1、1/6/2023第五章 岩石爆破理论1 1/6/2023第五章 岩石爆破理论2主要内容主要内容第五章第五章 岩石爆破理论岩石爆破理论 5.1 岩石爆破破坏基本理论岩石爆破破坏基本理论 5.2 单个药包爆破作用单个药包爆破作用 5.3 延长装药爆破作用延长装药爆破作用 5.4 成组药包爆破时岩石破坏特征成组药包爆破时岩石破坏特征 5.5 炸药起爆能量平衡原理与装药量计算炸药起爆能量平衡原理与装药量计算 5.6 影响爆破作用的主要因素影响爆破作用的主要因素 ：1/6/2023第五章 岩石爆破理论3爆炸生成气体产物的膨胀作用爆炸生成气体产物的膨胀作用 爆生气体膨胀作用理论爆生气体膨胀作用理论 爆炸应
2、力波反射拉抻爆炸应力波反射拉抻作用理论作用理论 爆生气体和应力波综合爆生气体和应力波综合作用理论作用理论 第一节第一节 岩石爆破破坏基本理论（岩石爆破破坏基本理论（1）1/6/2023第五章 岩石爆破理论4反射拉应力波破坏作用反射拉应力波破坏作用 爆生气体膨胀作用理论爆生气体膨胀作用理论 爆炸应力波反射拉抻爆炸应力波反射拉抻作用理论作用理论 爆生气体和应力波综合爆生气体和应力波综合作用理论作用理论(a)入射压力波波前；(b)反射拉应力波波前 岩石爆破破坏基本理论（岩石爆破破坏基本理论（2）1/6/2023第五章 岩石爆破理论5爆生气体膨胀作用理论爆生气体膨胀作用理论 爆炸应力波反射拉抻爆炸应力
3、波反射拉抻作用理论作用理论 爆生气体和应力波综合爆生气体和应力波综合作用理论作用理论 岩石爆破破坏基本理论（岩石爆破破坏基本理论（3）爆生气体和应力波综合作用理论的爆生气体和应力波综合作用理论的实质实质：哈努卡耶夫哈努卡耶夫把岩石按波阻抗值分为三类：把岩石按波阻抗值分为三类：(1)第一类岩石属于高阻抗岩石高阻抗岩石。其波阻抗为1525MPas/m.这类岩石的破坏，主要取决于应力波，包括入射波和反射波。(2)第二类岩石属于中阻抗岩石中阻抗岩石。其波阻抗为515MPas/m。这类岩石的破坏,主要是入射应力波和爆生气体综合作用的结果(3)第三类岩石属于低阻抗岩石低阻抗岩石。其波阻抗小于5MPas/m
4、。这类岩石的破坏，以爆生气体形成的破坏为主。岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展。爆生气体膨胀的准静态能量，是破碎岩石的主要能源。1/6/2023第五章 岩石爆破理论6 爆炸应力波反射拉抻作用理论爆炸应力波反射拉抻作用理论 的试验基础的试验基础 水泥板的爆轰破坏水泥板的爆轰破坏1空气冲击波波阵面；2水泥板中冲击波波阵面；3水泥板岩石杆件的爆破岩石杆件的爆破 板件爆破试验板件爆破试验1装药孔 2破碎区 3拉裂区4震动区 1/6/2023第五章 岩石爆破理论7 第二节第二节 单个药包爆破作用单个药包爆破作用爆破的内部作
5、用爆破的内部作用1径向裂隙 2环向裂隙Rc药包半径；Rp粉碎区半径；Rc破裂区半径内内 部部 作作 用用 （1）粉碎区粉碎区（压缩区）（2）裂隙区裂隙区（破裂区）径向裂隙和环向裂隙的形成原理径向裂隙和环向裂隙的形成原理 径向压缩引起的切向拉伸径向压缩引起的切向拉伸 1/6/2023第五章 岩石爆破理论8 单个药包爆破外部作用（单个药包爆破外部作用（1）外外 部部 作作 用用（1）反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落）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1/6/2023第五章 岩石爆破理论9 单个药包爆破外部作用（单
6、个药包爆破外部作用（2）外外 部部 作作 用用（2）反射拉伸波引起径向裂隙的延伸）反射拉伸波引起径向裂隙的延伸 反反 射射 拉拉 伸伸 波波 对对 径径 向向 裂裂 隙隙 的的 影影 响响1/6/2023第五章 岩石爆破理论10主应力主应力 1和和 2 的作用方向的作用方向 单个药包爆破外部作用（单个药包爆破外部作用（3）外外 部部 作作 用用（3）自由面影响下的应力场分析）自由面影响下的应力场分析 岩体中任一点岩体中任一点A的应力分析的应力分析拉伸应力拉伸应力 2达到极大值时达到极大值时 1和和 2的方向的方向 1/6/2023第五章 岩石爆破理论11炸药在岩石中爆破的破坏过程炸药在岩石中爆
7、破的破坏过程 炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段.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。对应力波反射引起自由面处的岩石片落。1/6/2023第五章 岩石爆破理论12炸药在岩石中爆破的破坏模式炸药在岩石中爆破的破坏模式 12径向裂隙作用径向裂隙作用；3卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；5爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙。爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙。4反射拉伸引起的反射拉伸引起的“片落片落”和引起径向裂隙的延伸；和引起径向裂隙的延伸；炮孔周围岩石的压碎作用；炮孔周围岩石的压碎作用；1/6/2023第五章 岩石爆破理论
8、13爆破漏斗爆破漏斗 爆破作用指数爆破作用指数n：它是爆破漏斗半径爆破漏斗半径r和最小抵抗线最小抵抗线W的比值，即：爆破作用爆破作用指数指数（crater index）Wrn 1/6/2023第五章 岩石爆破理论14dcba标准抛掷爆破漏斗 加强抛掷爆破漏斗 减弱抛掷爆破漏斗（也称加强松动爆破漏斗）松动爆破漏斗 n 1.00.75 n 1.0n =1.0n 0.75爆破漏斗的基本形式爆破漏斗的基本形式 1/6/2023第五章 岩石爆破理论15第三节第三节 延长装药爆破作用延长装药爆破作用 1/3RQRQ装药垂直自由面的爆破漏斗装药垂直自由面的爆破漏斗装药倾斜自由面的爆破漏斗装药倾斜自由面的爆破
9、漏斗装药平行自由面的爆破漏斗装药平行自由面的爆破漏斗 当药包的长度和它横载面的直径（或最大边长）之比值 大于某一值时，叫做延长药包延长药包。延长药延长药包包（extended charge）NoImage1/6/2023第五章 岩石爆破理论16第四节第四节 成组药包爆破时岩石破坏特征成组药包爆破时岩石破坏特征 当相邻两药包齐发爆破时，当相邻两药包齐发爆破时，在沿炮孔连心线上在沿炮孔连心线上的应力得到加强，的应力得到加强，而在而在炮孔连心线中段两侧附近炮孔连心线中段两侧附近则出现应力降低区。则出现应力降低区。相邻炮孔应力波相遇叠加相邻炮孔应力波相遇叠加 相邻炮孔中心连线上准静态拉应力分析相邻炮孔
10、中心连线上准静态拉应力分析 （a）单个A孔产生的切向伴生拉应力 （b）单个B孔产生的切向伴生拉应力（c）两孔合成的切向伴生拉应力1/6/2023第五章 岩石爆破理论17应力降低的分析应力降低的分析多排成组药包的齐发爆破效果不好，得不到实际使用。多排成组药包的齐发爆破效果不好，得不到实际使用。应应 力力 降降 低低 的的 分分 析析 图图1/6/2023第五章 岩石爆破理论18 第五节第五节 能量平衡原理与装药量计算能量平衡原理与装药量计算外外 部部 药药 包包 效效 应应 NoImage相似法则相似法则体积法则体积法则1/6/2023第五章 岩石爆破理论19 能量平衡原理与装药量计算（能量平衡
11、原理与装药量计算（2）体积法则体积法则相似法则相似法则 在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土石方体积同所用的装药量成正比，即：Q=KV 如果药包是集中药包,标准抛掷爆破时爆破作用指数n的值为1，即：r=W所以，爆破漏斗体积的大小为：233rVWW标准抛掷爆破的装药量可以认为是：3KWQ标于是：3)(KWnfQ抛f(n)为爆破作用指数函数为爆破作用指数函数（function of crater index）1/6/2023第五章 岩石爆破理论20利文斯顿爆破漏斗理论利文斯顿爆破漏斗理论 36.04.0)(nnf 利利 文文 斯斯 顿顿 爆爆 破破 漏漏 斗斗 示示 意意 图图利文斯顿将岩石爆破时的
12、变形和破坏形态分为四种类型：利文斯顿将岩石爆破时的变形和破坏形态分为四种类型：（1）弹性变形弹性变形（4）空气中爆炸空气中爆炸（2）冲击破坏冲击破坏（3）碎化破坏碎化破坏 相关名词解释相关名词解释：临界深度临界深度，最适宜深度最适宜深度，转折深度转折深度。1/6/2023第五章 岩石爆破理论21集中药包装药量计算集中药包装药量计算 鲍列斯阔夫提出的经验公式（鲍列斯阔夫提出的经验公式（适用于抛掷爆破装药量的计算）：）：33(0.4 0.6)pbQn kW集中药包抛掷爆破装药量的计算通式：集中药包抛掷爆破装药量的计算通式：33)6.04.0(WknQbp12 5/2 52 5WmWWm3(0.33
13、0.5)sbQkW松动爆破的装药量公式可以表示为：松动爆破的装药量公式可以表示为：1/6/2023第五章 岩石爆破理论22延长药包装药量计算延长药包装药量计算 AB延长药包垂直于自由面延长药包垂直于自由面 延长药包平行于自由面延长药包平行于自由面 de12Wll2nbQkW l33)6.04.0(WnQkb1/6/2023第五章 岩石爆破理论23单位炸药的耗药量单位炸药的耗药量 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标准抛掷爆破单位用药量系数，简称标标准单位用药量系数准单位用药量系数。Ks 则是
14、指单个集中药包形成松动爆破漏斗时（一般n0.75），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松动爆破单位用药量系数。需要强调的符号含义：需要强调的符号含义：1/6/2023第五章 岩石爆破理论24Kb与与Ks的选取的选取 A 查表查表B 工程类比工程类比C 试验试验对于普通的岩土爆破工程，Kb和Ks的值可由相关表格中查出；采用标准抛掷爆破漏斗试验确定Kb 的值。参照条件相近工程的单位用药量系数确定Kb和Ks的值；VQq标准抛掷爆破漏斗试验中标准抛掷爆破漏斗试验中Kb的计算：的计算：1/6/2023第五章 岩石爆破理论25群药包的单位耗药量群药包的单位耗
15、药量 上页所提到的上页所提到的 Kb 与与 Ks都只是单个集中药包爆破时装药量与所爆落岩体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。体积之间的一个关系系数。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总体积的比值称为单位耗药量单位耗药量，简称，简称炸药单耗炸药单耗，用字母，用字母q来表示，即：来表示，即：炸药单炸药单耗耗1/6/2023第五章 岩石爆破理论26 最小抵抗线原理（最小抵抗线原理（1）最小抵抗线方向最小抵抗线方向 最小抵抗线原理最小抵抗线原理 破碎和抛掷、堆积的主导方向。
16、抛掷、堆积同最小抵抗线的关系。各各 种种 爆爆 破破 方方 法法 的的 最最 小小 抵抵 抗抗 线线 1/6/2023第五章 岩石爆破理论27 最小抵抗线原理（最小抵抗线原理（2）edd适于集中抛掷堆积的凹形地形适于集中抛掷堆积的凹形地形 改变最小抵抗线的辅助药包改变最小抵抗线的辅助药包1/6/2023第五章 岩石爆破理论28 最小抵抗线原理（最小抵抗线原理（3）药包位置与起爆顺序对最小抵抗线方向的影响药包位置与起爆顺序对最小抵抗线方向的影响 最小抵抗线的指向是岩石破最小抵抗线的指向是岩石破碎、抛掷和产生飞石的主导碎、抛掷和产生飞石的主导方向方向.应特别注意该方向的选择和应特别注意该方向的选择
17、和安全防护。施工时应认真测安全防护。施工时应认真测量核实最小抵抗线量核实最小抵抗线 W 的大的大小和指向。小和指向。由于装药量由于装药量 Q与与W 的的3次幂次幂有关有关,W 值的错误测算往往值的错误测算往往会导致严重的爆破事故。会导致严重的爆破事故。1/6/2023第五章 岩石爆破理论29毫秒爆破作用理论毫秒爆破作用理论 它是利用毫秒雷管（millIseconcond MS）或其他毫秒延期引爆装置，将同一网路的装药分组，以毫秒级的时间间隔进行顺序起爆的方法。毫秒爆毫秒爆破破（MS blasting）毫秒爆破又称微差爆破或毫秒微差爆破.1/6/2023第五章 岩石爆破理论30毫秒爆破作用机理毫
18、秒爆破作用机理CBA3.剩余应力叠加剩余应力叠加2.形成新的自由面形成新的自由面 1.应力波相互干涉应力波相互干涉DE4.岩块碰撞辅助破碎岩块碰撞辅助破碎 5.毫秒爆破的减振作用毫秒爆破的减振作用 1/6/2023第五章 岩石爆破理论311）我国长沙矿冶研我国长沙矿冶研究院提出的公式：究院提出的公式：t=(2040)Wo/f2）U.Langefors（兰格弗斯）等人的瑞兰格弗斯）等人的瑞典经验公式典经验公式：t=3.3KW3）前苏联矿山部门前苏联矿山部门的公式：的公式：t=KW(24 f)毫秒间隔时间计算原理毫秒间隔时间计算原理按应力波干涉计算按应力波干涉计算 按形成新的自由面计算按形成新的自
19、由面计算 按地震效应最小的原则确定按地震效应最小的原则确定 依经验公式计算依经验公式计算1/6/2023第五章 岩石爆破理论32第六节第六节 影响爆破作用的主要因素影响爆破作用的主要因素 ABC区分区分:爆轰压爆轰压力力爆炸压力爆炸压力1/6/2023第五章 岩石爆破理论33 自由面在爆破中的作用自由面在爆破中的作用 反射应力波。反射应力波。当爆炸应力波遇到自由面时发生反射，压缩应力波变为拉伸波，引起当爆炸应力波遇到自由面时发生反射，压缩应力波变为拉伸波，引起 岩的片落和径向裂隙的延伸。岩的片落和径向裂隙的延伸。改变岩石应力状态及强度极限。改变岩石应力状态及强度极限。在无限介质中，岩石处于三向
20、应力状态，而自由面附近的岩石则处于在无限介质中，岩石处于三向应力状态，而自由面附近的岩石则处于 单向或双向应力状态。故自由面附近的岩石强度接近岩石单轴抗拉或抗压单向或双向应力状态。故自由面附近的岩石强度接近岩石单轴抗拉或抗压 强度强度,比在无限介质中承受爆破作用时相应的强度减少几倍甚至十几倍。比在无限介质中承受爆破作用时相应的强度减少几倍甚至十几倍。自由面是最小抵抗线方向，应力波低达自由面后，在自由面附近的介质运自由面是最小抵抗线方向，应力波低达自由面后，在自由面附近的介质运 动因阻力减小而加速，随后而到的爆炸气体进一步向自由面方向运动，形动因阻力减小而加速，随后而到的爆炸气体进一步向自由面方
21、向运动，形 成鼓成鼓 包包,最后破碎、抛掷。最后破碎、抛掷。1/6/2023第五章 岩石爆破理论34自由面大小方向和位置对爆破作用的影响自由面大小方向和位置对爆破作用的影响 自自 由由 面面 数数 对对 爆爆 破破 效效 果果 的的 影影 响响炮炮 孔孔 与与 自自 由由 面面 相相 关关 位位 置置 对对 爆爆 破破 的的 影影 响响（a）垂直布置炮眼（b）倾斜布置炮眼（c）自由面在炮孔下方（d）自由面在炮孔上方1/6/2023第五章 岩石爆破理论35炸药与岩石匹配关系及对爆破作用的影响炸药与岩石匹配关系及对爆破作用的影响岩石（或其他介质）的密度同岩石（或其他介质）纵波速度的乘积。岩石（或其
22、他介质）的密度同岩石（或其他介质）纵波速度的乘积。波阻抗波阻抗（wave impedance）间隔装药间隔装药 不耦合装药不耦合装药 连续装药连续装药 耦合装药耦合装药 装装 药药 结结 构构 药包与孔壁的不耦合程度常用不耦合系药包与孔壁的不耦合程度常用不耦合系数来表示：数来表示：Rd 降低了作用在炮孔壁上的冲击压力峰值。降低了作用在炮孔壁上的冲击压力峰值。增加了应力波作用时间。增加了应力波作用时间。增大了应力波传给岩石的冲量，而且比增大了应力波传给岩石的冲量，而且比 冲量沿炮孔分布较均匀。冲量沿炮孔分布较均匀。1/6/2023第五章 岩石爆破理论36爆破工艺对爆破作用的影响爆破工艺对爆破作用
23、的影响 炮孔堵塞的作用炮孔堵塞的作用：（1）保证炸药充分反应，使之放出最大热量和减少有毒气体生成量保证炸药充分反应，使之放出最大热量和减少有毒气体生成量.（2）降低爆生气体逸出自由面的温度和压力，提高炸药的热效降低爆生气体逸出自由面的温度和压力，提高炸药的热效率，使更多的热量转变为机械功。率，使更多的热量转变为机械功。（3）在有瓦斯的工作面内，除降低爆炸气体逸出自由面的温度和压在有瓦斯的工作面内，除降低爆炸气体逸出自由面的温度和压力外，炮泥还起着阻止灼热固体颗粒（例如雷管壳碎片等）从力外，炮泥还起着阻止灼热固体颗粒（例如雷管壳碎片等）从炮孔内飞出的作用，提高爆破安全性。炮孔内飞出的作用，提高爆破安全性。1/6/2023第五章 岩石爆破理论37起爆方法起爆方法 正向起爆正向起爆反向起爆反向起爆并敷装药并敷装药（superposition charge）两种固有爆速不同的爆炸材料并排敷设两种固有爆速不同的爆炸材料并排敷设.（2）导爆索并敷起爆）导爆索并敷起爆（1）正向起爆）正向起爆（explosion）与反向起爆与反向起爆（indirect initiation）1/6/2023第五章 岩石爆破理论38武汉理工大学
