第五章岩石爆破理论讲解

（2）反射拉伸波引起径向裂隙的延伸
爆破工程
从自由面反射回岩体中的拉伸波，既使它的强度不足 以产生“片落”，但是反射拉伸波同径向裂隙梢处的应力 场相互叠加，可使径向裂隙大大地向前延伸。裂隙延伸的 情况与反射应力波传播的方向和裂隙方向的交角θ有关。
爆破工程
(3)自由面影响下的应力场分析
应力波在传播过程中遇到自由面反射而成拉伸波，反 射波与入射波的叠加在岩体中形成复杂应力状态，所以岩 石破碎机理比较复杂，为了说明岩石中应力状态，下面做 一些定性分析： 1）：应力波在岩体中引起的应力状态
③计算机模拟和再现爆破过程，用以研究裂纹的产生、扩展；预测爆破块 度的组成和爆堆形态；供计算机模拟用的爆破模型不断涌现。
④一些新的思想，新的研究方法开始进入爆破理论的研究。60年代出现的 信息论、控制论；70年代发展起来的突变论、协同学理论，耗散结构论， 分形理论和非线性理论；80年代以后发展起来的混沌学和分叉理论，使爆 破理论的研究出现了一个崭新的局面。
②在爆炸破坏主因是冲击波压力还是爆炸气体膨胀压方面 展开激烈的争论，在争论中各派都在不断完善和发展自己的观 点。 ③争论的结果，冲击波和爆炸气体综合作用理论，爆破过 程的三个阶段论逐步得到多数人的承认。
④利用现代测量仪器，例如高速摄影机进行的观测，大大 丰富和完善了爆破理论的内容，初步揭示了破坏的本质现象。
爆破工程
第五章 岩石爆破理论
主要内容
：
5.1 岩石爆破破坏基本理论
5.4 成组药包爆破时岩石破坏特征
5.2 单个药包爆破作用
5.3 延长装药爆破作用
5.5 炸药起爆能量平衡原理与装药量计算
5.6 影响爆破作用的主要因素
爆破工程
随着爆破技术和相邻学科的发展，爆破理论的研究 也有了长足的进步。特别是岩体结构力学、岩石动力学 、断裂、损伤力学和计算机模拟爆破技术的发展，使爆 破理论的研究更实用化，更系统化了。但是，从总体上 看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研 究和生产实际仍有不小的差距。再加上爆破过程的瞬时 性和岩石性质的模糊性、不确定性，致使爆破理论众说 纷纭，争论不止。在爆破理论日益发展又众说纷纭，相 互矛盾的情况下，从发展角度研究各派爆破理论的主要 论点、依据，找出共识，无论是对爆破理论的研究还是 指导工程实践都有着重要意义。
爆破工程
破裂区
粉碎区形成同时，冲击波衰
σr
θ
减成应力波；应力波作用下，径向
压缩变形，切向方向产生拉伸变形 ； 由于岩石抗拉强度为抗压强度 拉强度时，岩石被拉断，形成贯通 粉碎区径向裂隙。 1/10~1/50，当切向拉应力大于抗
σr
θ
(a)
θ
σ
σ
θ
σ
σ
爆破工程
径向裂隙形成后，作用在岩石上
σr 的压力下降，岩石随即释放出压缩过
爆破工程
震动区 破裂区外围岩体中，应力波和爆轰气体能 量已不足以对岩石造成破坏，应力波的能量只能
引起该区域内岩石质点发生弹性振动，这个区域
称为震动区。 震动区，可能引起地面、地下建（构）筑物 破坏。
爆破工程
二 炸药的外部作用
当集中药包埋置在靠近地表的岩石中时，药包爆破后除 产生内部的破坏作用以外，还会在地表产生破坏作用。在地 表附近产生破坏作用的现象称为外部作用。 根据应力波反射原理，当药包爆炸以后，压缩应力波到 达自由面时，便从自由面反射回来，变为性质和方向完全相 反的拉伸应力波，这种反射拉伸波可以引起岩石“片落”和 引起径向裂隙的扩展。
用原理的基础。
爆破工程
一、爆破的内部作用
药包埋置深度大，相当于单个药包在无限介质中的爆破作用。爆 破作用达不到自由面时，这种爆破作用叫作爆破内部作用。
爆破工程
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3个区域。
爆破工程
R0
R1
R2
爆破的内部作用 R0-药包半径；R1-粉碎区半径；R2-破裂区半径
爆破工程
3 爆破理论的最新发展阶段
爆破理论的最新发展阶段起始于20世纪80年代，标志之一是裂隙介质 爆破机理的产生。随着实验技术和相关学科的发展，爆破理论和爆破技术 的研究呈现一派蓬勃发展的新景象。 纵观国内外研究现状，可以看出：这一阶段各学派虽然仍在不断完善 自己的观点，但这已不是研究的主流，代表该阶段的主要特征是： ①裂隙岩体爆破理论的深入研究和岩体结构面对岩石爆破的影响和控制。 ②断裂力学和损伤力学的引入。
爆破工程
粉碎区
密闭岩体中的药包爆炸时，爆轰压力在数微
秒内急剧增高到几万MPa，并在药包周围形成冲击
波，其强度》岩石动态抗压强度； 冲击波作用下，对坚硬岩石，形成粉碎区； 对松软岩石，则被压缩形成空腔，这种情况 下的粉碎区又称为压缩区。
爆破工程
某些理论研究表明：对球形装药，粉碎区半 径是药包半径（1.28～1.75）倍；对于柱形装药， 粉碎区半径是药包半径（1.65～3.05）倍。 虽然粉碎区范围不大，由于岩石遭到强烈粉 碎，能量消耗很大。因此，爆破岩石时，应尽量 避免形成压碎区。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ破工程
爆破理论作为一个学科，划分其发展的不同阶段，在 时间上是很难划分清楚的，但就其发展过程来说，又必然 存在着不同的发展阶段。即早期发展阶段；爆破理论的确 立阶段；爆破理论的最新发展阶段。 1 早期发展阶段 1613年德国人马林（Marlin）、韦格尔（Weigel）在 弗雷斯帕格（Freisberg）矿山首先用炸药掘进坑道，开 创了爆破采矿的历史。应该说从炸药用于爆破作业起，人 们就有了计算炸药量的方法，也就出现了早期爆破理论。 直到20世纪60年代日野熊雄的冲击波拉伸破坏理论的出现 ，标志着早期爆破理论发展阶段的结束。这一阶段比较著 明的理论有炸药量与岩石破碎体积成比例理论；L．W．利 文斯顿爆破漏斗理论和流体动力学理论。 综观早期爆破理论的特点是，出现了炸药量计算公式 ，但是对爆破过程并未作实质性的说明。
药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些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。当压应力在切
向衍生的拉应力大于岩石的抗拉强度时，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。
（1）反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落
爆破工程
当压缩应力波到达自由面时，产生了反射拉伸应力波，并由 自由面向爆源传播。由于岩石抗拉强度很低，当拉伸应力波的峰 值压力大于岩石的抗拉强度时，岩石被拉断，与母岩分离。随着 反射拉伸波的传播，岩石将从自由面向药包方向形成“片落”破 坏，其破坏过程如图7—17所示。这一点还可由霍布金逊效应引起 的破坏进一步说明，图7—18A表示应力波的合成过程。而图7—18 B表示霍布金逊效应对岩石的破坏过程。图7—18A中的a表明压缩 应力波刚好达到自由面的瞬间。这时，波阵面的波峰压力为Pa。 图7—18A中的b表示经过一定的时间后，如果前面没有自由面，则 应力波的波阵面必然到达 H’1F’1的位置。但是，由于前面存在 有自由面，压缩应力波经过反射后变成拉伸应力波，反射回到 H”1F”1的位置，在H”1H2平面上，在受到H”1 F”1拉伸应力作 用的同时，又受到H2 F”1的压缩应力的作用。合成的结果，在这 个面上受到合力为H”1 F”1的拉伸应力的作用，这种拉伸应力引 起岩石沿着H”1H2平面成片状拉开。片裂的过程如图7—18B所示 。
爆破工程
图7—17 反射拉应力波破坏过程示意图
a—人射压力波波前；b—反射拉应力波波前 图7—18 霍甫金森效应的破碎机理 （A）应力波合成的过程；（B）岩石表面片落过程
爆破工程
应该指出的是“片落”现象的产生主要与药包 的几何形状，药包大小 和入射波的波长有关。对装 药量较大的硐室爆破易于产生片落，而对于装药量 小的深孔和炮眼爆破来说，产生“片落”现象则较 困难。入射波的波长对“片落”过程的影响主要表 现在随着波长的增大，其拉伸应力就急剧下降。当 入射应力波的波长为1.5倍最小抵抗线时，则在自由 面与最小抵抗线交点附近的岩体，由于霍布金逊效 应的影响，可能产生片裂破坏。当波长增到4倍最小 抵抗线时，则在自由面与最小抵抗线交点附近的霍 甫金森效应将完全消失。
2 爆破理论的确立阶段
爆破工程
这一阶段从20世纪60年代初日野氏和美国矿业局戴维尔 (Dwall.w.L)提出冲击波拉伸破坏理论和村田勉提出爆炸气体 膨胀压破坏理论开始，到70年代L．C．朗（L．C．Long）明确 提出爆破作用三个阶段为止，历时十余年，这一阶段的特征是 ：
①冲击波拉伸破坏理论；爆炸气体膨胀压破坏理论；冲击 波和爆炸气体综合作用理论已经确立。
爆破工程
第一节 岩石爆破破坏基本理论（1）
爆生气体膨胀作用理论
爆炸应力波反射拉抻 作用理论
爆生气体和应力波综合 作用理论
爆炸生成气体产物的膨胀作用
2019/1/29
第五章 岩石爆破理论
6
爆破工程
1）爆生气体膨胀作用理论
该学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是由于 爆轰气体的膨胀压力引起的。忽视了岩体中冲击波和应力波 的破坏作用，其基本观点如下：
方向相反的拉应力，使岩石质点产生
反方向径向运动。 当径向拉应力大于抗拉强度时
σr
`
σr
θ
σr
σr
σ σ ，岩石即被拉断，形成环向裂隙。
θ θ
(a)
σr (b)
θ
σ σ 程中积蓄弹性变形能，形成与压应力
θ θ
σ
σ
`
`
`
`
`
爆破工程
在应力波和爆轰气体共同作用下，径向裂隙、环向裂隙进 一步扩展、贯通，就形成了紧靠粉碎区的破裂区。
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。
爆破工程
爆生气体和应力波综合作用理论的实质：
岩石杆件的爆破
板件爆破试验
1—装药孔 2—破碎区 3—拉裂区 4—震动区
水泥板的爆轰破坏
1—空气冲击波波阵面； 2—水泥板中冲击波波阵面； 3—水泥板
13
2019/1/29
第五章 岩石爆破理论
爆破工程
3 单个药包爆破作用
为研究岩体爆破破碎机理，通常假定岩石是均 匀介质，并将装药简化为一个自由面条件下的球 形药包。 球形药包爆破作用原理是其它形状药包爆破作
(2)
(3)
第二类岩石属于中阻抗岩石。其波阻抗为5~15MPa· s/m。
第三类岩石属于低阻抗岩石。其波阻抗小于5MPa· s/m。
这类岩石的破坏,主要是入射应力波和爆生气体综合作用的结果
这类岩石的破坏，以爆生气体形成的破坏为主。
2019/1/29
第五章 岩石爆破理论
12
爆破工程
爆炸应力波反射拉抻作用理论 的试验基础
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。
爆破工程
爆破工程
2）爆炸应力波反射拉伸作用理论
该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。忽视了爆轰气体的破坏作用， 其基本观点如下：
爆轰波冲击和压缩炮孔周围的岩壁，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传播同时形成裂隙，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。 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。
爆破工程
爆破工程
3）爆生气体和应力波综合作用理论
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。它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
岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体 渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展。爆 生气体膨胀的准静态能量，是破碎岩石的主要能源。
哈努卡耶夫把岩石按波阻抗值分为三类：
(1) 第一类岩石属于高阻抗岩石。其波阻抗为15~25MPa· s/m . 这类岩石的破坏，主要取决于应力波，包括入射波和反射波。