南华大学-岩石的爆破破碎机理

南华大学-岩石的爆破破碎机理 第七章 岩石的爆破破碎机理 概 论 爆破是目前采矿工程中和其他基础工程中应用最广泛最频繁的一种破碎岩石的有效手段。为了更有效的利用炸药爆炸释放的能量达到一定的工程目的，研究炸药包爆炸作用下岩石的破碎机理是一项重要的科研课题。 炸药爆轰过程属于超动态动力学问题，从药包起爆到岩石破碎，只有几十微秒。 岩石的爆破机理研究是在生产实践的基础上，借助于高速摄影，模拟试验，数值分析对爆破过程中在岩石内发生的应力、应变、破裂、飞散等现象的观测基础上总结而成的。 （讲课时间5分钟）

第一节 岩石爆破破坏的几种假说 一、爆炸气体产物膨胀压力破坏理论 （讲课时间10分钟） 岩石主要由于装药空间内爆炸气体产物的压力作用而破坏。 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；如果存在自由面，岩石位移的阻力在自由面方向上最小，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形成剪切应力导致岩石剪切破坏；爆炸气体剩余压力对岩块产生进一步的抛掷。 这种理论认为： 1、炸药的能量中动能仅为5%~15%，大部分能量在爆炸气体产物中； 2、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。 二、冲击波引起应力波反射破坏理论 （讲课时间5分钟） 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。 爆炸冲击波在自由面反射为拉伸波，岩石的抗拉强度低，岩石易受拉破坏。 这种理论主要依据： 1、岩体的破碎是由自由面开始而逐渐向爆心发展的； 2、冲击波的压力比气体膨胀压力大得多。 图 7-1 反射拉伸破坏 三、爆炸气体膨胀压力和冲击波所引起的应力波共同作用理论 （难点） （讲课时间10分钟） 爆破时岩石的破坏是爆炸气体和冲击波共同作用的结果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段起重要作用。 爆轰波衰减成应力波造成岩石“压碎”，压碎区以外造成径向裂隙。气体产生“气楔作用”使裂隙进一步延伸和张开，直到能量消耗完。尽管炸药的能量中动能仅为5%~15%，但岩石开始的破裂阶段是非常重要的。 爆炸气体产物膨胀的准静态能量是破碎岩石的主要能源，炸药作功能力同它的爆热和爆容有关。冲击波作用重要性同岩石的特性有关。岩石波阻抗较高时，要求有较高的应力波峰值，此时冲击波的作用更为重要。岩石按波阻抗值分为三类： 1、岩石波阻抗为10X105~25X105（g/cm2·s）； 2、岩石波阻抗为5X105~10X105（g/cm2·s）； 3、岩石波阻抗为2X105~5X105（g/cm2·s）。 不同条件下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 第二节 单个药包爆破作用的分析 一、爆破的内部作用 地表不出现明显破坏的爆破作用称为爆破的内部作用，随远离爆心，岩石破坏特征发生明显变化，可以分为三个区：

图7-1 药包爆炸的外部作用原理图 1、压缩区 受到爆炸冲击波的强动作用，炮孔壁周围的介质被粉碎或强烈压缩，形成压缩区或粉碎区成压缩区或粉碎区。（半径为3-7r）

图7-2 压缩圏 2、破碎区 爆炸冲击波在岩石中形成新鲜裂纹或激活原生裂纹，爆炸气体的高压气楔作用，对裂纹进行扩展，形成破碎区。

图7-3 破碎圏 3、震动区 在破坏区以外的岩体，只发生弹性震动。 图7-3 震动圏 图7-4 爆破的内部作用 二、爆破的外部作用 爆炸效应波及到地表的爆破作用称为爆破的外部作用。 1、霍金逊（Hopkinson）效应

图7-5 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 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，拉应力超过岩石的抗拉强度时，发生片落现象。 2、反射拉伸应力波引起径向裂隙的延伸。 三、爆破漏斗 当药包产生外部作用时，在地表会形成一个爆破坑，称为爆破漏斗。 1、爆破漏斗的构成要素 （1）自由面；（2）最小抵抗线；（3）爆破漏斗底圆半径；（4）爆破作用半径；（5）爆破漏斗深度；（6）爆破漏斗可见深度；（7）爆破漏斗张开角。

图7-6 爆破漏斗 2、爆破作用指数 n=r/W 在最小抵抗线相同的情况下，爆破作用愈强，爆破漏斗底圆半径愈大。根据n的大小爆破漏斗分为： （1）标准抛掷（n=1）； （2）加强抛掷(n>1)； （3）减弱抛掷(0.75（4）松动爆破(0

图7-7 标准及加强抛掷爆破与松动爆破图 四、利文斯顿爆破漏斗理论 利文斯顿漏斗理论是以能量平衡为基础的岩石爆破破碎的爆破漏斗理论。炸药包在介质中爆炸时传给介质的能量多少和速度，取决于岩石性质、炸药性能，药包大小和药包埋置深度。 1、弹性变形 药包的种类和重量不变，当药包埋置深度减小到某一临界值时，地表岩石开始发生明显破坏，脆性岩石将片落，塑性岩石将隆起，这个药包埋置深度临界值称为临界深度N。

3NEQ （7-1）

2、冲击破坏 药包重量一定，使爆破漏斗体积最大的药包埋置深度称为最适宜深度d0。 药包埋值深度与临界深度之比称为深度比△。 （7-1）式变为利文斯顿一般方程。

3cdEQ

（7-2）

最适宜深度与临界深度之比称为最适宜深度比△0。

00

d

N

（7-3）

通过漏斗实验求出E及△0，则当药量Q已知时，可以求出最适宜深度d0。 300dEQ

（7-4）

3、碎化破坏 药包重量不变，药包埋置深度比最适宜深度小时，爆破漏斗体积内的岩石更为破碎，抛掷明显，空气冲击波和响声更大。传播给大气的爆炸能开始超过岩石吸收的爆炸能时的埋置深度称为转折深度。 4、空气中爆炸 药包重量保持不变，埋置深度小于转折深度时，岩石破碎，抛掷，声响更厉害，爆炸能传给空气的比率大，岩石吸收的能量小。炸药爆炸的能量消耗在岩石的弹性变形，岩石的破碎，岩块的抛散，响声、地震和空气冲击波。能量的分布与药包量和深度而变化。 五、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7-8 自由面数对爆破效果的影响 第三节 成组药包爆破时岩石的破坏特征 成组药包爆破的应力分布变化情况和岩石破坏过程要比单药包爆破时复杂得多，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。 一、单排成组药包的齐发爆破 通过高速摄影得到的资料分析，相邻炮孔的应力波产生叠加，应力重新分布。 但在生产实践中发现：相邻两齐发爆破的炮眼间的拉伸裂隙是从炮眼向外发展的。应力波和爆轰气体联合作用爆破理论很好地解释了该现象。 应力的叠加可能引起应力降低区的出现。适当增大孔距，并相应减小最小抵抗线，使应力降低区处在岩石之外的空中，有利于减小大块的产生（大孔距小抵抗线技术）。 二、多排成组药包的齐发爆破 1、前后排四个炮孔所构成的四边形岩石中，爆轰波的叠加有利于岩石破碎。 2、只有第一排炮孔有自由面，后排受到较大的夹制作用，为了改善爆破效果，应采用微差起爆技术。 第四节 装药量计算原理 一、装药量计算方法 主要有两种，相似准则和体积法则。目前比较成熟和流行的方法是体积法。 二、体积法：

QKV （7-5）

式中：Q—装药量；K—单位体积岩石用药量：V—爆破漏斗体积。 如果药包为集中药包（最大尺寸不超过最小尺寸的6倍）对标准抛掷漏斗：r=W。标准抛掷爆破的药量近似为：

2313QKrWKW （7-6）

根据相似法则，在岩石性质、炸药威力和药包埋值深度不变的情况下，改变装药量可以得到各种漏斗。因此，各种类型的抛掷爆破药量可以用下式计算：

3()QfnKW

抛 （7-7）

加强抛掷、标准抛掷、减弱抛掷的()fn分别大于、等于、小于1。 鲍列斯阔夫经验公式3()0.40.6fnn； 松动爆破的装药量经验公式：3(0.33~0.55)QKW抛。 K的确定 1、查表、定额； 2、工程类比； 3、标准抛掷漏斗试验 。 三、装药量计算原理 装药量的多少取决于要求爆破的岩石体积、爆破漏斗形状和岩石性质等。但没有考虑块度因素。 上面的公式是以单自由面和单药包爆破为前提的，在实际爆破中常常是用多药包成组爆破，多自由面爆破。在计算药量时，按具体情况确定每个药包所能爆下的体积，确定每个药包的重量。 第五节 影响爆破作用的因素 一、炸药性能对爆破作用的影响 炸药的密度、爆速、炸药波阻抗、爆轰压力、爆炸压力、爆炸气体体积以及爆炸能量利用率等因素。 1、炸药爆炸能量利用率 目前的爆炸能量利用率只有10~20%；研究爆炸能量的分布比率，可以提高能量利用率。 2、爆轰压力 过高的爆轰压力，会造成药包周围近区岩石的过渡粉碎而消耗较多能量。 3、爆炸压力 爆炸压力比爆轰压力作用时间长得多，t1爆轰反应时间，t2为爆轰气体产物作用时间。t1愈大，爆轰时间短，爆轰压力高，以应力波传播的爆炸能量就愈多，可能造成近区岩石过渡粉碎而引起能量的浪费。实际工程中要求如t2所示，压力低而作用时间长。如使用空气间隙装药。 二、爆炸能向岩石传播的效率的影响 1、炸药波阻抗同岩石波阻抗的匹配 炸药波阻抗与岩石波阻抗相等时，能量传递效率最高。

PrPr2rmCJrecPPCD

 （7-8）

2、空气间隙装药 装药结构的改变会引起炸药爆炸性能的改变，从而影响爆炸能量有效利用率。空气间隙可以起缓冲作用，使爆炸压力较平缓的作用在孔壁上，避免过渡破坏区的形成，使更多的能量用于岩石的破裂，从而提高能量利用率。 空气间隙装药的形式：轴向不偶合和径向不偶合装药。

图7-9 轴向不偶合和径向不偶合装药结构