第六章 岩土中爆炸的基本理论

岩土爆破理论
1
岩石爆破理论的发展 岩石中的爆炸应力波
岩石中的爆炸气体
2 3 4
岩石的爆破破碎机理
5
爆破漏斗理论 装药量计算原理
影响爆破作用的因素
6 7
1
岩石爆破理论的发展 岩石中的爆炸应力波
岩石中的爆炸气体
2 3 4
岩石的爆破破碎机理
1.1 岩石爆破理论的发展阶段
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，但就其 发展过程来说，又必然存在着不同的发展阶段。 即早期发展阶段、爆破理论的确立阶段、爆破 理论的最新发展阶段。
反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落
反射拉应力波破坏过程示意图
a—入射压力波波前；b—反射拉应力波波前
反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落
霍普金森效应的破碎机理
（a）应力波合成的过程；（b）岩石表面片落过程
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 隙梢处的应力场互相叠加， 可使径向裂隙大大地向前 延伸。
1 1 2
E G 2 2 C s =[ ] =[ ] 2ρ(1 + ν ) ρ
1
式中
E——介质的弹性模量，kPa； ν——介质的泊松比； G——介质的剪切模量，kPa。
2.3.3 应力波的反射 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 象称为透射。
4.1 炸药在岩石中爆破作用的范围
4.1.1 炸药的内部作用 假设岩石为均匀介质，当炸药置于无限均 质岩石中爆炸时，在岩石中将形成以炸药为中 心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎 区、裂隙区及弹性震动区。

③K→∞，ρ1cp1→0
σr=σi，σt=2σi，反射应力＝入射应力，透射应力＝2倍的入射应力，（入 射波为压缩波，反射波也为压缩波，没有透射波）
Er= Ei，Et=0，能量全反射，而没有透射 相当于向刚体入射 ，或者从空气中向岩石入射 。
第一节 岩石中的爆炸应力波
④ K≠0，1，∞ 0<K<1时，ρ1cp1>ρ2cp2。相当于由硬岩向软岩入射。 σr与σi反号，即有反射波，为拉伸波 , σt与σi同号且σt<σi，也有透
对于抗压强度又分为三向抗压，双向和单向。 R压3>R压2>R压1 2 ．由于岩石的结构构造不同，各向异性，岩石的强度也呈各向
异性，如层状岩石，R||<R⊥ 3．随着加载速度的增加，强度增加 ，R动>R静
第一节 岩石中的爆炸应力波
四、岩石的硬度 岩石表面抵抗工具侵入的能力叫做岩石的硬度。 岩石的硬度又分为静压入硬度和冲击压入硬度。
对于某一点而言（，，v）＝f(t) 对于某时刻（，，v）＝f(x，y，z)
即岩石的应力状态（，，v）即是坐标的函数，
又是时间的函数 岩石的应力在岩体中的分布叫做岩石的应力场
第一节 岩石中的爆炸应力波
由炸药的爆炸作用而引起的冲击载荷称为爆炸载 荷；
由爆炸载荷的作用，在固体介质中引起的应力状 态参数的改变的传播――称之为爆炸应力波。
r
2cp2 2cp2
1c1 1c1
i
t
22cp2 2cp2 1c1
i
令： 2c p2 K 1c p1
则有： r K 1 i K 1
t 2K i K 1
第一节 岩石中的爆炸应力波
通过推导，还可以得出入射波所携带的能量与反射波及 透射波所携带的能量之间的关系：

在冲击波作用区之外，传播的是应力波，应力波的衰 减规律与冲击波相同，但衰减指数较小。前苏联学者 给出的应力波的衰减指数为
我国武汉岩土力学研究所通过现场试验得出的应力波 衰减指数为
在应力波作用区，岩石中柱状应力波的径向应力与切 向应力之间有如下关系
第三节 岩石爆破破碎机理
★ 岩石爆破破坏机理的三种假说: 1）爆生气体膨胀推力作用假说； 2）爆炸应力波反射拉伸作用假说； 3）爆生气体和爆炸应力波综合作用假说。 ★ 装药爆破作用： ＊内部作用：岩石在炸药作用下发生破坏的物理过程 ＊外部作用：爆破漏斗
应变率/s－1 荷载状态 加载方式 <10－6 流变 稳定加载 10－6 ~10－4 静态 液压机加载 10－6 ~10 准静态 10~103 准静态 > 104 动态 爆炸加载
压气机加载 冲击杆加载
一、岩石的物理力学性质（续）
爆炸荷载下岩石的力学反应： 1）炸药爆炸首先在岩石中产生冲击波，峰值压力高， 作用时间短，由于能量的大量消耗，衰减很快，衰变成应 力波。 2）岩石中某局部被激发的应力脉冲（冲击波或应力 波）是时间和距离的函数，岩石中产生明显的应力不均现 象。近处应力值高，而远处应力值低。 3）岩石中各点的应力呈动态，即岩石的变形、位移均 与时间有关，岩石中的应力场随时间变化。 4）岩石与炸药间的匹配关系影响爆源周围的动态应力 场。（两者的阻抗匹配）。
二、爆炸荷载下岩石的强度特性（续）
★动载下岩石强度（岩石动态强度）： 提高加载速度，就提高了岩石的应变率，岩石由弹塑 性、塑性向脆性转化，弹性模量增大，强度也随之提高。 岩石的动态强度和加载速率有关，速率越高，强度提 高越大。影响程度抗压强度高于抗拉强度。
d K lg j
通常认为：岩石动态强度比静态强度约提高10~15倍。 教材表5－2列出了几种岩石的动态强度。

上页所提到的 Kb 与 Ks都只是单个集中药包爆破时装药量与所爆落 岩体体积之间的一个关系系数。 一般只有在单个集中药包爆破时， Kb 或 Ks才与 q相等。 它是一个经济指标，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。


1
W 25m
W / 2 5 W 2 5 m
松动爆破的装药量公式可以表示为：
Qs (0.33 ~ 0.5)kbW 3
凿岩爆破工程 6.6 装药量计算原理
第六章 岩石爆破理论
凿岩爆破工程
6.6 装药量计算原理 （2）延长药包装药量计算
第六章 岩石爆破理论
A
延长药包垂直于自由面
Q kb f (n)W 3
W

ld

1 2
le
延长药包平行于自由面
B
Qn kbW 2l
凿岩爆破工程 6.6 装药量计算原理
（3）单位炸药的耗药量
需要强调的符号含义：
第六章 岩石爆破理论
Kb 指单个集中药包形成标准抛掷爆破漏斗（n=1）时，爆破每 1m3岩石或土壤所消耗的2号岩石铵梯炸药的质量，称作标准抛掷 爆破单位用药量系数，简称标准单位用药量系数。
标准抛掷爆破漏斗试验中Kb的计算：
kb

Q (0.4 0.6n3 爆破理论
6.6 装药量计算原理
（3）单位炸药的耗药量
炸药单耗
当群药包共同作用时，群药包的总装药量与群药包一次爆 落的岩体总体积的比值称为单位耗药量，简称炸药单耗，用字 母q来表示，即：
q 群药包的单位耗药量： Q V
Ks 则是指单个集中药包形成松动爆破漏斗时（一般n<0.75）， 爆破每1m3岩石或土壤所消耗的2号岩石铵梯炸药的质量，称作 松 动爆破单位用药量系数。