岩石爆破作用基本原理和作用

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在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大 的条件下,爆轰气体的破坏作用是主要的。
某 土 石 方 爆 破 后 形 成 的 爆 堆
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(a)
(b)
(c)
(c)
图4-1 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
第二节 单个药包的爆破作用
为了分析岩体的爆破破碎机理,通常假定岩 石是均匀介质,并将装药简化为在一个自由面条 件下的球形药包。球形药包的爆破作用原理是其 它形状药包爆破作用原理的基础。
一、爆破的内部作用
当药包在岩体中的埋置深度很大,其爆破作 用达不到自由面时,这种情况下的爆破作用 叫作爆破的内部作用,相当于单个药包在无 限介质中的爆破作用。岩石的破坏特征随离 药包中心距离的变化而发生明显的变化。
根据岩石的破坏特征,可将偶合装药 (见本章第五节)条件下,受爆炸影响的岩 石分为三个区域(图4-2)。
R0
R1 R2
图4-2 爆破的内部作用 R0-药包半径;R1-粉碎区半径;R2-破裂区半径
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σr σσ
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(a)
(b)
图4-3 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
某 经 过 光 面 爆 破 的 岩 石
岩石爆破作用基本原理和作用
在铁路建设、水利工程、 采矿工程以及其它土石方工 程中,爆破是目前应用最为 广泛、最为有效的一种破岩 手段。为了优化爆破参数, 必须了解岩石在爆破作用下 的破碎机理、装药量的计算 原理以及各种相关因素对爆 破效果的影响。
施工人员正在钻孔
博武 莱汉 进理 行工 高大 速学 公爆 路破 边研 坡究 光所 面在 爆山 破东
一些学者的理论研究表明:对于球形装药, 粉碎区半径一般是药包半径的(1.28~1.75)倍; 对于柱形装药,粉碎区半径一般是药包半径的 (1.65~3.05)倍。虽然粉碎区的范围不大,但 由于岩石遭到强烈粉碎,能量消耗却很大。因此, 爆破岩石时,应尽量避免形成压碎区。
破裂区
在粉碎区形成的同时,岩石中的冲击波衰减成压 应力波。在应力波的作用下,岩石在径向产生压应 力和压缩变形,而切向方向将产生拉应力和拉伸变 形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的十至五 十分之一,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 (crack),如图4-3(a)所示。
录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供
由于岩石是一种非均质、各向异性的介质, 爆炸本身又是一个高温高压高速的变化过程,炸 药对岩石破坏的整个过程在几十微秒到几十毫秒 内就完成了,因此研究岩石爆破作用机理是一项 非常复杂和困难的工作。
钻 孔 工 人 正 在 进 行 光 面 爆 破 的 钻 孔
随着测试技术的进步,相关科学的发展和引 入,以及各类工程对爆破规模和质量要求的不断 提高,岩石爆破作用原理的研究取得了许多新的 进展,建立了一些新的学说和理论体系,提出了 很多计算模型和计算公式,尽管这些研究成果还 不很完善,但它们基本上反映了岩石爆破作用中 的某些客观规律,对爆破实践具有一定的指导意 义和应用价值。
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。
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
缺陷
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。
某 百度文库 体 爆 破
二、应力波作用学说(shock wave failure theory) 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(图4-1)。
某 待 爆 破 的 山 体
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。
粉碎区
当密闭在岩体中的药包爆炸时,爆轰压力在数微 秒内急剧增高到数万兆帕,并在药包周围的岩石 中激发起冲击波,其强度远远超过岩石的动态抗 压强度。在冲击波的作用下,对于坚硬岩石,在 此范围内受到粉碎性破坏,形成粉碎区;对于松 软岩石(如页岩、土壤等),则被压缩形成空腔, 空腔表面形成较为坚实的压实层,这种情况下的 粉碎区又称为压缩区。
第一节 岩石爆破破碎原因的几种学说
一、爆轰气体压力作用学说( explosion gas failure theory)
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(explosion gas)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 (stress wave)的破坏作用,其基本观点如下:
理论研究
三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说
这种学说认为,岩石的破坏是应力波和爆轰气体 共同作用的结果。这种学说综合考虑了应力波和爆 轰气体在岩石破坏过程中所起的作用,更切合实际 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;
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