岩石爆破破碎机理

爆炸气体产物膨胀，产生“气楔作用”使开始发生 的裂隙扩大、贯通形成岩块，并使岩石脱离母岩和抛掷。 应力波进一步衰减成为弹性波，只能使质点在平衡位置 作弹性振动，而不能引起介质破坏。
爆破岩石时，岩体初期受到装药爆炸所激起的应 力波的作用，但由它形成的应力状态或动态应力场将很 快消失；后期受到爆炸气体的静压作用，作用时间较长。
成组药包爆破作用重要特点是相邻药包爆炸荷 载互相作用和药室孔洞应力集中作用，这两个特点使 岩体内的应力分布状态和岩体破坏过程要比单药包爆 破时复杂得多。
7.3.1 单排成组药包的齐发爆破
为简化问题，下面以两个药包同时起爆，并且不考 虑自由面影响，分析成组药包爆破作用某些主要特点。
模拟爆破试验：有机玻璃中微型药包的爆炸； 用高速摄影机记录下模拟试验的爆破破坏过程。
环向裂隙
压缩应力波通过压缩区外层岩石 时，岩石受到强烈的压缩而储蓄了一 部分弹性变形能；随着径向裂隙的形 成，作用在岩石上的压力迅速下降， 药室周围的岩石随即释放出压缩过程 中积蓄的弹性变形能，形成与压应力 波作用方向相反的拉应力，使岩石质 点产生反方向的径向运动。当径向拉 应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩 石被拉断，形成环向裂隙。
松动爆破漏斗是指爆破只引起药包与自由面之间 的岩石产生松动，形成漏斗状破碎坑，如图7.12（d） 所示。
抛掷爆破漏斗是指爆破不但引起药包与自由面之 间的岩石产生松动，而且还把坑内部分岩块抛掷出去， 形成一个可见漏斗状爆炸坑，如图7.12（e）所示。
与单个药包爆破的内部作用情况相比，药包外部 作用情况多了一个自由面。必须考虑自由面对应力场 的影响。
图7.8 环向裂隙
应力波的作用在岩石中首 先形成初始裂隙，接着爆轰气 体的膨胀、挤压和气楔作用使 初始裂隙进Biblioteka Baidu步延伸和扩展。 当应力波强度和爆轰产物的压 力衰减到一定程度后，岩石中 裂隙的扩展趋于停止。
在应力波和爆轰气体的共 同作用下，随着径向裂隙、环 向裂隙和切向裂隙的形成、扩 展和贯通，在紧靠粉碎区处就 形成了一个裂隙发育的区域， 称为破裂区。
由于压缩区处于坚固岩石的约束条件下，而在 三轴压缩情况下岩石的动抗压强度增大，且大多数岩 石的可压缩性很差，所以压缩范围很小，其半径一般 不超过药室半径的2倍。
② 破碎区
径向裂隙
由于压缩或粉碎岩石消耗了大 量能量，岩石中的冲击波衰减成压 应力波。在应力波的作用下，岩石 在径向产生压应力和压缩变形，而 切向方向将产生拉应力和拉伸变形。 由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强 度的十分这一到五十分之一，当切 向拉应力大于岩石的抗拉强度时， 该处岩石被拉断，形成与粉碎区贯 图7.7 径向压缩引起的切向拉伸 通的径向裂隙。
冲击波引起应力波反射破坏理论
岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的 拉应力波造成的。
当炸药在岩石中爆轰时，猛烈冲击周围的岩石， 在岩石中引起强烈的爆炸应力波，它的强度大大超过了 岩石的动抗压强度，引起周围岩石的粉碎性破坏。
当爆炸应力波通过粉碎圈以后，它的强度己下降到 不能直接引起岩石的压缩破坏，但压缩应力波派生的切 向拉应力，可在岩石中产生径向裂纹。
第7章 岩石爆破作用原理
7.1 岩石爆破破坏机理 7.2 单个药包爆破作用的分析 7.3 成组药包爆破作用 7.4 爆破漏斗 7.5 装药量计算原理 7.6 影响爆破作用的因素
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岩石爆破理论是研究炸药爆炸与爆破对象 （目标）相互作用规律的理论。 岩石爆破破碎机理研究的主要内容：
（1）炸药爆炸释放的能量是通过何种形式作用在岩石上； （2)岩石在这种能量作用下处于什么样的应力状态； （3）岩石在这种应力状态中怎么发生破坏、变形和运动的。 （4）影响岩石破坏的因素。 （5）炸药装药量和爆破效果关系。
入射到自由面上的应力波和从自由面反射回的反 射应力波（反射纵波和反射横波）进行叠加，就会在 靠自由面一侧的岩体内构成非常复杂的动态应力场。 该应力场对破碎漏斗的形成起着决定性的作用。
①自由面反射拉伸波层裂作用 （霍金逊（Hopkinson）效应）
冲击波在自由面处发生反射形成拉伸波，在自 由面表面处的材料中形成拉应力，拉应力超过岩石
对高阻抗岩石，采用高猛度炸药、偶合装药或装药 不偶合系数较小，此时应力波的破坏作用是主要的；
对低阻抗岩石，采用低猛度炸药、装药不偶合系数 较大，此时爆炸气体静压的破坏作用则是主要的。
7.2 单个药包爆破作用的分析
爆破的内部作用
埋置在地表以下很
深处的药包爆炸时，如果 药包威力不很高，则地表 不出现明显破坏的爆破作 用称为爆破的内部作用。
冲击波作用的重要性与所破坏的介质特性有关。 哈努卡也夫认为：岩石波阻抗值不同，它所需要的应力 波波峰值也不同。岩石波阻抗值较高时，要求有较高的 应力波波峰值，此时冲击波的作用更为重要。他把岩石 按波阻抗分为三类：
第一类：高阻抗岩石，其波阻抗为15×106～ 25×106kg/m3·m/s。此类岩石的破坏，主要决定于应力波， 包括入射波和反射波。
第二类：低阻抗岩石，其波阻抗小于5×106kg/m3·m/s 。此类岩石中由气体压力形成的破坏是主要的。
第三类：中等阻抗的岩石，其波阻抗为5×106～ 10×106kg/m3·m/s。该类岩石的破坏是应力波和爆炸气体综 合作用的结果。
不同性质岩石和不同目的情况下的爆破，可以通过 控制炸药的应力波峰值和爆炸生成气体的作用时间来达 到预期目的。
（3）当拉伸波到达到爆炸腔表面时，在爆炸腔表 面反射为压缩波，此时，药包上部的岩石质点全部被 加速，而药包下部裂纹因拉伸波卸载而停止扩展。此 后，在压缩波、拉伸波与爆炸腔中爆炸气体的压力共 同作用下，使药包与自由面之间的岩石隆起、破裂， 发生鼓包运动。
（4）最后，在岩体表面形成松动爆破漏斗或抛掷 爆破漏斗。
图7.16自由面附近应力波和应力场分布
当药包中心发出的纵波斜入射到自由面时，将产生反 射纵波和反射横波。岩体中任意一点A将受到由药包中心 发出的直达纵波和由自由面反射回来的反射纵波以及反射 横波作用，A点的应力状态是由这三种波叠加结果决定的。
根据应力分析，当拉伸主应力 3 （方向直于纸面） 出现极大值时，在岩体中各点的主应力方向如图（b）所 示。拉应力 2 是产生径向裂纹的根源，其作用方向随着x 值的增大逐渐发生偏转，最后垂直于自由面，生成的裂纹 群大体似喇叭花状排列。
爆炸气体膨胀压力和应力波共同作用
爆破时岩石的破坏是爆炸气体和应力波共同作用的结 果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段起重要作用。
炸药爆炸后在岩石中产生爆炸冲击波，使炮孔周围 附近的岩石被“粉碎”；由于消耗大量的能量，冲击波 衰减为应力波，在粉碎区之外造成径向裂隙，反射应力 波使这些裂纹进一步扩展；
试验结果表明： （1）在最初几微秒时间内应力波以同心球状从各 起爆点向外传播； （2）在某时刻，应力波相遇，相互叠加，出现复 杂的应力变化情况； （3）应力重新分布，沿炮眼连心线的应力得到加 强，而炮眼连心线中段两侧附近则出现应力降低 区。
压缩应力波叠加作用
（1）在连心线上应力得 到加强，尤其是切向拉 应力加强，对于形成连 心线裂纹非常有利。
当压缩应力波达到自由面时，反射成为拉伸波，拉 伸波仍足以将岩石拉断，产生层裂（片落），如图7.3所 示。
图7. 3 爆炸应力波破坏过程
主要依据： （1）冲击波波阵面的压力比爆炸气体产物的膨胀压力大 得多； （2）岩石的抗拉强度比抗压强度低得多，且在自由面处 确实常常发现片裂、剥落现象。 （3）根据应力波理论有：压缩应力波在自由面处反射成 为拉伸应力波。
两个自由面情况下的爆破
自由面的大小和数量对爆破效果有直接影响。
图 自由面数对爆破效果的影响
7.3 成组药包爆破作用
成组药包爆破作用是指多个药包同时起爆或以一 定时间间隔按一定顺序起爆时的爆破作用。
实际爆破工程中极少采用单药包爆破，而是采用 成组药包爆破来达到预期的爆破目的，因此研究成组 药包的爆破作用机理对于合理选择爆破参数有重要的 指导意义。
▪7.1 岩石爆破破坏机理
7.1.1 岩石爆破破岩过程
A
第一阶段
炸药爆炸 后冲击波径 向压缩阶段 .
B
第二阶段
对应力波反 射引起自由 面处的岩石 片落。
C
第三阶段
爆炸气体膨胀 ，岩石受爆炸气 体超压力的影响 ，在拉伸应力和 气楔的双重作用 下，径向初始裂 隙迅速扩大。
炸药在岩石中爆破的破坏模式
图7. 9 破碎圈内裂隙网形成
③ 震动区
在破坏区以外的岩体，由于经压缩区和破坏区的能 量的消耗和衰减，剩余的爆炸能已经不多，不能造成岩 石的破坏而只能引起弹性震动。这个范围比两个区大得 多，叫震动区。
图7. 10 震动区（4）示意图
爆破的外部作用
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 的爆破作用称为爆破的
随远离爆心，岩石破 坏特征发生明显变化，可 以分为三个区：
压缩区 破裂区 震动区
图7. 6 爆破的内部作用
①压缩区
当密闭在岩体中的药包爆炸时，爆轰压力在数微 秒内急剧增高到数万兆帕，并在药包周围的岩石中激 起冲击波，其强度远远超过岩石的动态抗压强度。在 爆炸冲击波的强动作用，炮孔壁周围的介质被粉碎 （坚硬岩石）或强烈压缩（松软岩石），形成粉碎区 或压缩区。
的抗拉强度时，发生片落现象。
片落过程不是岩石破碎的主要过程，且爆破时 不总是一定有片落现象出现。
图7.13 霍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
图7.14 自由面反射波引起的多次层裂
② 反射拉伸应力波延伸径向裂纹作用
图7.15 反射拉伸波对径向裂隙的扩展作用
从自由面反射回来的拉伸应力波，使原先存在于径向裂 隙梢上的应力场得到加强，故裂隙继续向前延伸。裂纹延伸 的情况与反射拉伸波传播的方向和裂纹方向的交角 有关。
当θ为90°时，反射拉伸波将最有效地促使裂纹扩展和 延伸，使该裂纹成为优势裂纹；
当θ小于90°时，反射拉伸波以一个垂直于裂纹方向 的应力分量促使径向裂纹扩张和延伸，或者在径向裂纹未 端造成分支裂纹；
当θ为0时，即径向裂纹垂直于自由面时，反射拉伸 波不会对裂纹产生任何拉力。
③ 自由面对爆破应力场影响
外部作用。
其特点是在自由面上 形成一个倒圆锥形爆坑， 称为爆破漏斗。
图7. 11 爆破外部作用原理图
图7.12 炸药在岩体表面附近爆炸的现象
外部作用过程： （1）在爆炸波还没有达到岩体表面之前，爆破作
用现象与前述内部作用情况相似，即在药包附近产生 爆炸腔、压碎区和径向破裂区。
（2）当爆炸压力波到达自由面时，压缩波反射为 拉伸波，从自由面向药包方向传播，该拉伸波有可能 （取决于装药量）导致一层或几层岩石呈镜片状剥离。
① 炸药爆炸—气体产 物（高温，高压）—在岩 中产生应力场—引起应力 场内质点的径向位移—径 向压应力—切向拉应力— 岩石产生径向裂纹；
② 如果存在自由面， 岩石质点速度在自由面方 向上最大，位移阻力各方 向上的不等—剪切应力— 剪切破坏岩石；
③ 爆炸气体剩余压力 对破碎岩块产生径向抛掷。
炸药能量中动能仅为5%~15%，大部分能量在爆炸气 体产物中；岩石发生破裂和破碎所需时间小于爆炸气体 施载于岩石的时间。
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岩石爆破破碎机理研究存在的主要困难：
（1）炸药爆炸荷载复杂性
高速、高温、高压、高能量密度荷载
（2）岩体本身的复杂性
不均质性，各向异性，非连续，非线性
（3）爆破施工工艺多样性
在总结生产实践经验的基础上，借助于高速摄影，模 拟试验和数值分析对爆破过程中在岩石内发生的应力、应 变、破裂、飞散等现象的观测，人们已经逐步掌握了岩石 爆破破碎的基本规律，提出了一些爆破破坏理论或假说。
（2）在两药包连心线 以外其他位置上，两压 缩波所产生的径向压力 和切向拉压力方向不同， 有互相抵消作用。
1 炮孔周围岩石的压碎作用；
主要的 五种破 坏模式
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 爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙。
7.1.2 爆破破岩理论
爆炸气体产物膨胀压力破坏理论
岩石主要由于装药空间内爆炸气体产物的膨胀 压力作用而破坏。