岩石爆炸动力学的若干进展

第28卷 第10期

岩石力学与工程学报 V ol.28 No.10

2009年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct .，2009

收稿日期：2009–07–22；修回日期：2009–09–09 基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490275)

作者简介：钱七虎(1937–)，男，1960年毕业于哈尔滨军事工程学院，现任教授、博士生导师、中国工程院院士，主要从事岩土和地下结构工程方面的教学与研究工作。E-mail ：wmyrf@

岩石爆炸动力学的若干进展

钱七虎

(解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007)

摘要：论述岩石爆炸动力学原理及其工程应用研究近年来的若干进展，主要内容包括爆炸空腔范围以及各类破坏区范围的理论确定方法，地下爆炸近区的“短波”和“弱波”理论，爆炸远区——弹性区的运动和力学参数以及地下爆炸时岩石破碎等理论研究成果。同时还介绍了实验室条件下均匀介质中爆炸效应的规律和地应力、裂隙、浅埋时等不均匀、不连续性影响因素的实验室模拟爆炸试验研究。在相关研究的基础上，给出实际岩体中的爆炸效应试验，包括近区破坏效应、远区地震效应、不可逆变形区以及地下爆炸和浅埋(抛掷和定向)爆炸中相似关系的最新成果。此外，简要介绍岩石爆炸动力学在不同领域中的工程应用，并就今后岩石爆炸动力学研究的展望阐述一点认识。

关键词：岩石力学；爆炸动力学；爆炸效应；破坏区；不可逆变形区

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)10–1945–24

SOME ADV ANCES IN ROCK BLASTING DYNAMICS

QIAN Qihu

(Engineering Institute of Engineering Corps ，PLA University of Science and Technology ，Nanjing ，Jiangsu 210007，China )

Abstract ：The principles of rock blasting dynamics and related engineering applications in the recent years are reviewed. The main issues are covered in blasting cave range ，various determination methods for failure zones ，theories of short-wave and weak-wave in near-field of cave blasting ，the movement in plastic regions and mechanical parameters in far-field ，and rock fracture under blasting for underground works. The laws of blasting effects in uniform media in indoor test are also introduced ，which include heterogeneous and homogeneous characteristics of geostress ，fissure ，and shllow-buried cave in laboratory simulation or experimental test. The actual rock blasting tests are touched in failure effects of near-field ，seismic effects in far-field ，and irreversible deformation regions. The latest similarity research results in underground blasting ，shallow-buried blasting (throwing and directional blastings) are also presented. In addition ，engineering applications of rock blasting dynamics in various fields are briefly introduced. Filnally ，some ideas and prospects are proposed for later research in rock blasting dynamics.

Key words ：rock mechanics ；blating dynamics ；blating effects ；failure zone ；irreversible deformation region

1 引 言

岩石爆炸动力学研究岩石和岩体中爆炸的力学效应，其特点应从与空气中、水下爆炸效应的对比

才能理解更深刻。空气中和水下爆炸时的物理景象

• 1946 • 岩石力学与工程学报 2009年

和介质的运动已经研究得很全面和很详尽，相比之下，岩石中地下爆炸的物理机制和介质的运动和破坏的研究还很不透彻。

无论空气中爆炸，水下爆炸或岩、土中的爆炸，就爆炸现象的物理本质来说，都是在有一个限空间内快速地释放出巨大能量，从而导致周围介质的非定常运动过程。如果爆炸发生在空气中，传播扰动的波阵面是随距离衰减的冲击波，爆炸能量通过冲击波转递给周围介质，同时也通过冲击波的几何扩展和波阵面处的阻尼耗损爆炸能量。从本质上说，空气中的爆炸作用理论可以归纳为爆炸产生的空气冲击波的传播与衰减规律。在水下爆炸中，情况稍有不同，除了冲击波外，还产生水中气泡的脉动，冲击波所携带和耗散的能量和气泡脉动所耗散的能量各占整个爆炸能量一半左右。

岩体中地下爆炸的现象远比空气和水中复杂得多，在其整个景象中，各个过程相互紧密相连：从炸药的爆轰开始，到在冲击波压缩下的岩、土介质相变，再到周围岩体的破坏，最后至地震波的激发。炸药爆轰完成后，冲击波在岩石介质中开始传播，并很快蜕变成压缩波(在2～5倍装药半径z R 范围内)，这类压缩波的压力上升梯度很大，其应力上升区间长度1s 与整个应力波传播的距离2s 相比甚短(120/s s ∆=<<0.1)，因此被称为“短波”。由于短波的应力r σ幅值量级小于410 MPa ，且小于岩石压缩模量1K ，其所引起的岩石变形是一个微量

10/1r K M σ=<<，在更远的距离上则更小，所以它

又被称为“弱波”。试验结果表明，“弱波”的传播

速度接近于岩石中纵波的传播波速0a 。另在岩体中地下爆炸时，爆炸能主要耗散于岩石介质的不可逆变形和破坏以及推动周围岩石介质的运动。

根据上面所阐明的岩石爆炸动力学特点，本文根据爆炸时岩石动力变形与破坏研究现状及研究趋向[1

，2]

，针对岩石变形与破坏的若干重要问题[3

～24]

，

力求介绍简单实用的岩石爆炸动力学理论研究成果，突出其主要影响因素，以使理论模型概念清晰，避免繁琐复杂的数学表达式；另一方面介绍经实践检验的岩石爆炸动力学的试验研究成果及其相关的工程应用。

2 岩石爆炸动力学的理论研究

本节重点阐述包括爆炸空腔范围、各类破坏区

范围的确定以及在地下爆炸近区——破坏区的“短波”和“弱波”方面的研究成果。同时还将介绍应用弹性动力学理论研究爆炸远区的运动和力学参数的研究成果，特别是爆炸对自由地表面的影响，即装药埋深对地表地震动参数确定的影响；其次还将介绍岩体非均匀、非连续性构造——块系和裂隙对地下爆炸效应影响的理论研究成果；最后还将介绍应用不可压缩流体模型研究地下爆炸时岩石破碎的理论方面的研究成果[25

～28]

。

2.1 岩石中地下封闭爆炸时爆炸空腔及各类破坏

范围的半径

地下爆炸时介质的运动、变形和破坏与空腔的扩张密切相关，如图1所示。空腔的扩张以及介质的运动、变形和破坏的研究可以分为几个阶段：当

空腔中的爆炸产物压力大于0.120a ρ量级(2

0a ρ为岩

石侧限变形模量，ρ为岩石的密度)，此时可以忽略岩石中主应力分量的差值，即剪应力的影响，空腔的扩张可以看作为在不可压缩流体中的扩张；第二阶段为冲击压碎阶段，此时岩石中应力超过岩石的压碎强度：在破坏波与空腔之间岩石的运动为仅具内摩擦力的破碎岩块的运动；再之后阶段为空腔的动力无波扩张阶段，此时破坏波速小于先导的弹性波速，在破坏波与空腔之间介质仍看作为具有内摩擦力的破碎材料；最后一个阶段是弹性波传播阶段。弹性波开始于破坏区停止发展的瞬间，弹性介质的运动仅保持于外部的弹性区内。

1—弹性变形区；2—径向破裂区；3—破碎区；4—空腔

图1 岩石破坏示意图 Fig.1 Sketch of rock failure

理论计算时，假定爆炸当量Q 全部转化为爆炸产物的压缩能，爆轰产物的初始体积为半径为*a 的球腔。

相应于球形空腔气体绝热膨胀，爆炸气体对周围介质所作的功为

b *

b 0