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爆破原理及爆破方法第一节爆破作用原理一、岩体爆破破坏机理爆破是当前破碎岩石的主要手段。
关于岩石等脆性介质爆破破坏机理，有许多假设，按其基本观点，归纳起来有爆轰气体膨胀压力作用破坏论、应力波及反射拉伸破坏论、冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用破坏论三种。
1．爆轰气体膨胀压力作用破坏论该理论认为炸药爆炸所引起脆性介质(岩石)的破坏，使其产生大量高温高压气体，它所产生的推力，作用在药包四周的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石破裂，当爆轰气体的膨胀推力足够大时，会引起自由面四周的岩石隆起，鼓开并沿径向推出。
这种观点完全否认冲击波的动作用，这是不符合实际的。
2．应力波反射拉伸破坏论该理论认为药包爆炸时，强大的冲击波冲击和压缩四周岩石，在岩石中激发成激烈的压缩应力波，当传到自由面反射变成拉伸应力波，其强度超过岩石的极限抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏作用。
这种理论只从爆轰的动力学观点出发，而忽视了爆生气体膨胀做功的静作用，因而也具有片面性。
3．冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用破坏论该理论认为爆破时，岩石的破坏是冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用的结果。
但在解释岩石破碎的原因是谁起主导作用时仍存在不同的观点，一种认为冲击波在破碎岩石时不起主要作用，它只是在形成初始径向裂隙时起了先锋作用，但在大量破碎岩石时则主要依靠爆轰气体膨胀压力的推力作用和尖劈作用。
另一种观点则认为爆破时岩石破碎谁起主要作用要取决于岩石的性质，即取决于岩石的波阻抗。
关于高波阻抗的岩石，即致密坚韧的整体性岩石，它对爆炸应力波的传播性能好，波速大。
关于低波阻松软而具有塑性的岩石，爆炸应力波传播的性能较差，波速较低，爆破时岩石的破坏主要依靠爆轰气体的膨胀压力；关于中等波阻抗的中等坚硬岩石，应力波和爆轰气体膨胀压力同样起重要作用。
岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39一、岩石爆破破碎的主因破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。
但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。
1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔）当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。
当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。
当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。
这种破裂方式亦称“片落”。
随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗内的岩石完全拉裂为止。
因此岩石破碎的主要部分是入射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。
2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等）从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。
当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。
当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。
它在很大程度上忽视了冲击波的作用。
3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等）这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。
即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。
裂隙岩体爆破块度分布特征影响机理及预测模型研究1. 引言1.1 概述本文的研究主题是裂隙岩体爆破块度分布特征影响机理及预测模型的研究。
随着工程领域对于裂隙岩体爆破技术应用的增加，对于爆破块度分布特征的认识和预测成为了一个重要的问题。
裂隙岩体在地下工程和采矿等方面具有广泛应用，而其力学性质与结构特性会直接影响块度分布情况，从而影响工程的稳定性和效果。
1.2 背景和研究意义在工程建设中，我们经常需要进行岩体爆破来实现开挖、拆除或者采集等目标。
然而，由于裂隙岩体存在不规则或者复杂的结构特点，导致了爆破后产生的块度分布存在一定的不确定性。
因此，深入研究裂隙岩体爆破产生块度分布特征以及其影响机理具有重要意义。
准确预测裂隙岩体爆破块度分布能够为工程设计和实施提供指导和参考，同时也可帮助优化爆破参数选择，提高工程安全性和经济效益。
此外，对于裂隙岩体爆破块度分布影响机理的研究可以加深对裂隙岩体本质特性的认识，并为进一步开展相关领域的研究提供基础。
1.3 研究目的本研究旨在深入分析裂隙岩体爆破块度分布特征以及与其相关的影响机理，建立相应的预测模型，从而提供工程实践中对于裂隙岩体爆破块度的预测依据。
具体研究内容包括：- 进行裂隙岩体性质分析，探讨其力学特性、结构构造等对于爆破块度分布的影响；- 系统分析爆破过程对于裂隙岩体形成块度分布的机理，并通过实验或模拟方法验证；- 建立预测模型，将裂隙结构和爆破参数与块度关联起来，以实现对裂隙岩体爆破块度分布的预测；- 验证模型在工程实践中的应用效果，并提出改进建议。
本研究的成果将对于裂隙岩体爆破技术应用具有重要意义，可以指导相关工程项目的设计与施工，提高施工效率和安全性。
同时，也可为进一步研究裂隙岩体及其爆破行为提供参考和借鉴。
2. 裂隙岩体爆破块度分布特征分析2.1 裂隙岩体性质分析裂隙岩体是由于受到地壳运动、构造应力等因素的影响而形成的具有一定断裂能力和稳定度的岩石。
裂隙岩体在工程建设中常作为爆破施工的对象，了解其性质对于预测爆破块度分布特征具有重要意义。
2. 工程爆破基本理论爆破理论就是研究炸药爆炸与爆破对象（目标）相互作用规律的有关理论。
对于内部爆破（装药置于爆破对象内部），例如岩土爆破，就是研究炸药在岩土介质中爆炸后的能量利用及其分配，也就是研究炸药爆炸产生的冲击波、应力波、地震波在岩土中的传播和由此引起的介质破坏规律，以及在高温高压爆生气体作用下介质的进一步破坏及其运动规律；对于外部爆破（装药与爆破对象之间有一定距离），例如军事上采用的接触或非接触构件爆破，就是研究炸药爆炸后产生的冲击波在传播过程中与目标的相互作用以及由此引起的爆破目标的破坏及其运动规律。
它是一个复杂而特殊的研究系统。
要阐明爆炸的历程、机理和规律，应包括以下研究内容：⑴、爆破的介质在什么作用力下破坏的；破坏的规律及其影响因素；⑵、爆破介质的特性，包括目标（岩土）的结构、构造特征、动态力学性质及其对爆破效果的影响；⑶、爆炸能量在介质中传递速率；⑷、介质的动态断裂特性与破坏规律；⑸、介质破碎的块度及碎块分布、抛掷和堆积规律；⑹、空气冲击波与爆破地震波的传播规律、个别爆破碎块的飞散距离；以及由冲击波、地震波、个别飞石、爆体的落地震动等引起的爆破危害效应及其控制技术。
以岩石爆破为例，目前大量实验室和现场试验证明，岩体的爆破破碎有以下规律：（1）、应力波不仅使岩石的自由面产生片落，而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙，或者促使原生裂隙进一步扩大，在应力波传播过程中，岩体破碎的特点是：原生裂隙的触发、裂隙生长、裂隙贯通、岩体破裂或破碎；（2）、加载速率对裂隙的成长有很大作用：作用缓慢的荷载有利于裂隙的贯通和形成较长的裂隙，而高速率的载荷容易产生较多裂隙，但却拟制了裂隙的贯通，只产生短裂隙；（3）、爆破高压气体对裂隙岩体的破碎作用很小，但它有应力波不可替代的作用：可以使由应力波破裂了的岩体进一步破碎和分离；（4）、岩体的结构面（岩体弱面的统称，包括节理、裂隙、层理等各种界面）控制着岩体的破碎，它们远大于爆破作用力直接对岩体的破坏。
5岩石爆破理论5.1岩石爆破破坏基本理论炸药爆炸引起岩石破坏，这是一个高能转化释放、传递作功的过程。
在这个过程中，岩石受力情况极其复杂，而历时又极为短暂，因此要正确地解释岩石爆破破碎机理，就极为困难，人们已作了多年的努力，仍没有一个确切全面的唯一的解释，而是各执一词。
但将多类解释的基本观点与理论依据归类，可概括为三大假说：5.1.1 爆生气体膨胀作用理论这种理论是从静力学的观点出发，认为：岩石的破碎主要是由爆炸气体产物的膨胀压力引起。
(1) 炸药爆炸时，产生高压膨胀气体，在周围介质中形成压应力场。
炸药爆炸生成大量气体产物，在爆热的作用下，处于高温高压的状态，而急剧膨胀，这些膨胀气体以极高的压力作用于周围介质，而形成压应力场。
(2) 气体膨胀推力使质点产生径向位移，而产生径向压应力，其衍生拉应力，产生径向裂隙。
很高的压应力场，势必使周围岩石质点发生径向移动，这种位移又产生径向压应力，形成径向压应力的传递；质点在受径向压应力时，将产生径向压缩变形，而在切向伴随有拉伸变形生产，这个拉伸应变就是径向压应力所衍生的切向拉应力所产生。
当岩石的抗拉强度低于此切向拉应力时，就将产生径向裂隙；岩石的抗拉强度远远地小于抗压强度（常为其1/10～1/15），所以拉伸破坏极易发生，而形成径向裂隙。
(3) 质点移动所受阻力不等，引起剪切应力，而导致径向剪切破坏。
质点位移受到周围介质的阻碍，阻力不平衡在介质中就会引起剪切应力，若药包附近有自由面时，质点位移的阻力在最小抵抗线方向最小，其质点位移速度最高，偏离最小抵抗线方向阻力增大，质点位移速度降低，这样在阻力不等的不同方向上，不等的质点位移速度，必然产生质点间的相对运动而产生剪切应力。
在剪切应力超过岩石抗剪强度的地方，将发生径向剪切破坏。
(4) 当介质破裂，爆炸气体尚有较高的压力时，则推动破裂块体沿径向朝外运动，形成飞散。
上述破坏发生将消耗大量的爆炸能，如果爆炸气体还有足够大的压力，则将推动破碎岩块作径向外抛运动，若压力不够就可能仅是松动爆破破坏，而没有抛散，甚至只是内部爆破。
第三章裂隙岩体的爆破理论
第一节
岩体破坏的主要因素一. 岩石、岩体、结构面和结构体
岩石:由一种或几种矿物在地质作用下，按一定规律聚集成的自然体。
岩体：经受地质作用的地质体。
结构面：通常把岩体内开裂和易于开裂的地质面统称为结构面。
结构体：含有结构面的岩体。
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧风化裂隙卸载裂隙次生结构面劈理节理
断层褶皱构造结构面变质结构面火成结构面沉积结构面原生结构面岩体结构面
二. 岩体破碎的主要因素：
炸药爆炸产生的应力波在传播过程中与岩体结构面相遇，使原有裂隙扩大或产生新的裂隙，形成裂隙网，岩石发生破碎，即应力波与结构面的相互作用是岩体破碎的主要因素。
1. 试验研究:
美国马里兰大学等采用高速摄影和动光弹相结合的方法，进行了一系列室内和现场试验。
1）微小裂隙模型的破裂:
室内用Homalite-100型塑胶（具有较大的脆性，易于模拟脆性岩石），采用双条纹材料制作，利用动光弹可清晰地显示应力波与裂隙在破碎过程中的相互作用。
在板的不同位置和方向上都作了人造裂隙，实验结果有四点发现。
A 在无裂隙模型上，炸药爆炸后，由于径向压应力的作用，孔壁上发生压碎现象。
当P波自孔壁向外传播，在切向拉应力的作用下，产生径向裂隙；
B 应力波从自由面反射，并与向外扩展的径向裂隙相互作用，引起裂隙的分岔，直到裂隙扩展终止；
C 裂隙的产生和扩展完全是各种应力波相互作用的结果。
D 向外传播的径向裂隙，在反射波的作用下产生“栅栏分枝”，形成
密
集的环状裂隙网，使岩石得以全面破碎。
与无裂隙模型相比，微小裂隙模型的块度要小得多。
2）岩石板模型的破裂：
用300×300×50mm的花岗岩板
A 若P波自炮孔到达自由面所需时间为t，只有当2t时在自由面处见到新裂隙出现。
说明P波在裂隙岩体中的传播速度大大减慢；
B 原有裂隙可以形成新的裂隙源，新的裂隙在原有裂隙的基础上产生和发展；
C 岩块从主岩体上分离以后仍然继续破碎，这与塑胶板模型上分离的碎片上观察到的由截留应力波造成的裂隙继续传播的情况类似。
D 经计算径向裂隙从孔壁扩展到自由面以前，自由面处的裂隙已经形成，说明自由面处的裂隙是在拉伸波作用下产生的。
E 经过一段时间后，爆炸气体才通过裂隙外逸。
这表明在自由面所观察到的裂隙不是气体增压所致，气体只起延长整个破碎过程作用。
3）生产台阶试验：在露天矿花岗岩中进行，采用筛分和照相法评价爆破效果。
结果证实应力波通过岩石结构面时的相互作用是岩石破碎的主因，证实了整个初始破裂是应力波作用的结果。
三.裂隙岩体的爆破破碎规律概括:
1.裂隙岩体的破碎主要是应力波作用的结果，使岩石在自由面上产生片落，且通过原有裂隙激发新的裂隙，或促进原裂隙进一步扩大；
2.与均匀介质比，爆炸气体膨胀压对岩石破碎作用小，只有当破碎成块后，促使岩块分离；
3.应力波在裂隙之间传播的扰动将会产生新的破裂，破碎过程是：原有裂隙的触发裂隙生长裂隙贯通破裂（碎）
4.由于裂隙的发展速度有限，载荷的速率对裂隙的形成有很大作用。
缓慢载荷利于贯通和较长裂隙，高应变率载荷抑制了裂隙贯通，只产生短裂隙；
5.虽然应力波在裂隙岩体破碎过程中作用非常重要，但爆炸气体作用也不可低估，它是岩石破碎、分离的又一动因。
第三节岩体结构面对爆破的影响和控制
上世纪50年代初，L.Obert就关注裂隙对爆破效果的影响，研究指出结构面的存在是应力波在裂隙岩石和均匀介质中传播差异的根源。
1957年，W.I.Duvall对岩石强度、密度、孔隙率、产状、波阻抗和结构面对爆破的影响进行了研究。
1963年，R.L.Ash就结构面对应力波传播和岩石破碎关系进行了研究，指出结构面使应力波衰减，气体外逸，能量分部不均衡，产生不均匀破碎。
1966年，J.M.Belland对自由面与结构面的关系，指出自由面平行于主裂隙平面或沿着主裂隙平面的倾斜方向，破碎程度将大大改善。
1968年，P.F.GnirkE.和D.Pfeider发现，爆破漏斗的形状受到相对于弱面的自由面方向的影响。
1974年，rson和J.M.Pugleise在小台阶爆破试验中发现，排孔与与自由面平行时，破碎效果较好；相交时，效果较差。
1977年，T.N.Hagon和G.Harries指出岩石性质对爆破效果的影响大于炸药性质的影响。
以上学者的研究可以归结为下列几点：
(1) 指出了结构面对爆破效果影响的重要性；
(2) 研究了裂隙岩体中结构面对应力波传播的影响；
(3) 探讨了利用结构面控制爆破块度的方法；
(4) 工作局限于室内，多为层状模型，研究的系统性、规模性不够。
进入80年代，由于广泛采用高速摄影、动光弹、超动态应变测试
技术，对结构面的影响研究进入一个新阶段。
一. 裂隙对岩石强度的影响：
从力学上说，岩石强度是指抵抗
外力破坏的能力。
裂隙是岩体中
的薄弱面。
岩石密度与强度成线
性关系。
L.Müller和F.Pacher用
两维小石膏模型，进行不同方向
加载，测试其力学性质，得出右
图。
图中角度为加载主应力与裂
隙面的夹角，n是主应力的比值。
x示裂隙的贯通程度，1全贯通，
0示未贯通。
上部为强度变化，30°时强度最小，大于60 °或n=3时无影响。
下部为变形情况，n小时，沿裂隙破坏，反之则无明显影响。
二. 裂隙对应力波传播的影响
Seinov和Chevkin研究发现：裂隙宽度越小，粘结物的阻抗与周围介质越匹配，通过裂隙的应变能越大。
Yang和Rustan发现，结构面的连续性是影响破碎的主要原因，次要原因是粘结物所决定的裂隙强度。
D.P.Singh和V.R.Sastry的实验证实，节理的粘结料吸收了应变能，常造成大块或空腔，破碎效果取决于节理面的类型。
D.L.Fordyce和W.L.Fourney以实验进一步证实不同粘结材料对应力波传播的影响。
1. 平面模型试验:
图中虚线为人造节理，用速度仪测定不同位
置上应力波传播速度。
共进行8次试验，2次
用有机玻璃，其他用塑胶。
用不同材料充填
节理。
2.立方体模型试验
用石膏、岩粉加水浇注成立方体模型，棱长305mm或457mm。
节理间无粘结剂，靠模型自身的重量压在一齐，节理面分粗糙和光滑两种。
3. 试验结果
在平面模型试验中，用橡胶胶接的四组塑胶模型中，平均速度传递效率为83.4％，而用双面胶粘接的仅为63％，用热胶充填的有机玻璃模型中传递效率高达94％。
立体模型试验中，在垂直界面的传递中，粗糙面82%，光滑面85％；而在水平界面上，粗糙面仍高达94％。
三.节理对爆破块度的控制
大量工程爆破实践证明:爆破后的大块,多数是沿着原有的裂隙、微裂隙和弱面发生的。
因此，被爆岩体的构造特征在相当大的程度上决定了破碎块度。
1.节理方向对爆破效果的控制:
印度的D.P.Singh和V.R.Sastry进行
系列试验证实节理方向对爆破效果
的影响。
用25mm厚的砂岩板粘接成方向分
别为0、30、45、60、75、90、105、120、135和150°的台阶，炮孔直径
6.5mm，用直径6mm的导爆速起爆，爆后块度用筛分法测量。
实验结果表明:爆破裂隙的扩展程度，主要受制于裂隙面的方向和方位。
2.节理面基本上控制了爆破块度：
加拿大的Y.C.Lizotte 研究发现：岩体
的节理面基本上控制了爆破块度的大小。
岩体内节理密度可用节理数J V 表示，
A.Palmstrom 建议，对具有三个节理面
的岩体，J V 可表示为：
可以通过测量岩芯和岩石质量指标得出J V 。
现场对节理进行测量和素描，得出每一组节理的平均间距，利用平均间距和不同的断裂间距得出负指数分布图。
最后，用Monte —Carlo 模拟法得出每一组节理的随机间距，并落到给定的岩块上，得出块度尺寸分布。
不同面上的节理间距
—、、式中3213
21111S S S S S S J V ++=
3.改变爆破方向对爆破效果的影响：1）顺岩层倾斜爆破时，爆破作用与爆破方向相反，后冲较大。
岩层倾向指向自由面，爆能利用充分，效果较好。
2）逆岩层倾斜爆破时，倾斜指向边坡，与自由面相反，可能会产生根底，效果较差。
3）垂直岩层走向爆破时，可能会遇到不同类型岩石，底板易成锯齿状。
4）沿岩层走向爆破时，爆炸能易沿着层理传播。
若未受节理阻隔，可在垂直方向形成新裂隙，从而改善破碎质量，同时也可能增加后冲范围。
