1、4.1 4.1 岩石爆破理论发展阶段岩石爆破理论发展阶段4.2 4.2 岩石中的爆炸应力波岩石中的爆炸应力波4.3 4.3 岩石爆破作用岩石爆破作用4.4 4.4 炸药在岩石中的爆破破坏过程炸药在岩石中的爆破破坏过程4.5 4.5 爆破漏斗理论爆破漏斗理论4.6 4.6 光面爆破和预裂爆破光面爆破和预裂爆破4.7 4.7 微差爆破微差爆破4.8 4.8 聚能效应聚能效应4.9 4.9 装药量计算原理装药量计算原理 4.10 4.10 影响爆破效应的因素影响爆破效应的因素4.1 岩石爆破理论发展阶段岩石爆破理论发展阶段 从古代至今，采用炸药爆炸来破碎岩体仍然是一种最有效的方法。从古代至今，采用炸
2、药爆炸来破碎岩体仍然是一种最有效的方法。炸药爆炸作用下，岩体是如何破碎的呢？炸药爆炸作用下，岩体是如何破碎的呢？早在早在1613年德国人马林（年德国人马林（Marlin）、韦格尔（）、韦格尔（Weigel）在弗雷帕格（在弗雷帕格（Freisberg）矿山首先用炸药开掘坑道，开创）矿山首先用炸药开掘坑道，开创了爆破采矿的历史。了爆破采矿的历史。岩石爆破机理早期发展阶段主要为岩石爆破机理早期发展阶段主要为 L.W.L.W.利文斯顿的爆破利文斯顿的爆破理论、流体动力学理论以及炸药量与岩石破碎体积成比例理论、流体动力学理论以及炸药量与岩石破碎体积成比例理论。理论。国内外学者们经过长期探索，包括高速摄影
3、技术、现场爆破试验和国内外学者们经过长期探索，包括高速摄影技术、现场爆破试验和计算机模拟技术，提出了岩石爆破机理的种种假说。计算机模拟技术，提出了岩石爆破机理的种种假说。4.1 岩石爆破理论发展阶段岩石爆破理论发展阶段一、岩石爆破破坏机理的三种假说一、岩石爆破破坏机理的三种假说 由于岩石是一种非均质、各向异性的介质，爆炸本身由于岩石是一种非均质、各向异性的介质，爆炸本身又是一个高温高压高速的变化过程，炸药对岩石破坏的整又是一个高温高压高速的变化过程，炸药对岩石破坏的整个过程在几十微秒到几十毫秒内就完成了，因此研究岩石个过程在几十微秒到几十毫秒内就完成了，因此研究岩石爆破作用机理是一项非常复杂和
4、困难的工作。尽管如此，爆破作用机理是一项非常复杂和困难的工作。尽管如此，理论研究方面仍取得重大成果，归结起来岩石爆破破坏机理论研究方面仍取得重大成果，归结起来岩石爆破破坏机理有三种假说理有三种假说 1）爆生气体膨胀推力作用假说；）爆生气体膨胀推力作用假说；2）爆炸应力波反射拉伸作用假说；）爆炸应力波反射拉伸作用假说；3）爆生气体和爆炸应力波综合作用假说。）爆生气体和爆炸应力波综合作用假说。爆生气体膨胀推力作用假说爆生气体膨胀推力作用假说 这种学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是这种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。这种学说忽视了岩体中由于爆轰气体的膨
5、胀压力引起的。这种学说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：冲击波和应力波的破坏作用，其基本观点如下：药包爆炸，产生大量高温高压气体，这些爆炸气体迅药包爆炸，产生大量高温高压气体，这些爆炸气体迅速膨胀并以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，形成压速膨胀并以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，形成压应力场。当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的拉应应力场。当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的拉应力时，将产生径向裂隙。作用于岩壁上的压力引起岩石质力时，将产生径向裂隙。作用于岩壁上的压力引起岩石质点径向位移，由于不同方向受力不等引起径向位移速度不点径向位移，由于不同方向受力不等引起径向
6、位移速度不等，导致在岩石中形成剪切应力。当剪切应力超过岩石抗等，导致在岩石中形成剪切应力。当剪切应力超过岩石抗剪强度时，岩石即产生剪切破坏。破碎岩块又在爆轰气体剪强度时，岩石即产生剪切破坏。破碎岩块又在爆轰气体推力作用下沿径向抛出，形成爆破漏斗坑。推力作用下沿径向抛出，形成爆破漏斗坑。（内（内外）外）爆生气体的膨胀作用爆生气体的膨胀作用爆炸应力波反射拉伸作用假说爆炸应力波反射拉伸作用假说 这种学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引起岩这种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。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作石破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作用，也忽视了压应力的
7、作用，其基本观点如下：用，也忽视了压应力的作用，其基本观点如下：爆轰波冲击和压缩药包周围的岩壁，在岩石中激发形爆轰波冲击和压缩药包周围的岩壁，在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。成冲击波并很快衰减为应力波。此应力波在周围岩体内形此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面时，产生反成裂隙的同时向前传播，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抗拉射拉应力波，当拉应力波的强度超过自由面处岩石的抗拉强度时，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
8、。自由至拉伸波的强度低于岩石的动态抗拉强度处时停止。自由面形成片落爆破漏斗。面形成片落爆破漏斗。（外（外内）内）霍普金森压杆试验示意图霍普金森压杆试验示意图不同药量的岩石压杆爆破试验不同药量的岩石压杆爆破试验自由面附近应用波的发射作用自由面附近应用波的发射作用岩石条爆破试验：岩石条爆破试验：雷管；雷管；炸药；炸药；岩石条试件；岩石条试件；粉碎区；粉碎区；裂隙区；裂隙区；震动区；震动区；片落区片落区霍普金森效应霍普金森效应试验：试验：在岩石压杆的一端安置炸药，起爆后，靠近炸在岩石压杆的一端安置炸药，起爆后，靠近炸药一端的岩石被炸碎，压杆中间部分没有明显的破坏，药一端的岩石被炸碎，压杆中间部分没有
9、明显的破坏，而杆件的另一端则被拉断呈许多块。而杆件的另一端则被拉断呈许多块。原理：原理：炸药爆炸后，在岩石压杆中产生沿压杆轴向传炸药爆炸后，在岩石压杆中产生沿压杆轴向传播的爆炸压缩应力波，到达压杆的另一端遇端面（自由播的爆炸压缩应力波，到达压杆的另一端遇端面（自由面）将发生反射，形成拉伸应力波反射入压杆，当此拉面）将发生反射，形成拉伸应力波反射入压杆，当此拉伸波的拉应力值高于岩石的抗拉强度时，岩石将从该端伸波的拉应力值高于岩石的抗拉强度时，岩石将从该端被拉断，随着反射波的传播，拉断的块数增多，直至拉被拉断，随着反射波的传播，拉断的块数增多，直至拉应力小于岩石的抗拉强度停止应力小于岩石的抗拉强度
10、停止 爆生气体和爆炸应力波综合作用假说爆生气体和爆炸应力波综合作用假说 这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同作用的结果。这种学说综合考虑了应力波和爆轰气体在岩作用的结果。这种学说综合考虑了应力波和爆轰气体在岩石破坏过程中所起的作用，其基本观点如下：石破坏过程中所起的作用，其基本观点如下：炸药爆炸后在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应炸药爆炸后在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波在药包附近的岩石中产生力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎压碎”现象，应现象，应力力波在压碎区域之外产生径向裂隙。随后，爆轰气体产物继波在压碎区域之
11、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，爆轰气体续压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体“楔入楔入”在应力波在应力波作作用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进一步张开。当用下产生的裂隙中，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。自由面的反射拉伸作用同样也加强了径向裂向抛掷运动。自由面的反射拉伸作用同样也加强了径向裂隙的扩展，并造成岩石片落。隙的扩展，并造成岩石片落。岩石爆破破坏机理的三种假说（综合）岩石爆破破坏机理的三种假说（综合）对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气体的
12、作对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气体的作用程度是不同的。用程度是不同的。在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系在坚硬岩石、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。数较小的条件下，应力波的破坏作用是主要的。在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的条在松软岩石、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。件下，爆轰气体的破坏作用是主要的。工程爆破实践中应根据岩石条件、爆破效果要求，合工程爆破实践中应根据岩石条件、爆破效果要求，合理选择炸药品种和爆破方法（特别是装药结构）理选择炸药品种和爆破方法（特别是装药结构）第二节第
13、二节 岩石中爆炸应力波岩石中爆炸应力波炸药在岩石中的爆炸时，最初施加在岩石上的是冲击荷炸药在岩石中的爆炸时，最初施加在岩石上的是冲击荷载，在极短的时间内上升到峰值压力，而后又迅速下降，载，在极短的时间内上升到峰值压力，而后又迅速下降，爆炸载荷的整个作用过程很短。在此冲击荷载作用下，爆炸载荷的整个作用过程很短。在此冲击荷载作用下，岩石内激起爆炸应力波。冲击压缩岩石，造成岩石破坏岩石内激起爆炸应力波。冲击压缩岩石，造成岩石破坏。爆炸应力波在距爆源不同距离的区段内可表现为：爆炸爆炸应力波在距爆源不同距离的区段内可表现为：爆炸冲击波、爆炸应力波和爆炸地震波。在爆源近区是冲击冲击波、爆炸应力波和爆炸地震
14、波。在爆源近区是冲击波，具有陡峭的波阵面并以超声速传播，波阵面前后的波，具有陡峭的波阵面并以超声速传播，波阵面前后的岩石状态参数（压力、密度、温度、岩石质点移动速度）岩石状态参数（压力、密度、温度、岩石质点移动速度）都发生突跃变化。冲击波在传播过程中能量消耗大、衰都发生突跃变化。冲击波在传播过程中能量消耗大、衰减快。随着距离增大，冲击波衰变为压缩应力波，波头减快。随着距离增大，冲击波衰变为压缩应力波，波头变缓，以声速传播，能量衰减较慢。随传播距离增大，变缓，以声速传播，能量衰减较慢。随传播距离增大，应力波又衰变为周期性振动的地震波。应力波又衰变为周期性振动的地震波。炸药在岩土介质中爆炸发展图像
15、炸药在岩土介质中爆炸发展图像1)1)岩石中爆炸应力波的演变岩石中爆炸应力波的演变 炸药在岩土介质中爆炸发展图像（续）炸药在岩土介质中爆炸发展图像（续）2)冲击载荷作用下岩石的变形及其对应的各种应力波冲击载荷作用下岩石的变形及其对应的各种应力波冲击载荷作用下岩石的变形规律冲击载荷作用下岩石的变形规律炸药在岩土介质中爆炸发展图像（续）炸药在岩土介质中爆炸发展图像（续）2)2)冲击载荷作用下岩石的变形及其对应的各种应力波冲击载荷作用下岩石的变形及其对应的各种应力波 不同应力幅值时岩石中传播的各种应力波不同应力幅值时岩石中传播的各种应力波岩石中爆炸应力波曲线特征岩石中爆炸应力波曲线特征岩石在冲击载荷作
16、用下，对应不同应力幅值，所形成岩石在冲击载荷作用下，对应不同应力幅值，所形成的应力波特征不同：的应力波特征不同：（1 1）在装药近区，作用于岩石的爆炸载荷值很高，当）在装药近区，作用于岩石的爆炸载荷值很高，当 C,时，将在岩石中形成冲击波（图时，将在岩石中形成冲击波（图a a）。）。（2 2）随着冲击波向外传播、衰减，当）随着冲击波向外传播、衰减，当BC时，如时，如（图（图b b）所示，由于变形模量）所示，由于变形模量d/d随应力的增大而增随应力的增大而增大，波速大于图中大，波速大于图中A-B A-B 段的塑性波波速，但小于段的塑性波波速，但小于O-A O-A 段的弹性波波速，因此应力幅值大的
17、塑性波追赶前面段的弹性波波速，因此应力幅值大的塑性波追赶前面的塑性波，形成速性追赶加载，形成陡峭的波阵面，的塑性波，形成速性追赶加载，形成陡峭的波阵面，但波速低于弹性波速，为亚音速，这种波称为非稳定但波速低于弹性波速，为亚音速，这种波称为非稳定的冲击波。的冲击波。岩石中爆炸应力波曲线特征（续）岩石中爆炸应力波曲线特征（续）（3 3）当）当AB时，由于时，由于d/d不是常数，不是常数，且随应力的增大而减小，因此应力幅值且随应力的增大而减小，因此应力幅值大的应力波速度低于小应力幅值的应力大的应力波速度低于小应力幅值的应力波，在传播过程中波阵面逐渐变缓，塑波，在传播过程中波阵面逐渐变缓，塑性波速度以
18、亚音速传播。而应力小于的性波速度以亚音速传播。而应力小于的部分，则以弹性波速度传播。部分，则以弹性波速度传播。（4 4）当当 Wc）时，装药时，装药爆破只发生在岩石内部，没能达到自由面。装药的此种爆破只发生在岩石内部，没能达到自由面。装药的此种爆破作用叫做爆破作用叫做爆破的内部作用爆破的内部作用。内部作用时，根据岩石的破坏情况，除在装药周围内部作用时，根据岩石的破坏情况，除在装药周围扩大爆腔外，还将在岩石中自爆源向外依次形成扩大爆腔外，还将在岩石中自爆源向外依次形成粉碎区粉碎区（或称压缩区、压碎区）、破裂区（或称裂隙区）和震（或称压缩区、压碎区）、破裂区（或称裂隙区）和震动区动区。爆破内部作用
19、岩石破坏分区示意图爆破内部作用岩石破坏分区示意图R0R2R1R0药包半径；药包半径；R1粉碎区半径；粉碎区半径；R2破裂区半径破裂区半径装药内部爆破作用装药内部爆破作用粉碎区粉碎区 密闭在岩体中的药包爆炸时，产生高温高压气体，爆密闭在岩体中的药包爆炸时，产生高温高压气体，爆轰压力在数微秒内急剧增高到数万兆帕，强烈冲击药包周轰压力在数微秒内急剧增高到数万兆帕，强烈冲击药包周围岩石，激起起冲击波，产生很高的径向和切相压应力，围岩石，激起起冲击波，产生很高的径向和切相压应力，其强度远远超过岩石的动态抗压强度。结果造成爆腔扩其强度远远超过岩石的动态抗压强度。结果造成爆腔扩大，周围岩石形成粉碎性破坏，形
20、成大，周围岩石形成粉碎性破坏，形成粉碎区粉碎区。（对于坚硬。（对于坚硬岩石，粉碎性破坏明显，而对于松软岩石则被压缩形成空岩石，粉碎性破坏明显，而对于松软岩石则被压缩形成空腔，空腔表面形成较为坚实的压实层，故这种情况下的粉腔，空腔表面形成较为坚实的压实层，故这种情况下的粉碎区又称为碎区又称为压缩区压缩区。粉碎区内冲击波衰减很快，破坏范围较小，粉碎区半粉碎区内冲击波衰减很快，破坏范围较小，粉碎区半径较小，一些研究表明：对于径较小，一些研究表明：对于球形装药球形装药，一般是药包半径，一般是药包半径的（的（1.281.281.751.75）倍；对于）倍；对于柱形装药柱形装药，一般是药包半径的，一般是药
21、包半径的（1.651.653.053.05）倍。但破坏程度大，能量消耗多。）倍。但破坏程度大，能量消耗多。装药爆破内部爆破作用装药爆破内部爆破作用裂隙区裂隙区 在粉碎区外，冲击波衰减成压应力波，并继续沿径向在粉碎区外，冲击波衰减成压应力波，并继续沿径向传播。在径向产生压应力和压缩变形，而切向将衍生拉应传播。在径向产生压应力和压缩变形，而切向将衍生拉应力和拉伸变形。由于岩石是脆性介质，其抗拉强度很低，力和拉伸变形。由于岩石是脆性介质，其抗拉强度很低，当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成与粉碎区贯通的形成与粉碎区贯通的径向裂隙径向
22、裂隙。爆生气体。爆生气体 “气楔气楔”效应，效应，引起径向裂隙进一步延伸。引起径向裂隙进一步延伸。当粉碎区形成，径向裂隙展开，作用在岩石上的压力当粉碎区形成，径向裂隙展开，作用在岩石上的压力迅速下降，随即释放出在压缩过程岩石中积蓄的弹性变形迅速下降，随即释放出在压缩过程岩石中积蓄的弹性变形能，并转变为卸载波向爆心传播，形成与压应力波作用方能，并转变为卸载波向爆心传播，形成与压应力波作用方向相反的拉应力波，使岩石质点产生向心运动。当径向拉向相反的拉应力波，使岩石质点产生向心运动。当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石即被拉断，形成应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石即被拉断，形成环环向裂隙。向
23、裂隙。装药爆破内部爆破作用装药爆破内部爆破作用裂隙区裂隙区 随着径向随着径向裂隙、环向裂隙、环向裂隙和切向裂隙和切向裂隙的形裂隙的形成、扩展和成、扩展和贯通，在紧贯通，在紧靠粉碎区外靠粉碎区外就形成破裂就形成破裂区。（径向区。（径向裂隙为主）裂隙为主）rr(a)rrrr(b)破裂区裂隙的形成 径向压应力；切向拉应力；径向拉应力；切向压应力rr爆破内部作用爆破内部作用震动区震动区 在破裂区外围的岩体中，应力波和爆轰气体的能量在破裂区外围的岩体中，应力波和爆轰气体的能量已不足以对岩石造成破坏，应力波衰变趋于具有周期性已不足以对岩石造成破坏，应力波衰变趋于具有周期性的正弦波，其的能量只能引起该区域内
24、岩石质点发生弹的正弦波，其的能量只能引起该区域内岩石质点发生弹性振动，形成地震波，地震波的传播范围很大，直至爆性振动，形成地震波，地震波的传播范围很大，直至爆炸能量被岩石完全吸收。这个区域称为震动区。在震动炸能量被岩石完全吸收。这个区域称为震动区。在震动区，由于地震波的作用，有可能引起地面或地下建筑区，由于地震波的作用，有可能引起地面或地下建筑物、构筑物的破裂、倒塌，或导致路堑边坡滑坡、隧道物、构筑物的破裂、倒塌，或导致路堑边坡滑坡、隧道冒顶片帮等灾害。冒顶片帮等灾害。4.3.2 爆破外部作用爆破外部作用 当最小抵抗线小于临界抵抗线（当最小抵抗线小于临界抵抗线（W 1 为加强抛掷爆破；为加强抛
25、掷爆破；f(n)1 为减弱抛掷爆破。为减弱抛掷爆破。常用的鲍列斯阔夫经验公式：常用的鲍列斯阔夫经验公式：f(n)=0.4n+0.6n23)(WknfQb二、集中药包二、集中药包非标准抛掷爆破非标准抛掷爆破 此时装药量为爆破作用指数此时装药量为爆破作用指数n的函数，计算通式如下：的函数，计算通式如下：3)5.033.0(WkQb125.0 llW 2)(WknflQQbt3)(WknfQb 影响爆破效果的因素很多，本节就炸药性能、影响爆破效果的因素很多，本节就炸药性能、岩石性质、结构面、自由面和装药结构等爆破工岩石性质、结构面、自由面和装药结构等爆破工程中影响爆破效果的共性问题进行阐述。后面的程
26、中影响爆破效果的共性问题进行阐述。后面的章节中还将对影响爆破效果的其它一些因素进行章节中还将对影响爆破效果的其它一些因素进行论述。论述。4.10 影响爆破作用的因素影响爆破作用的因素 矿山爆破工程中，矿山爆破工程中，通常将药包密闭在通常将药包密闭在炮孔中进行爆破。炮孔中进行爆破。4.10.5 装药结构装药结构(decoupling charge)4.10.5 装药结构装药结构装药结构示意图装药结构示意图(a)偶合装药；偶合装药；(b)不偶合装药；不偶合装药；(c)正向连续装药；正向连续装药；(d)正向间隔装药；正向间隔装药；(e)反向连续装药反向连续装药 1-炸药；炸药；2-炮眼壁；炮眼壁；3
27、-药卷；药卷；4-雷管；雷管；5-炮泥；炮泥；6-脚线；脚线；7-竹条；竹条；8-绑绳绑绳4.10.5 装药结构装药结构87(e)(d)2345623456(c)654322321(b)(a)三、三、堵塞堵塞4.10.5 装药结构装药结构时间0b炮孔压力a 堵塞对爆破作用的影响堵塞对爆破作用的影响 a-a-有堵塞；有堵塞；b-b-无堵塞无堵塞4.10.5 装药结构装药结构炮泥的作用炮泥的作用炮泥：用于炮眼填塞的材料通称为炮泥。炮泥：用于炮眼填塞的材料通称为炮泥。炮泥的作用：炮泥的作用：1）保证炸药充分反应，使之放出最大热量和减少有毒）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。气体
28、生成量。2）延长爆生气体在炮眼内的存在时间，降低爆生气体）延长爆生气体在炮眼内的存在时间，降低爆生气体逸出自由面的温度和压力，使炮眼内保持较高的爆轰压力逸出自由面的温度和压力，使炮眼内保持较高的爆轰压力和较长的作用时间，增强岩石的破碎作用。和较长的作用时间，增强岩石的破碎作用。3）阻止炽热的固体颗粒从炮眼中飞出，保证煤矿井下）阻止炽热的固体颗粒从炮眼中飞出，保证煤矿井下爆破安全。爆破安全。4.10.5 装药结构装药结构 四、四、起爆药包位置的影响起爆药包位置的影响4.10.5 装药结构装药结构 与正向起爆相比，与正向起爆相比，反向起爆反向起爆可以增加了应力波可以增加了应力波和爆轰气体的作用时间，因而能够提高炮眼的利和爆轰气体的作用时间，因而能够提高炮眼的利用率，降低岩石的夹制作用，降低大块率。在炮用率，降低岩石的夹制作用，降低大块率。在炮眼较深，起爆间隔时间较长以及炮眼间距较小的眼较深，起爆间隔时间较长以及炮眼间距较小的情况下，反向起爆可以消除采用正向起爆时容易情况下，反向起爆可以消除采用正向起爆时容易出现的一些情况，如起爆药卷被邻近炮眼内的装出现的一些情况，如起爆药卷被邻近炮眼内的装药爆破药爆破“压死压死”或提前炸开的现象。或提前炸开的现象。4.10.5 装药结构装药结构4.10.5 装药结构装药结构
