5爆破破岩机理

爆破漏斗又叫加强松动爆破漏斗。 ④松动爆破漏斗。如图5-5(d)所示，当0＜n＜0.75时，爆 破漏斗为松动爆破漏斗，这时爆破漏斗内的岩石只产生破裂、 破碎而没有向外抛掷的现象。从外表看，没有明显的可见漏斗 出现。
r
W W
r
θ
45
°
45
θ
°
(a)
(b)
r
r
W
θ
W
θ
(c)
图5-5 爆破漏斗分类
(d)
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
碎岩块作径向抛掷运动。 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。
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； 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。
研究成果还不很完善，但它们基本上反映了岩石爆破作用
中的某些客观规律，对爆破实践具有一定的指导意义和应 用价值。
5.1 岩石爆破破碎原因的几种学说
(1)爆轰气体压力作用学说（explosion gas failure
theory）
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（explosion gas）的膨胀压力引起的。这种学说
` `
θ θ θ θ
`
`
区贯通的径向裂隙(crack)。
σr
`
θ θ
σ
σ (a)
σr (b)
`
随着径向裂隙的形成,作用在岩石上的压力
迅速下降,药室周围岩石随即释放出在压缩过程
θ θ θ
σr
σr
` `
σr
` `
中积蓄的弹性变形能 ,形成与压应力波作用方向 σr σr σr
θ
相反的拉应力,使岩石质点产生反方向的径向运 动。
r
h W θ
图5-4 爆破漏斗的几何要素
H
R
2)爆破作用指数（crater index）
爆破漏斗底圆半径与最小抵抗线的比值称为爆破作用指数，
用n表示，即：
r n W
（5-1）
爆破作用指数n在工程爆破中是一个极重要的参数。 爆破
作用指数n值的变化，直接影响到爆破漏斗的大小、岩石的破 碎程度和抛掷效果。 3)爆破漏斗的分类 根据爆破作用指数n值的不同，将爆破漏斗分为以下四种: ①标准抛掷爆破漏斗。如图5-5之(a)所示，当r=W，即n=1 时，爆破漏斗为标准抛掷爆破漏斗，漏斗的张开角θ=90°。 形成标准抛掷爆破漏斗的药包叫做标准抛掷爆破药包。
忽视了岩体中冲击波和应力波（stress wave）的破坏作用，
其基本观点如下： 药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些爆炸气体 产物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点的径向位
岩石分为三个区域（图5-2）。
R0
R1
R2
图5-2 爆破的内部作用 R0-药包半径；R1-粉碎区；R2-破裂区
1)粉碎区
当密闭在岩体中的药包爆炸时，爆轰压力在数微秒内急剧增
高到数万兆帕，并在药包周围的岩石中激发起冲击波，其强度远 在此范围内受到粉碎性破坏，形成粉碎区；对于松软岩石（如页 岩、土壤等），则被压缩形成空腔，空腔表面形成较为坚实的压
(3)利文斯顿爆破理论
1956年利文斯顿(C.W.Livingston)在各种岩石、不同炸药 量、不同埋深的爆破漏斗试验的基础上，提出以能量平衡为准 则的岩石爆破破碎的爆破漏斗理论。该理论认为，爆破时炸药 传给岩石能量的多少、快慢，取决于岩石的性质、炸药性能、
药包总量、炸药的埋臵深度、位臵和起爆方法等因素。在岩石
③爆破漏斗半径（crater radius）是指形成倒锥形爆破
漏斗的底圆半径。常用r表示爆破漏斗半径。 ④爆破漏斗破裂半径，又叫破裂半径，是指从药包中心 到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。图5-4中的R表示爆破 漏斗破裂半径。
⑤爆破漏斗深度。爆破漏斗顶点至自由面的最短距离叫
爆破漏斗深度。图5-4中的H表示爆破漏斗深度。 ⑥爆破漏斗可见深度。爆破漏斗中碴堆表面最低点到自 由面的最短距离叫爆破漏斗可见深度，如图5-4中h所示。 ⑦爆破漏斗张开角，即爆破漏斗的顶角，如图5-4中的θ 所示。
5.3 体积公式
目前，在岩土工程爆破中，精确计算装药量(charge quantity)的问题尚未得到十分圆满的解决。工程技术人员更多 体积公式是装药量计算中最为常用的一种经验公式。
的是在各种经验公式的基础上，结合实践经验确定装药量。其中，
(1)体积公式的计算原理
在一定的炸药和岩石条件下，爆落的土石方体积与所用的装 药量成正比。这就是体积公式的计算原理。体积公式的形式为：
5.2 单个药包的爆破作用
为了分析岩体的爆破破碎机理，通常假定岩石是均匀介质，
并将装药简化为在一个自由面条件下的球形药包。球形药包的爆
破作用原理是其它形状药包爆破作用原理的基础。 (1)爆破的内部作用 当药包在岩体中的埋臵深度很大，其爆破作用达不到自由面 时，这种情况下的爆破作用叫作爆破的内部作用，相当于单个药 包在无限介质中的爆破作用。岩石的破坏特征随离药包中心距离 的变化而发生明显的变化。 根据岩石的破坏特征，可将偶合装药条件下，受爆炸影响的
θ θ
σ 当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处 σ σr σr 岩石即被拉断，形成环向裂隙。 (a) (b) (c)
σr
`
θ
σr
`
在应力波和爆轰气体的共同作用下，随着径
向裂隙、环向裂隙和切向裂隙的形成、扩展和贯 通，在紧靠粉碎区处就形成了一个裂隙发育的区 域，称为破裂区。
θ
σ
σ
σ
σ
σ
σ
`
`
`
`
`
`
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 爆破作用机理是一项非常复杂和困难的工作。 随着测试技术的进步，相关科学的发展和引入，以及 各类工程对爆破规模和质量要求的不断提高，岩石爆破作 用原理的研究取得了许多新的进展，建立了一些新的学说 和理论体系，提出了很多计算模型和计算公式，尽管这些
(5-4)
式中：r为爆破漏斗底圆半径，m；W为最小抵抗线；m。
r n 1 ，即r＝W，所以 对于标准抛掷爆破漏斗， W (5-5) V W 2 W W 3 1047 . W3 W3 3 3
将（5-5）式代入（5-3）式，得
Qb＝qb·W3
(5-6)
式（5-6）即集中药包的标准抛掷爆破装药量计算公式。
远超过岩石的动态抗压强度。在冲击波的作用下，对于坚硬岩石，
实层，这种情况下的粉碎区又称为压缩区。
虽然粉碎区的范围不大，但由于岩石遭到强烈粉碎，能量消 耗却很大。因此，爆破岩石时，应尽量避免形成压碎区。
2)破裂区
在粉碎区形成的同时,岩石中的冲击波衰减成应力
σr σr 波。在应力波的作用下,岩石在径向产生压应力和压缩 σ σ 变形,而切向方向将产生拉应力和拉伸变形。切向拉应 σ σ σr σr 力大于岩石的抗拉强度时,该处岩石被拉断,形成与粉碎
②加强抛掷爆破漏斗。如图5-5(b)所示，当r＞W，即n＞1
时，爆破漏斗为加强抛掷爆破漏斗，漏斗的张开角θ＞90°。 形成加强抛掷爆破漏斗的药包，叫做加强抛掷爆破药包。 ③减弱抛掷爆破漏斗。如图5-5(c)所示，当0.75＜n＜1时， 爆破漏斗为减弱抛掷爆破漏斗，漏斗的张开角θ＜90°。形成
减弱抛掷爆破漏斗的药包，叫做减弱抛掷爆破药包，减弱抛掷
性质一定的条件下，爆破能量的多少取决于炸药量的多少、炸 药能量释放的速度与炸药起爆的速度。 假设有一定数量的炸药埋臵于地下某一深度，它所释放的 能量刚好能使岩石爆破由内部爆破转化为松动爆破，即刚好使
岩石发生松动破坏，这一最大埋臵深度为临界深度hk ：
hk E 3 Q
式中：hk 为炸药的临界深度,m；Q为药包总量,Kg；E岩石的 变形能系数,m/Kg1/3。
Q=q·V
kg/m ;V为被爆落的岩石体积，m 。
3 3
（5-2）
式中：Q 为装药量，kg ;q为单位体积岩石的炸药消耗量，
(2)集中药包的药量计算 1) 集中药包（concentrated charge ）的标准抛掷爆破 1) 集中药包（ concentrated charge ）的标准抛掷爆破 2)集中药包的非标准抛掷爆破 根据体积公式的计算原理，对于采用单个集中药包进行
3)震动区 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，应力波的能量只能
引起该区域内岩石质点发生弹性振动，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。
(2)爆破漏斗（crater）(爆破的外部作用)
5 爆破破岩机理
在铁路建设、水利工程、 采矿工程以及其它土石方工 程中，爆破是目前应用最为 广泛、最为有效的一种破岩 手段。为了优化爆破参数， 必须了解岩石在爆破作用下 的破碎机理、装药量的计算 原理以及各种相关因素对爆 破效果的影响。
施工人员正在钻孔
由于岩石是一种非均质、各向异性的介质，爆炸本身
利文斯顿从能量的观点出发，阐明了岩石变形能系数E 的物理意义。他认为在一定炸药量条件下，岩石表面开始破 裂时，岩石可能吸收的最大能量为E，超过此能量，岩石表 面将由弹性变形变为破裂。 当爆破漏斗体积最大，炸药能力充分利用，最佳深度hi； 深度逐渐减小，漏斗体积减小，炸药用于破碎、抛掷岩 石和声音的能力逐渐增大，过渡深度hg ；