1、 5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 5.1 5.1 爆破破碎原理爆破破碎原理 爆炸爆炸能量能量，使岩体产生，使岩体产生变形变形和和破坏破坏。 了解爆炸荷载作用下岩体的变形与破坏规律，分析爆了解爆炸荷载作用下岩体的变形与破坏规律，分析爆破破碎原理，指导爆破设计与施工。破破碎原理，指导爆破设计与施工。 便于实现低能耗、高效率破碎岩体的目的，并有效地便于实现低能耗、高效率破碎岩体的目的，并有效地控制爆破产生的各种危害。控制爆破产生的各种危害。 爆破破岩原爆破破岩原/ /机理，就是机理，就是研究岩体在爆炸能作用下发生研究岩体在爆炸能作用下发生破碎的原理。破碎的原理。 一、爆炸作用的基本原理一、
2、爆炸作用的基本原理 1.1.爆破破坏作用的基本观点爆破破坏作用的基本观点爆破工程爆破工程 (1)(1)爆轰气体爆轰气体破坏作用的观点破坏作用的观点 即即爆轰气体爆轰气体膨胀推力膨胀推力作用理论（静作用理论）作用理论（静作用理论）5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理气体膨胀推力气体膨胀推力岩石径岩石径向位移向位移地表地表距离不等距离不等相邻岩石质相邻岩石质点移动点移动速度速度不等不等位移阻力不等位移阻力不等相邻岩石产相邻岩石产生生剪切应力剪切应力岩石破坏岩石破坏 即即岩石的破坏岩石的破坏主要是由于高温高压的气体产物主要是由于高温高压的气体产物膨胀做功膨胀做功引起的。膨胀做功如下图所示。引起的
3、。膨胀做功如下图所示。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2)(2)应力波应力波破坏作用的观点破坏作用的观点 即即爆炸应力波爆炸应力波反射拉伸作用反射拉伸作用破坏理论（动作用理论）破坏理论（动作用理论）爆炸应力波爆炸应力波自由面自由面拉应力波拉应力波岩石破坏岩石破坏( (压应力波压应力波) )12(c)(c)(a)(b)发生反射发生反射 即即岩石的破坏岩石的破坏主要是由于岩体中主要是由于岩体中爆炸应力波爆炸应力波在自由面在自由面反反射射后形成的后形成的拉应力波引起的拉应力波引起的。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (3)(3)应力波应力波和和爆轰气体爆轰气体共同作用的破坏观点共
4、同作用的破坏观点 即即爆轰气体和应力波综合作用理论爆轰气体和应力波综合作用理论 岩石的破坏是岩石的破坏是爆生气体爆生气体和和冲击波冲击波( (应力波应力波) )共同作用共同作用的的结果，它们各自在结果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段岩石破坏过程的不同阶段起重要作起重要作用，其基本观点如下：用，其基本观点如下： 首先，冲击波使炮孔壁近区岩石被首先，冲击波使炮孔壁近区岩石被“压碎压碎”，压碎，压碎区以外造成区以外造成径向裂隙径向裂隙。 其次，其次，爆生气爆生气体产生体产生“气楔作用气楔作用”，使裂隙进一步使裂隙进一步延伸和张开延伸和张开；当爆生气体的压力足够大时，爆轰气体；当爆生气体的压力足够大
5、时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向将推动破碎岩块作径向抛掷运动抛掷运动，直到能量消耗完。，直到能量消耗完。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 说明说明1:1: 对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆生气体的对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆生气体的作作用程度用程度是不同的。是不同的。 (1)(1)在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数较小的条件下，系数较小的条件下，应力波应力波的破坏作用是主要的；的破坏作用是主要的； (2)(2)在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的条件下，条件下，爆生
6、气体的破坏作用爆生气体的破坏作用是主要的。是主要的。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 说明说明2 2： 当仅考虑当仅考虑岩石性质岩石性质时，则有：时，则有： 高阻抗岩石高阻抗岩石( (cc =1525MPa/s)=1525MPa/s)：岩石破坏以：岩石破坏以应力波应力波为主。为主。 中阻抗岩石中阻抗岩石( (cc =515MPa/s)=515MPa/s)：岩石破坏为：岩石破坏为应力波应力波和和爆生气体压力爆生气体压力共同作用的结果。共同作用的结果。 低阻抗岩石低阻抗岩石( (cc 5MPa/s)5MPa/s)：岩石破坏以：岩石破坏以爆生气体爆生气体为为主。主。5 5 岩石爆破基本原理岩
7、石爆破基本原理 2.2.爆破作用过程爆破作用过程 (1)(1)应力波的动态作用过程应力波的动态作用过程 特点：特点：波峰应力值高，传播速度快，波峰应力值高，传播速度快，作用时间短。作用时间短。 (2)(2)爆轰气体的似静压作用过程爆轰气体的似静压作用过程 特点：特点：压力较低，作用时间较长压力较低，作用时间较长. . 炮孔压力时间曲线 t1-药包爆轰反应完成时间t2-爆轰气体产物作用时间图 5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 3.3.爆破时岩体内的应力状态（集中药包）爆破时岩体内的应力状态（集中药包） (1)(1)应力波在岩体中的传播规律应力波在岩体中的传播规律 ( (2 27)r7)r
8、：冲击波作用区冲击波作用区; ; 特点：特点：冲击波冲击波强度极大，波峰应力值高，岩石产生塑强度极大，波峰应力值高，岩石产生塑性变形或粉碎，消耗大部分能量，冲击波急剧衰减。性变形或粉碎，消耗大部分能量，冲击波急剧衰减。 应力衰减与距离三次方成正比。应力衰减与距离三次方成正比。爆炸应力波及其作用范围r药包半径tH介质状态变化的时间ts介质状态恢复到静止状态的时间 5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 ( (8 8150)r150)r：应力波作用区应力波作用区; ; 特点：特点：冲击波冲击波压应力波压应力波，波阵面上的状态参数变化，波阵面上的状态参数变化比较平缓比较平缓；波速等于岩石中的声速。
9、波速等于岩石中的声速。 由于压应力波的作用，岩石处于由于压应力波的作用，岩石处于非弹性状态非弹性状态，可导致，可导致岩石的破坏或残余变形。岩石的破坏或残余变形。 应力衰减与距离二次方成正比。应力衰减与距离二次方成正比。爆炸应力波及其作用范围r药包半径tH介质状态变化的时间ts介质状态恢复到静止状态的时间 5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 150r150r：弹性振动区弹性振动区; ; 特点：特点：应力波应力波地震波地震波。 地震波只能引起岩石质点的弹性振动，而不能使岩石地震波只能引起岩石质点的弹性振动，而不能使岩石产生破坏；产生破坏； 应力衰减与距离呈线性关系。应力衰减与距离呈线性关系。
10、爆炸应力波及其作用范围r药包半径tH介质状态变化的时间ts介质状态恢复到静止状态的时间 5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2)(2)应力波在岩体中引起的应力状态应力波在岩体中引起的应力状态 某点应力状态：直达纵波、直达横波，纵波反射生成某点应力状态：直达纵波、直达横波，纵波反射生成的反射纵波和反射横波，横波反射生成的反射纵波和的反射纵波和反射横波，横波反射生成的反射纵波和反射横波等的反射横波等的动应力叠加而成动应力叠加而成。波到达A点的应力分析5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 自由面附近岩体中各点的主应力自由面附近岩体中各点的主应力1 1和和2 2的方向如下的方向如下左图所示
11、。左图所示。 由于岩石抗拉强度很小，在拉应力的作用下容易产生由于岩石抗拉强度很小，在拉应力的作用下容易产生裂隙，所以爆破裂隙受裂隙，所以爆破裂隙受2 2的控制，是围绕最小抵抗线的控制，是围绕最小抵抗线为对称轴分布的喇叭形，如下右图所示。为对称轴分布的喇叭形，如下右图所示。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (3) (3) 爆轰气体压力下岩体的应力状态爆轰气体压力下岩体的应力状态 爆轰气体引起的爆轰气体引起的1 1常为压应力，而常为压应力，而2 2不常为拉应力不常为拉应力，随着至最小抵抗线的距离超过某一极限值后，随着至最小抵抗线的距离超过某一极限值后， 变为变为压应力压应力。5 5 岩石爆
12、破基本原理岩石爆破基本原理 5.2 5.2 单个药包及成组的爆破作用单个药包及成组的爆破作用 一、单个药包爆破的内部作用一、单个药包爆破的内部作用 ( (无限均匀岩石介质中的爆破作用无限均匀岩石介质中的爆破作用) 1. 1. 定义定义 药包爆炸后，只在岩石药包爆炸后，只在岩石内部内部产生破坏和变形，而产生破坏和变形，而地表地表( (自由面自由面) )不出现明显破坏，这种作用称为爆破的内部不出现明显破坏，这种作用称为爆破的内部作用。作用。 概念要点：概念要点：岩石内部有破坏，地表未破坏。岩石内部有破坏，地表未破坏。 基本假定基本假定 ：药包是球形的；药包是球形的； 药包放在无限介质中；药包放在无
13、限介质中； 介质是均匀的各向同性介质是均匀的各向同性。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 2.2.岩石的破坏特征岩石的破坏特征 药室被扩大，形成一个药室被扩大，形成一个空腔空腔； 产生了产生了径向径向、环向裂隙环向裂隙, ,以及以及剪切裂隙剪切裂隙； 距药包较远处，距药包较远处，岩石完好无损岩石完好无损。R0R2R1爆爆破破的的内内部部作作用用径向裂隙径向裂隙环向裂隙环向裂隙空腔空腔岩石完好无损岩石完好无损5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 3.3.岩石破坏的原因岩石破坏的原因 药室扩大为药室扩大为空腔空腔的原因的原因岩石被压缩，形成一个空腔。岩石被压缩，形成一个空腔。冲击强度大于
14、岩石动抗压强度冲击强度大于岩石动抗压强度药室岩壁受到强烈冲击药室岩壁受到强烈冲击爆轰波爆轰波( (冲击波冲击波)+)+高温高压高温高压爆生气体爆生气体炸药爆炸炸药爆炸 原因：原因：爆轰波（冲击波）和高压爆轰气体对药室岩壁爆轰波（冲击波）和高压爆轰气体对药室岩壁产生了强烈冲击（压缩）。产生了强烈冲击（压缩）。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 产生产生径向裂隙径向裂隙的原因的原因药室岩壁受到强烈冲击药室岩壁受到强烈冲击爆轰波爆轰波( (冲击波冲击波)+)+高压爆轰气体高压爆轰气体炸药爆炸炸药爆炸空腔空腔在岩石中形成在岩石中形成压应力波压应力波( (径向压应力径向压应力) )切向拉应力切向拉
15、应力岩石开裂岩石开裂径向裂隙径向裂隙 原因原因: :径向压应力径向压应力( (压缩压缩) )引起切向拉应力引起切向拉应力( (拉伸拉伸) )。下下岩石受到岩石受到径向压缩径向压缩 产生产生径向位移径向位移5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理rr(a)rrrr(b)rr(a)rrrr(b)返回返回切向拉应力切向拉应力径向压应力径向压应力岩石岩石径向位移径向位移径向裂隙径向裂隙岩石开裂岩石开裂5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 产生产生环向裂隙环向裂隙的原因的原因径向压应力径向压应力岩石受到径向压缩岩石受到径向压缩岩石储存部分岩石储存部分弹性变形能弹性变形能解除压应力解除压应力弹性变形能
16、释放弹性变形能释放, ,引起岩石引起岩石质点向心运动质点向心运动产生产生径向位移径向位移( (外外内内，拉应变，拉应变) )径向拉应力径向拉应力原因原因: :弹性变形能释放弹性变形能释放( (卸载波卸载波) )产生了径向拉应力。产生了径向拉应力。径向裂隙径向裂隙岩石开裂岩石开裂环向裂隙环向裂隙下下5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理rrrr返回返回径向拉应力径向拉应力岩石开裂岩石开裂环向裂隙环向裂隙5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 产生产生剪切裂隙剪切裂隙的原因的原因 在径向裂隙和环向裂隙形成的同时在径向裂隙和环向裂隙形成的同时, ,岩石还受到岩石还受到径向径向应应力应应力和和切向
17、应力切向应力的的的的共同作用共同作用, ,进而产生进而产生剪切裂隙剪切裂隙。如下图所示。如下图所示。 4. 4. 岩石的分区岩石的分区 根据岩石的破坏特征，由内向外，可将岩石大致分为根据岩石的破坏特征，由内向外，可将岩石大致分为三个区：三个区： 压缩（粉碎）区（近区）压缩（粉碎）区（近区） 形成的空腔称为形成的空腔称为压缩区压缩区。 说明：说明：a.a.压缩区又称为粉碎区；压缩区又称为粉碎区； b.b.压缩区消耗了大部分爆炸能量。压缩区消耗了大部分爆炸能量。下下5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理R0R2R1压缩区压缩区炸药包炸药包返回返回R1= (27)R0压缩区范围很小压缩区范围很小,
18、 ,其半径其半径5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 破裂区（中区）破裂区（中区） 产生径向、环向裂隙的岩石范围产生径向、环向裂隙的岩石范围, ,称为称为破裂区破裂区。岩石岩石的爆破破坏主要为破裂区。的爆破破坏主要为破裂区。 震动区（远区）震动区（远区） 破裂区以外的岩石范围，称为震动区。破裂区以外的岩石范围，称为震动区。 特点：岩石不会发生破坏，但会发生弹性变形。爆炸特点：岩石不会发生破坏，但会发生弹性变形。爆炸应力波衰减为地震波。应力波衰减为地震波。下下5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理R0R2R1环向裂隙环向裂隙径向裂隙径向裂隙返回返回炸药包炸药包压缩区压缩区R2= (8150
19、)R0破裂区的半径破裂区的半径破坏区破坏区5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 在学习爆破的在学习爆破的内部作用内部作用时，应时，应注意注意以下几点以下几点： 拉力破岩。拉力破岩。 爆破过程中，当裂隙与空腔贯通后，爆破过程中，当裂隙与空腔贯通后，爆生气体爆生气体会会迅速膨胀，产生迅速膨胀，产生“气楔作用气楔作用”，使原有裂隙继续向前，使原有裂隙继续向前扩展和进一步张开。扩展和进一步张开。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 二、单个药包爆破二、单个药包爆破的外部作用的外部作用 ( (半无限岩石介质中的爆破作用半无限岩石介质中的爆破作用) ) 1.1.定义定义 药包爆炸后，地表药包爆炸后
20、，地表( (自由面自由面) )出现了明显破坏的爆破作出现了明显破坏的爆破作用，称为爆破的外部作用。用，称为爆破的外部作用。 2.2.爆破外部作用下爆破外部作用下岩石破坏的特征岩石破坏的特征 出现出现( (贯穿贯穿) )裂隙、形成爆坑、出现飞石。裂隙、形成爆坑、出现飞石。 3.3.爆破外部作用下爆破外部作用下岩石破坏的原因岩石破坏的原因 也就是药包在自由面附近爆炸时，岩石是怎样破坏的。也就是药包在自由面附近爆炸时，岩石是怎样破坏的。又称又称自由面的破坏作用自由面的破坏作用。 5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (1)(1)反射拉应力波引起自由面岩石破坏反射拉应力波引起自由面岩石破坏( (片
21、落片落) ) 即由即由霍布金森效应霍布金森效应引起的破坏。引起的破坏。 当当入射压应力波入射压应力波传播到传播到自由面自由面时，一部分或全部时，一部分或全部反反射射回来成为同传播方向正好相反的回来成为同传播方向正好相反的拉应力波拉应力波，拉应力拉应力超过岩石的抗拉强度时，发生片落现象。超过岩石的抗拉强度时，发生片落现象。这种效应叫这种效应叫做霍布金森做霍布金森( (HopkinsonHopkinson) )效应。效应。 霍布金森霍布金森(Hopkinson)(Hopkinson)效应的破碎机理效应的破碎机理5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 a.a.应力波的合成应力波的合成 入射压应力波
22、与反射拉应力波叠加后合成入射压应力波与反射拉应力波叠加后合成拉应力波拉应力波。如下图所示如下图所示5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 b.b.岩石表面片落过程岩石表面片落过程 如下图所示。如下图所示。 图图a:a:岩体中传播的压岩体中传播的压应力波；应力波； 图图b b：第：第1 1次片落；次片落； 图图c c：第：第2 2次片落；次片落； 图图d d：片落终止。：片落终止。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2) (2) 反射拉应力波引起径向裂隙的延伸反射拉应力波引起径向裂隙的延伸反射拉伸波对径向裂隙的影响反射拉伸波对径向裂隙的影响5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 -反
23、射拉应力波的传播方向反射拉应力波的传播方向与与裂隙方向裂隙方向的夹角。的夹角。 = 90= 900 0时；拉伸效果最好；时；拉伸效果最好； 0 00 090900 0时，径向裂隙扩展和延伸；时，径向裂隙扩展和延伸； = 0= 00 0时；径向裂隙重新闭合，不利于裂隙的延伸。时；径向裂隙重新闭合，不利于裂隙的延伸。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (3)(3)自由面改变了岩石中的准静态应力场自由面改变了岩石中的准静态应力场 爆生气体膨胀压力在炮孔周围形成的应力场，称为爆生气体膨胀压力在炮孔周围形成的应力场，称为准准静态应力场。静态应力场。 岩石岩石质点速度质点速度在在自由面自由面方向上方
24、向上最大最大，不同方向上，不同方向上位移位移阻力不等阻力不等剪切应力剪切应力剪切剪切破坏岩石破坏岩石。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 三、爆破漏斗三、爆破漏斗 1.1.定义定义 靠近地表埋置的炸药爆炸时，使附近岩石破坏，并将靠近地表埋置的炸药爆炸时，使附近岩石破坏，并将部分破碎了的岩石向上或两侧抛掷，在地表形成一个部分破碎了的岩石向上或两侧抛掷，在地表形成一个漏斗形状漏斗形状（倒圆锥形）的（倒圆锥形）的爆坑爆坑，这个坑就称为爆破漏，这个坑就称为爆破漏斗。如下图所示。斗。如下图所示。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 2.2.爆破漏斗的形成过程爆破漏斗的形成过程 炸炸药包爆炸药包
25、爆炸后，后，首先，首先，爆轰波（冲击波）和高温高压爆轰波（冲击波）和高温高压爆生气体骤然膨胀对药室岩壁产生强烈冲击（压缩）爆生气体骤然膨胀对药室岩壁产生强烈冲击（压缩）粉碎压缩区粉碎压缩区(a)(a)炸药爆炸形成的应力场；炸药爆炸形成的应力场； (b)(b)粉碎压缩区粉碎压缩区5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 随后随后，产生的爆炸冲击波（压应力波），产生的爆炸冲击波（压应力波）径向压缩径向压缩岩体岩体而而产生位移产生位移，引起岩体，引起岩体切向拉伸切向拉伸径向裂隙径向裂隙； 当当压应力波压应力波达到地表面达到地表面时时，反射反射生成生成拉应力波拉应力波 地表地表面出现了面出现了（片落）
26、飞片（片落）飞片； 而受压处于高应力状态的岩体此时出现而受压处于高应力状态的岩体此时出现卸载卸载，在岩体，在岩体内产生极大的内产生极大的拉伸应力拉伸应力 形成了大量形成了大量环状裂隙环状裂隙；(c)(c)破裂区破裂区(d)(d)破裂区和片落区（自由面处）破裂区和片落区（自由面处）5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 之后之后，具有高温高压的，具有高温高压的爆炸气体爆炸气体沿着已有裂隙沿着已有裂隙膨胀扩膨胀扩展展，当裂隙伸展达到（或接近）地表时，使岩石表面，当裂隙伸展达到（或接近）地表时，使岩石表面鼓起鼓起、破碎破碎， 爆炸气体将部分已破碎的岩石爆炸气体将部分已破碎的岩石抛出抛出，最终形成倒
27、圆锥，最终形成倒圆锥形的形的凹坑凹坑，从而形成，从而形成爆破漏斗爆破漏斗。(f)(f)岩石被抛掷岩石被抛掷(e)(e)地表鼓起地表鼓起(g)(g)爆破漏斗爆破漏斗5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 3.3.爆破漏斗的几何参数爆破漏斗的几何参数 (1)(1)最小抵抗线最小抵抗线W W (2)(2)爆破漏斗底圆半径爆破漏斗底圆半径r r (3)(3)爆破作用半径爆破作用半径R R HhRWr(4)(4)爆破漏斗深度爆破漏斗深度H H(5)(5)爆破漏斗可见深度爆破漏斗可见深度h h (6)(6)爆破漏斗张开角爆破漏斗张开角说明：说明：(1)(1)、(2)(2)、(3)(3)称为爆破漏斗三要素
28、。称为爆破漏斗三要素。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理4.4.爆破作用指数爆破作用指数n n 爆破漏斗底圆半径爆破漏斗底圆半径 r r 与最小抵抗线与最小抵抗线 W W 的比值，即的比值，即Wrn 爆破作用半径（又叫破裂半径）的计算爆破作用半径（又叫破裂半径）的计算22221WrWRWrR21nWR 说明说明：爆破作用半径表示药包爆破作用半径表示药包爆破作用爆破作用在自由面上可在自由面上可以达到的以达到的最大程度最大程度。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 5.5.爆破漏斗的分类爆破漏斗的分类 根据根据 n n 值不同，（值不同，（球状药包球状药包产生的）爆破漏斗可分为产生的）爆
29、破漏斗可分为以下四种形式：以下四种形式： (1) (1) 标准抛掷爆破漏斗标准抛掷爆破漏斗(a)4545rWn=1r = =W=90=905 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2) (2) 加强抛掷爆破漏斗加强抛掷爆破漏斗n1 1 rW9090n n3 3时，爆炸时，爆炸能量能量消耗在消耗在抛掷抛掷上，增加药量，破坏范上，增加药量，破坏范围增大不明显，故已无实际意义了。围增大不明显，故已无实际意义了。 加强抛掷爆破漏斗的加强抛掷爆破漏斗的n n取值取值:1:1n n3 3，露天抛掷大爆露天抛掷大爆破破或或定向抛掷爆破定向抛掷爆破常用此形式，一般取常用此形式，一般取n n =1.2=1.2
30、2.52.5rW说明：说明：5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (3) (3) 减弱抛掷减弱抛掷( (加强松动加强松动) ) 爆破漏斗爆破漏斗 井巷掘进爆破井巷掘进爆破常用这种形式。常用这种形式。Wr0.750.75 n n1 1r rW W 90905 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (4) (4) 松动爆破漏斗松动爆破漏斗说明说明: n= 0.75时，时，岩石被岩石被破坏破坏、松动松动，但，但不抛出不抛出坑外，不坑外，不形成可见的爆破漏斗，故工程中常取形成可见的爆破漏斗，故工程中常取 n 0.75。 n 0.75时，时，出现出现不连续破坏不连续破坏，不形成爆破漏斗，不形成爆破漏
31、斗0.30.3 n n 0.750.75r rW W 9090Wr5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 6.6.柱状药包柱状药包产生的爆破漏斗产生的爆破漏斗 (1)(1)柱状装药柱状装药垂直垂直自由面自由面, ,如右图如右图 柱状药包柱状药包可看成由多个连续可看成由多个连续集中集中药包药包组成的。组成的。 孔口孔口：加强抛掷爆破漏斗；：加强抛掷爆破漏斗； 中间中间：标准抛掷爆破和减弱抛掷：标准抛掷爆破和减弱抛掷爆破漏斗爆破漏斗; ; 孔底孔底：松动爆破；会留有残孔。：松动爆破；会留有残孔。 总的总的漏斗形状漏斗形状就是这些漏斗的就是这些漏斗的外外部轮廓线部轮廓线，大致为，大致为喇叭形喇叭形
32、；孔底；孔底破坏弱，爆后会留有残孔。破坏弱，爆后会留有残孔。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2)(2)柱状装药柱状装药平行平行自由面自由面, ,如右图。如右图。 常存在两个自由面，爆破常存在两个自由面，爆破效果比一个自由面的情况效果比一个自由面的情况好。好。 常见于隧道掘进爆破及露常见于隧道掘进爆破及露天台阶爆破。天台阶爆破。 只需只需爆破松动爆破松动，将岩体从，将岩体从原岩中分离出来即可，原岩中分离出来即可，不不需要产生大量的需要产生大量的抛掷抛掷。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (3)(3)柱状装药柱状装药倾斜倾斜于自由面于自由面, ,如右图如右图 介于介于垂直垂直和
33、和平行平行之间。之间。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 7.7.炮孔密集炮孔密集( (临近临近) )系数系数 m m 对爆破漏斗形状的影响对爆破漏斗形状的影响 (1)(1)定义定义 m m为相邻炮孔的为相邻炮孔的间距间距a a与与最小抵抗线最小抵抗线W(W(或排距或排距) )的比值的比值, ,即即 m= a/Wm= a/W (2)(2)炮孔密集系数对爆破漏斗形状的影响炮孔密集系数对爆破漏斗形状的影响 当当m m22，即，即a a22W W时，时， 形成形成两个两个爆破漏斗。爆破漏斗。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 当当1 1m m2 2，即，即W Wa a2 2W W时，时，
34、 形成一个爆破漏斗，但药包之间形成一个爆破漏斗，但药包之间底部破碎不充分底部破碎不充分。 当当0.80.8m m11，即，即0.80.8W Wa aW W时，时，形成一个爆破漏斗，漏斗底部平坦，漏斗体积最大。形成一个爆破漏斗，漏斗底部平坦，漏斗体积最大。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 当当m m0.80.8，即，即a a 0.80.8W W 时，时， 形成一个爆破漏斗，大部分能量用于形成一个爆破漏斗，大部分能量用于抛掷岩石抛掷岩石，漏斗，漏斗体积反而减小。体积反而减小。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 四、利文斯顿爆破漏斗理论四、利文斯顿爆破漏斗理论 1.1.利文斯顿爆破漏斗
35、理论利文斯顿爆破漏斗理论的核心内容的核心内容 该理论认为：炸药在岩体中爆炸时，传给岩石该理论认为：炸药在岩体中爆炸时，传给岩石能量能量的的多少与速度，取决于多少与速度，取决于岩石性质、炸药性能、药包重量岩石性质、炸药性能、药包重量( (大小大小) )、药包埋置深度、药包埋置深度等因素。等因素。 该理论以该理论以能量平衡能量平衡为准则为准则( (基础基础) )。药包放出的能量药包放出的能量岩石吸收的能量岩石吸收的能量平衡状态（临界状态）平衡状态（临界状态）5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理药包放出的能量药包放出的能量岩石吸收的能量岩石吸收的能量岩石被破坏，被抛掷出去岩石被破坏，被抛掷出去药
36、包放出的能量药包放出的能量岩石吸收的能量岩石吸收的能量岩体只呈弹性变形，不破坏岩体只呈弹性变形，不破坏5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 2.2.几个基本概念几个基本概念 (1) (1) 临界埋深（临界抵抗线）临界埋深（临界抵抗线）W Wc c 是指是指不出现爆破漏斗不出现爆破漏斗的药包的的药包的最小最小埋置深度。埋置深度。 临界埋深临界埋深W Wc c与炸药量与炸药量Q Q的关系如下：的关系如下：31QEWbc 这是利文斯顿爆破漏斗理论的一般公式。这是利文斯顿爆破漏斗理论的一般公式。 说明：说明：E Eb b意义意义：在一定装药量：在一定装药量Q Q条件下，岩石表面条件下，岩石表面开始
37、破裂时，岩石可能吸收的最大爆炸能量。开始破裂时，岩石可能吸收的最大爆炸能量。 E Eb b与岩石性质和炸药性能有关。与岩石性质和炸药性能有关。岩石变形能系数bE5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2)(2)深度比深度比 是指药包的埋置深度是指药包的埋置深度W W与临界埋深与临界埋深W WC C之比。即之比。即cWW5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (3)(3)最佳埋深最佳埋深W W0 0和最佳深度比和最佳深度比0 0 最佳埋深最佳埋深W W0 0，又称最适宜埋深，又称最适宜埋深 是指是指爆破漏斗体积最大爆破漏斗体积最大的药包埋置深度。的药包埋置深度。cWW00 最佳深度比最佳深
38、度比0：cWW00300QEWb说明说明:a. :a. 对脆性岩石对脆性岩石,0 00.5,0.5,塑性岩石塑性岩石,0 01;1; b. b. 通过调整通过调整药包埋深药包埋深( (最小抵抗线最小抵抗线),),来来调整或平调整或平衡炸药爆炸能量的分配比例衡炸药爆炸能量的分配比例, ,从而实现从而实现最佳的爆破效果最佳的爆破效果. .所以所以5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (4) (4) 转折深度转折深度( (转折埋深转折埋深) ) W Wz z 转拆深度转拆深度( (转拆埋深转拆埋深) ) W Wz z是指炸药爆炸后，传给是指炸药爆炸后，传给空气空气的的爆炸能与爆炸能与岩石岩石吸收
39、的爆炸能吸收的爆炸能相等相等的药包的埋置深度。的药包的埋置深度。 3.3.岩石变形和破坏的类型岩石变形和破坏的类型 利文斯顿根据岩石爆破利文斯顿根据岩石爆破破坏效果破坏效果和和能量平衡能量平衡关系，将关系，将岩石爆破时的变形和破坏形态分为岩石爆破时的变形和破坏形态分为四种类型四种类型。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (1) (1) 弹性变形带弹性变形带 范围范围: :W WW Wc c 即药包埋置深度临界埋置深度。即药包埋置深度临界埋置深度。 特点：特点： 炸药爆炸的全部能量被岩石吸收炸药爆炸的全部能量被岩石吸收。 爆破后岩石爆破后岩石表面不出现破坏，只产生弹性变形表面不出现破坏，只
40、产生弹性变形，岩石，岩石能恢复原状，不形成爆破漏斗。能恢复原状，不形成爆破漏斗。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2) (2) 冲击破裂带冲击破裂带 范围：范围：W W0 0 W W W Wc c 特点：特点： 炸药爆炸炸药爆炸放出放出的能量岩石的能量岩石吸收吸收的能量。的能量。 地表岩石破裂，隆起地表岩石破裂，隆起( (鼓包鼓包) )，抛掷，形成爆破漏斗。，抛掷，形成爆破漏斗。 W W爆破漏斗体积爆破漏斗体积V V。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (3)(3)破碎带破碎带 范围：范围： W Wz z W W W W0 0 特点：特点： 炸药爆炸炸药爆炸放出放出的能量岩石的
41、能量岩石吸收吸收的能量。的能量。 地表岩石更加破碎，岩块抛掷距离、空气冲击波和声地表岩石更加破碎，岩块抛掷距离、空气冲击波和声响均增大。响均增大。 W WV V。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (4)(4)空爆带空爆带 范围：范围：W W W Wz z 特点：特点： 传给传给空气空气的爆炸能岩石的爆炸能岩石吸收吸收的爆炸能。的爆炸能。 地表岩石过度破碎，远距离抛掷、形成强烈的空气冲地表岩石过度破碎，远距离抛掷、形成强烈的空气冲击波。击波。 W WV V。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 从以上分析可以看出，炸药的从以上分析可以看出，炸药的爆炸能量爆炸能量是主要消耗于是主要消耗
42、于四个方面：四个方面： 岩石的弹性变形；岩石的弹性变形； 岩石的破碎和破裂；岩石的破碎和破裂； 岩石的抛移、飞散；岩石的抛移、飞散； 声响、地震和空气冲击波。声响、地震和空气冲击波。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 4.利文斯顿爆破漏斗的应用利文斯顿爆破漏斗的应用 (1) 对比炸药的性能对比炸药的性能 测炸药的测炸药的爆力爆力。 试验条件：试验条件：同一岩石同一岩石(土土)，同一药量，同一埋深，不，同一药量，同一埋深，不同炸药同炸药。V V大大爆力大，炸药做功能力大爆力大，炸药做功能力大V V小小爆力小，炸药做功能力小爆力小，炸药做功能力小5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2
43、) (2) 用弹性变形能用弹性变形能系数评价岩石的可爆性系数评价岩石的可爆性 条件：条件：同一炸药，同一药量，不同岩石同一炸药，同一药量，不同岩石。 取取Q=1kg，则：，则：bbcEQEW31 Eb Wc 岩石难爆。岩石难爆。 岩石易爆岩石易爆Eb Wc5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理l(3)(3) 爆破漏斗理论在工程爆破中的应用爆破漏斗理论在工程爆破中的应用l最佳埋深最佳埋深最小抵抗线最小抵抗线。l 通过单药包爆破漏斗试验，求通过单药包爆破漏斗试验，求Wc 、Eb 、W0 、0 ; 建立最佳埋深的计算公式：建立最佳埋深的计算公式： 31000QEWWbC5 5 岩石爆破基本原理岩石
44、爆破基本原理 例：在某岩石中，通过爆破试验得知一个例：在某岩石中，通过爆破试验得知一个4.5kg重的球重的球状药包的最适宜深度为状药包的最适宜深度为1.5m，临界埋深为，临界埋深为3m。问：。问： (1) 应变能系数和最适宜深度比各是多少？应变能系数和最适宜深度比各是多少？ 解：应变能系数值为解：应变能系数值为31331/8 . 15 . 4/3/kgmQWECb5 . 03/5 . 10 最佳深度比最佳深度比05 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2)450kg(2)450kg重的药包在该岩石中的最佳埋深是多少？重的药包在该岩石中的最佳埋深是多少？m9 . 64508 . 15 . 0
45、3300QEWbkgEWQb370378 . 15 . 0303300 (3)(3)在在30m30m深处埋置药包进行最适宜爆破，药包重量应深处埋置药包进行最适宜爆破，药包重量应为多少？为多少？5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 五、成组药包的爆破作用原理五、成组药包的爆破作用原理 （成组药包（成组药包爆破时岩石破坏的特征）爆破时岩石破坏的特征） 1.1.单排药包齐发爆破原理单排药包齐发爆破原理 （单排成组药包齐发爆破时岩石破坏特征）（单排成组药包齐发爆破时岩石破坏特征） a.a.相邻炮孔连心线上相邻炮孔连心线上应力加强应力加强，产生裂缝产生裂缝（隙）（隙）; ; b.b.连心线中点两侧出
46、现连心线中点两侧出现应力降低区应力降低区，易，易出现大块出现大块。 (1)(1)相邻炮孔连心线产生裂缝相邻炮孔连心线产生裂缝( (隙隙) )的原因（的原因（机理机理） 即即相邻炮孔爆破成缝机理相邻炮孔爆破成缝机理。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 应力波理论：应力波理论：形成裂缝是形成裂缝是应力波叠加的结果应力波叠加的结果。 爆炸应力波相遇爆炸应力波相遇 应力应力叠加叠加 压压引起的引起的拉拉得到加强得到加强, ,合成为合成为合合 炮孔相距较近，炮孔相距较近，合合岩石动抗拉强度岩石动抗拉强度 产生裂隙产生裂隙( (缝缝), ), 两炮孔联通。两炮孔联通。 该理论认为：最大拉应力该理论认
47、为：最大拉应力出现在连心线中点，故出现在连心线中点，故裂裂隙首先出现在连心线中点隙首先出现在连心线中点，再向孔壁发展。再向孔壁发展。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 应力波与爆生气体综合作用理论认为：应力波与爆生气体综合作用理论认为： a.a.应力波作用时间极短暂，但爆生气体在炮孔中能维应力波作用时间极短暂，但爆生气体在炮孔中能维持较长时间的高压状态持较长时间的高压状态( (产生产生准静态压力准静态压力) )。 b.b.准静态压力准静态压力炮孔连心线各点上炮孔连心线各点上产生切向拉应力。产生切向拉应力。 该理论论认为：炮孔连心线与孔壁的交点处该理论论认为：炮孔连心线与孔壁的交点处切向拉
48、应切向拉应力最大力最大，故，故裂隙裂隙( (缝缝) )首先出现在炮孔壁首先出现在炮孔壁, ,再向连线中点再向连线中点发展，最后贯通发展，最后贯通。 生产实践证明：拉伸裂隙是从炮孔向外发展的。生产实践证明：拉伸裂隙是从炮孔向外发展的。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 (2)(2)连心线中点两侧出现应力降低区。连心线中点两侧出现应力降低区。 降低区降低区: :应力波作用线正交处；应力波作用线正交处；产生原因分析如下：产生原因分析如下： 原因原因: :相邻药包爆炸引起的相邻药包爆炸引起的压应力压应力和和拉应力拉应力相互相互抵消抵消。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 应力降低区对爆破效
49、果的影响：应力降低区对爆破效果的影响：易产生大块。易产生大块。 消除应力降低区影响的措施：消除应力降低区影响的措施：大孔距小抵抗线技术大孔距小抵抗线技术，即即 适当增大炮孔间距。适当增大炮孔间距。 减小抵抗线。减小抵抗线。 原因：使原因：使应力降低区落在岩石之外的空气中应力降低区落在岩石之外的空气中，在岩石，在岩石中避免出现应力相互抵消作用，中避免出现应力相互抵消作用，减少大块的产生减少大块的产生，从，从而而改善爆破效果改善爆破效果。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理 2.2.多排药包齐发爆破原理多排药包齐发爆破原理 (1)(1)爆炸应力波相互叠加爆炸应力波相互叠加, ,造成应力极高的状
50、态；造成应力极高的状态； (2)(2)第第1 1排炮孔有排炮孔有2 2个自由面，爆破条件好；后排炮孔仅个自由面，爆破条件好；后排炮孔仅1 1个自由面，受到较大夹制作用，影响爆破效果。个自由面，受到较大夹制作用，影响爆破效果。 综合以上分析，多排成组药包齐发爆破效果不佳，实综合以上分析，多排成组药包齐发爆破效果不佳，实际很少应用，一般被际很少应用，一般被微差爆破微差爆破所代替。所代替。5 5 岩石爆破基本原理岩石爆破基本原理六、装药量计算的基本原理和方法六、装药量计算的基本原理和方法 1.1.体积公式计算原理体积公式计算原理 在一定的炸药和岩石条件下，装药量与爆破岩石在一定的炸药和岩石条件下，装
