第4章岩石爆破理论

第4章岩石爆破理论

4.1 岩石爆破特性及爆炸应力波

岩石爆破理论的发展

岩石爆破理论在20世纪70年代确立了冲击波拉伸破坏理论、爆炸气体膨胀压碎破坏理论、冲击波和爆炸气体综合作用理论。随着爆破技术和相邻学科的发展，特别是岩体结构力学、岩石动力学、断裂、损伤力学和计算机模拟爆破技术的发展，使爆破理论的研究更实用化，更系统化。计算机模拟，用以研究裂纹的产生、扩展。但是，从总体上看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研究和生产实际仍有不小的差距。岩石爆破理论的研究内容应该包括：（1）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；

（2）炸药能量向岩石的传递效率；

（3）岩石的动态断裂与破坏；

（4）爆破过程的数值模拟，预测爆破块度和爆堆形态。

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，这种在压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。

应力波分类

（1）按传播速度分类

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和横波。

纵波又称P波，其特点是波的传播方向与介质质点运动方向一致，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。

横波又称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。

横波

纵波

纵波和横波传播过程中质点振动示意图

（2）按波阵面形状分类

应力波在传播过程中，由于所形成的波阵面形状不同，将应力波分为球面波、柱面波和平面波。球形药包激起的是球面波；柱状药包沿全长同时起爆时激发的是柱面波；平面药包激起的是平面波。

（3）按传播介质变形性质不同分类

由于固体介质变形性质不同，在固体中传播的应力波可分为以下几种：

①弹性波。在弹性介质中传播的波，此弹性介质在应力——应变关系中服从虎克定律。

②黏弹性波。在非线性弹性体中传播的波。这种波除弹性变形产生的弹性应力外，还产生摩擦应力或黏滞应力。

③塑性波。应力超过弹性极限的波。在能够传播弹性波的介质中，应力在未超过弹性极限前仍然是弹性的。当应力超过弹性极限后，出现屈服应力，其传播速度比弹性应力传播速度小得多。

④冲击波。如果介质的变形性质能使大扰动的传播速度远远大于小扰动的传播速度，在介质中就会形成波阵面陡峭的，以超声速传播的冲击波。

炸药爆炸后，在岩石中传播的主要是弹性波，特别是在爆区远区。塑性波和冲击波只能在爆源处才能观察到，而且不是所有岩石都能产生这样的波。

冲击载荷的特征及爆炸冲击波参数 （1）冲击载荷的特征

①在冲击载荷作用下，承受载荷作用的物体的自重非常重要。冲击荷载作用下所产生的力的大小、力的作用的持续时间和力的分布状态等，主要取决于加栽体和受载体之间的相互作用。例如：在炸药载荷的作用下，由于炸药威力不同，对被冲击物体（岩石）的破坏力是不同的。

②在冲击载荷作用下，在承载体中诱发出的应力是局部的，即在冲击载荷作用下，承载物受载的某一部分的应力应变状态可以单独地存在，并与其他部分发生的应力或应变无关。因此，在承载体内部产生了明显的应力不均匀性。

③在冲击载荷的作用下，承载体的反应是动态的。冲击载荷使物体发生运动，物体出现的各种现象均呈运动状态。 （2）爆炸冲击波参数

爆炸冲击波参数主要指冲击波压力P 、冲击波速度D 、介质质点运动速度u ，内能E 和压缩比???

?

??

=

0ρρρ。 根据物理学的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程可以得出下列3个冲击波的基本方程：

)(0u D D -=ρρ

Du P P 00ρ=-

))((2

1

0012V V P P E E E -+=-=?

式中 1E 、2E ——介质扰动前后的内能；

0P 、P ——介质扰动前后的压力；

ρ、0ρ——介质扰动前后的密度；

0V 、V ——介质扰动前后的体积。

另外，在爆炸载荷的作用下，作用在岩石上的压力P （冲击波压力或应力波压力）、温度T 、密度ρ存在下列关系，称为岩石的状态方程。

)(T P P ?=ρ

对于硬岩，在爆炸冲击波载荷作用下的本构方程可以写成如下形式：

???

?

????-???? ??=-1400ρρn B P P

式中0ρ、ρ——介质扰动前后的密度；相对于介质扰动的爆炸冲击波压力P ，扰动前的介质压力0P 可以近似为零。

因此，上式可以写成：)1(4

-=ρn B P

ρρ

ρ=

，称为压缩比。 一般认为，当冲击波波速达每秒数千米时，系数n B 为定植，

4

20P

n C B ρ=

对于大多数硬岩，爆炸冲击波波速D 和岩石质点运动速度u 存在下列关系

bu a D +=

式中，a 、b ——实验常数，可以查找。 这样可以求解下列方程组：

)(0u D D -=ρρ

Du P P 00ρ=-

))((2

1

0012V V P P E E E -+=-=?

)1(4

-=ρn B P

bu a D +=

某些岩石的b a 和值

爆炸应力波的传播

（1）冲击波、应力波和地震波

冲击波在岩石内传播时，它的强度随着传播距离的增加而减小。波的性质和形状相应的变化。根据波的性质、形状和作用的不同，可将冲击波的传播过程分为3个作用区，如图所示。

r—药包半径；t H——介质状态变化时间；t s——介质状态恢复到静止状态时间在离爆源约3~7倍药包半径的距离内，冲击波的强度极大，波峰压力一般都大大超过岩石的动抗压强度，故使岩石产生塑性变形或粉碎。因而消耗了大部分的能量，冲击波的参数也发生了急剧的衰减。这个距离范围叫做冲击波作用区。冲击波通过以后，由于能量大量消耗，冲击波衰减成不具陡峭波峰的应力波，波阵面上的状态参数变化比较平缓，波速接近或等于岩石中的声速，岩石的状态变化所需时间大大小于恢复到静止状态所需时间。由于应力波的作用，岩石处于非弹性状态，在岩石中产生变形，可导致岩石的破坏或残余变形。该区称为应力波作用区或压缩应力波作用区。其范围可达120~150倍药包半径的距离。应力波传过该区后，波的强度进一步衰减，变为弹性波或地震波，波的传播速度等于岩石中的声速，它的作用只能引起岩石质点做弹性振动，而不能使岩石产生破坏，岩石质点离开静止状态的时间等于它恢复到静止状态的时间。故此区称为弹性振动区。

（2）冲击波压力的衰减

尽管冲击波作用范围很小，在岩石中一般不超过药包直径的3~7倍。但是，在传播过程中其压力仍呈衰减趋势。岩石中冲击波衰减与炸药类型、药包形状和岩石特性有关，其数学表达式为：

α

γ

2

P P =

式中 P ——岩石中冲击波峰值压力；

2P ——炸药爆炸后岩石界面上的初始冲击波压力；

γ——比距离，e

γγγ=

； γ ——与冲击波压力P 对应点处至爆源的距离；

e γ——药包半径；

α ——压力衰减系数，3~1≈α；在塑性变形区区内取3，应力波衰减系数低于冲击

波的数值。

随着传播距离的增加，爆炸冲击波衰减为爆炸应力波，弹性介质中的应力波传播速度取决于介质密度、弹性模量等。在无限介质的三维传播情况下，其纵波和横波传播速度分别为：

2

1)21)(1()

1(?

?????-+-=μμρμE C p 2

12

1

)1(2??

????=??????+=ρμρG E C s 式中，E ——介质的弹性模量，kPa ；

μ——介质的泊松比；

G ——介质的剪切模量，kPa 。

岩石中的应力波速度除与岩石密度、弹性模量有关外，还与岩石结构、构造特性有关。工程上一般通过实测得出岩石的纵波和横波传播速度。

（3）应力波在不同介质分界面上的反射和透射

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，一部分改变方向，但是不透过界面，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射。

当应力波传到不同介质的分界面时，均要发生反射和透射。假如入射波为纵波（P ）时，一般要激发4种波，即反射纵波Pr ，反射横波Sr ，透射纵波Pt ，和透射横波St 如图所示。

P 波由介质I 入射到介质II 中的示意图

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。根据界面连续条件和牛顿第三定律，分界面两边的质点运动速度相等，应力也相等。

t r i σσσ=+ （1）

t r i V V V =+ （2）

式中的σ和V 分别代表应力和质点运动速度，下角标的字母i 、r 、t 分别代表入射、反射和透射波。

假设传播的应力波为纵波，则

11P i i C V ρσ=

，11P r r C V ρσ-=，2

2P t

t C V ρσ= （3） 将式（3）代入式（2）得：

2

21111P t

P r P i C C C ρσρσρσ=- （4） 将式（4）和（1）联立可得：

????

??+-=112

21122P P P P i r C C C C ρρρρσσ ?

??

?

??

+=11222

22P P P i t C C C ρρρσσ 式中1ρ、2ρ——分别表示两种不同介质的密度，kg/m 3；

1P C 、2P C ———分别表示两种不同介质的纵波速度，m/s 。 设：1

1221

122P P P P C C C C F ρρρρ+-=

F 称为反射系数。

1

1222

22P P P C C C T ρρρ+=

T 称为透射系数。

显然 T F =+1 （5）

由式（5）可以看出，T 总是为正，说明透射波与入射波总是同号，F 的正负取决于两种介质的波阻抗的大小。

（1）若1112P P C C ρρ>，F >0，反射波和入射波同号，压缩波仍为压缩波。反向加栽。 （2）若1112P P C C ρρ=，F =0，T =1，此时说明两种介质完全相同，没有能量损失。 （3）1112P P C C ρρ<，F <0，反射波和入射波异号。

（4）012=P C ρ，类似于入射波达到自由面，则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（3）（4）情况都可能引起岩石破坏，这也说明自由面可以提高爆破效果的重要作用。

（4）岩石中的动应力场

爆炸载荷为动载荷，在爆炸载荷作用下，岩石引起的应力状态为动的应力状态。在爆炸应力波作用的大部分范围内，它是以压缩波的方式传播的，其引起的岩石应力状态可以近似地采用弹性理论来研究和解析。近代动应力的分析方法，就是按应力波的传播、衰减、反射和透射等一系列规律，计算应力场中各点在不同时刻的应力分布情况，以求得任何时刻的应力场及任意小单元的应力状态随时间变化的规律。

当爆炸应力波从爆源向自由面倾斜入射时，在自由面附近某点岩石中产生的应力状态是直达纵波、直达横波，纵波反射生成的反射纵波和反射横波、横波反射生成的反射纵波和反射横波的动应力状态迭加而成。为简化计算，下面仅考虑入射波是纵波的情况。如下图所示：

自由面为横轴，最小抵抗线为纵轴，O 点为炸药中心（即爆源），岩石中任一点A 的应力状态可做如下分析：该点由入射直达纵波产生的应力为ip σ，由反射横波产生的应力为rs σ，由反射纵波产生的应力为rp σ，则该点A 的应力为三者的合成，由合成引起的3个主应力为1σ，2σ，3σ。

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来讲，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，由于它携带巨大的能量和较长的作用时间，在岩石破碎中的作用是不可忽视的。

4.2岩石的爆破破碎机理

炸药在岩石中爆破的物理现象

药包在无限介质中爆炸，炸药在极短的时间内，通过化学变化转化为气体状态的爆炸产物，由于膨胀作用体积增加到数百至数千倍，压力高达1000~10000MPa，温度达2000~50000C ,速度高达每秒数千米的冲击波以动压力的形式作用于药包周围。这种极其巨大的爆能差不多在爆炸的同时，自药包中心扩展传递给周围介质，使介质产生不同程度的破坏和振动现象，称为内部作用。

在岩体内部形成爆腔、粉碎区、裂隙区和振动区。

当集中药包埋置在靠近地表的岩体中，药包爆炸后除了产生内部的破坏作用外，还会在地表产生破坏作用，即爆破的外部作用。

外部作用的产生是由于药包在岩体中爆炸后形成压缩波向四周传播，当压应力波到达自由面时，一部分或全部反射形成同传播方向相反的拉应力波，这个拉应力波使脆性岩石拉裂造成表面岩石与岩体分离，形成片落（软岩则隆起），这种效应叫霍布金逊（Hopkinson）。下图表示霍布金逊效应的破碎机理中应力波的合成过程。

应力波合成过程

自由面

自由面拉伸裂隙

（1）（2）

片落的岩石向前运动

的岩片

（3）（4）

岩石表面片落过程

反射拉伸波对径向裂隙的影响

当反射拉伸应力波的强度减小到不足以引起片落时，也还可以在破碎岩石方面起到一定作用。如上图所示，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处的应力场得到加强，故裂隙继续向前延伸。当径向裂隙同反射应力波阵面成900角时，反射拉伸效果最好。当交角θ<900时，存在一个垂直裂隙方向的拉伸分力，促使径向裂隙扩展和延伸，或者造成一条分支裂隙。垂直于自由面方向的径向裂隙，则不会因反射拉伸应力波的影响而继续扩展和延伸。

岩石在爆破作用下的破碎机理

从时间来说，将岩石爆破破坏过程分为3个阶段。

(3)

(2)(1)

爆破过程的3个阶段

第一阶段为炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段。炸药起爆后，产生的高压粉碎了炮孔周围的岩石，冲击波以3000~5000m/s 的速度在岩石中引起切向拉应力，由此产生的径向裂隙向自由面方向发展，冲击波由炮孔向外扩展到径向裂隙的出现需要1~2ms 。

第二阶段为冲击波反射引起自由面处的岩石片落。第一阶段冲击波为正值，当冲击波达到自由面后发生反射时，波的压力变为负值。即由压缩应力波变为拉伸应力波。在反射拉伸应力波的作用下，岩石被拉断，发生片落。此阶段发生在起爆10~20ms 。

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，在拉应力和气楔的双重作用下，径向初始裂隙迅速扩大。

当炮孔前方的岩石被分离、推出时，岩石内产生的高应力卸载如同被压缩的弹簧突然松开一样。这种高应力的卸载作用，在岩体内引起极大的拉伸应力，继续了第二阶段开始的破坏过程。第二阶段形成的细小裂隙构成了薄弱带，为破碎的主要过程创造了条件。

应该指出的是：第一阶段除产生径向裂隙外，还有环状裂隙的产生；如果从能量观点出发，第一、二阶段均是由冲击波的作用而产生的，而第三阶段原生裂隙的扩大和碎石的抛出均是爆炸气体作用的结果。

（4）岩石中爆破作用的5种破坏模式

炸药爆炸时，周围岩石受到多种载荷的综合作用，包括：冲击波产生和传播引起的动载荷；爆炸气体形成的准静态和岩石移动及瞬间应力场张弛导致的载荷释放。

在爆破的整个过程中，起主要作用的是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。

无论是冲击波拉伸破坏还是爆炸气体膨胀压缩破坏理论，就其岩石破坏的力学作用而言，主要的仍是拉伸破坏。

（5）爆破漏斗

当药包爆炸产生外部作用时，除了将岩体破碎外，还将部分破碎的岩石抛掷一定距离，在岩体表面形成一个漏斗形的坑，称为爆破漏斗。

爆破漏斗图

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，形成的几何参数如上图所示。

①自由面：被爆的岩石与空气接触的面叫自由面，又称临空面，如图中AB 面。

②最小抵抗线W ：自药包中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 ：药包中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 ：自爆破漏斗岩堆表面最洼点到自由面的最短距离。

⑦爆破漏斗张开角θ：爆破漏斗的顶角。

⑧爆破作用指数n ：爆破漏斗半径r 和最小抵抗线W 的比值，即：

W

r n =

爆破漏斗的基本形式

标准抛掷爆破漏斗加强抛掷爆破漏斗

减弱抛掷爆破漏斗松动爆破漏斗

标准抛掷爆破漏斗

爆破漏斗的漏斗半径r 与最小抵抗线W 相等，即爆破作用指数1==

W

r

n ，漏斗的张开角度θ=900

。形成标准抛掷爆破漏斗的药包称为标准抛掷爆破药包。在确定不同种类岩石的单位炸药消耗量时，或者确定和比较不同炸药的爆炸性能时，往往用标准爆破漏斗容积作为检查的依据。

加强抛掷爆破漏斗

这种爆破漏斗半径r 大于最小抵抗线W ，几5爆破作用指数1>n ，漏斗张开角度θ>900

。形成加强抛掷爆破漏斗的药包称为加强抛掷爆破药包。当3>n 时，爆破漏斗的有效破坏范围并不随着n 值的增大而明显增大。所以，爆破工程中加强抛掷爆破作用指数为31<

减弱抛掷爆破（简称加强松动爆破）漏斗

这种爆破漏斗半径r 小于最小抵抗线W ，即爆破作用指数175.0<

。它是隧道掘进常用的爆破漏斗形式。 松动爆破漏斗

药包爆破后只使岩石破裂，几乎没有抛掷作用，从外表看，不形成可见的爆破漏斗。此时的爆破作用指数75.0≤n 。它是控制爆破常用的爆破漏斗形式。

5装药量计算原理

合理地计算炸药用量和炮孔布置、起爆顺序等同样都是爆破设计和施工中的重要内容，它直接影响着爆破效果、爆破工程成本和爆破安全等。由于爆破过程的复杂性和瞬时性，迄今为止，尚未有一个理想的装药量计算公式，工程技术人员更多地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。

单个药包在自由面附近爆炸时形成爆破漏斗。在这种情况下，可用体积公式计算单个药包装药量。体积公式的实质是装药量的大小与岩石对爆破作用力的抵抗程度成正比。由于这种抵抗力主要是重力作用，因此，位于岩石内部的炸药量所克服的阻力主要是介质本身的重力，实际上就是被爆破的那部分岩石的体积，即装药量的大小应与被爆破的岩石体积成正比。体积公式的形式为：

V q Q ?=

式中 Q ——装药量， kg ；

q ——爆破单位体积岩石的炸药消耗量， kg/m 3；

V ——被爆破的岩石体积，m 3。

由上式看出：装药量Q 与岩石体积V 成正比；炸药单耗q 不随岩石体积V 的变化而变化。应该指出，体积公式只有当介质是松散的或者黏结很差的情况下，以及最小抵抗线W 变化不大时才是正确的。实际上，在很多情况下，药包爆破时产生的能量，不仅要克服岩石的重力，也要克服岩石的抗剪力、惯性力等。因此，装药量与被爆破岩石体积成比例的关系是不确切的。此外，经验证明，若使

用松动药包，当最小抵抗线变化时，单位炸药消耗量不一定是常数。

6影响爆破作用的因素

影响爆破作用的因素很多，归纳起来主要有3个方面，即炸药性能；岩石特性；爆破条件和爆破工艺。

6.1炸药性能对爆破作用的影响

炸药性能包括物理性能、热化学参数和爆炸性能。其中，直接影响爆破作用及其效果的是炸药密度、爆热和爆速。正是它们进而又影响了爆轰压力、爆炸压力、爆炸作用时间以及炸药爆炸能量利用率。

（1）炸药密度、爆热和爆速

破碎岩石主要靠炸药释放出来的能量。增加炸药爆热和密度，可以提高单位体积炸药的能量密度；反之，必然导致炸药密度的降低，增加钻孔的工作量和成本。提高炸药热化学参数，增大密度，采用高威力炸药是提高爆破作用的有效途径。

爆速也是炸药性能的主要参数之一，不同爆速的炸药，在岩石中爆炸可产生不同的应力波参数，从而对岩石的爆破作用及效果有明显的影响。

（2）爆轰压力

爆轰压力是指炸药爆炸时爆轰波波阵面中的C-J面所测得的压力，当爆轰波传到炮孔壁上时，在孔壁的岩石中会激发成强烈的冲击波和应力波。这种冲击波在岩石中，特别会引起炮孔周围岩石出现粉碎和破裂，它为整个岩石破裂创造了先决条件。一般来说，爆轰压力越高，在岩石中激发的冲击波的初始峰值压力和引起的应力以及应变也越大，越有利于岩石的破裂，尤其是对于爆破坚硬致密的岩石来说更是如此。但是并不是对所有岩石来说爆轰压力越高越好，对某些岩石来说爆轰压力高将会造成炮孔周围岩石的过度粉碎。

（3）爆炸压力

爆炸压力又称炮孔压力，它是爆轰气体产物膨胀作用在孔壁上的压力。在爆破破碎过程中爆炸压力对岩石起胀裂、推移和抛掷作用，一般来说，爆炸压力越高，说明爆轰产物中含有能量越大，对岩石胀裂、推移和抛掷的作用越强烈。

岩石爆破的压力—时间变化曲线

在整个爆破破碎过程中，冲击波的作用虽然超前于爆轰气体的膨胀作用，但是爆轰反应时间极为短促，往往在岩石破碎尚未完成以前就结束了。上图表示孔内药包起爆后，炮孔内压力随时间的变化曲线。t1为药包爆轰反应所经历的时间，t2为爆炸气体膨胀作用的时间。P2为爆轰压力，P3为爆炸气体的膨胀压力在均压以后的爆炸压力。曲线MN表示爆炸压力随时间的变化。可以看出：爆轰压力越高，曲线越陡，t1时间越短，能量利用率越低；t2时间越长，爆炸压力作用的时间也越长，这样能使由爆轰压力在岩体中引起的初始裂隙得到充分的膨胀和延伸，能量利用率高，岩石破碎也越均匀。

爆炸压力的大小取决于炸药爆热、爆温和爆轰气体的体积。而爆炸压力作用时间除与炸药本身的性能有关以外，还与爆破时炮孔的堵塞质量有关。因此在工程爆破中除了针对岩石性能和爆破目的，选用性能相适应的炸药品种外，还应注意堵塞质量。

（4）炸药能量利用率

炸药在岩体中爆炸时所释放出的能量，通过爆炸应力波和爆轰气体膨胀压力的方式传递给岩石，使岩石产生破碎。但是，真正用于破碎岩石的能量只占炸药释放能量的极小部分。大部分能量都消耗在作无用功上。例如采用抛掷爆破时用于破碎岩石上的能量只占总能量的5~7%，就是采用松动爆破，能量利用率也不会超过20%。炸药爆炸时的能量分配包括：克服岩体中的凝聚力使岩石粉碎和破

裂；克服岩体中的凝聚力和摩擦力使爆破范围内的岩石从母岩体中分离出来；将破碎后的岩块推移和抛掷；形成爆破地震波、空气冲击波、噪声和爆破飞石。

在工程爆破中，造成岩石的过度粉碎，产生强烈的抛掷，形成强大爆破地震波、空气冲击波、噪声和爆破飞石均属于无用的爆炸功。因此，必须根据爆破工程的要求，采用有效措施来提高炸药能量的利用率。例如，根据岩石性质来合理选择炸药的品种，合理确定爆破参数，选择合理的装药结构和药包的起爆顺序，以及保证堵塞质量等，都可以提高炸药在岩体中爆炸时的能量利用率。

6.2岩石特性对爆破作用的影响

岩石特性包括：岩石的物理、力学性质，岩石动载特性，地质条件等。从某种意义上讲，岩石特性对爆破作用的影响就是岩石的特性对应力波传播的影响。

（1）岩石种类和岩石密度

一般来说，岩石的密度和完整性程度越高，波速越大，反之则越小。通过对多种岩石实测，大多数岩石的纵波速度在 1.8~7.2km/s之间，而对应的密度在0.47~3.32g/cm3之间。它们之间的关系为：

ρ

.0+

C

=

35

.1

88

P

式中ρ——岩石密度；

C——岩石中纵波传播速度。

P

（2）结构面对应力波传播的影响

岩体的结构面，特别是裂隙严重地影响着应力波的传播，表现在：①加剧了应力波能量的衰减。应力波的衰减程度，取决于裂隙的宽度和黏结材料的阻抗（密度与纵波速度的乘积）。②改变了应力波传播方向。当应力波在传播过程中遇到裂隙等结构面时，应力波发生反射、透射，改变了应力波传播方向。所以，结构面的方向决定了应力波传播方向，也决定了爆破裂隙的扩展程度。

6.3炸药与岩石的波阻抗匹配关系对爆破作用的影响

C的乘积。它反映了应力岩石波阻抗是岩石密度ρ与纵波在岩石中传播速度

P

波使岩石质点运动时，岩石阻止波能传播的作用。岩石波阻抗对爆破能量在岩石中的传播效率有直接影响。

与其爆速D的乘积。炸药爆轰时传递给岩体炸药的波阻抗是炸药的密度

e

的能量多少、传递效率与岩石波阻抗和炸药波阻抗有着直接的关系。若炸药波阻抗与岩石波阻抗越接近，则炸药能量传递效率越高，爆破引起的岩体应变值越大，可获得较好的爆破效果。这对于根据岩性条件选用合适的炸药类型具有重要的指导意义。但是，要使炸药与岩石的波阻抗相等是很困难的。例如，工程上常用的2号岩石硝铵炸药，它的波阻抗一般为（3~5）X105g/cm2s，而坚硬致密岩石的波阻抗为（10~25）X105g/cm2s，两者相差较大，故2号岩石硝铵炸药不能满足爆破坚硬岩石的要求。为此，一方面可以通过提高装药密度来提高炸药的波阻抗，使炸药的波阻抗尽量接近岩石的波阻抗；另一方面也可以利用应力波作用和爆炸气体作用的全过程能量有效利用率来衡量炸药和岩石的合理匹配，具体做法是：

①对于弹性摸量高、泊松比小的致密坚硬岩石，选用爆速和爆压都较高的炸药，保证相对数量的应力波能传入岩石，产生初始裂隙。

②对于中等坚固性岩石，选用爆速和威力居中的炸药。对裂隙较发育的岩石，由于内部难以积蓄大量的弹性能，初始应力波不易起破碎作用，宜选用爆压中等偏低的炸药。

③对于软岩、塑性变形大的岩石，应力波大部分消耗在空腔的形成，而且岩石本身弹性摸量低，宜选用爆压较低、爆热较高的铵油炸药。

6.4装药结构对爆破作用的影响

钻孔爆破中装药结构对爆破效果的影响很大。根据炮孔内药卷与炮孔、药卷与药卷之间的关系以及起爆位置，常见装药结构可以分为如下几种：（1）按药卷与炮孔的径向关系分为耦合装药和不耦合装药

耦合装药就是药卷直径与炮孔直径相等，或采用散装药形式。不耦合装药就是药卷与炮孔在径向有间隙，间隙内可以是空气或其他缓冲材料（如水或岩粉等）（2）按药卷与药卷在炮眼轴向的关系分为连续装药和间隔装药

连续装药就是各药卷在炮眼轴向紧密接触；间隔装药就是药卷之间在炮眼轴向存在一定长度的空隙，空隙内可以是空气、炮泥、木垫或其他材料。

（1）不耦合装药对爆破效果的影响

不耦合装药时，装药直径比炮孔直径小。炮孔直径与装药直径之比称为不耦合装药系数。散装药或耦合装药时，不耦合系数为1。在一定的岩石和炸药条件下，采用不耦合装药或空气间隔装药可以增加炸药用于破碎或抛掷岩石能量的比例，提高炸药爆炸能量有效利用率，改善岩石破碎的均匀度，降低大块率，提高装药效率；同时还能降低炸药消耗量，有效保护围岩免遭过度破坏。

这两种装药结构，特别是不耦合装药结构在预裂爆破和光面爆破中得到了广泛的应用。

不耦合装药和空气间隔的优点主要在如下三个方面：

①不耦合装药降低了作用在炮孔壁上的冲击压力峰值。若冲击压力过高，在岩体内激起冲击波，产生粉碎区，使炮孔附近岩石过度粉碎，就会消耗大量能量，影响粉碎区以外岩石的破碎效果。

②增加了应力波作用时间。由于空气间隔装药降低了冲击波压力，减少了冲击波作用，相应地增大了应力波能量，从而能够增加应力波的作用时间。当两段装药间存在空气柱时，炸药爆炸后，首先在空气柱内激起相向传播的空气冲击波，并在空气柱中心发生碰撞，使压力增高，同时产生反射冲击波于相反方向传播，其后又发生反射和碰撞，从而增加了冲击压力及其激起的应力波的作用时间。

③增大了应力波传给岩石的冲量，而且使冲量沿炮孔较均匀地分布。

（2）起爆药包位置对爆破效果的影响

采用柱状药包时，起爆药包的位置决定着炸药起爆后爆轰波的传播方向，也决定了爆炸应力波的传播方向和爆轰气体的作用时间，因而对爆破作用效果产生一定的影响。

在炮孔爆破中，根据起爆点在炮孔中放置的位置不同，可将起爆方式分为3种不同起爆方式：正向起爆，起爆药包或雷管装于靠近孔口的附近，雷管聚能穴