工程岩石爆破理论假说

工程岩石爆破理论假说 王甲见 中国水利水电第九工程局(550008) email：sdjjwjj-bg@126.com 摘要摘要：目前工程岩石爆破施工设计时，主要参数确定缺乏理论框架；爆破效果的分析没有主导理论和方法；主要参数孔径、药径、孔间距、等的确定随意性大。这篇论文的主要目的是提出了岩石爆破破坏机理；同时提出了岩石爆破研究的方向，供研究爆破实验人员参考；其次是作了一套理论假设，根据文中的假设思路，实际工程爆破设计者能直接使用这套理论进行爆破设计。 关键词关键词：工程岩石爆破，理论，假设，比拟设计 1 前言 目前已有国内外许多爆破专家提出了许许多多的爆破理论，做出了许多突破性发现的工作，如炸药爆轰的研究成果；各种炸药爆破时产生高压气体量的测试成果；各种炸药性能的测定等。我写这篇论文是基于有前人研究成果上，对施工中具体爆破实例进行分析总结出的新的工程岩石爆破理论。这套理论仅在炸药对介质作用上作了进一步的明确；为实际工程爆破设计提供了一套计算分析方法。在爆破术语上增加了，匹配孔，单位能耗，冲击波沿程能量损失系数等；同时不再有偶合系数等说法。并不否定前人的研究成果。 这篇论文称之为 “理论假说” 是因为它缺乏实验论证。我用这套理论设计了乌江扩机工程尾水出口水下岩坎撤除爆破，乌江扩机尾水出口预裂和光爆爆破网络，爆后情况完全符合预想要求。 2 炸药作用于岩体情况假设 大家所熟知，炸药爆炸的冲击波是爆轰时产生的，在岩石中以每秒几千米的速度传播；高温高压气体是炸药燃烧时产生的是以物质膨胀形式去作用于周围介质的。实际爆破工程中炸药离需要破坏岩体最远处一般为零点几米到几十米，钻孔爆破一般在十米以内，只有洞室爆破才达到几十米远。我认为高温高压气体总是晚于冲击波作用于周围介质的。关于这个结 http://www.paper.edu.cn 论是根据工程实例现象进行分析总结的，我在后面再举出事例。现在先确立下面的定律： 定律1：炸药爆炸时产生的冲击波和高温高压气体是炸药爆炸时产生的冲击波和高温高压气体是分别分别．．作用于周围介质的作用于周围介质的，，并且总是冲击波先作用结束后后，，高温高压气体才作用到周围介质高温高压气体才作用到周围介质。。 定律1的确立，使我们对岩石爆破产生了新的看法：例如沙堆爆破试验，目前及以前许多学者均想通过在沙堆里埋放炸药进行爆破试验，以总结出爆破规律，有些科学家已经从沙堆爆破实验中总结出药包大小与爆破漏斗之间的关系式。现在我们用定律1的理论对沙堆爆破进行定性分析：首先是冲击波的作用，冲击波在沙堆里传播时，引起沙粒震动瞬间液化，冲击波能量转为沙粒之间的摩擦及沙粒自身的变形，但不能使沙粒产生宏观位移，冲击波过后对沙堆没有影响（不考虑可能一些沙粒有破碎情况）；“爆破漏斗”的形成完全是由炸药爆炸时产生的高温高压气体所冲出的结果。一定大小的药包，在沙堆里埋得足够深时，所产生的高温高压气体将克服不了压在其上沙粒的自重，于是有“临界埋深”概念。按上面的分析我们得出一个惊人的结论-------沙堆里做爆破试验将永远总结不出实际岩石中的爆破规律。因为爆破产生的冲击波的作用，在岩石爆破里有着重要地位，而在沙堆爆破实验中被忽略了。 定律1给出的另外一个值得我们关注的结论是：炸药在岩石中爆炸时产生的冲击波和高温高压气体所作用的边界条件完全不一样，冲击波作用的岩石环境与起爆前的原有条件相同；而高温高压气体所作用的环境条件是冲击波作用过后的新的岩石边界条件。我们如果能求出冲击波对岩体的破坏情况，得出高温高压气体作用前的边界条件，那么根据力学原理、能量守恒定律和动量定律我们完全可以通过计算机分析，计算出任一次岩石爆破后的破碎情况及爆后堆碴情况。炸药爆炸时产生的气体数量和气压均已有科学家测出，这里不再多说。 冲击波的作用有两种形式：一是通过压脉冲形式作用于岩石将岩石压碎，二是通过反射拉脉冲冲击波将岩石拉裂。实际工程爆破设计中，我们主要难在求解压脉冲冲击波和拉脉冲冲击波的作用情况：其一、起爆时孔壁冲击波能量强度难于确定；其二、冲击波转播规律难于数学公式解析。本文将通过引进新的概念解决以上两个问题；并提出相应假设，使得通过“爆破环境比拟法”在目前各种岩石具体参数未测出的情况下，这套理论也能用于实际工程爆破设计。 3 定律1在实际工程中的证明 在乌江扩机工程尾水出口开挖中，出口左边墙640~630预裂时，设计时预想留8米厚的岩石进行预裂爆破，实际现场拉槽开挖后，形成预裂时预裂面外岩石厚度为11米~2米，起爆后发现厚5~11米段岩石预裂面平整完好，预裂缝宽度1~10公分宽，预裂面外岩石完好； http://www.paper.edu.cn 而在预留岩石厚2~3米段预裂面明显有被炸坏的痕迹，预裂面外岩石全部破碎。为什么在岩石岩性一样、完整性相同的情况下，进行预裂会出现这种不同结果？假设是高压气体的作用，根据牛顿定律：力是相互作用的，高压气体在推开更厚的岩体时，对预裂面作用力更大；假设是高压气体和冲击波同时作用，反射波返回到预裂面时，预裂面已被高压气体推开，拉脉冲冲击波无法再作用到预裂保留面 。只有一种假设能解释，那就是定律1。由于预裂面外岩石过薄，压脉冲冲击波传到空气反射面时产生的拉脉冲冲击波强度足够大，且返回传到起爆点时，其强度还足以使引起预裂保留面破坏。这次爆破是我第一次产生了定律1的初步思想的原因，随后通过不同爆破现象分析，都能够用定律1作圆满解释。 3．1 预裂和光面爆破解释 预裂面和光爆面的形成机理曾经很长一段时间困惑于我，因为按我门简单的分析，反射拉脉冲波的作用和高压气体的作用均难解释岩石从一个面上断裂而预裂保留面基本不受破坏。直到遇到某工程洞子顶拱光爆出现“掉拱”现象时，才感悟出其原理。“掉拱”现象为光爆后预留光爆层几乎完好地和周围岩体脱离开，从洞顶掉到地上还成一个薄拱。出现掉拱说明冲击波的作用没有达到将岩石成规模破坏，预留光爆层脱离岩体由高压气体推出。其原理为：冲击波作用过后，炮孔孔壁在与相邻炮孔方向上受相邻炮孔冲击波反射作用后孔壁预先产生缺口，高压气体的气楔作用将缺口进一步劈开直到与相邻孔串通形成断裂面。为了进一步证明，我在实际施工中将相邻两个预裂孔间距调小，其他参数不变，爆破后发现相邻孔间不再是一个断裂面，而是一个破碎带，破碎带形状符合反射拉脉冲冲击波破坏范围；将相邻两个预裂孔间距调大到一定值，发现起爆后成不了预裂面，即使加大药量到孔壁出现径向裂隙，两个预裂孔之间也不再出现贯穿缝面，说明没有反射波在孔壁预先形成缺口的作用，预裂面不能形成；在其他参数不变的情况下，我将预裂孔(孔径50灰岩)的设计线装药密度从450g/m调到200g/m（接近光爆孔线装药密度）进行起爆，发现照样能形成预裂缝，只是张开度很小。 3．1．1 预裂孔装药结构分析 （1） 孔口不装药段长度确定： 一般在平面上开始造孔进行预裂，起爆后，孔口一般出现一个三角体破碎带，根据前面预裂面的形成的原因分析，孔口出现三角体破碎带主要是反射拉脉冲冲击波作用造成的，适当加长孔口不装药段长度，使反射拉脉冲冲击波进一步削弱可以解决此问题（其长度可通过冲击波衰减规律进行估算），在乌江扩机工程尾水出口马道形成预裂控制，后期通过加长孔口不装药段长度，三角体破碎带边长由原来的1.5~2.0米变成0.2~0.5米。这对岩锚梁和边 http://www.paper.edu.cn 坡马道的成型，进步意义很大。 （2） 孔内“偶合剂”的采用 目前还有工程人员在预裂、光爆孔内填进沙、水作“偶合剂”，以期获得更好的预裂、光爆效果，按我们现在观点分析：孔内填满沙或水将影响冲击波在炮孔孔壁形成缺口的作用，孔内填满沙或水将会使孔壁反射冲击波的能力减弱。另外由于高压气体作用前缺口裂隙很小，沙粒对气楔的形成有堵滞作用，不利于预裂、光爆面的形成。所以最好不要填进“偶合剂”，除非已造孔径较小而已有的药径较大，为减弱反射冲击波对孔壁的破坏程度，可考虑填进“偶合剂”来消能。 （3） 预裂炸药选择及布孔结构形式 预裂缝宽度形成的主要因素是高压气体胀开的结果，一部分是由裂缝内高压气体挤压使岩石发生局部塑性变形，这个因素引起的缝宽很有限一般在零点几到几个毫米。另一部分是由于预裂面以外预留岩石较薄，高压气体将其推开外移形成，这个因素引起缝宽一般在几公分到几十公分。实际工程都期望预裂面尽量完好，而缝宽尽可能大。所以预裂爆破所选用的炸药为：能产生更多的气体的炸药。 为使预裂缝保证有一定的宽度，预裂面外预留岩石厚度一般在8~10米最好，岩石越厚预裂面受拉脉冲冲击波的影响越小，利于保护预裂面；但同时高压气体将其推开外移的难度越大，影响缝宽。 有些学者想通过在炮孔孔壁内刻痕来引导高压气体的作用方向，通过上面分析，刻痕没有多大意义，因为冲击波已做到这一点。 有些工程技术员想通过隔孔装药来寻求预裂、光爆面的更好效果，实际上隔孔装药影响了相邻两爆破孔之间的冲击波相互反射预先产生缺口的作用，因为设在相邻两爆破孔之间的空孔阻碍了压脉冲冲击波更好地传到相邻孔壁进行反射。而又没有其他促进作用。 3．2 爆破飞石的控制 爆破飞石情况一般有两种： （1） 破碎效果很好，但出现大量飞石。这种情况大家都可以很快做出决定：适当减少药量可以达到减少飞石，但不影响岩石破碎效果。 （2） 破碎效果很差，且出现大量飞石。这种情况一般出现在地质较差，有软弱夹层的岩石里爆破，或孔排距过大，或多排炮孔同时起爆而不分段别。 3．2．1 对于有软弱夹层的岩石里爆破 主要原因在于软弱岩石比坚硬岩石更能削减冲击波能量，加上层面反射使得冲击波到达主反射面时能量强度过小，反射成的拉脉冲冲击波无法有效地对岩石进行初次破坏，导致高 http://www.paper.edu.cn 压气体无法把岩石按预想要求推开，大量高压气体只能从炮孔孔口、层面裂隙冲出产生“枪管”效应，把岩石裂隙中石块和炮孔内小石吹得很远形成飞石 。解决的办法是消除“枪管”效应。在炮孔装药小于该孔径的匹配装药时，直接增加单孔装药量加大冲击波能量强度，使岩石初次破坏更有效，增加炸药同时也使爆破产生的高压气体量增加，保证高压气体膨胀时能够推开预想要破碎的岩体，被爆岩石推开后高压气体冲出的通道变多变大，从而使高压气体冲出的速度变缓慢，减小飞石距离。在炮孔装药接近或大于该孔径的匹配装药时，再增加单孔装药，冲击波对岩石的有效破碎不能明显提高，因为对孔壁过高的能量强度只能使孔壁附近的岩体被压碎，而不能有效传到反射面产生拉脉冲冲击波。这时的办法可通过加大孔径或减小孔排距。 3．2．2 孔排距过大 造成飞石的原因主要是冲孔，由于孔排距过大冲击波传到反射面距离太远，造成衰减过大，生成的拉脉冲冲击波较小，对岩石初次破碎达不到预想效果，高压气体推不开四周岩石而冲孔，将孔壁内被压碎的岩石吹出孔外形成飞石。孔排距过大造成飞石的前提条件：（1）单孔装药量超过匹配孔装药，使孔壁岩体被压碎，（2）孔排距足够大使爆破炸药无法推开四周岩石。孔排距过大造成飞石的解决办法：调小孔排距。 3．2．3 多排炮孔同时起爆 多排炮孔同时起爆时，造成后排炮孔离主反射面太远，起爆时所产生的反射冲击波作用较弱，初次破碎效果差，孔内高压气体往孔壁四周膨胀受约束，只有往孔口方向冲出，形成飞石。解决的办法是从靠近主反射面炮孔开始差时起爆。 4 炸药爆炸假设 众所周知，炸药爆炸是炸药的一种燃烧形式，由于迅速燃烧而发生爆轰，爆轰在炸药中是按一定速度传递的，并可通过实验测出其数值，爆轰速度随着爆破环境变化而变化；火药是大家所熟知的一种可以用于爆破的材料，在密闭的容器里燃烧会发生爆炸，在空旷的环境下燃烧一般以明火形式出现。 然而，我们所关注的炸药爆炸大都是在岩石孔洞中发生的，爆炸环境相差不太大，认为完全燃烧程度一致；因此可提出下面的假设： 定律2：当量炸药发生爆炸时所释放的能量是恒定．．的，不因环境而变化。 即有 E=C1*Q （公式—1） http://www.paper.edu.cn