岩土爆破理论.ppt
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1、第六章 岩土爆破理论,6.1.2 爆破理论研究的内容,岩石爆破理论的研究内容应该包括:(1)爆轰波理论的研究;(2)岩石特性,包括岩体结构、构造特征和岩石动力学性质及其对爆破效果的影响;(3)炸药能量向岩石的传递效率;(4)岩石的动态断裂与破坏;(5)爆破过程的数值模拟,预测爆破块度和爆堆形态。,6.2 岩石中的爆炸应力波,在介质中传播的扰动称为波。由于任何有界或无界介质的质点是相互联系着的,其中任何一处的质点受到外界作用而产生变形和扰动时,就要向其他部分传播,这种在应力状态下介质质点的运动或扰动的传播称为应力波。炸药在岩石和其他固体介质中爆炸所激起的应力扰动(或应变扰动)的传播称为爆炸应力波
2、。,6.2.1 应力波分类,6.2.1.1 按传播途径分类按传播途径不同,应力波分为两类:在介质内部传播的应力波称为体积波;沿着介质内、外表面传播的应力波称为表面波。体积波按波的传播方向和在传播途径中介质质点扰动方向的关系又分为纵波相横波。,纵波亦称P波,其特点是波的传播方向与介质质点运动方向相一致,由于纵波传播垂直应力,在传播过程中引起压缩和拉伸变形。因此,纵波又可分为压缩波和稀疏波。横波亦称S波,特点是波的传播方向与介质质点运动方向垂直,在传播过程中会引起介质产生剪切变形。,图6-1示出P波和S波在传播过程中质点运动示意图。固体、液体、气体介质均能传播P波。但是,液体、气体介质不能传播S波
3、,只有固体介质才能传播S波。,表面波可以分为瑞利波和勒夫波。瑞利波简称R波;勒夫波简称Q波。在瑞利波传播的过程中受扰动的质点将遵循椭圆轨迹作后退运动,但不产生剪切变形,在这一点上它与P波相似。Q波与S波相似。波中被扰动的质点与波传播方向成横向的振动。,体积波特别是纵波由于能使岩石产生压缩和拉伸变形,它是爆破时造成岩石破裂的重要原因。表面波特别是瑞利波,携带较大的能量,是造成地震破坏的主要原因。若震源辐射出的能量为100,则纵波和横波所占能量比为7%和26%;而表面波为67%。,6.2.1.2 按波阵面形状分类将应力波分为球面波、柱面波和平面波。,6.2.1.3 按传播介质变形性质不同分类(1)
4、弹性波(2)黏弹性波(3)塑性波(4)冲击波,6.2.3 爆炸应力波的传播,6.2.3.1 冲击波,应力波和地震波冲击波在岩体内传播时,它的强度随传播距离的增加而减小。波的性质和形状也产生相应的变化。根据波的性质、形状和作用性质的不同,可将冲击波的传播过程分为三个作用区,冲击波衰减成不具陡峻波峰的应力波,如图6-3所示。,6.2.3.3 应力波的反射应力波在传播过程中,遇到自由面或节理、裂隙、断层等薄弱面时都要发生波的反射和透射。当波遇到界面时,一部分波改变方向,但不透过界面,仍在入射介质中传播的现象称为反射。当波从一个介质穿过界面进入另一介质,入射线由于波速的改变,而改变传播方向的现象称为透
5、射。,A 应力波在自由面上的反射应力波传播到自由面时均要发生反射,无论是纵波,还是横波经过自由面反射后都要再度生成反射纵波和反射横波。自由面上部为空气,与岩石密度相比,空气的密度可以认为是零。因此,应力波在自由面引起的位移不受限制,自由面上的应力也等于零。当应力波到达自由面时,将全部发生反射。,当纵波、横波在介质内部传播时,在介质中均要产生应力和应变。反射前后的波峰应力值和波形完全一样,但极性相反,由反射前的压缩波变为反射后的拉伸波,从原介质中返回。随着反射波的前进,介质从原来的压缩应力下被解除的同时,而承受拉伸应力。,B 应力波在不同介质分界面上的反射和透射当应力波传到不同介质的分界面时,均
6、要发生反射和透射。假设入射波为纵波(P)时,一般要激发四种波,即反射纵波Pr,反射横波Sr,透射纵波Pt和透射横波St(图6-7)。,波的反射部分和透射部分的应力波的形状变化取决于不同介质的边界条件。入射应力波到达自由面时,入射波全部反射成拉伸波。由于岩石的抗拉强度大大低于岩石的抗压强度,因此可能引起岩石破坏,说明自由面在提高爆破效果方面的重要作用。,6.2.4 岩石中的动应力场,爆炸荷载为动荷载,在爆炸荷载作用下,岩石中引起的应力状态表现为动的应力状态,它不仅随时间而变化,而且随距离远近而变化。(1)自由面对应力极大值的变化有很大影响。(2)自由面附近岩石主要靠反射纵波的拉伸应力破坏。,6.
7、3 岩石中的爆炸气体,如果将爆炸气体与冲击波相比较,从出现的时间讲,冲击波在前,爆炸气体在后。从对岩石的作用时间讲,冲击波作用时间短,爆炸气体作用时间长。尽管爆炸气体出现的时间晚,但是,由于它携带有巨大的能量和较长的作用时间,在破碎岩石中的作用是不可忽视的。在爆轰气体静压的作用下,岩体中产生破坏的裂隙方向。,6.4 岩石的爆破破碎机理,6.4.1 岩石破碎是爆炸冲击波和爆炸气体综合作用的结果,6.4.2 炸药在岩石中爆破作用范围,6.4.2.1 炸药的内部作用,A 粉碎区B 裂隙区C 弹性振动区,6.4.2.2 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
8、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。,A 反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落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6-17所示。,B 反射拉伸波引起径向裂隙的延伸从自由面反射回岩体中的拉伸波,即
9、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有关。如图6-19所示。,6.4.3 炸药在岩石中的爆破破坏过程,从时间来说,将岩石爆破破坏过程分为三个阶段。第一阶段为炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段。如图6-20(a)所示。第二阶段为冲击波反射引起自由面处的岩石片落。如图6-20(b)所示。第三阶段为爆炸气体的膨胀,岩石受爆炸气体超高压力的影响,在拉伸应力和气楔的双重作用下,径向初始裂隙迅速扩大,如图6-20(c)所示。,6.4.4 岩石中爆破作用的5种破坏模式,在爆破的整个过程中,起主要
10、作用的是5种破坏模式:(1)炮孔周围岩石的压碎作用;(2)径向裂隙作用;(3)卸载引起的岩石内部环状裂隙作用;(4)反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸;(5)爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙。,6.5 爆破漏斗理论,当药包爆炸产生外部作用时,除了将岩石破坏以外,还会将部分破碎了的岩石抛掷,在地表形成一个漏斗状的坑,这个坑称为爆破漏斗。,6.5.1 集中药包的爆破漏斗,6.5.1.1 爆破漏斗的几何参数置于自由面下一定距离的球形药包爆炸后,形成爆破漏斗的几何参数如图6-21所示。,(1)自由面。被爆破的岩石与空气接触的面叫做自由面,又叫临空面。如图6-21中的AB面;(2)最小抵抗线W。自
11、药包重心到自由面的最短距离,即表示爆破时岩石阻力最小的方向,因此,最小抵抗线是爆破作用和岩石移动的主导方向;(3)爆破漏斗半径r。爆破漏斗的底圆半径;,(4)爆破作用半径R。药包重心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离,简称破裂半径;(5)爆破漏斗深度D。自爆破漏斗尖顶至自由面的最短距离;(6)爆破漏斗的可见深度h。自爆破漏斗中岩堆表面最低洼点到自由面的最短距离。(7)爆破漏斗张开角。爆破漏斗的顶角。,在爆破工程中,还有一个经常使用的参数,称为爆破作用指数(n)。它是爆破漏斗半径r和最小抵抗线W的比值,即(6-27),6.5.1.2 爆破漏斗的基本形式A.标准抛掷爆破漏斗B.加强抛掷爆破漏斗C.减
12、弱抛掷(简称加强松动)爆破漏斗D.松动爆破漏斗,6.5.2 延长药包的爆破漏斗,按药包长径比(药包长度与其直径的比值)的不同可将药包分为集中药包(长径比4)和延长药包(长径比4)。,在抛掷堆积分布方面,两种药包却不相同:集中药包抛出岩土堆积在漏斗四周,而延长药包的抛体却集中在药包轴线两侧药包长度的范围内,堆体峰值线在过药包轴心的垂线附近,但在药包两端却无抛体堆积。,6.5.3 利文斯顿爆破漏斗理论,6.5.3.1 基本观点6.5.3.2 对岩石破坏的分类(1)弹性变形带;(2)冲击破裂带;(3)破碎带;(4)空爆带。,在临界深度可以观察到三种破坏形式:(1)冲击式破坏:对脆性岩石而言;(2)剪
13、切式破坏:对塑性岩石而言;(3)碎化疏松式破坏:对松散无内聚力岩石而言。,6.5.3.3 利文斯顿爆破漏斗试验及V/Q-曲线为了更全面地表示漏斗的特性并消除由于Q变化而引起的曲线变化,常将V除以Q而成为“单位重量炸药所爆下的岩石体积”作为纵坐标,将Ly(各任意深度)与临界深度Le之比称为深度比作为横坐标。由于在一组试验条件下,Q是常量,横坐标因Le对一定岩石也是一常数,这样可得出另一组曲线,如图6-23所示。,6.5.3.4 利文斯顿的弹性变形方程弹性变形方程是以岩石在药包临界深度时才开始破坏为前提,描述了三个主要变量间的关系。Le=Eb(Q)1/3(6-28)式中 Le药包临界深度,m;Eb
14、弹性变形系数;Q 药包重量,kg。弹性变形系数对特定岩石与特定炸药来说是常数。,与最大岩石破碎量和冲击式破坏上限有关的最佳药包埋深可用下式确定:Lj=o Eb(Qo)1/3(6-29)式中 Lj 最佳埋深,m;Eb 弹性变形系数;Qo 最佳药量,kg;o 最佳深度比,对某一种特定岩石来说,o是一个定值。在处于最佳深度比条件下,药包爆炸后大部分的能量用于岩石破碎过程,而少量能量消耗于无用功。,6.5.3.5 利文斯顿爆破漏斗理论在露天矿的应用6.5.3.6 利文斯顿爆破漏斗理论在地下矿的应用,6.6 装药量计算原理,6.6.1 装药量计算的基本公式,通过量纲分析理论推导,爆破药量计算的基本公式可
15、以表示为:Q=k2W2+k3W3+k4W4(6-30)式(6-30)第一项(k2W2)的物理意义是表示克服张力形成断裂面所需要的能量;第二项(k3W3)表示介质体积变形所需要的能量;第三项(k4W4)表示介质克服重力场所需要的能量。,瑞典学者兰格福尔斯(U.Langefors)在现代岩石爆破一书中,提出的在一般岩石中采用松动爆破情况下的药量计算公式为:Q=0.07W2+0.35W3+0.004W4(6-31)Q=k3W3(6-32)式(6-32)即是工程爆破常用的体积药量计算公式。由此可以认为,在工程中,最小抵抗线取4012.0m是合理和经济的。,此外,还有一个体积公式的形式为:Q=q V式中
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