岩石爆破作用原理.(讲座)ppt课件.ppt

《岩石爆破作用原理.(讲座)ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石爆破作用原理.(讲座)ppt课件.ppt（178页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、岩石爆破作用原理,主要内容,1.岩石爆破理论发展2. 岩石爆破破碎原因的几种学说3.单个药包爆破作用4.药量计算的体积公式5.药量计算中爆破参数意义和选择6.影响爆破效果因素7.控制爆破技术8.爆破数值模拟技术,1.岩石爆破理论发展,随着科学技术发展，特别计算机模拟技术在爆破领域应用，岩石爆破理论已有长足进步。但由于爆破特殊性、岩石性质不确定性，使爆破理论不统一，众说纷纭。从发展历程看，岩石爆破理论发展经历3阶段：早期发展阶段、爆破理论确立阶段、爆破理论最新发展阶段。,1.岩石爆破理论发展,早期发展阶段 1613德国马林（Marlin) 、Weigel等在Freisberg矿将爆破应用于巷道掘

2、进，就有了计算炸药量的方法，出现了早期爆破理论。爆破理论确立阶段 20/60年代日野熊雄提出冲击波拉伸破坏理论和U.兰格福斯（Longefors）等提出爆炸气体膨胀破坏开始，到70年代L.G朗（Long）提出爆破作用三个阶段止，历时十余年基本确立岩石爆破理论。,1.岩石爆破理论发展,爆破理论最新发展 始于20/80年代，主要标志：裂隙介质爆破机理的产生；断裂力学与损伤力学的引入；爆破计算机模拟技术应用等。 随着实验技术和相关学科的发展，岩石爆破机理的研究出现了一个崭新局面。 但是，由于爆破对象复杂性、爆破过程高温、高压、高速等特征的不可测试性，迄今人们对岩石爆破破碎机理仍无定论。,在交通、水利

3、、电、采矿等土石方工程建设中，爆破是最广泛、有效破岩手段。 为优化爆破参数，获得好的爆破效果，必须了解岩石爆破破碎作用机理、装药计算原理等影响因素。,2 岩石爆破作用原理几种学说,施工人员正在钻孔,2 岩石爆破作用原理几种学说,经典岩石爆破破碎机理有以下三大学说村田勉等提出的爆轰气体压力作用学说日野熊雄等提出的应力波作用学说综合2派观点的应力波和爆轰气体共同作用学说它们一定程度上反映了岩石爆破作用机理，对爆破实践具有一定的指导意义。,2 岩石爆破作用原理几种学说,一、爆轰气体压力作用学说( explosion gas failure theory) 这种学说从静力学观点出发，认为岩石破碎主要是

4、由爆轰气体（explosion gas）膨胀压力引起的。其基本观点如下：,药包爆炸时，产生高温、压气体。气体迅速膨胀，以极高压力作用于药包周围岩壁上，形成径向压应力场、同时衍生切向拉应力场。 当岩石抗拉强度低于切向拉应力时，将产生径向裂隙。,同时作用岩壁压力引起质点径向位移，作用力不等径向位移不同，导致岩石中形成剪应力；剪应力超过岩石抗剪强度时，产生剪切破坏；爆轰气体压力足够大时，将推动破碎岩块作径向抛掷运动。 该学说忽视了岩体中冲击波和应力波（stress wave）的破坏作用。,二、应力波作用学说（shock wave failure theory） 该学说以爆炸动力学为基础，认为岩石破碎

5、主要是应力波引起。基本观点如下：,爆轰波冲击、压缩药包周围岩壁，形成冲击波并快速衰减为应力波； 应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前传播，传到自由面时，产生反射波。,1-压应力波波头；2-反射拉应力波波头,当拉应力波强度超过自由面处岩石动抗拉强度时，产生拉伸片裂破坏，岩石逐渐片裂形成爆破漏斗。,缺陷,应力波作用学说只考虑了拉应力波在自由面反射作用，不仅忽视了爆轰气体作用，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。,三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说 认为：岩石破坏是应力波和爆轰气体共同作用结果。 该学说综合考虑应力波和爆轰气体在岩石破坏过程中所起作用，为大多数研究者所接受。

6、基本观点如下：,理论研究,爆轰波波阵面压力和传播速度远爆轰气体压力、速度，并作用于药包周围岩壁上，在岩石中形成冲击波并很快衰减为应力波。 冲击波在药包附近产生“压碎”现象，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。,随后，爆轰气体继续压缩压碎的岩石，并“楔入”应力波作用下产生的裂隙中，使之继续延伸和张开。 当爆轰气体压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。,对于不同性质岩石和炸药，应力波与爆轰气体作用程度是不同： 在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数较小条件下，应力波破坏作用是主要； 在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的条件下，爆轰气体的破坏作用是主要的。,3 单个药包

7、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用原理的基础。,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。,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。,爆破的内部作用R0-药包半径；R1-粉碎区半径；R2-破裂区半径,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，

8、则被压缩形成空腔，这种情况下的粉碎区又称为压缩区。,某些理论研究表明：对球形装药，粉碎区半径是药包半径（1.281.75）倍；对于柱形装药，粉碎区半径是药包半径（1.653.05）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。,破裂区 粉碎区形成同时，冲击波衰减成应力波；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1/101/50，当切向拉应力大于抗拉强度时，岩石被拉断，形成贯通粉碎区径向裂隙。,径向裂隙形成后，作用在岩石上的压力下降，岩石随即释放出压缩过程中积蓄弹性变形能，形成与压应力方向相反的拉应力，

9、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，岩石即被拉断，形成环向裂隙。,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。,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。,二、爆破漏斗（crater） 当单个药包在岩体中埋深不大时，可观察到自由面上出现了开裂、鼓起或抛掷现象。 这种爆破作用叫作爆破的外部作用，特点：在自由面上形成一个倒圆锥形爆坑，称为爆破漏斗。,图4-4 爆破漏斗的几何要素,（一

10、 ）爆破漏斗几何要素 自由面（free face）是指被爆破介质与空气接触面，又叫临空面。 最小抵抗线（minimum burden）：药包中心距自由面最短距离。最小抵抗线方向岩石最容易破坏，是爆破作用、岩石抛掷主导方向。,爆破漏斗半径（crater radius）：形成倒锥形爆破漏斗底圆半径，常用r表示。 爆破漏斗破裂半径：药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点距离，用R表示。 爆破漏斗深度：爆破漏斗顶点至自由面的最短距离叫爆破漏斗深度，用H表示。,爆破漏斗可见深度：碴堆表面最低点到自由面最短距离，用h所示。 爆破漏斗张开角：爆破漏斗顶角，用所示。,（二）爆破作用指数（crater index）

11、 爆破漏斗半径与最小抵抗线比值称为爆破作用指数，用n表示，即： n在工程爆破中是一个极重要参数。 n值变 化，直接影响爆破漏斗大小、岩石破碎程度、抛 掷效果。,（三）爆破漏斗的分类 根据n不同，爆破漏斗分为4种： 标准抛掷爆破漏斗：当r=W，即n=1时，为标准抛掷爆破漏斗，漏斗张开角=90；形成标准抛掷爆破漏斗药包叫做标准抛掷爆破药包。,加强抛掷爆破漏斗：当rW，即n1时，为加强抛掷爆破漏斗，漏斗张开角90；形成加强抛掷爆破漏斗药包，叫加强抛掷爆破药包。,减弱抛掷爆破漏斗：当0.75n1时，为减弱抛掷爆破漏斗，漏斗张开角： 90；形成减弱抛掷爆破漏斗药包，叫减弱抛掷爆破药包。 减弱抛掷爆破漏斗

12、又叫加强松动爆破漏斗。,松动爆破漏斗：当0n0.75时，为松动爆破漏斗，这时爆破漏斗内岩石只产生破裂、破碎而没有向外抛掷现象。 外表看，没有明显的可见漏斗出现。,工程中常用群药包（2、3个以上洞室或炮孔）爆破。群药包是单个药包组合爆破，通过调整药包间距和起爆时间顺序，可以充分发挥单个药包爆破作用，达到单个药包分次起爆所不能达到效果。,某土石方爆破工程,4 装药量体积计算公式,岩土工程爆破中，精确计算装药量(charge quantity)问题未得到解决。 工程中，主要依据经验公式，结合实践经验确定装药量。 体积公式是装药量计算最常用的经验公式。,一、体积公式计算原理 计算原理：一定炸药、岩石条

13、件下，爆落土石方体积与装药量成正比： Q=kV 式中： Q 装药量，kg ; k 单位体积岩石的炸药消耗量，kg/m3 ; V 被爆落的岩石体积，m3 。,二、集中药包药量计算 集中药包（concentrated charge）标准抛掷爆破:根据体积公式计算原理，单个集中药包标准抛掷爆破，装药量可按： QbkbV 计算 。 Qb 装药量，kg； kb 炸药单耗，称为标准抛掷爆破单 位用药量系数，kg/m3; V 标准抛掷爆破漏斗的体积，m3,上式中： 式中： r 爆破漏斗底圆半径，m； W 最小抵抗线；m。对于标准抛掷爆破漏斗， ，即rW ， 所以：,数学是科学研究的重要手段,这样得到： Qb

14、kbW3 该式即为：集中药包标准抛掷爆破装药量计算公式。,集中药包非标准抛掷爆破 岩石性质、炸药品种、药包埋深不变时，改变标准抛掷爆破装药量，形成非标准抛掷爆破: 当装药量小于标准抛掷爆破时，形成的爆破漏斗r变小， n 1，为加强抛掷爆破。,可见非标准抛掷爆破装药量是爆破作用指数n的函数，因此不同爆破作用装药量用下面通式表示： Q = f(n)kbW3 标准抛掷爆破：f(n)1.0，减弱抛掷或松动爆破：f(n)1。,f(n)具体函数形式有多种，各派学者观点不一，我国工程界应用较广的是前苏联学者鲍列斯阔夫提出的经验公式： f(n) = 0.40.6n3,鲍列斯阔夫公式适用抛掷爆破装药量计算，代换

15、得到集中药包抛掷爆破装药量通式： Qp= (0.40.6n3)kbW3,用上式计算加强抛掷爆破装药量时，结果与实际情况接近。 但，当W25m，用该式计算的装药量偏小，应乘以修正系数,集中药包松动爆破装药量可按： Qs= ksW3 式中： Qs装药量，kg； ks 集中药包形成松动爆破单耗，一般称为松动爆破单位用药量系数，kg/m3 ;,经验表明，ks与kb之间存在着： ksf(n)kb kb 即集中药包松动爆破单位用药量约为标准抛掷爆破单位用药量的三分之一到二分之一。松动爆破的装药量可表示为： Qs= （0.330.5）kbW3,三、延长药包药量计算 延长药包（extended charge）

16、是工程爆破应用最广泛的药包。如孔眼爆破中使用的柱状药包(column charge)以及峒室爆破中使用条形药包（linear charge）都属延长药包。,延长药包是相对于集中药包而言的，当药包的长度和截面直径（或最大边长）之比 大于某值时，叫延长药包。 大小规定尚未统一。圆柱形装药而言，通常 4，即视为延长药包。 实际上，真正起到延长药包作用，药包的长度要超过药包直径17倍以上。,延长药包垂直于自由面 掘进隧道时，柱状装药就是该形式。此时，炸药爆炸易受到岩体夹制作用，但仍能形成漏斗，只是易残留炮窝。 计算装药量，仍可按体积公式来计算。,Q=kbf(n)W3 式中：Q-装药量，kg； W-最小

17、抵抗线，m；,W=,l2- 堵塞长度，m；l1- 装药长度,m。,需要说明的是，浅眼爆破，由于凿岩机眼径较小，炮眼内往往容纳不下由上式计算所得的装药量。 这种情况下，需要多打炮眼以容纳计算的药量。,延长药包垂直于自由面的爆破，实际上是一个自由面条件下的密集炮眼群爆破。,延长药包平行于自由面 靠近边坡深孔爆破，就是该形式。延长药包爆破后形成的爆破漏斗是一V形横截面沟槽。,设V形沟槽开口宽度为2r，沟槽深度W，当rW ， =1，称为标准抛掷爆破沟槽。,Q = kbV=kbr Wl = kbW 2l 即Q = kbW2l 非标准抛掷爆破沟槽,装药量计算考虑爆破作用指数n影响，于是： Q = f(n)

18、kbW2l 式中：Q 延长药包的装药量，kg； f(n) 与爆破作用指数有关的经验公式； W 延长药包的最小抵抗线，m； l 延长药包的装药长度，m。,硐室爆破中条形药包，装药量计算： Qt = f(n)kbW2 式中：Qt - 条形药包单位长度装药量， kg/m； f(n)-经验公式，形式多样，各不相同。,我国使用较多的是原苏联学者鲍列斯阔夫和阿夫捷也夫提出经验公式：,f(n),鲍列斯阔夫公式,阿夫捷也夫公式,f(n),上述公式中，n为爆破作用指数，,我国爆破工程技术人员也提出了一些f(n)经验公式，铁道科学研究院提出的公式：,f(n),5 药量计算中相关爆破参数选择,一、单位用药量系数kb

19、和ks kb: 单个集中药包形成标准抛掷爆破漏斗（n1）时，爆破1m3岩石消耗的2号岩石炸药重量，称标准抛掷爆破单位用药量系数，简称标准单位用药量系数。,ks:单个集中药包形成松动爆破漏斗时（0n0.75），爆破1m3岩石所消耗2号岩石铵梯炸药重量，称松动爆破单位用药量系数。,概念,kb与ks相对于同类岩石来讲，存在： ksf(n)kb kb 因此，工程实际中常先选择kb再决定ks。,选择kb或ks时，应考虑多方面的影响因素来加以确定，主要有以下几个途径： 1. 查表。对于普通的岩土爆破工程，kb和ks的值可由查表得出。 表中都是对2号岩石铵梯炸药而言的，使用其它炸药时应乘以炸药换算系数e。,

20、2. 采用工程类比的方法，参照条件相近工程的单位用药量系数确定kb或ks的值。在工程实际中，用这个途径更为现实、可靠。 3. 采用标准抛掷爆破漏斗试验确定kb。理论上讲，形成标准抛掷爆破漏斗的装药量Q与其所爆落的岩体体积之比即为kb。,需要指出的是：kb和ks都只是单个集中药包爆破时装药量与所爆体积之间的关系系数。 群药包共同作用时，总装药量与一次爆落岩体总体积比值称为单位耗药量，简称炸药单耗，用字母q来表示，即：,q,只有单个集中药包爆破时，kb或ks才与q相等。 单位耗药量也是一个经济指标，可用来衡量爆破工程的经济效益，是爆破工程预算的重要指标之一。,二、最小抵抗线W 爆破方法不同最小抵抗

21、线W不同： 硐室爆破、药壶法爆破等集中药包爆破，W是从药包中心到临空面的最短距离； 延长药包爆破，W则是从药包长度中心到临空面的最短距离。,有区别哦,图4-8 各种爆破方法的最小抵抗线,三、爆破作用指数n值 n是表示爆破漏斗大小、形状的重要指标，是无量纲参数； 通过n值，可判断爆破工程性质； 也是分析爆破效果的重要依据。为获得良好爆破效果，选择n时，参考以下原则：,对抛掷爆破，n可根据坡度大小选取： 20 n = 1.752.0 2030 n = 1.51.75 3045 n = 1.251.5 4560 n = 1.01.25 60 n = 0.751.0,多排药包爆破，后排药包n值应比前排

22、大0.25，以克服前排药包爆破产生的阻力。 但任何情况下，抛掷和扬弃爆破n都不应大于3。因为n3后，n值对爆破效果影响就不大了。,松动爆破的n值 松动爆破通常不出现可见爆破漏斗，多数情况下松动爆破n 较小，不直接用n值计算松动爆破药量。 工程中一般借用爆破作用指数函数f(n) 计算松动爆破装药量。,下面是不同类型松动爆破的f(n)值: 最大内部作用药包 f(n)=0.1250.2； 减弱松动药包 f(n)=0.20.44； 正常松动药包 f(n)=0.44； 加强松动药包 f(n)=0.440.64； 为了达到松动爆破目的， f(n)一般不宜超过0.25。,6 影响爆破效果的因素 影响爆破效果

23、的因素很多，3大类：地质条件；炸药性能；爆破技术。 本讲主要就炸药性能、地质条件、装药结构、堵塞、起爆方式等影响共性问题阐述。,一、炸药性能对爆破效果的影响 炸药密度、爆热、爆速、爆力、猛度等性能指标，反映了炸药爆炸时的作功能力，直接影响炸药的爆炸效果。 通过改变炸药性能方式，可改变爆破效果。,但一定品种、型号的工业炸药一但出厂，其性能指标一般不能变动。 即使象铵油、水胶、乳化这些可在现场混制的炸药，也不能随意改变其性质，否则会造成安全隐患或成本的提高。 如提高上述炸药爆热，会造成炸药成本大幅提高；当铵梯炸药的密度超过其极限值后，就不能稳定爆轰等。,因此，根据爆破对象性质，合理选择炸药品种、采

24、取适当装药结构，以提高炸药能量利用率，是改善爆破效果的有效途径。,煤矿许用铵梯炸药,2号岩石炸药,岩石膨化硝铵炸药,爆速是炸药影响自身能量利用率的一个重要性能指标。不同爆速炸药，对岩石爆破作用及效果有明显不同。,阻抗匹配岩石波阻抗(wave impedance) ： 物理意义：质点产生振动单位时间所需应力。波阻抗反映介质对波传播阻尼作用。波阻抗大，所需应力大；波阻抗小，应力就小。炸药的波阻抗：炸药密度与爆速乘积。,科学研究离不开实验,实验表明：炸药或钎杆波阻抗同岩石愈接近，传给岩石能量就愈多，在岩石中所引起的破碎程度也愈大。 因此，为提高炸药能量的有效利用，炸药波阻抗应与岩石波阻抗相匹配。岩石

25、波阻抗愈高，所选用炸药的密度和爆速应愈大。,二、地质条件对爆破效果影响 实践证明，爆破效果很大程度取决地质条件。 国内外爆破学者、技术人员逐步认识到爆破与地质学科结合重要性。出现爆破工程地质新研究方向。 开展爆破与地质关系、依据地质条件定量、科学确定爆破参量等相关研究内容。,爆破工程地质着重研究：地形地质条件对爆破效果、安全、爆后岩体稳定性影响。 涉及地形、岩性、地质构造和水文地质诸方面。,1. 自由面对爆破效果影响 爆破工程中自由面作用是非常重要的。自由面是爆破后岩块破坏与抛出的主方向面。 增加自由面个数，可明显改善爆破效果，并显著降低炸药消耗量。 合理地利用地形条件或人为地创造自由面，可达

26、到事半功倍效果。,下图形象说明自由面数对爆破效果影响。如果其它条件相同，图b所爆下体积约为a的2倍。,2. 断层对爆破效果的影响 实践证明，爆破作用范围内断层或大裂隙能影响爆破漏斗的大小和形状，使爆破不能达到预定抛掷效果甚至引起爆破安全事故。 因此，布置药包时，应查明爆区断层的性质、产状和分布情况，以便结合工程要求尽可能避免其影响。,药包布置在断层中 药包布置在断层下1-药室；F-断层；R1-实际下破裂线R2-设计下破裂线；R1-实际上破裂线R2-设计上破裂线,3. 溶洞对爆破效果的影响 岩溶地区进行大爆破时：溶洞改变最小抵抗线大小和方向，影响抛掷方向和方量；溶洞和溶蚀沟缝，吸收爆炸能量或造成

27、爆破漏气，造成爆破不匀，产生大块。 深孔爆破，地下溶洞会使炮孔容药量突然增大，产生异常抛掷和飞石。,溶洞对抛掷方向的影响 溶洞对深孔爆破的影响,三、装药结构对爆破效果影响 炸药在炮眼内安置方式称为装药结构。 根据炮眼内药卷与炮眼、药卷与药卷关系，装药结构可以分为以下几种：,药卷与炮眼径向关系 偶合装药（coupling charge）：药卷与炮眼无径向间隙，如散装药。 不偶合装药(decoupling charge)：药卷与炮眼有径向间隙，间隙内可以是空气或其它缓冲材料，如水、砂等。,炮孔直径与装药直径之比称为不偶合系数(decoupling index)。 偶合装药或散装药(bulk loa

28、ding)：装药直径即炮眼直径，不偶合系数为1。 不偶合装药：装药直径一般指药卷直径(cartridge diameter)。,药卷与药卷炮眼内轴向关系 连续装药（continuos charge）：药卷与药卷在炮眼轴向紧密接触。 间隔装药（spaced charge）：药卷之间在炮眼轴向存在一定长度空隙，空隙内可以是空气、炮泥、木垫或其它材料。,(c) 正向连续装药；(d) 正向空气间隔装药；(e) 反向连续装药 1-炸药；2-炮眼壁；3-药卷；4-雷管；5-炮泥； 6-脚线；7-竹条；8-绑绳,理论研究和工程实践证明，在一定岩石和炸药条件下，不偶合、空气间隔装药具有下列优点： 1.增加炸药

29、用于破碎或抛掷岩石能量比例，提高炸药能量的有效利用率。 2.改善岩石破碎均匀度，降低大块率。,3.降低炸药消耗量。 4. 有效保护爆破形成的新自由面。 这种装药结构,特别是不偶合装药结构在光面、预裂爆破中得到广泛应用。,堵塞目的： 保证炸药充分反应，防止炸药不完全爆轰； 防止高温高压气体过早从炮眼逸出，使爆炸能量更多转换成破碎岩体的机械功，提高炸药能量有效利用率。,四、堵塞对爆破效果影响,右图可看出，有、无堵塞条件下，爆炸作用对孔壁初始冲击压力没很大影响，但堵塞明显增大爆轰气体作用在孔壁上压力和作用时间，大大提高了对岩石破碎和抛掷作用。,堵塞对爆破作用的影响 a-有堵塞；b-无堵塞,五、起爆方

30、式对爆破效果影响 起爆雷管或药柱在装药中的位置称为起爆点(initiation point)。 炮眼爆破中，根据起爆点在装药中位置和数目，分为：正向起爆（collar firing ）、反向起爆（bottom firing )和多点起爆(multipoint priming)。,单起爆点位于装药靠近炮眼口一端，爆轰波传向眼底，称为正向起爆。 单起爆点置于眼底一端，爆轰波传向眼口，就称为反向起爆。 同一炮眼内设置1个以上起爆点，称为多点起爆。装药全长敷设导爆索起爆，是多点起爆的一个极端形式，相当于无穷多个起爆点。,试验表明，起爆方式是影响爆破效果重要因素。 相同条件下，反向起爆可以提高炮眼利用率

31、，降低岩石夹制作用，降低大块率。 炮眼较深，起爆间隔时间较长、炮眼间距较小情况下，反向起爆可以消除：被邻近炮眼内的装药爆破“压死（dead pressed）”或“提前炸开”现象。,反向起爆也有不足：如需要长脚线雷管，装药比较麻烦；有水深孔中起爆药包容易受潮；装药操作危险性增加，机械装药时静电效应可能引起早爆（prematare explosion）等。,无论是正向、还是反向起爆，岩体内应力分布都不均匀，相邻炮眼分别采用正、反向起爆，能改善这种状况。 多点起爆，由于爆轰波发生叠加，可增大爆炸应力波参数（应力峰值、应力波作用时间、冲量）从而提高岩石破碎度。,7 岩石中相关 控制爆破技术,控制爆破（

32、controlled blasting）：对爆破效果、爆破危害进行双重控制的控制爆破技术。,广东省东莞市水泥厂拆除工程,危害：地震、飞石、空气冲击波、噪音、毒气、粉尘、粉碎性破坏、不定向裂隙、超欠挖。 分类：土石方控制爆破（采矿、岩土、交通、水利）；拆除控制爆破。,概念及特点,一、微差爆破（millisecond delay blasting） 1 （1）定义：以毫秒数量级控制炮孔之间的起爆间隔时间，称为微差爆破，又称毫秒爆破。,（2）特点（优）（1）爆破危害减小：地震效应、飞石、冲击波 （2）一次爆破量大（同震级条件下）（3）单耗低（4）爆破块度均匀，大块率低（5）爆堆整齐、集中,2微差爆破

33、作用机理（为何能改善爆破效果） 1）新自由面的产生 （1）岩石的夹制力变小 （2）岩石的强度下降 （3）提高了反射波能，使破坏加强,2）应力场叠加 先爆炮孔产生动态（静态）应力场未消失之前，后爆炮孔产生动态（静态）应力场能交叉叠加使应力加强。,3）运动岩石的相互碰撞 （1）补充破碎 （2）使飞石和冲击波能变为有用功 （3）爆堆集中4）从时间、空间上分散了地震波能 计算地震，用最大一段起爆药量Q。,3微差间隔时间的确定 1）按产生应力叠加 先爆孔压力下降，岩石回弹出现拉伸应力波时，再起爆后排孔。 计算偏小（Cp= n米/ms） 2）按形成补充自由面 观测研究表明：从起爆到岩石破坏发生位移的时间，

34、大约是应力波传到自由面（W）所需时间的510倍。,经验公式： ms K-统计数字，露天台阶常取25； 先爆孔刚好形成破裂漏斗，已明显脱离瞬间，再起爆后一组，间隔2060ms。,3）按降低地震效应最小的原则确定 （1）主震相刚好错开 3050ms （2）地震波相互干扰 以最大限度降低地震效应 t1-震动周期 实际中，由器材决定，一般孔间2550 ms（12段）；排间50100 ms（24段）,4控制微差间隔时间方法 1）器材上： （1）毫秒电雷管 （2）导爆管雷管 （3）导爆索+毫秒继爆管 （4）电力微差起爆器网路复杂,2）起爆方式上 （1）孔内微差：微差雷管在孔内（电雷管、导爆 管雷管） （2

35、）孔外微差：微差雷管在孔外（导爆管、导爆 索、微差起爆器） （3）孔内分段微差：孔内分段间隔装药,二、挤压爆破（留渣多排孔微差爆破） 定义：W自由面前留有一定厚度爆堆，增加前排孔装药量、相对延长后排孔微差时间，从而提高炸药能量利用率和改善爆破效果，称为多排孔微差挤压爆破。,原理： 阻止岩石前冲运动，增加准静应力场作用时间。 使空气冲击波、飞石能变成有用功，补充破碎， 减少了大块。,优点： 1.爆堆集中整齐，根底少； 2.块度较小，爆破质量好； 3.个别飞石飞散距离小； 4.贮存大量已爆矿岩，有利于均衡生产。,三、光面（预裂）爆破,柳州一桂林高速公路山石质路爆破,光面(预裂)爆破绪 论,概念 控

36、制岩体开挖轮廓爆破技术。沿开挖边界布置密集炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药措施，周边眼在主爆区（前）后起爆。达到岩壁平整、保护岩体目的。两者区别 预裂爆破：线装药密度比光面爆破大；周边眼间距适当小些、崩落层厚也小一些； 预裂爆破是在主爆区爆破之前进行；预裂爆破是在一个自由面条件下爆破，所受的夹制作用很大；防振及防爆破裂隙伸入保留区的能力较强。,光面(预裂)爆破绪 论,光面爆破技术发展1950年发源瑞典，1952年加拿大首次应用，预裂爆破是由光面爆破演变而来的开始，我国将光面、预裂爆破列为控爆技术，但由于 “控制爆破”含义广，如岩石爆破时振动、抛掷方向、块度控制等，如笼统地称为控制爆破不确切

37、,光面(预裂)爆破绪 论,作用机理由于岩石爆破过程本身复杂性，光面(预裂)爆破作用机理，国内外至今尚未取得一致认识在爆破成缝机理方面，光面爆破与预裂爆破基本相同不同之处是光面爆破有侧向自由面，爆破应力波传到自由面后产生反射拉伸波,光面(预裂)爆破绪 论,1）应力波干涉破坏成缝理论 1962年，W.I.戴维尔(Duvall)和K.S.帕内尔(Panie)提出,光面(预裂)爆破绪 论,2）以高压气体为主要作用的成缝理论 U兰格福斯(Langefors)、山口梅太郎等人认为，爆生气体的作用对预裂和光面爆破成缝的影响更大。,光面(预裂)爆破绪 论,3）爆炸应力波与高压气体联合作用理论 1963年前后，

38、美国A麦哈斯(Maihias）认为：爆生气体在渗入裂缝之前，应力波作用，在两孔间形成裂缝；同时也肯定爆轰气体作用。 1968年美国HK科特尔(Kotter)等人试验证明：应力波在两炮孔中间不可能形成开裂，同时起爆时，爆炸气体在预裂缝形成中起主要作用；应力集中和应力波干扰也是存在的。 南非人AN布朗 (Brown)的高速摄影试验证明了这一点。,光面(预裂)爆破绪 论,光面爆破应用效果光爆破开挖：壁面平整，裂隙、危石少，硐中施工安全性，围岩稳定性大大提高，支护工程量也大大减少。一些资料表明：由于隧洞采用光面爆破减少超挖节省的费用，几乎是爆破成本的4倍。,光面(预裂)爆破绪 论,应当指出：不论在何种

39、岩质条件下，采用光面爆破与不采用光爆爆破法相比，效果相差甚远即使围岩岩质很差而不能留下半个孔壁，在对减轻围岩破坏、减少超挖，以及防止冒顶等方面，其作用都是不能忽视的。,光面(预裂)爆破绪 论,光面爆破应用条件虽然作用机理与结果相似，但由于技术上差异，何时、何地，使用哪种爆破会引起争议。三峡工程中，临时船闸及其引航道开挖以预裂爆破为主；永久船闸以光面爆破为主过去，隧道中光面爆破使用较多，预裂在明挖中，尤其在深孔爆破中应用居先。近年来明挖中，光面爆破使用逐渐增多。只要主爆区爆破对保留岩体不产生明显破坏，光面爆破效果更好，为首选。,光面(预裂)爆破绪 论,选用两者时应考虑下列因素影响：欲通过试验比较

40、，二者爆破参数、施工过程各环节应符合设计要求，这样做出的判断才是合理的。根据边坡、结构特点及工程要求选择方案。 如，三峡永久船闸双闸室直立边壁高60m，两闸室间隔墩宽60m。光面爆破比预裂爆破更有利于保护隔墩的完整性。,光面(预裂)爆破绪 论,认真分析地质条件，节理裂隙组合情况，以及其对裂缝形成的影响。施工队伍经验及掌握复杂起爆技术熟练程度。预裂爆破在半无限介质中爆破成缝，势必对缝两侧岩体产生较强振动和损伤。如果它一侧24倍预裂孔深厚度处有自由面，此时预裂爆破效果更好。 采用光面爆破，应注意观测主爆区爆破对保留岩体影响。,光面(预裂)爆破基本参数,基本参数内容炮孔间距a光爆层厚度 w炮孔密集系

41、数 m不耦合系数 k装药集中度 q0,光面(预裂)爆破基本参数,确定方法经验公式、工程类比法；现场试验（爆破漏斗试验）法；现场应用反分析法；理论计算法（苏联学者，应力波动力作用原理）,光面(预裂)爆破基本参数,经验法周边孔间距a控制开挖轮廓面平整度a=(1020)为预裂爆破炮孔间距1.331.89倍。,光面(预裂)爆破基本参数,密集系数m、最小抵抗线W瑞典兰格福斯试验，m=0.50.8时，平整度好；莫斯特科夫建议m值： 岩石强度 600 600800 800900 1000 M=a/w 1.31.1 1.1 1.0 0.80.7矿山井巷工程施工及验收规范建议m值0.81.0；铁路隧道工程技术规

42、则建议m值0.651.0,光面(预裂)爆破基本参数,q0和不偶合系数kq0：每米炮孔装药量，与坚固性系数和岩石结构 面有关，50300g/m（0.150.25kg/m3)；K：关系到爆后孔痕率和炸药对围岩破坏程 度；范围在1.52.4之间。,光面(预裂)爆破基本参数,工程类比法参照类似工程经验数据，根据工程具体条件，确定有关参数类比主要工程条件为： (1)地质条件 (2)炸药种类 (3)开挖断面的大小及形状 (4)钻眼机具设备 (5)开挖方法(全断面一次爆破成型，预留光面层)。 爆破参数选出后，经过两三次试爆确定。,光面(预裂)爆破基本参数,国内部分水工隧洞开挖的光面爆破参数,光面(预裂)爆破

43、基本参数,隧洞光面爆破参数一般参考值,光面(预裂)爆破基本参数,马鞍山矿山研究院光爆参数,光面(预裂)爆破基本参数,半试验、半经验确定法原理方法：爆破漏斗理论；现场进行有限次数单孔及三孔爆破漏斗试验确定；是目前较科学且有实用价值的光面、预裂爆破参数设计方法,光面(预裂)爆破基本参数,具体方法步骤： 调查分析隧道地质情况 通过了解地质资料、现场调查、弹性波测试、钻孔岩心取样分析等方法研究岩体的爆破地质性质。 最后应对隧道穿过的主要岩层爆破性进行描述，为试验地点选择做准备。,光面(预裂)爆破基本参数,单眼爆破漏斗试验a 选定与隧道穿过岩层相近地点作试验场地b 根据类比方法，按经验初定单眼装药量Q：

44、 如爆后不出现过大爆破漏斗，且也非明显的装药过 少，就可作为进一步试验单眼装药量。 c 适当调整Q值大小与装药结构，直到获得临界深度时的装药量与装药结构为止。可用实际需要眼深逐组进行：一般3眼1组，如果第1组效果不够理想时才再进行12组。,光面(预裂)爆破基本参数,三眼变孔距同段爆破漏斗试验取单眼爆破漏斗试验所得装药参数、装药结构，按类比方法初选周边炮眼间距a值在相似岩层中逐组进行变孔距三眼爆破漏斗试验三眼同段起爆，3个炮眼应尽可能钻得深度一致，互相平行。3次为1组，通常进行1组就可找出既不形成爆破漏斗，而又出现贯通裂缝时a值及装药集中度q1。,光面(预裂)爆破基本参数,整理单眼爆破漏斗试验资

45、料，求出经验公式 按以上试验成果进行爆破参数设计 有条件先以小断面导洞试爆，分析试爆效果，并对相关些参数作必要的修正调整。,效果分析,效果检测,施工,设计参数,光面(预裂)爆破基本参数,反分析法原理,修改、完善,光面(预裂)爆破装药结构与起爆,装药结构周边孔纵向均匀分布，径向不偶合；炮孔较浅（2m），可采用连续装药；孔较深时，采用导爆索连接的空气间隔装药；底部加强装药；堵塞长度：孔深的 1/4 1/3 其它孔 连续、孔底加强、堵塞装药,光面(预裂)爆破装药结构与起爆,起爆起爆系统：电、非电起爆起爆顺序：分段段数根据地下工程断面大小确定 掏槽孔辅助孔底孔周边孔；掏槽孔13段；辅助孔自内向外，一圈

46、或数圈起同时起爆；周边孔同段爆破。制造引起的误差越小越好，相邻孔同段雷管误差控制在100MS以内。,光面(预裂)爆破施工方案,在隧道掘进时，光面爆破有2施工方案：一是全断面一次掘进，用多段毫秒雷管顺序起爆另一种是预留光爆层掘进，即先掘进超前导硐，然后扩大到全断面光爆层：指周边孔与最外层主爆孔之间一圈岩石层，光爆层厚度就是周边孔最小抵抗线。,光面(预裂)爆破凿岩与爆破质量标准,光面爆破效果光爆的超挖光面爆破使超挖量明显减少；凿岩孔位、外斜误差造成了超挖不可避免平均超挖值：R= 最大超挖值限制了最大孔深按规定，a5cm，每米 5cm，L4m时，应采取减少超挖的措施。,光面(预裂)爆破凿岩与爆破质量

47、标准,如何评定光面、预裂爆破效果，目前国内尚无统一标准，应根据不同用途（水工、地下铁道、铁路隧道）、不同技术要求，合理地拟定各项具体标准。下面是国内几种供参考地下工程检验标准,光面(预裂)爆破凿岩与爆破质量标准,铁路隧道光面爆破质量评定标准,光面(预裂)爆破凿岩与爆破质量标准,光面爆破质量检验标准,光面(预裂)爆破凿岩与爆破质量标准,预裂爆破质量检验标准,光面(预裂)爆破凿岩与爆破质量标准,两个概念宁欠毋超宁超不欠,8 爆破数值模拟技术,一 概 述,爆破过程计算机数值模拟就是采用计算机模拟方法，求得爆破过程或系统的模型解。对于认识岩石爆破现象及其机理、优化爆破效果有着重要意义。数值模拟、实验、

48、理论分析已构成认识爆炸力学，甚至整个力学问题的3种有效方法，被称为“三位一体”的研究途径。,爆破过程数值模拟达到目的有4个方面：裂纹产生和扩展；预测爆破块度的组成和爆堆形态；爆破效果的评价与参数的优化；模拟和再现爆破过程。,二 数值模拟步骤,（1）定义问题确定不同类型有关变量：决策变量、变化参量。对于爆破过程来说，影响爆破效果变化参量有3大方面，20余个参数。如：岩石性质：力学性质岩石强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角；岩体结构面断层、劈理和节理。炸药特性：炸药密度、爆速、猛度、爆力、殉爆距离。爆破工艺：爆破参数、起爆方式和装药结构。从上述众多参数中，如何选取有代表性的参数，就成为定义问题的关键

49、。,（2）建立模型建模是计算机模拟核心问题。涉及3个问题：岩石破碎过程中应力波和爆炸气体各自所起作用；炸药爆炸能作用下，岩石断裂和破碎是如何发生的；影响破碎诸因素的分析及相关函数式的建立。确切地说：就是要确定炸药特性、岩石性质、爆破工艺和爆破效果各有关参数之间数学表达式。,目前，国内外爆破模型有多种多样：按建模方法分类：理论模型、经验模型和二者相结合的综合模型。按破坏准则分类：有能量准则和强度准则模型。按爆炸能量来源分类：应力波模型、爆炸气体模型。按研究对象分类：有连续、均质各向同性介质和裂隙介质模型。,国内，马鞍山矿山研究院1984年首次推出“露天矿台阶爆破矿岩破碎过程的三维数学模型”。 随

50、后，长沙矿山研究院、中国矿业大学、东北大学、北京科技大学都做了不少有益的工作。 遗憾的是国内建立的爆破模 型大多是研究型的，能用于生产的模型很少。,国外主要爆破模型如表所示,（3）计算机程序5090年代，美国开发了系列爆破计算机程序。,我国软件技术水平上仍很落后，我国计算力学软件每年引进费用达千万美元，而自编软件在国际上尚无立足之地，国内软件市场尚未形成。,ANSYS/LS-DYNA程序，是显时非线性动力分析通用的有限元程序，可以求解非弹性结构高速碰撞、爆炸等大型动力响应问题。国内用它进行硐室、台阶、药壶爆破数值模拟都取得了较好的效果。1976年美国J.Q.Hallquist主持开发，1986