爆破破岩机理讲解PPT教学课件

5 爆破破岩机理
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。
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施工人员正在钻孔
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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。
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(2)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
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，可将偶合装药条件下，受爆炸影响的
岩石分为三个区域（图5-2）。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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R 0
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。
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1 (a)
2
(b)
(c)
(c)
图5-1 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
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。
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5.2 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。
(1)爆破的内部作用
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2)破裂区
在粉碎区形成的同时,岩石中的冲击波衰减成应力波。
` ``
`
θ θ
θ
θ
在应力波的作用下,岩石在σ径r 向产生压应力和压缩σr变形, 而切向方向将产生拉σ 应力和拉σ伸变形。切向σ 拉应力大σ于 岩石的抗拉强度时,该处岩σ石r 被拉断,形成与粉碎σ 区r贯通
的径向裂隙(crack)。
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5.1 岩石爆破破碎原因的几种学说
(1)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
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。
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θ
σσ (a)
θ
``
σr
σr (b)
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` ``
`
` ``
`
随着径向裂隙的形成,作用在岩石上的压力迅 速下降σ ,药r 室周围岩石随即σr释放出在压缩过σ 程r 中 积蓄σ 的σ 弹r 性σ变形能,形σ 成与σr压σ 应力波作用σ方σ 向r σ 相
反的拉应力,使岩石质点产生反方向的径向运动。
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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较小的 条件下，应力波的破坏作用是主要的；
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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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(3)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。
基本观点如下：
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。
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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。
R 1 R 2
图5-2 爆破的内部作用
R0-药包半径；R1-粉碎区；R2-破裂区
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1)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。 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。