抗小于5×106kg/m3·m/s 。此类岩石中由气体压力形成的破坏是主要的。
第三类：中等阻抗的岩石，其波阻抗为5×106～ 10×106kg/m3·m/s。该类岩石的破坏是应力波和爆炸气体 综合作用的结果。
不同性质岩石和不同目的情况下的爆破，可以通过 控制炸药的应力波峰值和爆炸生成气体的作用时间来达 到预期目的。
岩石爆破作用原理
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
爆炸气体产物膨胀，产生“气楔作用”使开始发生 的裂隙扩大、贯通形成岩块，并使岩石脱离母岩和抛掷。 应力波进一步衰减成为弹性波，只能使质点在平衡位置 作弹性振动，而不能引起介质破坏。
图7. 3 爆炸应力波破坏过程
主要依据： （1）冲击波波阵面的压力比爆炸气体产物的膨胀压力大 得多； （2）岩石的抗拉强度比抗压强度低得多，且在自由面处 确实常常发现片裂、剥落现象。 （3）根据应力波理论有：压缩应力波在自由面处反射成 为拉伸应力波。
① 炸药爆炸—气体产 物（高温，高压）—在岩 中产生应力场—引起应力 场内质点的径向位移—径 向压应力—切向拉应力— 岩石产生径向裂纹；
② 如果存在自由面， 岩石质点速度在自由面方 向上最大，位移阻力各方 向上的不等—剪切应力— 剪切破坏岩石；
③ 爆炸气体剩余压力 对破碎岩块产生径向抛掷。
炸药能量中动能仅为5%~15%，大部分能量在爆炸气 体产物中；岩石发生破裂和破碎所需时间小于爆炸气体 施载于岩石的时间。
第二类：低阻抗岩石，其波阻抗小于5×106kg/m3·m/s 。此类岩石中由气体压力形成的破坏是主要的。
第三类：中等阻抗的岩石，其波阻抗为5×106～ 10×106kg/m3·m/s。该类岩石的破坏是应力波和爆炸气体 综合作用的结果。
不同性质岩石和不同目的情况下的爆破，可以通过 控制炸药的应力波峰值和爆炸生成气体的作用时间来达 到预期目的。
岩石爆破作用原理
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
爆炸气体产物膨胀，产生“气楔作用”使开始发生 的裂隙扩大、贯通形成岩块，并使岩石脱离母岩和抛掷。 应力波进一步衰减成为弹性波，只能使质点在平衡位置 作弹性振动，而不能引起介质破坏。
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。
9
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 ）
2
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
岩石爆破理论第一部分精品PPT资料
散热量大于放热量
燃烧
速度放慢
气体热量 排不出， 速度加快
爆炸 爆轰
炸药
炸药
起爆与感度
岩石爆破理论
热能起爆
理论
热能
热感度 机械感度
起爆炸药 所需外能 小，则该 炸药的感
灼热核 理论
机械能
爆轰感度
度高；起 爆炸药所 需外能大
爆炸冲击 能理论
爆炸能
，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。
Hale Waihona Puke 爆破岩石爆破理论有关知识
岩石爆破理论
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
有关知识
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：
1966年《岩石爆破现代技术》（瑞典）全面论述
Ø 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。
Ø 爆炸冲击波对高阻抗的致密、坚硬岩石作用更大 。
Ø 爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软弱岩石的破碎效 果更佳。
爆破破坏作用理论 ➢ ②爆炸气体膨胀压力破坏作用理论：
岩石爆破理论
Ø 基本观点： Ø 该理论从静力学观点出发，认为药包爆炸后，产生大
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。
岩石爆破损伤断裂的细观机理
第20卷 第3期爆炸与冲击Vol.20,No.3 2000年7月EXPLOSION AND SHOC K WAVE S Jul.,2000文章编号:1001-1455(2000)03-0247-06岩石爆破损伤断裂的细观机理杨小林1,王树仁2(1.焦作工学院,河南焦作 454100;2.中国矿业大学北京校区,北京 100083)摘要:基于现有岩石爆破机理和岩石细观损伤力学,认为岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸应力波的初期动态损伤演化阶段和后期爆生气体作用下的准静态损伤演化阶段,并分别建立了这两个阶段的损伤模型和断裂准则,阐述了岩石爆破损伤断裂的细观理论。
关键词:岩石爆破;应力波;爆生气体;损伤机理中图分类号:TD235 1+1 文献标识码:A1 引 言以往采用的经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;而采用细观力学方法则是深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程的有效手段。
岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸应力波动作用和爆生气体准静态作用两个阶段,由于岩石对动态和静态加载的响应差别较大,因此其损伤断裂机理也有所不同;而且爆生气体对岩石的损伤断裂作用在爆破近区和中远区又不相同。
在爆破近区气体可能要渗入岩石内部裂纹中,裂纹的扩展以气体驱动下的模式扩展;而在爆破中远区的微裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力作用下发生的。
现有的岩石爆破损伤模型[1~2]只考虑了应力波作用下的岩石内部由于微裂纹扩展所造成的损伤问题,显然不能全面合理地反映岩石爆破损伤断裂的实际情况。
在现有岩石爆破损伤模型和岩石细观损伤力学的基础上,我们探讨了岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下损伤断裂的基本理论。
2 岩石爆破损伤断裂过程岩石爆破损伤断裂的细观机理是以岩石爆破机理和岩石细观损伤力学为理论基础的。
岩石爆破理论包含两部分内容:一是爆炸应力波的动作用机理;二是爆生气体的准静态作用机理。
5.岩石爆破破碎机理(2课时)详解
10/11/2018
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3）震动区 ①在破裂区外围的岩石中，爆炸能量由于经压碎 区和破裂区的消耗和衰减，剩余的能量不能造 成岩石的破坏，而只能引起它的弹性震动，把 这个区域叫做震动区。 ②这部分能量虽然不能使岩石介质产生破坏，但 它传播的距离远、影响大，可使岩石介质内或 附近的建构物产生明显的破坏，因此，这部分 能量也是爆破施工时，应尽量消除的负面效应 之一。
10/11/2018 7
1）压碎区
装药空间的岩壁在炸药爆炸后，受到爆轰波的 强烈压缩，一方面使装药空间扩大，形成扩大 的空腔；另一方面空腔岩壁由于受到强烈压缩 而形成一圈破碎带，这个扩大的空腔和破碎带 统称为压碎区，又叫粉碎区。
10/11/2018
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2）破裂区 ①径向裂隙的形成
应力波通过压碎区后，其强度低于岩石的动抗 压强度，已不能引起岩石的压碎破坏，但仍能 引起岩石的质点产生径向位移，从而使空腔岩 体出现切向拉伸应力，当拉伸应力值高于此处 岩石动抗拉强度时，便会产生径向裂隙。
10/11/2018
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5.3爆破漏斗及利文斯顿爆破漏斗理论
一、爆破漏斗 1.爆破漏斗的形成过程
图5-8 爆Leabharlann 漏斗形成过程示意图10/11/2018 17
（1）压碎区形成
1）炸药爆炸产生的高温和高压，形成强烈
的冲击波；
2）强烈的冲击波作用在药包周围的岩壁上，
使药包附近一定范围内的岩石或被挤压，或 被击碎成粉粒，形成压碎区(近区)。
10/11/2018 12
2.单个药包爆破的外部作用 （1）定义 药包在半无限岩体内爆炸，其最小抵抗线小 于临界抵抗线时，爆破效应除产生内部破坏 作用以外，还会在地表产生破坏作用，形成 凹坑，这种作用叫做爆破的外部作用。 （2）岩体破坏特征
5.岩石爆破破碎机理(2课时)
一、体积公式
1.体积公式的计算原理 （1）体积公式是布若伯格根据爆破相似法则得
出的；
（2）当一定炸药和岩石条件下，爆破破碎岩石 的体积与所用的装药量成正比。即
Q qV
（5-24）
9/20/2019
31
2.集中药包的药量计算 （1）集中药包的标准抛掷爆破
Qb = qbW 3
（5-28）
（2）集中药包的非标准抛掷爆破
三、自由面对爆破效果的影响 1.应力波的反射作用； 2.改变岩石的应力状态及强度极限； 3.自由面是岩石的运动方向，减小了岩体间 的夹制作用。
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40
四、爆破工艺对爆破作用的影响 1.不耦合装药对爆破作用的影响 （1）降低了爆破作用在孔壁上的冲击压力峰值； （2）间隔装药增加了应力波的作用时间； （3）增大了应力波传给岩石的冲量，使冲量沿
9/20/2019
9
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.爆破漏斗的几何参数 （1）爆破漏斗
图5-9 爆破漏斗
9/20/2019
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（2）参数 1）最小抵抗线W 装药中心到自由面的垂直距离。
2）爆破漏斗半径r 爆破漏斗底圆中心到该圆边上任意点的距
离。
3）爆破作用半径R 药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任意一点
距离。
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3）震动区
1.体积公式的计算原理 （1）体积公式是布若伯格根据爆破相似法则得
出的；
（2）当一定炸药和岩石条件下，爆破破碎岩石 的体积与所用的装药量成正比。即
Q qV
（5-24）
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2.集中药包的药量计算 （1）集中药包的标准抛掷爆破
Qb = qbW 3
（5-28）
（2）集中药包的非标准抛掷爆破
三、自由面对爆破效果的影响 1.应力波的反射作用； 2.改变岩石的应力状态及强度极限； 3.自由面是岩石的运动方向，减小了岩体间 的夹制作用。
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四、爆破工艺对爆破作用的影响 1.不耦合装药对爆破作用的影响 （1）降低了爆破作用在孔壁上的冲击压力峰值； （2）间隔装药增加了应力波的作用时间； （3）增大了应力波传给岩石的冲量，使冲量沿
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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.爆破漏斗的几何参数 （1）爆破漏斗
图5-9 爆破漏斗
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（2）参数 1）最小抵抗线W 装药中心到自由面的垂直距离。
2）爆破漏斗半径r 爆破漏斗底圆中心到该圆边上任意点的距
离。
3）爆破作用半径R 药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任意一点
距离。
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3）震动区
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。
第三章爆破破岩机理(lihw)
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（图3-1）。
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
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。
观点依据：
①岩石发生破坏的时间在爆炸气体作用的时间 内。 ②炸药中冲击波的能量仅占炸药总能量的 5%~15%。
对该观点的评论： 全面阐述了爆炸气体在岩石破碎中的作用。
际而为大多数研究者所接受。其基本观点如下：
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。
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。
对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气
体的作用程度是不同的。
在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不
偶合系数（本章第五节）较小的条件下，应力波的
破坏作用是主要的；
在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较
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（图3-1）。
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
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。
观点依据：
①岩石发生破坏的时间在爆炸气体作用的时间 内。 ②炸药中冲击波的能量仅占炸药总能量的 5%~15%。
对该观点的评论： 全面阐述了爆炸气体在岩石破碎中的作用。
际而为大多数研究者所接受。其基本观点如下：
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。
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。
对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气
体的作用程度是不同的。
在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不
偶合系数（本章第五节）较小的条件下，应力波的
破坏作用是主要的；
在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较
岩石爆破作用原理
预裂爆破（presplitting）是一种控制爆破方法，其 特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距合适的预裂孔 并采用不耦合装药或其它特殊的装药结构，在开挖主体 爆破之前，同时起爆预裂炮孔内的装药，从而形成一条 贯穿预裂炮孔的裂缝,通过这条裂缝降低开挖主体爆破时 对保留岩体的破坏。
光面爆破的定义
光面爆破（smooth blasting）是一种控制爆破 方法，其特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距与 最小抵抗线相匹配的光爆孔并采用不耦合装药或其它 特殊的装药结构，在开挖主体的装药响炮之后，光爆 孔内的装药同时起爆，从而形成一个贯穿光爆炮孔， 光滑平整的开挖面。
预裂爆破的定义
一、单位用药量系数kb和ks
kb与ks相对于同类岩石来讲，存在式ks=(0.33~0.5)kb的关 系。因此，工程实际中常先选择kb值再决定ks的值。
选择kb或ks时，应考虑多方面的影响因素来加以确定， 主要有以下几个途径：
1. 查表。
2. 采用工程类比的方法，
3. 采用标准抛掷爆破漏斗试验确定kb。
θ W
R
r
图4-4 爆破漏斗的几何要素
W W
W
r 45° 45°
θ
(a)标准抛掷爆破漏斗
r
r
θ
(b)加强抛掷爆破漏斗
r
W
θ
θ
(c)减弱抛掷爆破漏斗
(d)松动爆破漏斗
图4-5 爆破漏斗分类
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第三节 体积公式
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一、体积公式的计算原理
在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土 石方体积与所用的装药量成正比。
0.75~0.94 二级非许用乳化炸药
1.0~1.33
一、二级煤矿许用乳 化炸药
1~1.05 胶质硝化甘油炸药
光面爆破的定义
光面爆破（smooth blasting）是一种控制爆破 方法，其特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距与 最小抵抗线相匹配的光爆孔并采用不耦合装药或其它 特殊的装药结构，在开挖主体的装药响炮之后，光爆 孔内的装药同时起爆，从而形成一个贯穿光爆炮孔， 光滑平整的开挖面。
预裂爆破的定义
一、单位用药量系数kb和ks
kb与ks相对于同类岩石来讲，存在式ks=(0.33~0.5)kb的关 系。因此，工程实际中常先选择kb值再决定ks的值。
选择kb或ks时，应考虑多方面的影响因素来加以确定， 主要有以下几个途径：
1. 查表。
2. 采用工程类比的方法，
3. 采用标准抛掷爆破漏斗试验确定kb。
θ W
R
r
图4-4 爆破漏斗的几何要素
W W
W
r 45° 45°
θ
(a)标准抛掷爆破漏斗
r
r
θ
(b)加强抛掷爆破漏斗
r
W
θ
θ
(c)减弱抛掷爆破漏斗
(d)松动爆破漏斗
图4-5 爆破漏斗分类
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第三节 体积公式
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一、体积公式的计算原理
在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土 石方体积与所用的装药量成正比。
0.75~0.94 二级非许用乳化炸药
1.0~1.33
一、二级煤矿许用乳 化炸药
1~1.05 胶质硝化甘油炸药
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