爆破技术

随着科学技术的不断进步,岩石爆破理论也

日趋成熟。岩石爆破技术在水电、矿山、交通等各个领域内获得了广泛应用,并且带来了巨大的经

济效益和社会效益。尤其是在葛洲坝、三峡工程等巨型国家建设项目施工过程中,高质量爆破将

会有效地保护坝体周围岩体的安全稳定,因此,这

门学科的研究具有重要的现实意义。本文就岩石爆破理论中的模型和数值计算、爆破技术等方面的现状进行分析,并且就其研究发展趋势进行了

展望。

1 岩石爆破理论

岩石爆破理论是用来说明爆破时的破岩机理,

并指导岩石爆破工程进行合理设计和施工的一门学科。爆破理论作为一门特殊的力学学科,是随着炸药、起爆器材的发明和应用、爆破量测技术的进步以及相邻学科发展而发展的[1 ] 。爆破理论的研究也经历了萌生阶段和形成与发展阶段。

1. 1 爆破理论的萌生阶段

爆破理论的萌生阶段或早期发展阶段比较有

代表性的假说有:炸药量与岩石破碎体积成比例

假说;C. W. 利文斯顿爆破漏斗假说;流体力学假

说等。

(1) 炸药量与岩石破碎体积成比例假说

该理论首先给出了集中药包标准抛掷漏斗的

装药量计算公式:

Q = q·W3 (1)

式中: Q 为标准抛掷爆破的装药量, kg ; q 为

破碎单位体积岩石的炸药消耗量,kg/ m3 ; W 为最小抵抗线,m。

当装药深度不变,改变装药量的大小,破碎半

径及破碎顶角的数值也要变化。因此,根据几何相似原理得出非标准抛掷漏斗的装药量计算公式:

Q = f ( n) ·q·W3式中, n 为爆破作用指数。

关于f ( n) 的具体计算有许多经验公式, 应

用较多的是[2 ] :

f ( n) = 0. 4 + 0. 6 n3 (3)

该假说只是通过装药量与岩石破碎体积成比

例的关系,来计算爆破时的参数(装药量) ,对爆破

作用的各种物理现象以及岩石是受到何种作用力而破坏的爆破过程并未作实质性的说明。在计算中没有考虑岩石的物理力学性质, 但是由于计算

公式比较简单,并且具有实践经验意义,所以该式

仍是工程爆破时计算装药量的基本公式。

(2) C. W . 利文斯顿爆破漏斗假说

C. W . 利文斯顿爆破漏斗假说是建立在大量

的爆破漏斗试验和能量平衡准则基础上形成的。在不同的岩性、不同炸药量、不同埋深条件下进行的大量试验表明:炸药在岩体爆炸时,传递给岩石

的能量取决于岩石性质、炸药性质、药包重量和药包埋深等因素。当岩石性质一定时,爆破能量的

多少取决于炸药重量和埋藏深度。在地下深处埋藏的药包, 爆炸后其能量几乎全部被岩石吸收。

当岩石吸收的能量达到饱和状态时, 岩石表面开

始产生位移、隆起, 破坏以及抛掷[3 ] 。在此基础上, C. W . 利文斯顿建立了爆破漏斗的最佳药量

和最佳埋深公式:

L j = Δ0 E( Q0) 1/ 3 (4)

式中: L j为最佳埋深,m; E 为弹性变形系数;

Q0为最佳药包重量, kg;Δ0为最佳深度比。

C. W . 利文斯顿爆破假说属于实用爆破学范

畴,其广泛应用于露天和地下开采中,但该假说仅

对爆破结果进行了定量的描述而没有涉及岩石的爆破机理。

(3) 流动力学假说

流体动力学假说是假设在坚硬介质中, 爆破

作用具有瞬时性以及爆炸介质具有不可压缩性,

把介质视为理想流体。因此,爆炸作用可视为爆

炸气体以动能形式将爆炸能量瞬间传给介质。经过假设以后认为:炸药爆炸在岩石介质中产生的

速度势分布与电解液电位分布都遵守着相同的数学规律—拉普拉斯方程:

92φ

9x2 +

92φ

9y2 +

92φ

9z 2 = C (5)

求解的结果可获得反映爆炸能量分布规律以

及应力分布特性的势速的分布特点及其大小,通

过水电动态相似模拟法可以方便地求出岩石破碎块分布[1 ] 。

综上所述:三种具有代表性的早期爆破理各

有不同,但其共同点是均未涉及爆破过程的物理

实质,仅仅是一些经验计算公式而已。

1. 2 爆破理论的形成及发展

(1) 爆破理论基本框架

爆破理论基本框架是在冲击波拉伸破坏理论

和爆炸气体膨胀压破坏理论的基础上提出来的,

是一种关于冲击波和爆生气体综合作用的理论。

目前在对岩石爆破机研究中,关于爆炸冲击波和

爆生气体准静态压力哪个起主要作用,目前仍存

在着两种不同的观点。一种观点认为冲击波的作

用只表现在对形成初始径向裂纹起先导作用,而

大量破碎岩石则是依靠爆生气体膨胀压力作用。

另一种观点则认为爆破过程中哪种载荷起主要作

用要取决于岩石的波阻抗,即高波阻抗岩石应力

波起主要作用,低波阻抗岩石爆生气体起次要作

用。对于均质岩体以应力波作用为主,而对于整

体性不好,节理裂隙发育的岩体,以爆生气体作用

为主[4 ] 。从爆破的实际作用来讲,该理论是符合

爆破岩过程的。但到目前为止该理论尚未建立起

系统和完善的计算方法。

(2) 长期以来,岩石爆破的力学模型研究一直

是岩石动力学和岩石爆破界研究领域的一个热点

课题。岩石爆破力学模型的发展经历了:弹性理

论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段。

①弹性理论阶段

弹性理论阶段的研究工作开始于上个世纪

60 年代,具有代表性的Harries 模型和Favreau 模

型。Harries 模型是建立在弹性应变波基础上的

高度简化的准静态模型,该模型认为作用于孔壁

的爆生气体压力的切向拉应变是形成裂缝的主要

原因, 并以应变值大小决定径向裂纹个数, 用

Monte Carlo 法确定爆破裂缝分割的破碎块度。

Favreau 模型是建立在爆破应力波理论基础上的

三维弹性模型。该模型充分考虑了压缩应力波及

其在各个自由面的反射拉伸波和爆生气体膨胀压

力的联合作用效果,最终以岩石动态抗拉强度作

为破坏判据。该模型具有模拟炸药参数、空网参

数及岩石炸药匹配关系等爆破因素的综合能力,

并可预报爆破块度[4 ] 。1983 年我国马鞍山矿山

研究院推出的BMMC[5 ]露天矿台阶爆破三维数

学力学模型,该模型利用单位表面能理论作为破

坏判据,成为我国第一个完整的可以用于爆破数

第 1 期赵同彬等:岩石爆破理论与工程综述及其展望109

值计算的模型。

②断裂理论阶段

随着断裂力学的发展,岩石中裂纹扩展及断

裂破坏问题也渗入了爆破理论研究领域。在这方

面有代表性的爆破模型主要有BCM 模型[6 ] 和

NAG- FRAG 模型[4 ] 。NAG - FRAG 模型以应