岩石爆破作用原理.ppt
2023/3/3,7.1 岩石爆破破坏机理7.2 单个药包爆破作用的分析7.3 成组药包爆破作用7.4 爆破漏斗7.5 装药量计算原理7.6 影响爆破作用的因素,第7章 岩石爆破作用原理,2023/3/3,岩石爆破理论是研究炸药爆炸与爆破对象（目标）相互作用规律的理论。,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）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,在总结生产实践经验的基础上，借助于高速摄影，模拟试验和数值分析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，提出了一些爆破破坏理论或假说。,岩石爆破破碎机理研究存在的主要困难：,7.1.1 岩石爆破破岩过程,炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段.,A第一阶段,爆炸气体膨胀，岩石受爆炸气体超压力的影响，在拉伸应力和气楔的双重作用下，径向初始裂隙迅速扩大。,C第三阶段,对应力波反射引起自由面处的岩石片落。,B第二阶段,7.1 岩石爆破破坏机理,炸药在岩石中爆破的破坏模式,主要的五种破坏模式,1,2,径向裂隙作用；,3,卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；,5,爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙。,4,反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸；,炮孔周围岩石的压碎作用；,爆炸气体产物膨胀压力破坏理论,岩石主要由于装药空间内爆炸气体产物的膨胀压力作用而破坏。,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；,7.1.2 爆破破岩理论,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剪切应力剪切破坏岩石；爆炸气体剩余压力对破碎岩块产生径向抛掷。,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。,冲击波引起应力波反射破坏理论,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7.3所示。,图7.3 爆炸应力波破坏过程,主要依据：（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。,爆炸气体膨胀压力和应力波共同作用,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。,冲击波作用的重要性与所破坏的介质特性有关。哈努卡也夫认为：岩石波阻抗值不同，它所需要的应力波波峰值也不同。岩石波阻抗值较高时，要求有较高的应力波波峰值，此时冲击波的作用更为重要。他把岩石按波阻抗分为三类：,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。,第一类：高阻抗岩石，其波阻抗为1510625106kg/m3m/s。此类岩石的破坏，主要决定于应力波，包括入射波和反射波。第二类：低阻抗岩石，其波阻抗小于5106kg/m3m/s。此类岩石中由气体压力形成的破坏是主要的。第三类：中等阻抗的岩石，其波阻抗为510610106kg/m3m/s。该类岩石的破坏是应力波和爆炸气体综合作用的结果。,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。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；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。,埋置在地表以下很深处的药包爆炸时，如果药包威力不很高，则地表不出现明显破坏的爆破作用称为爆破的内部作用。随远离爆心，岩石破坏特征发生明显变化，可以分为三个区：压缩区 破裂区 震动区,爆破的内部作用,图7.6 爆破的内部作用,7.2 单个药包爆破作用的分析,压缩区,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起冲击波，其强度远远超过岩石的动态抗压强度。在爆炸冲击波的强动作用，炮孔壁周围的介质被粉碎（坚硬岩石）或强烈压缩（松软岩石），形成粉碎区或压缩区。由于压缩区处于坚固岩石的约束条件下，而在三轴压缩情况下岩石的动抗压强度增大，且大多数岩石的可压缩性很差，所以压缩范围很小，其半径一般不超过药室半径的2倍。,破碎区,由于压缩或粉碎岩石消耗了大量能量，岩石中的冲击波衰减成压应力波。在应力波的作用下，岩石在径向产生压应力和压缩变形，而切向方向将产生拉应力和拉伸变形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的十分这一到五十分之一，当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成与粉碎区贯通的径向裂隙。,径向裂隙,图7.7 径向压缩引起的切向拉伸,压缩应力波通过压缩区外层岩石时，岩石受到强烈的压缩而储蓄了一部分弹性变形能；随着径向裂隙的形成，作用在岩石上的压力迅速下降，药室周围的岩石随即释放出压缩过程中积蓄的弹性变形能，形成与压应力波作用方向相反的拉应力，使岩石质点产生反方向的径向运动。当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成环向裂隙。,环向裂隙,图7.8 环向裂隙,应力波的作用在岩石中首先形成初始裂隙，接着爆轰气体的膨胀、挤压和气楔作用使初始裂隙进一步延伸和扩展。当应力波强度和爆轰产物的压力衰减到一定程度后，岩石中裂隙的扩展趋于停止。在应力波和爆轰气体的共同作用下，随着径向裂隙、环向裂隙和切向裂隙的形成、扩展和贯通，在紧靠粉碎区处就形成了一个裂隙发育的区域，称为破裂区。,图7.9 破碎圈内裂隙网形成,震动区,在破坏区以外的岩体，由于经压缩区和破坏区的能量的消耗和衰减，剩余的爆炸能已经不多，不能造成岩石的破坏而只能引起弹性震动。这个范围比两个区大得多，叫震动区。,图7.10 震动区（4）示意图,爆破的外部作用,当单个药包在岩体中的埋置深度不大时，可以观察到自由面上出现了岩体开裂、鼓起或抛掷现象。这种情况下的爆破作用称为爆破的外部作用。其特点是在自由面上形成一个倒圆锥形爆坑，称为爆破漏斗。,图7.11 爆破外部作用原理图,图7.12 炸药在岩体表面附近爆炸的现象,外部作用过程：（1）在爆炸波还没有达到岩体表面之前，爆破作用现象与前述内部作用情况相似，即在药包附近产生爆炸腔、压碎区和径向破裂区。（2）当爆炸压力波到达自由面时，压缩波反射为拉伸波，从自由面向药包方向传播，该拉伸波有可能（取决于装药量）导致一层或几层岩石呈镜片状剥离。（3）当拉伸波到达到爆炸腔表面时，在爆炸腔表面反射为压缩波，此时，药包上部的岩石质点全部被加速，而药包下部裂纹因拉伸波卸载而停止扩展。此后，在压缩波、拉伸波与爆炸腔中爆炸气体的压力共同作用下，使药包与自由面之间的岩石隆起、破裂，发生鼓包运动。,（4）最后，在岩体表面形成松动爆破漏斗或抛掷爆破漏斗。松动爆破漏斗是指爆破只引起药包与自由面之间的岩石产生松动，形成漏斗状破碎坑，如图7.12（d）所示。抛掷爆破漏斗是指爆破不但引起药包与自由面之间的岩石产生松动，而且还把坑内部分岩块抛掷出去，形成一个可见漏斗状爆炸坑，如图7.12（e）所示。,与单个药包爆破的内部作用情况相比，药包外部作用情况多了一个自由面。必须考虑自由面对应力场的影响。入射到自由面上的应力波和从自由面反射回的反射应力波（反射纵波和反射横波）进行叠加，就会在靠自由面一侧的岩体内构成非常复杂的动态应力场。该应力场对破碎漏斗的形成起着决定性的作用。,自由面反射拉伸波层裂作用（霍金逊（Hopkinson）效应）,冲击波在自由面处发生反射形成拉伸波，在自由面表面处的材料中形成拉应力，拉应力超过岩石的抗拉强度时，发生片落现象。片落过程不是岩石破碎的主要过程，且爆破时不总是一定有片落现象出现。,图7.13 霍金逊效应的破碎机理（a）应力波合成的过程；（b）岩石表面片落过程,图7.14 自由面反射波引起的多次层裂,反射拉伸应力波延伸径向裂纹作用,从自由面反射回来的拉伸应力波，使原先存在于径向裂隙梢上的应力场得到加强，故裂隙继续向前延伸。裂纹延伸的情况与反射拉伸波传播的方向和裂纹方向的交角 有关。当为90时，反射拉伸波将最有效地促使裂纹扩展和延伸，使该裂纹成为优势裂纹；,图7.15 反射拉伸波对径向裂隙的扩展作用,当小于90时，反射拉伸波以一个垂直于裂纹方向的应力分量促使径向裂纹扩张和延伸，或者在径向裂纹未端造成分支裂纹；当为0时，即径向裂纹垂直于自由面时，反射拉伸波不会对裂纹产生任何拉力。,自由面对爆破应力场影响,图7.16自由面附近应力波和应力场分布,当药包中心发出的纵波斜入射到自由面时，将产生反射纵波和反射横波。岩体中任意一点A将受到由药包中心发出的直达纵波和由自由面反射回来的反射纵波以及反射横波作用，A点的应力状态是由这三种波叠加结果决定的。根据应力分析，当拉伸主应力（方向直于纸面）出现极大值时，在岩体中各点的主应力方向如图（b）所示。拉应力 是产生径向裂纹的根源，其作用方向随着x值的增大逐渐发生偏转，最后垂直于自由面，生成的裂纹群大体似喇叭花状排列。,两个自由面情况下的爆破,自由面的大小和数量对爆破效果有直接影响。,图 自由面数对爆破效果的影响,成组药包爆破作用是指多个药包同时起爆或以一定时间间隔按一定顺序起爆时的爆破作用。实际爆破工程中极少采用单药包爆破，而是采用成组药包爆破来达到预期的爆破目的，因此研究成组药包的爆破作用机理对于合理选择爆破参数有重要的指导意义。成组药包爆破作用重要特点是相邻药包爆炸荷载互相作用和药室孔洞应力集中作用，这两个特点使岩体内的应力分布状态和岩体破坏过程要比单药包爆破时复杂得多。,7.3 成组药包爆破作用,7.3.1 单排成组药包的齐发爆破,为简化问题，下面以两个药包同时起爆，并且不考虑自由面影响，分析成组药包爆破作用某些主要特点。模拟爆破试验：有机玻璃中微型药包的爆炸；用高速摄影机记录下模拟试验的爆破破坏过程。,试验结果表明：（1）在最初几微秒时间内应力波以同心球状从各起爆点向外传播；（2）在某时刻，应力波相遇，相互叠加，出现复杂的应力变化情况；（3）应力重新分布，沿炮眼连心线的应力得到加强，而炮眼连心线中段两侧附近则出现应力降低区。,压缩应力波叠加作用,两个药包应力波叠加作用,（1）在连心线上应力得到加强，尤其是切向拉应力加强，对于形成连心线裂纹非常有利。,实际爆破这种情况一般不十分严重，因为两药包起爆雷管总是存在时间误差，并且实际爆破总是存在自由面的影响。,（2）在两药包连心线以外其他位置上，两压缩波所产生的径向压力和切向拉压力方向不同，有互相抵消作用。,相邻炮孔中心连线上准静态拉应力分析,（a）单个A孔产生的切向伴生拉应力（b）单个B孔产生的切向伴生拉应力（c）两孔合成的切向伴生拉应力,爆炸气体压力叠加作用,两药包爆炸气体荷载在岩石中所产生的应力叠加作用情况与上述压缩应力波叠加作用情况类似。在两药包连心线上，切向拉应力也会互相叠加而得到加强，从而有利于裂纹沿药包连心线产生和发展。,药室孔洞应力集中作用,（1）在成组药包中一个药室，对于其他药包来说是一个边界（孔洞）。（2）当爆炸应力波入射到该药室表面时，将产生反射应力波，造成药室附近动应力集中，使药室附近岩石成为高应力区，从而使岩石更易在药室附近产生破裂。（3）爆炸气体荷载，作用于其邻近药室表面上，也会在该药室表面上产生孔洞应力集中。此时，在两药包连心线上，切向拉应力集中更为强烈。（4）最大应力集中在炮眼联心线同炮眼壁相交处,该处首先产生拉伸裂隙，然后沿连心线向外延伸，直至贯通两个炮眼。,生产实践中发现：相邻两齐发爆破的炮眼间的拉伸裂隙是从炮眼向外发展的而不是从两炮眼联心线中点向炮眼方向发展的。应力波和爆轰气体联合作用爆破理论很好地解释了该现象。,应力的叠加可能引起应力降低区的出现。适当增大孔距，并相应减小最小抵抗线，使应力降低区处在岩石之外的空中，有利于减小大块的产生（大孔距小抵抗线技术）。,如果相邻炮孔其它条件均相同，仅炮眼间距a变化，则会产生不同的爆破效果。欠挖，残留根底；合适，不超挖和欠挖超挖；,相邻炮眼爆破,7.3.2 多排成组药包的齐发爆破,（1）前后排四个炮孔所构成的四边形岩石中，爆炸荷载互相叠加，造成极高的复杂的应力状态，因而有利于岩石破碎并有很强的抛掷能力。多排成组药包齐发爆破主要用于沟渠抛掷爆破。,（2）在台阶爆破中，多排成组药包同时起爆时，只有第一排炮孔有自由面，后排受到较大的夹制作用，会产生较强地震波和较远爆破飞石，而且爆破经济性并不好。为了改善爆破效果，应采用微差起爆技术。,7.4 爆破漏斗,当药包产生外部作用时，在地表会形成一个爆破坑，称为爆破漏斗。,爆破漏斗的构成要素,爆破漏斗底圆半径(r)：爆破漏斗在自由面上底圆半径；爆破作用半径（R）：药包中心到爆破漏斗底圆周上任一点 的距离，又称破裂半径；爆破漏斗深度（D）：爆破漏斗顶点到自由面的最短距离；爆破漏斗可见深度（h）：爆破漏斗底部碴堆最低点到自由 面的最小距离；爆破漏斗张开角（）：爆破漏斗的顶角。,1）自由面（临空面）所需爆破的介质与空气的接触面。,图7.4 自由面示意图,有了自由面，爆破时岩石才能向自由面方向发生破裂、破碎和移动。（内部作用和外部作用比较)自由面愈多愈大，爆破效果愈好。在爆破工程中，可以人为地创造自由面，以控制爆破作用。,2）最小抵抗线（W）：从装药中心至自由面的最短距离。,最小抵抗线原理：由于最小抵抗线方向距离最小，爆破时岩石在这个方向的阻力最小。所以，岩石破碎和抛掷的主导方向是最小抵抗线方向。,图7.5 最小抵抗线示意图,最小抵抗线原理实际应用：,（1）最小抵抗线方向是岩石破碎和抛掷的主导方向，施工中需要岩石向哪里抛掷，设计就应当让W指向哪，这就实现了定向爆破的基本原理。（2）最小抵抗线的方向是最宜产生飞石的方向，露天爆破时应避免W正对着需要保护的目标。（3）在有多个自由面的情况下，装药中心若至各自由面的距离相等或基本相等时，则各方向均为最小抵抗线。自由面越多，爆破效果越好，也越省炸药。（4）最小抵抗线的反方向是爆破地震最严重的方向，露天爆破时，近处有怕震的建筑及设施时，应注意正确选择W方向。,（5）当几个同时爆破的药包的最小抵抗线集中指向某一点时，爆下的岩石就集中向该点抛掷、堆积。利用这个 原理可实现定向抛掷、集中堆积爆破。（6）当主药包的最小抵抗线方向不能满足施工要求时，可以敷设辅助药包，并先行起爆，利用辅助药包的爆破改变主药包的最小抵抗线，使之符合设计要求。（7）控制爆破、城市拆除爆破时，通过缩小抵抗线来减少药量，从而减少爆破震动和爆破飞石。（8）单个药包的炸药量与W3成正比，W稍微增加一点，药师就迅速增加，这在城市拆除爆破中尤其重要。,3）爆破作用指数（n=r/W）,爆破作用指数：爆破漏斗半径与最小抵抗线比值，即n=r/W。爆破作用指数值的变化，直接影响到爆破漏斗的形状、岩石的破碎程度和抛掷效果。常用它对爆破类型进行分类，判别爆破作用的性质、类型、以及抛掷方向和抛掷距离等。根据爆破作用指数n的大小，把爆破分为抛掷爆破(n1)和松动爆破(n1)。,抛掷爆破(n1),在工程爆破中，为了使爆破能够一次完成爆、挖、运，并形成一定形状的构筑物，如水库大坝、渠道、道路路堤或路堑等，常采用抛掷爆破。此外，由于抛掷爆破漏斗具有明显可见的漏斗边界，因此，进行爆破漏斗试验时，也常采用抛掷爆破。根据爆破作用指数n大小，抛掷爆破又可细分如下几种：,标准抛掷爆破(n=1),标准抛掷爆破后，药室至自由面间的岩石不但充分破碎，而且有较多的岩块被抛出坑外。在确定不同种类岩石的单位炸药消耗量时，或者比较不同炸药的爆炸性能时，往往用标准爆破漏斗体积作为判别的依据。,加强抛掷爆破(n1),加强抛掷爆破后，药室至自由面间的岩石不但全部破碎，而且大部分的岩块被抛出一定距离。实践表明，爆破作用指数不是随着炸药量的增加而成比例增加，当n3左右时，继续增加炸药量，爆破作用指数增加就十分缓慢了。因此，爆破工程中加强抛掷爆破作用指数为1n3。,松动爆破(0n1),松动爆破漏斗没有明显可见的漏斗边界，很少通过爆破漏斗实验来确定松动爆破类型，而是用标准抛掷爆破实验，通过装药量折减来方法确定松动爆破类型。松动爆破可细分为加强松动爆破（0.75n1）、标准松动爆破（n=0.75）和减弱松动爆破（0n0.75）。,加强松动爆破又称减弱抛掷爆破。完成加强松动爆破后，药室至自由面间的岩石全部破碎，还把一小部分破碎岩块抛掷出去。通常所指的松动爆破是标准松动爆破。在松动爆破条件下，爆破后药室周围介质破裂和自由面的破坏连成一片，形成一个明显的破碎区，岩石有明显的膨胀移动而形成鼓包，但不形成可见的爆破漏斗。松动爆破时采用的药量一般较小，因此，爆破时所产生的振动较小，碎石飞散距离也较小，是最常用的爆破类型。,城镇石方控制爆破为了保证周围建筑不受破坏，需严格控制药量和爆破飞石，只要求将岩石爆裂，常采用减弱松动爆破。一般矿山和采石场爆破，要求爆破后岩石的破碎和并有一定程度移动，而又不使爆堆过宽，常采用标准松动爆破。坚硬完整的岩石爆破、井巷掘进爆破，要求爆破后岩石碎块有适当的移动，甚至可以抛掷一部分，这时需要采用加强松动爆破。,利文斯顿爆破漏斗理论,在爆破理论的发展过程中，爆破漏斗理论和实验研究一直占有重要的地位。利文斯顿（C.W.Livingston）在各种岩石上，用不同的药量和不同药包埋置深度，进行了大量爆破漏斗试验，论证了炸药能量分配给药室周围岩石以及地表空气的几种方式，于1956年提出了以能量平衡为准则爆破漏斗理论。Livingston爆破漏斗理论主要内容如下：（1）阐明影响爆炸能量传递主要因素；（2）引入临界深度和岩石应变能系数；（3）阐明爆破漏斗体积与药包埋置深度的关系；（4）阐明爆炸能量分配随药包埋置深度变化规律。,炸药包在介质中爆炸时传给介质的能量多少和速度，取决于岩石性质、炸药性能，药包大小和药包埋置深度等因素。在岩石性质一定的条件下，爆破能量的多少取决于药包重量；能量释放速度取决于炸药的传爆速度。若将药包埋置在地表以下很深的地方爆炸，则绝大部分爆炸能量被岩石吸收；如果将药包逐渐向地表移动并靠近地表爆炸时，传给岩石的能量比率将逐渐降低，传给空气的能量比率逐渐增高。,药包不同埋深与岩石爆破破坏形式分类,药包不同埋深与岩石破坏形式关系,1）弹性变形,药包的种类和重量不变，当药包埋置深度减小到某一临界值时，地表岩石开始发生明显破坏，脆性岩石将片落，塑性岩石将隆起，这个药包埋置深度临界值称为临界深度N。,利文斯顿漏斗爆破能量效果的不同，将岩石爆破时的变形和破坏形态分为以下四种类型：,E表示在一定的装药量Q条件下，岩石表面开始破裂时岩石可能吸收的最大爆破能量。临界深度是岩石表面呈弹性变形状态的上限。,2）冲击破坏,药包重量一定，使爆破漏斗体积最大的药包埋置深度称为最适宜深度d0。,药包埋置深度与临界深度之比称为深度比。,（7-1）式变为利文斯顿一般方程。,最适宜深度与临界深度之比称为最适宜深度比0。,通过漏斗实验求出E及0，则当药量Q已知时，可以求出最适宜深度d0。,通过漏斗实验求出E及0，则当药量Q已知时，可以求出最适宜深度d0。,3）碎化破坏,药包重量不变，药包埋置深度比最适宜深度小时，则地表岩石中生成的爆破漏斗体积也减小而爆破漏斗体积内的岩石更为破碎，抛掷明显，空气冲击波和响声更大。当药包埋置深度继续减小到某一值时，传播给大气的爆炸能开始超过岩石吸收的爆炸能，这个埋置深度称为转折深度。岩石呈碎化破坏状态的下限为最适宜深度，上限为转折深度。在此范围内的爆破都会有或大或小的爆破漏斗生成。,4）空气中爆炸,药包重量保持不变，埋置深度小于转折深度时且继续减小，则岩石破碎加剧，岩块抛掷更远，声响更大，爆炸能传给空气的比率更高，岩石吸收的能量的比率更低。其下限为转折深度，上限为深度等于零，即药包完全裸露在空气中爆炸。,炸药爆炸能量消耗在以下四个方面：岩石的弹性变形；岩石的破碎；岩块的抛散；响声、地震和空气冲击波。能量消耗的分配随药包重量和深度的不同而变化。,确定装药量非常重要。,用数学工具准确计算出装药量有困难。（1）岩体介质的复杂性；（2）爆炸的瞬时性和强烈性。,目前在爆破工程中，装药量计算公式是建立在量纲分析和相似原理基础上，由大量的实验结果和生产实践中得到的经验的和半经验的公式。它们并不十分正确，而且有一定的局限性，但是因为比较简单，使用方便，而且也有一定的精度，所以直到现在仍被广泛的使用。,7.5 装药量计算原理,通过量纲分析，得到具有普遍性的能量准则装药量计算公式：,7.5.1 能量准则装药量计算公式,漏斗形状函数。,对于一般岩土爆破，如果抵抗线W在1W15m 的范围内，可以不考虑岩土的内聚力和重力的影响，即忽略上式中的第一和第三项，这时即得到一般爆破经验公式，即鲍列斯阔夫公式：,能量准则公式的讨论,对标准抛掷爆破，,对于大抵线爆破抛掷爆破，如硐室爆破，抵抗线W在15W25m 的范围之内，需考虑重力的影响，这时上式可以简化为：,对于小抵线爆破，如拆除爆破和浅孔爆破，抵抗线W常在W2m 范围之内，第一项表面能（克服岩石内聚力所消耗的能量)的比例随着抵抗线减少而增加，必须考虑第一项的影响，这时可以简化为：,7.5.2 爆炸相似律药量计算原理,爆炸几何相似律,理论和实验都表明：当炸药和岩石性质保持不变，且不考虑重力和岩石的表面能以及岩石性质随炸药加载速度变化时，则爆破作用（现象）近似满足爆炸相似律。爆炸相似律重要意义在于指导爆破试验。下面我们应用爆炸相似律来建立爆破漏斗药量计算公式。,设使用相同的炸药，在同一种岩体进行爆破漏斗试验，第一个球形药包半径为，药包埋深为W1，产生的爆破漏斗半径为r1；第二个球形药包半径为，埋深为W2，产生的爆破漏斗半径为r2，如果按 来安排试验，则根据爆炸相似律，有,可写成一般形式：,得出：获得半径为r的爆破漏斗，所需的装药量只与 有关。,或,爆炸几何相似律药量计算公式,对于标准抛掷爆破，r=W，由上式可得其装药量计算式：,由于标准抛掷爆破，爆破漏斗体积V与抵抗线W之间的关系为：,所以标准抛掷爆破的装药量计算式又可以写为,由此可见，标准抛掷爆破的装药量 Q与所形成的爆破漏斗体积成V正比。,在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土石方体积同所用的装药量成正比：,7.5.3 装药量计算体积公式,标准抛掷爆破时，用体积公式计算的装药量同相似法则计算所得的装药量是一致的。,如果药包为集中药包（最大尺寸不超过最小尺寸的6倍）对标准抛掷漏斗：r=W。标准抛掷爆破的药量近似为：,根据相似法则，在岩石性质、炸药威力和药包埋置深度不变的情况下，改变装药量可以得到各种漏斗。因此，各种类型的抛掷爆破药量可以用下式计算：,单位用药量K的确定,（1）查表和定额；各种岩石单位炸药消耗量(硝铵类炸药),（2）工程类比；参照条件相近工程的经验系数,（3）标准抛掷漏斗试验,进行爆破漏斗试验时，应选择地形平坦，地质条件与主爆区一样。选取的最小抵抗线W应大于1m，并采用集中药包。根据所选的最小抵抗线W，通过查表初选Kb0 值，并按Q=Kb0W3计算装药量。爆破后测出实际爆破漏斗底圆半径r的平均值，计算出n值。由于在试验中不一定会爆破出一个标准抛掷爆破漏斗，因此，需要根据实际n值进行修正。一般取，则由7-16式可求出，即,装药量计算原理几点说明,装药量的多少取决于要求爆破的岩石体积、爆破漏斗形状和岩石性质等。但没有考虑块度因素。,上面的公式是以单自由面和单药包爆破为前提的，在实际爆破中常常是用多药包成组爆破，多自由面爆破。在计算药量时，按具体情况确定每个药包所能爆下的体积，确定每个药包的重量。,影响爆破作用的因素很多，可分成四种类型:1、炸药性能因素；2、岩石性质因素；3、炸药与岩石相关因素；4、爆破工艺因素。在这些因素中有些是可控制（调整）的，有些是不可控的。,7.6 影响爆破作用的因素,7.6.1 炸药性能对爆破作用的影响,炸药的装药密度、爆速、炸药波阻抗、爆轰压力、爆炸压力、爆炸气体体积以及爆炸能量利用率等因素。其中直接影响爆炸荷载的因素是爆轰压力和爆炸压力，而它们又受炸药的密度、爆热和爆速等的影响。爆轰压力大小与爆炸应力波破岩能力直接相关，而爆炸压力大小与爆炸气体破岩能力直接相关。爆炸应力波在岩体中造成的初始裂纹，为爆炸气体的气楔作用创造条件。,在耦合装药时，药室壁面所受到初始冲击压力大小与爆轰波传播方向有关。,爆轰压力,当爆轰波垂直入射到药室壁面时，药室壁面所受到初始冲击压力 可近似按下式计算：,当爆轰波传播方向与药室壁面平行时，药室壁面所受到初始冲击压力为爆轰压力，,从上式可见，爆轰压力越高，在岩体中激发的冲击波的初始峰值压力越大，从而越有利于岩体的破裂，尤其是爆破坚硬致密岩体时。但并不是对所有岩体来说爆轰压力越高越好，对某些岩体来说爆轰压力过高将会造成炮孔周围岩体的过度粉碎，浪费能量，而致使近区以外岩石的破坏效果变坏。因此，必须根据岩石性质和工程要求来合理选用炸药品种。,爆炸压力,爆炸压力又称炮孔压力，是指炸药在完成爆炸反应以后，爆轰产物膨胀作用在炮孔壁上的压力。,按爆炸气体破坏理论，炮孔压力对爆破效果起决定性作用，爆炸压力越高，作用时间越长，对岩体的气楔、推移和抛掷的作用越强烈。与爆轰压力相比，爆炸压力比较小，但爆炸压力作用时间要比爆轰压力作用时间长得多。爆炸压力的大小和作用时间除了与炸药的爆热、爆温、爆轰气体生成量有关外，还与装药结构，药室堵塞质量等有关。,7.6.2、岩体特性对爆破作用的影响,岩体特性对爆破作用的影响可以从两个方面来理解：一是岩体特性对爆炸荷载性质影响，如岩体特性对爆炸荷载传递效率、传递速度的影响；对爆炸应力波传播规律的影响；对爆炸气体压力作用方式的影响，等等；二是岩体本身强度和变形特点对爆破作用的影响。,岩石的物理力学性质对爆破作用的影响,与爆破作用关系密切的岩石物理性质主要包括岩石的密度、弹性常数，弹性极限，强度极限等。岩石的密度愈大，移动单位体积岩石所消耗的能量也愈大。此外，岩石的容重愈大，其弹性模量、强度、波阻抗一般也愈大，抵抗爆破作用能力也增强。,爆炸应力波的传播速度和幅值是岩体的弹性模量、泊松比和岩石密度的函数。弹性极限，强度极限决定了岩石中爆炸应力波性质和岩石破坏特征。,岩体的结构面,结构面对爆破作用的影响多方面的，非常复杂。,与炮孔相通的结构面,气楔效应将导致这些裂隙的优先扩展，抑制其他裂纹扩展。由于裂纹扩展集中在这些个别的裂隙上，药室中爆炸气体压力下降速度比正常爆破过程慢，使得当这些裂纹扩展到自由面时，药室仍有相当高压力用于抛掷岩块，这往往造成较远的爆破飞石和大的爆破噪声。,与炮孔平行的结构面,如果岩体的结构面位于炮孔与自由面之间，且结构面平行于炮孔，那么岩体的结构面起三种作用：一是对应力波增强和阻断作用。二是对应力波所产生的径向的裂纹起阻断作用。当应力波所产生的径向裂纹扩展至结构面时，一般不会贯通结构面，而停止于结构面，但此时爆炸气体可以沿着径向裂纹进入这种结构面，使结构面扩展，造成不希望出现的大块崩落，或造成超挖；三是对反射拉伸波起阻断作用。从自由面反射回来的拉伸波使结构面分离，减弱了拉伸波对初始径向裂纹的扩展作用。,方向杂乱的稠密结构面,方向杂乱的稠密结构面使硬岩的行为类似于低强度岩石。当爆炸荷载作用于岩体后，这些结构面形成应力集中，首先产生破裂，结构面起增强破碎作用，并控制着爆破块度构成。爆破块度的大小和形状在很大程度上取决于结构面的分布。在一般爆堆中，岩体多是沿原有的结构面开裂，这就是最好例证。,7.6.3 炸药与岩石匹配关系对爆破作用的影响,在耦合装药条件下，炸药与岩石紧密接触，设爆轰波垂直入射到药室壁面，则在药室壁面处产生反射波和透射波，透射波进入岩石，反射波返回药室中的爆轰产物。如果把入射爆轰波当作压缩波处理，即采用所谓冲击波声学近似假设，则：,当岩石的声阻抗等于炸药的声阻抗时，没有反射波，称为阻抗匹配。这表明炸药传递给岩石的能量最多。从应力波观点看，炸药的波阻抗应尽可能与所爆破岩石的波阻抗相匹配。因此，波阻抗比R成为选择炸药重要依据。但是，由于一般工业炸药波阻抗与岩石的波阻抗相差较大，要完全匹配是很困难的或是不经济的，而且并非对所有岩石都需要强的应力波。,一般地说：对于弹性模量高、泊松比小的致密坚硬岩石，选用爆速和密度都较高的炸药，以保证相当数量的应力波能传入岩石，产生初始裂纹；对于中等坚固性岩石，选用爆速和密度居中的炸药。对于节理裂隙发育的岩石、软岩和塑性变形大的岩石，爆炸应力波衰减快，作用范围小，应力波对破碎起次要作用，可选用爆速和密度较低的炸药。对这类岩在，若选用高阻抗的炸药，应力波大部分消耗在空腔的形成，是不经济的。,7.6.4 爆破工艺对爆破作用的影响,爆破工艺对爆破作用的影响是多方面，主要包括自由面状态，药包空间分布、药包装填方式和起爆顺序和间隔时间等。,自由面,自由面个数和相对装药量的关系,自由面对爆破作用的影响归纳如下：（1）自由面使岩体的约束度减少，岩体的强度极限降低。在自由面附近，岩石强度近似于单向强度，因此在爆破作用下更易破坏。（2）当药包附近存在自由面时，自由面会产生反射拉伸波，而反射拉伸波会在自由面附近引起岩石层裂和促进原先由压缩应力波产生的径向裂纹扩展。（3）当药包附近存在自由面时，岩体内的应力状态是由入射压缩波，反射纵波和反射横波相互作用所确定，改变了岩体内应力分布，形成了复杂的应力状态，有利于岩石充分破碎。,装药结构,在耦合装药条件下，炸药爆轰压力直接作用于岩石，有利于激发应力波，但它也会造成药室附近岩石的产生塑性变形、过度粉碎，浪费很大能量。通过改变装药结构，即改变炸药在药室内的布置方式，可以改变爆轰压力和炮孔压力对药室壁面作用方式。常采用的装药结构如图所示。（1）耦合装药(连续装药)是指药包体积与药室（炮孔）体积相同，药包与药室壁面（孔壁）紧密接触的装药结构。这是最常见的装药结构。,（2）不耦合装药是指药室体积大于药包体积，药包与药室壁面之间留有间隙的装药结构。药室体积与药包体积之比称为不耦合系数。（3）间隔装药（又称轴向不耦合装药）是指炸药在炮孔内分段装填，药包之间用炮泥、木垫或空气柱隔开的装药结构。,装药结构,装药结构的改变会引起炸药爆炸性能的改变，从而影响爆炸能量有效利用率。空气间隙可以起缓冲作用，使爆炸压力较平缓的作用在孔壁上，避免过渡破坏区的形成，使更多的能量用于岩石的破裂，从而提高能量利用率。,装药结构对炮孔压力的影响,炮孔堵塞,在工程爆破中，炸药装入炮孔后，一般要用岩粉、砂、粘土等材料（称为炮泥）将炮孔其余部分堵上，使炸药在密闭的空间内爆炸。堵塞作用有以下几个方面：（1）阻止爆炸气体从孔口逸散，使炮孔压力在相对较长时间内保持高压状态，增加了爆炸气体气楔、抛掷作用。,堵塞对炮孔压力的影响,（2）加强了对炮孔约束，降低爆炸气体逸散时的温度和压力，有利于炸药充分反应，放出最大热量和减少有毒气体生成量，提高炸药的热效率，使更多的热量转变为机械功。（3）从安全角度看，在有瓦斯的工作面内，堵塞降低了爆炸气体逸散时的温度和压力，阻止了灼热固体颗粒（例如雷管壳碎片等）从炮孔内飞出，从而提高爆破安全性。（4）若不进行堵塞，药包与大气直接接触，爆炸气体易从孔口冲向大气，产生强的爆破噪声。,起爆位置,采用延长药包时，雷管的位置（起爆点）决定了炸药起爆以后，爆轰波传播方向，也决定了岩体中应力波传播方向，从而影响爆破作用。根据起爆点的位置不同，有三种起爆方式：（1）起爆点靠近孔口，爆轰波从孔口传向孔底，称为正向起爆；（2）起爆点位于孔底，爆轰波从孔底传向孔口，称为反向起爆，又称孔底起爆；（3）起爆点位于装药中间，称为双向起爆或中间起爆。,正、反向起爆与应力波传播,（1）反向起爆延长了爆炸气体作用时间正向起爆时，药包起爆后，堵塞物立即受到爆炸气体压缩作用而开始运动。而反向起爆时，爆轰波从孔底向孔口传播，直到爆轰结束时，堵塞物才受到爆炸气体作用而开始运动。此外，正向起爆时，爆炸应力波到达孔口自由面时间比反向起爆时早，孔口自由面反射拉伸波有可能造成孔口部分岩石破裂，使爆炸气体较早逸散。,（2）反向起爆提高了整个药柱爆炸应力波叠加作用（3）反向起爆有利于克服炮孔底部的夹制对于一般工业炸药，爆轰时药柱内各点的爆速是不相同的，起爆点处的爆速是最大的，从起爆点由近至远，各区段爆速是依次降低的。反向起爆时底部的爆速最大，爆轰压力也最大，这有利于克服炮孔底部的夹制。长条形药包应采用多点起爆。,
