第6章 岩土爆破理论

1、岩石爆破破碎机理的几种假说
爆生气体膨胀作用理论（静作用理论） 爆炸应力波反射拉伸作用理论（动作用理论）
爆生气体和应力波综合作用理论
1）爆生气体膨胀作用理论
该学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是由于 爆轰气体的膨胀压力引起的。忽视了岩体中冲击波和应力 波的破坏作用，其基本观点如下：
6
要求理解式中符号含义。
1 2 rc n 不耦合装药 Pr e De 8 rb
1
爆炸近区；
随距离增大；
切向应力峰值 max b r max ，系数 b＝

1
§5.3
岩石爆破破碎机理
本节介绍：岩石爆破破碎机理的几种假说； 爆破的内部作用和外部作用。
f =σc / 10,
σc ——岩石静态单轴抗压强度，（MPa）。
将岩石分成十个级 f =（0.3~20）。 之后其学生巴隆进行了修正。f =σc / 30+
c 3
2）岩石波速和波阻抗分级法—简便测定、便于计算，应用不太广。 3）可爆性指数分级法—可靠性准确性好，方法复杂难推广。
§5.2岩石中爆炸应力波
空隙的存在削弱了岩石的强度。
2）密度 ——有密度（ρ）和重力密度（ ）之分，ρ=M/(V-V0), = G/V ； 一般岩石的ρ 和越大岩石越难以破碎，抛掷爆破时需消耗较 多的能量克服重力。 3）波阻抗——指岩石的密度ρ与该岩石中纵波波速Cp的乘积。 反应了岩石阻止波能传播的作用，通常认为炸药的波阻抗与 岩石的波阻抗相匹配时，爆破能量传递最多，可获得较好的 岩石爆破效果。 4）碎胀性——岩石破碎后因碎片间孔隙增多而使体积增大的性质。 (
①反射拉伸应力波造成自由面附近岩石片落；
②反射拉伸应力波引起径向裂隙延伸；
③自由面改变了岩石中的准静态应力场。
通过以上对岩石破碎机理的分析可知，岩石的爆破破碎、 破裂时爆破应力波的压缩、拉伸、剪切和爆生气体的膨胀、 挤压、致裂和抛掷共同作用的结果。
小结： 1、反映爆破特征的岩石性质及可爆性的基 本概念 2、岩石爆破破坏的几种假说
1）爆破漏斗的形成过程（讲述法）
2）几何要素
W——最小抵抗线、 r ——爆破漏斗底圆半径、
R ——爆破作用半径：从药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。
另外还有：可见深度(自爆破漏斗中渣堆表面最低点到自由面的最短距离)、 爆破漏斗张开角（漏斗顶角）。
2r
h R θ
w
图5. 爆破漏斗几何要素示意图
岩石应力-应变曲线
上述四种情况是由低应力到高应力对应不同的应力波，药 包在炮孔中爆炸首先形成的是冲击波随后衰减为非稳态冲击波
、弹塑性波、弹性应力波和地震波，其解释类似。
2、爆炸荷载下岩石的本构关系
在爆炸荷载作用下，岩石的(p、T、 )状态之间的关系，
为岩石的本构关系。
即岩石的状态方程：p=p( ,T )。 鲍姆把炸药爆炸荷载作用下的爆源近区岩石视为“可压 缩流体”，该处无剪应力存在，由此给出岩石的本构方程为：
3、药包在岩石中的破坏作用
4、爆破漏斗与爆破作用指数理论 5、霍普金逊效应 6、装药量计算原理
§5.4 爆破漏斗及利文斯顿爆破漏斗理论
1、爆破漏斗
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。
P2 其衰减规律： P r
r r r0
对比距离， 为压力
衰减指数，对冲击波近似取3。
4、岩石中爆炸应力波
Pr 冲击波衰减成应力波后，应力的峰值： r max ，随着距离 r 增大，峰值将不断减小。 P 为初始径向应力峰值，其计算分
r
为： 耦合装药
2 m C p 1 2 Pr e De 4 e De mC p
(a)
图5.
(b) 无限岩石中炸药的爆破作用
a)有机玻璃模拟爆破试验结果；b)无限岩石中的爆破破坏分区。 1、扩大空腔；2、压碎区；3、裂隙区；4、震动区 Rb—空腔半径；Rc—压碎区半径；Rr—裂隙区半径。
2）半无限岩石介质中的爆破作用
岩石中的装药若W<Wc，除发生内部作用外， 自由面附近岩石也将产生破碎、移动、抛掷，形 成爆破漏斗——即外部作用。 外部作用的两种形式： 霍布金生效应； 拉伸波引起径向裂隙的延伸。
p1 B 1

4

3、岩石中爆炸冲击波
邻近药包的岩石失去刚性，变成似流体介质，产生塑性流 动破坏。
岩石中冲击波也遵守三个基本方程
0 D ( D u )
0 Du P P0
E 1 ( P P0 )( v0 v) 2
P B( 4 1)
式中：
第五章 岩土中爆炸的基本理论
§5.1 岩石的动态特性和可爆性 §5.2 岩土中爆炸应力波 §5.3 岩石爆破破碎机理
§5.4 爆破漏斗及利文斯顿爆破漏斗理论
§5.5 装药量计算原理
学习要点：
1、了解岩石性质及可爆性的基本概念；
2、熟悉岩石爆破破坏的几种假说；
3、掌握药包在岩石中的内部和外部破坏作用；
4、掌握爆破漏斗与爆破作用指数理论；
5、掌握装药量计算原理。
§5.1 岩石的动态特性和可爆性
岩石的物理性质、 本节主要介绍：
岩石爆破荷载特性、 爆炸荷载下 岩石的强度特性、 岩石的可爆性及可爆性分级。
1、岩石的物理性质（从反应爆破特征和爆破破碎角度解释。）
1）空隙度——指岩石中各空隙的总体积 V0 与岩石总体积 V 之比。
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，源自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。
说明： ① 对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰
总之：在爆炸动荷载作用下，岩石表现有如下动态特点：
（1）岩石由弹塑性、塑性向脆性转化； （2）岩石的弹性模量增大； （3）岩石的强度提高。
4、岩石的可爆性及可爆性分级
可爆性——指岩石对爆破破坏的抵抗能力或岩石爆破破坏的难易程度。 它是岩石自身物理力学性质、炸药和爆破工艺的综合反映。
可爆性分级：
1）岩石坚固性分级—普氏分级，提出坚固性的概念，岩石对外力的抵 抗作用是于一致的。
③拉伸应力波与压应力的合成；
④拉断破坏，形成片状破裂。
影响片落因素：药包几何形状，药包大小，入射波波长等；
4
3
2 1
岩石条拉伸试验
图5.
霍普金逊效应的破碎机理
（A）应力波合成的过程；（B）岩石表面片落过程
（2）拉伸波引起径向裂隙的延伸
当拉伸应力不足以拉断岩石时，仍能对岩体中的裂隙起 作用，使垂直波阵面的裂隙闭合，平行波阵面的裂隙延伸。
如表5－1 。
2）动态应力场 爆炸荷载下，应力脉冲首先形成冲击波，迅速衰减为应力 波。岩石中各点的应力、变形、位移均与时间有关，为动态 应力场。
3、爆炸荷载下岩石的强度特性
1）同一岩石在不同受力状态下的强度 其一般特性：
三轴抗压强度 > 双轴抗压强度 > 单轴抗压强度 > 抗剪强度 > 抗拉强度
岩石的强度差异性很大。
装药在岩石中爆炸时，最初加载的是冲击荷载，迅速上
升到峰值并下降，过程很短，在此冲击荷载作用下岩石内 激起应力扰动，然后以爆炸应力波的形式在岩石中传播。
1、冲击荷载在岩体内引起的应力-应变
爆炸冲击加载，在距离爆心不同距离的区段内可表现为 不同的波传递：爆炸冲击波、爆炸应力波和地震波。
用岩石应力-应变关系曲线解释。见P111。
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。
2）爆炸应力波反射拉伸作用理论
该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。忽视了爆轰气体的破坏 作用，其基本观点如下：
爆轰波冲击和压缩炮孔周围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并很 快衰减为应力波。 此应力波在周围岩体内传播同时形成裂隙，当应力 波传到自由面时，产生反射拉应力波。 当拉应力波的强度超过自由面处岩石的动态抗拉强度时，从自由面 开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，直至拉伸波的强度低于岩石的动 态抗拉强度处时停止。 应力波作用学说只考虑了拉应力波在自由面的反射作用，不仅忽 视了爆轰气体的作用，而且也忽视了压应力的作用，对拉应力和压应 力的环向作用也未予考虑。实际上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作 用为主。
气体的作用程度是不同的。
② 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； ③ 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。
2、爆破的内部作用和外部作用
介绍两个概念：
自由面——又叫临空面，是指同空气接触的岩石表面。
最小抵抗线（W）——自药包中心到自由面的最短距离。 最小抵抗线是爆破作用岩石移动的主导方向。 Wc为装药的临界抵抗线。
1）装药的内部作用（若W>Wc）
可认为药包处在无限岩石介质中，药包爆炸后，自由面上
看不到爆破的迹象，爆破作用只发生在岩石内部，未能达
到自由面——即内部作用。 将在装药爆炸作用处形成（空腔、压碎区、破裂区、震动 区）如图 所示。
①压碎区——岩石被各向压碎；
②破裂区——岩石应力波作用区，形成裂隙组；
③震动区——在破裂区外围的岩体中；
（1） 霍布金生效应
压应力波传播到自由面，一部分或全部反射回 来成为同传播方向，正好相反的拉应力波，这种效应叫 Hopkinson。