关于岩石爆破破碎机理及影响爆破作用的因素

关于岩石爆破破碎机理及影响爆破作用的因素

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关于岩石爆破破碎机理及影响爆破作用的因素

摘要：岩石爆破破坏是一个高温、高压、高速的瞬态过程，在几十微秒到几十毫秒之内即完成。使得研究岩石爆破破碎机理变得困难，所提出的各种破岩理论还只能算是假说。

关键词：岩石爆破、压力膨胀、冲击波

1.岩石爆破破碎机理研究的问题

1.1岩石爆破破碎机理研究的主要内容

（1）炸药爆炸释放的能量是通过何种形式作用在岩石上；

（2)岩石在这种能量作用下处于什么样的应力状态；

（3）岩石在这种应力状态中怎么发生破坏、变形和运动的。

（4）影响岩石破坏的因素。

（5）炸药装药量和爆破效果关系。

1.2岩石爆破破碎机理研究存在的主要困难

(1)炸药爆炸荷载复杂性:高速、高温、高压、高能量密度荷载

(2)岩体本身的复杂性:不均质性，各向异性，非连续，非线性

(3)爆破施工工艺多样性

2.岩石爆破破碎的主因

破碎岩石时炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。但是，岩石破碎的主要原因是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。

2.1爆炸气体产物膨胀压力破坏理论

2.1.1爆炸气体产物膨胀压力破坏理论基本观点

1953年以前，该派观点在爆破界极为流行。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剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆炸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。它在很大程度上忽视了冲击波的作用。后来经过村田勉等人的努力，利用近代观点重新做了解释，形成了一个完整的体系。

2.1.2理论依据

（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，产生剪切应力，通过剪切破坏岩石。

（3）爆炸气体剩余压力对破碎岩块产生径向抛掷。

注：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。

2.2冲击波引起应力波反射破坏理论

2.2.1冲击波引起应力波反射破坏理论基本观点

当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。当压缩应力波通过粉

碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。这种破裂方式亦称“片落”。随着反射波往里传播，“‘片落”继续发生，一直将漏斗范围内的岩石完全拉裂为止。因此岩石破碎的主要部分是人射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。

2.2.2理论依据

岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。当炸药在岩石中爆轰时，猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的爆炸应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，引起周围岩石的粉碎性破坏。当爆炸应力波通过粉碎圈以后，它的强度己下降到不能直接引起岩石的压缩破坏，但压缩应力波派生的切向拉应力，可在岩石中产生径向裂纹。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），如图所示。

注：（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。

2.3爆炸气体膨胀压力和应力波共同作用

2.3.1爆炸气体膨胀压力和应力波共同作用的基本观点

冲击波拉伸破坏理论和爆炸气体膨胀压破坏理论是基于对破碎岩石的两种能源——冲击波能和爆炸气体膨胀能的不同认识而提出来的，各有一定的理论基础和试验依据，但又都有一定的不足之处。这一方面是由于爆炸过程的“三性”（瞬发性、复杂性、模糊性）造成的，另一方面也受当时的技术水平和测试手段的限制。在这种条件下综合两派的论点吸收其所长，并结合他们的研究成果，便提出了冲击波和爆炸气体综合作用理论。

2.3.2理论依据

爆破时岩石的破坏是爆炸气体和应力波共同作用的结果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段起重要作用。炸药爆炸后在岩石中产生爆炸冲击波，使炮孔周围附近的岩石被“粉碎”；由于消耗大量的能量，冲击波衰减为应力波，在粉碎区之外造成径向裂隙，反射应力波使这些裂纹进一步扩展。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。

爆破岩石时，岩体初期受到装药爆炸所激起的应力波的作用，但由它形成的应力状态或动态应力场将很快消失；后期受到爆炸气体的静压作用，作用时间较长。

注：（1）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。

（2）对高阻抗岩石，采用高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数较小，此时应力波的破坏作用是主要的；

(3)对低阻抗岩石，采用低猛度炸药、装药不偶合系数较大，此时爆炸气体静压的破坏作用则是主要的。

3.结束语

岩石爆破破碎机理的研究，对于爆破在岩石巷道中的应用具有辅助调控作用。在总结生产实践经验的基础上，借助现代化设备，如高速摄影、模拟实验、数值分析等对爆破过程中在岩石内发生的应力、应变、破裂、飞散等现象的观测，人们已经逐步掌握了岩石爆破破碎的基本规律，在爆破破坏的理论或提出假说的基础上，不断丰富着岩石破碎机理的知识。为后续的研究，提供了方法及思路。