第5章岩石爆破作用原理

爆破基础张义平[e-mail]18685159703贵州大学矿业学院2008年1月第一章绪论第二章爆炸基本理论第三章起爆器材及起爆方法第四章钻孔机具及施工第五章岩石爆破作用原理第六章地下爆破工程第七章煤矿矿井爆破第八章露天爆破工程第九章爆破安全技术第十章爆破器材管理基本理论工程爆破安全预防第五章岩石爆破作用原理岩石爆破理论的发展阶段；岩石爆破破碎学说；不同药包的爆破作用；爆破参数计算。爆破理论作为一个学科，划分其发展的不同阶段，在时间上是很难划分清楚的，但其发展过程来说，存在三个阶段：爆破理论的确立阶段早期发展阶段爆破理论的最新发展阶段第一节岩石爆破理论的发展阶段1613年德国人马林（Marlin）、韦格尔（Weigel）在弗雷帕格（Freisberg）矿山首先用炸药开掘坑道，开创了爆破采矿的历史。从炸药用于爆破作业起，人们就有了计算炸药量的方法，也就开创了早期的爆破理论。直到20世纪60年代日野熊雄的冲击波拉伸破坏理论的出现，标志着早期爆破理论发展阶段的结束。一、早期发展阶段这一时期的其它理论：L.W.利文斯顿的爆破理论和流体动力学理论；炸药量与岩石破碎体积成比例理论。这一阶段从日野氏提出冲击波拉伸破坏理论和村田勉提出爆炸气体膨胀压破坏理论开始，到70年代，L.C.朗明确提出爆破作用的3个阶段为止，历时10年。二、爆破理论的确立阶段这一时期特征：（1）爆轰气体压力作用学说、应力波作用学说、应力波和爆轰气体压力共同作用学说已经确立。（2）在爆炸破坏主因是冲击波压力还是爆炸气体膨胀压展开激烈争论，在争论中各派不断完善自己的观点。始于20世纪80年代，标志之一是裂隙介质爆破机理的产生。三、爆破理论的最新发展阶段这一时期特征：（1）断裂力学和损伤力学的引入。（2）计算机模拟和再现爆破过程、混沌学和分叉理论。第二节爆破破岩假说一）爆轰气体压力作用学说这种学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是由于爆轰气体（explosiongas）的膨胀压力引起的。R0R2R1药包爆炸产生大量的高温高压气体，这些爆炸气体产物迅速膨胀并以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，形成压应力场。当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的拉应力时，将产生径向裂隙。二）应力波作用学说这种学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引起岩石破碎的主要原因。其基本观点如下：(b)(a)12(c)(c)爆轰波冲击和压缩药包周围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并衰减为应力波。此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面时，产生反射拉应力波。应力波单独作用该如何研究呢三）应力波和爆轰气体压力共同作用学说这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同作用的结果。其基本观点如下：爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高于爆轰气体产物的压力和传播速度。爆轰波首先作用于药包周围的岩壁上，在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎”现象，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。随后，爆轰气体产物继续压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体“楔入”在应力波作用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进一步张开。当爆轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气体的作用程度是不同的。在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数较小的条件下，应力波的破坏作用是主要的；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。第三节不同药包的爆破作用一、单个药包的爆破作用㈠自由面和最小抵抗线如果将一个球形或立方体形炸药包(爆破上称之为集中药包)埋入岩石中，岩石与空气接触的表面称为自由面。最小抵抗线:药包中心到自由面的垂直距离W。当药包在岩体中的埋置深度很大，爆破作用达不到自由面时，这种情况下的爆破作用称爆破的内部作用。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叫作爆破的外部作用，其特点是在自由面上形成了一个倒圆锥形爆坑，称为爆破漏斗。爆破的内部作用爆破的外部作用粉碎区（压缩区）破裂区震动区根据岩石的破坏特征，受爆炸影响的岩石可分为三个区域：R0R2R1爆破漏斗（一）爆破漏斗的几何要素自由面(临空面)指被爆破的介质与空气接触的面。最小抵抗线是指药包中心距自由面的最短距离。爆破时，最小抵抗线方向的岩石最容易破坏，它是爆破作用和岩石抛掷的主导方向。爆破漏斗半径是指形成倒锥形爆破漏斗的底圆半径。常用r表示爆破漏斗半径。爆破漏斗破裂半径(破裂半径)是指从药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。R表示爆破漏斗破裂半径。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。H表示爆破漏斗深度。HhRWθr爆破漏斗的几何要素最小抵抗线爆破漏斗半径爆破漏斗深度爆破漏斗可见深度爆破漏斗张开角自由面爆破漏斗可见深度：爆破漏斗中碴堆表面最低点到自由面的最短距离叫爆破漏斗可见深度。爆破漏斗张开角：即爆破漏斗的顶角θ。（二）爆破作用指数。爆破漏斗底圆半径与最小抵抗线的比值称为爆破作用指数，用n表示，即：爆破作用指数n在工程爆破中是一个极重要的参数。爆破作用指数n值的变化，直接影响到爆破漏斗的大小、岩石的破碎程度和抛掷效果。nrW衡量爆破作用的效果：当n=1时，形成标准抛掷漏斗（c）；1n3时，形成加强抛掷漏斗（d）；0.75n1时，形成减弱抛掷漏斗（b）；n=0.75时，岩石只形成松动而不形成抛掷，叫做松动漏斗（a）；n0.75时，爆破漏斗不能形成。二、多个药包的爆破作用三、微差爆破利用毫秒雷管或其他设备控制放炮的顺序，使每段之间只有几十毫秒间隔，称毫秒爆破或微差爆破。实践证明，毫秒爆破具有爆破岩石块度小而均匀,炮眼利用率高，岩帮震动小、巷道规格好等特点。几种假说：㈠应力波干涉假说若相邻两装药间隔若干毫秒爆炸，先起爆的装药在岩体内形成的应力场尚未消失，而后起爆装药又立即起爆，使两者产生的应力波相互叠加，从而加强破碎效果。㈡自由面假说先起爆的装药在岩体内已造成某种程度的破坏，形成一个新的爆破漏斗，有一定宽度的裂隙和附加自由面，对后起爆的装药将是一个有利的条件，相当于新增加自由面并处于应力状态作用下。瓦斯矿井爆破，雷管的总延期时间应在130ms内，防止瓦斯在先爆炮眼爆炸后达到1%，预热，在后期炸药爆炸后引爆瓦斯。㈣残余应力假说先期爆炸的应力波在炮孔周围的岩体内形成动态应力场，并产生径向裂隙向外扩展，其后，高温高压的爆生气体渗入裂隙，在较长的时间内使岩体处于准静应力状态，使裂隙进一步扩展。后期装药若在此刻爆炸，就可利用岩体内已经形成的残余应力来改善岩石的破碎质量。㈢岩块碰撞假说先后相继爆破下的岩块在运动过程中发生相互碰撞，利用动能使其再次发生破碎，导致运动速度降低，抛掷距离减小，爆堆减小。四、光面爆破光面爆破实质，是在井巷掘进断面的轮廓线上，布置间距较小、相互平行炮眼，控制每个炮眼装药量，选用低密度低爆速的炸药，采用不耦合装药同时起爆，使爆炸作用刚好产生炮眼连线上的贯穿裂隙，并沿各炮眼的连线——井巷轮廓线，将岩石崩落下来。光面爆破机理光爆炮眼同时起爆，在各炮眼的眼壁上产生细微的径向裂隙，由于起爆器材的起爆时间误差，各炮眼不可能在同一时刻爆炸，先爆炮眼的径向裂隙，由于相邻后爆炮眼所起的导向作用，结果沿相邻两炮眼的连心线的那条裂隙得到优先发展，并在爆生气体的作用下扩展，形成贯穿裂缝。贯穿裂缝形成后，周围岩体内的应力因释放而下降，从而能够抑制其他方向上有裂隙发展，同时又隔断了从自由面反射的应力波向围岩传播，因而爆破形成的壁面平整。光面爆破机理⑴预留光爆层施工法⑵全断面一次掘进第四节爆破参数计算目前，在岩土工程爆破中，精确计算装药量(chargequantity)的问题尚未得到十分圆满的解决。工程技术人员更多的是在各种经验公式的基础上，结合实践经验确定装药量。其中，体积公式是装药量计算中最为常用的一种经验公式。在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土石方体积与所用的装药量成正比。这就是体积公式的计算原理。体积公式的形式为：Q=k·V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。一、体积公式的计算原理集中药包的药量计算延长药包的药量计算Q=k·V根据体积公式的计算原理，对于采用单个集中药包进行的标准抛掷爆破，其装药量可按照下式来计算：Qb＝kb·V一）集中药包的药量计算1.集中药包（concentratedcharge）的标准抛掷爆破:式中：Qb—形成标准抛掷爆破漏斗的装药量，kg；kb—形成标准抛掷爆破漏斗的单位体积岩石的炸药消耗量，一般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。式中V值的大小为：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r＝W，VrW132nrW1V3310472333.Qb＝kb·W3集中药包的标准抛掷爆破装药量计算公式在岩石性质、炸药品种和药包埋置深度都不变动的情况下，改变标准抛掷爆破的装药量，就形成了非标准抛掷爆破。2.集中药包的非标准抛掷爆破当装药量小于标准抛掷爆破的装药量时，形成的爆破漏斗底圆半径变小，n1，为减弱抛掷爆破或松动爆破；当装药量大于标准抛掷爆破的装药量时，形成的爆破漏斗底圆半径变大，n1，为加强抛掷爆破。可见非标准抛掷爆破的装药量是爆破作用指数n的函数，因此可以把不同爆破作用的装药量用下面的计算通式来表示：Q=f(n)·kb·W3式中：f(n)—爆破作用指数函数对于标准抛掷爆破f(n)＝1.0，减弱抛掷爆破或松动爆破f(n)1，加强抛掷爆破f(n)1。f(n)具体的函数形式有多种，各派学者的观点不一，我国工程界应用较为广泛的是前苏联学者鲍列斯阔夫提出的经验公式：f(n)=0.4＋0.6n3鲍列斯阔夫公式适用于抛掷爆破装药量的计算，得到集中药包抛掷爆破装药量的计算通式：Qp=(0.4＋0.6n3)kbW3应用上式计算加强抛掷爆破的装药量时，结果与实际情况比较接近。但是，当最小抵抗线W大于25m时，用上式计算出来的装药量偏小，应乘以修正系数Qp=(0.4＋0.6n3)kbW31252525WWmWm/集中药包松动爆破的装药量可按下式计算：Qs=ksW3式中：Qs—集中药包形成松动爆破的装药量，kg；ks—集中药包形成松动爆破的单位体积岩石的炸药消耗量，一般称为松动爆破的单位用药量系数，kg/m3;工程经验表明，ks与kb之间存在着以下关系：ks＝f(n)·kb＝kb即集中药包松动爆破的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。1312~松动爆破的装药量公式可以表示为：Qs=（0.33～0.5）kbW3延长药包（extendedcharge）是在工程爆破中应用最为广泛的药包。如炮眼爆破法和深孔爆破法中使用的柱状药包(columncharge)以及峒室爆破法中使用的条形药包（linearcharge）都属于延长药包。二）延长药包的药量计算延长药包是相对于集中药包而言的，当药包的长度和它横截面的直径（或最大边长）的比值大于某值时，叫做延长药包。值大小的规定目前尚未统一。就圆柱形装药而言，通常当＞4时，即视为延长药包。实际上，要真正起到延长药包的作用，药包的长度要超过药包直径17倍以上。1.延长药包垂直于自由面2.延长药包平行于自由面延长药包药量计算21rW2rW21rW2rW掘进隧道时，炮眼爆破法的柱状装药就是延长药包垂直于自由面的一种形式。这种情况下炸药爆炸时易受到岩体的夹制作用，但一般仍能形成倒圆锥的漏斗，只是易残留炮窝。1.延长药包垂直于自由面21rW2rWQ=kbf(n)W3式中：Q-----装药量，kg；W-----最小抵抗线，m；ll2112W=l2---堵塞长度，m；l1---装药长度，m。计算装药量时，仍可按体积公式来计算。21rW2rW深孔爆破靠近边坡炮孔的装药