第五章---岩石中的爆破作用原理

第五章岩石中的爆破作用原理第一节岩石破碎机理的几种观点炸药在岩石中爆破时所释出的能量只有少部分用于破碎岩石，而大部分能量都消耗在产生空气冲击波、地震波、噪声和飞石等有害效应方面，炸药在岩石中爆破时它的能量利用率很低（有人认为只有15~20%），大部分能量都白白浪费掉了。迄今为止，人们对岩石的爆破作用过程仍然了解得不透彻，不同而形成三种假说。一、爆轰气体膨胀压力作用破坏论这派观点是从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温高压的气体，这种气体膨胀时所产生推力，作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂，当爆轰气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出，这派观点完全否认冲击波的作用。二、应力波反射拉伸破坏论这派观点从爆轰的动力学观点出发。认为药包爆破时，强大的冲击波冲击和压缩周围的岩石，在岩石中激发成强烈的压缩应力波。当这种应力波传到自由面时，从自由面反射而成拉伸应力波，当这种波的强度超过岩石的极限抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏作用。这派观点完全否认了爆轰气体膨胀的推力作用。三、冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用的观点这派观点认为爆破时岩石的破坏是冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用的结果。四、岩体爆破的损伤力学观点长期以来，在岩体爆破机理研究中主要围绕爆破主动力问题展开，对于岩体破坏准则仍沿用岩体静力学方法，采用拉应力破坏理论、莫尔破坏理论等。这种简化处理可用于解决不含地质结构面的岩石破裂问题。大量的调查统计发现，岩体爆破过程中80％以上的破裂面是沿岩体中的各种原生结构面（节理、层理等）产生，因而近年来在岩体爆破理论研究中又引入了损伤力学方法，提出了岩体爆破机理的损伤力学观点。该观点视岩体裂隙为初始损伤，各种结构弱面和微缺陷为潜在的损伤发展源，认为岩体破裂是损伤积累所致。当岩体损伤变量达到某一临界值时，岩体产生破裂。利用岩体爆破的损伤力学方法，目前基本上可以实现爆破范围的计算机模拟。该理论在爆破动力问题上，直接采用爆轰冲击荷载作用于岩壁的状态方程，利用动力有限元方法计算爆区的应力状态。其实质是认为岩体爆破动力是爆炸应力波和爆轰气体的膨胀作用，两者相辅相成，不可或缺。第二节冲击载荷的特征和应力波一、冲击载荷的特征冲击载荷是一种动载荷，特点是加载的速度快和作用的时间短。将物体受冲击载荷作用下的情况和一般静载荷相比，它是以特殊形态反应出来的，其主要特征如下：1.在冲击载荷作用下，承受载荷作用的物体的自重非常重要。冲击载荷作用下所产生力的大小，作用的持续时间和力的分布状态等等，主要取决于加载体和受载体之间的相互作用。2.在冲击载荷作用下，在承载体中诱发出的应力是局部性的，在承载体内部产生了明显的应力不均匀性。3.在冲击载荷作用下，承载体的反应是动态的。二、应力波物体若受到爆炸或其他冲击载荷作用时，在物体的内部就会产生过渡性的扰动现象，这种现象叫做波动。物体内的应力是以波动方式传播的，这种波动方式的应力叫做应力波，对爆破来说这种应力波是由爆炸冲击加载产生的，所以叫做爆炸应力波。（一）应力波的传播传播的大致过程：炸药在岩体中爆炸引起的瞬时巨大压力，压力以极高的速度冲击药包四周的岩石，在岩石中激发出传播速度比声速还大的冲击波（或叫爆炸应力波）。在离药包稍远的地点，由于波的衰减，这些非弹性过程终止，而开始出现弹性效应，衰减后的冲击波已变成只能引起岩石质点振动而不能引起岩石破裂的弹性扰动，这种弹性扰动以弹性应力波或地震波的形式向外传播应力波按其传播的途径不同可以分为两大类：一类是在岩体内部传播的，叫做体积波；一类是沿着岩体内、外表面传播的叫做表面波。体积波按波的传播方向和传播途中介质质点扰动方向的关系又可分为纵波和横波两种。纵波又叫压缩波，它的特点是波的传播方向和传播途中介质质点的运动方向是一致的，这种波在传播过程中会引起物体产生压缩和拉伸变形。横波又叫剪切波，它的特点是波的传播方向和传播途中介质质点的运动方向相垂直。在传播过程中它会引起物体产生剪切变形。表面波可分为瑞利波和勒夫波两类。瑞利波的传播方式与纵波相似，会引起物体产生压缩和拉伸变形。勒夫波与横波相似，会引起物体产生剪切变形。爆破时体积波特别是纵波能使岩石产生压缩和拉伸变形，是爆破时造成岩石破裂的重要原因。（二）应力波的反射应力波和其他波动一样，如果在它的传播过程中遇到岩石中的层理面、节理面、断层面和自由面，或者在传播过程中介质性质发生了变化时，那么应力波的一部分会从交界面反射回来，另外一部分应力波则透射过交界面进入第二种介质，应力波的反射因其入射的角度不同有两种不同的反射情况，一种是应力波呈垂直入射，另一种是应力波呈倾斜入射。1.应力波垂直入射图5—4表示入射的一种三角形波从自由面反射的过程。设入射的应力波是压缩应力波，从左向右传播，如图中的a所示。波在到达自由面以前，随着波的前进，介质承受压缩应力的作用。当波到达自由面时立即发生反射。图中的b表示三角波正在反射过程中，图中的c表示波的反射过程已经结束。反射前后的波峰应力值和波形完全一样，但极性完全相反，由反射前的压缩波变为反射后的拉伸波，由原介质中返回，随着反射波的前进，介质从原来的压缩应力下被解除的同时，而承受拉伸应力。2．应力波倾斜入射应力波呈倾斜向自由面入射时，情况非常复杂。入射波不管是纵波还是横波，经过自由面反射以后，都要再度生成纵波和横波这两种波来。第三节爆破时岩体中的应力状态一、应力波在岩体中传播时引起的应力状态当药包爆轰时的爆轰波传到药包与岩石的接触面时，一部分爆轰波会反射回来，一部分爆轰波则以猛烈冲击的方式透射入岩体中，在岩体内激发出一种波峰压力很高的脉冲应力波，这种脉冲应力波叫做爆炸应力波或岩体中的冲击波。（一）岩体中冲击波的传播规律冲击波的初始波峰压力就是爆轰波给予岩石的最初压力，其值的大小取决于炸药的性质、岩石的性质和炸药与岩石的耦合情况。波阻抗越大的岩石，在炮孔壁上产生的压力也越大，如表5—1所示。给予岩石的初始峰压越大，则岩石的变形也越大，破碎越厉害，消耗能量也越多。因此，在工程爆破中必须根据工程的要求来合理地控制岩体中的初始峰压值。冲击波在岩体内传播过程中，它的强度随着距爆源距离的增加而衰减。根据波的性质、形状和作用性质的不同，可将冲击波的传播过程大致分为三个作用区，如图5—5所示。冲击波作用区、压缩应力波作用区、弹性振动区。冲击波在传播过程中衰减的一般规律是：在冲击波作用区，应力衰减大致与传播距离的三次方成正比。在压缩应力波作用区，应力衰减大致与传播距离的平方成正比；在地震波作用区，应力的衰减大致与传播距离成线性关系。此外，球形药包产生的冲击波，其衰减速度比柱形药包快。冲击波在松软或多裂隙岩石中传播比在均质、致密的整体岩石中衰减要快。冲击波在岩体中传播时，其波阵面上的压力衰减规律可以用下列经验公式来表示：（5—1）式中——离药包的距离为r处的冲击波波峰压力，kPa；——冲击波初始的波峰压力，kPa；——距药包的距离，m；——药包的半径，m；——指数，，冲击波作用区取“+”，压缩应力波作用区取“-”；——岩石的泊松比。nrrrPP012nPrPr0rn（二）应力波在岩体中引起的应力状态爆炸应力波在岩体中引起的应力状态不但随时间不同而变化，而且随离药包的远近而变化，表现为动的应力状态。在爆炸应力波作用的大部分范围内，它是以压缩应力波的方式传播的，其引起的岩石应力状态可以近似地采用弹性理论来研究和解析。爆炸应力波从爆源向自由面倾斜入射时，在自由面附近岩石中某点的应力状态是复杂的，由爆源向四周岩体中发射的应力波主要是纵波。如图5—6所示，设自由面方向为横轴，最小抵抗线方向为竖轴，O点为炸药包中心（即爆源），岩体中任一点A的应力为三者的合成，由合成应力引起的三个主应力为，，。当拉伸主应力出现极大值时，自由面附近岩体中各点的主应力和的方向如图5—7所示。312321自由面对应力极大值的变化产生很大的影响：一般来说在自由面附近所产生的压缩主应力极大值比无自由面时所产生的要小；拉伸主应力极大值则正好与此相反，它比无自由面时所产生的要大，爆源离自由面越近，拉伸主应力的增长越显著，这意味着自由面附近的岩石是处于比较容易破坏的拉伸应力状态下这充分说明自由面对爆破效果的提高起着重要的作用。二、爆轰气体压力作用下岩体中的应力状态药包爆破时，在药室容积没有发生变化以前，爆轰气体压力可以视为是恒定的。由它引起的应力状态是均匀的，它与时间无关，只决定于该点的位置，表现为静的应力状态。当在岩体中密封的集中药包爆轰时，由于药室周壁岩石被高压冲击波压缩和粉碎，药室容积被扩大，被密封在此容积中的爆轰气体以准静态压力的方式作用在岩壁上，在岩体中各点的主应力和的作用方向如图5—8所示，该应力分布状态与图5—7中的应力分布状态极为相似。12第四节单个药包的爆破作用一、单个集中药包的爆破作用（一）爆破的内部作用当药包在岩体中的埋置深度很大，其爆破作用达不到自由面，即在无限介质中的爆破，这种情况下的爆破作用叫做爆破的内部作用。这种情况如图5—9所示。按照岩石的破坏特征，大致可将它分为三个区域。1.压碎区(压缩区)这个区是指直接与药包接触的岩石。在冲击载荷作用下呈现明显脆性的坚硬岩石，则被压碎；对于可压缩性比较大的软岩（如塑性岩石、土壤和页岩等）则被压缩成压缩空洞，并且在空洞表层形成坚实的压实层。因此，压碎区又叫压缩区。压碎区的半径很小，一般约为药包半径的2~3倍。破坏范围虽然不大，但破碎程度大，炸药消耗能量多。2.破裂区(破坏区)当冲击波通过压碎区以后，随着冲击波传播范围的扩大而导致单位面积上的能流密度降低，压缩波（即压缩应力波），其强度已低于岩石的动抗压强度，所以不能直接压碎岩石。但是，它可使压碎区外层的岩石遭到强烈的径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因而导致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变，如图5—10所示。如果这种切向拉伸应变超过了岩石的动抗拉强度的话，那么在外围的岩石层中就会产生径向裂隙。这种裂隙以（0.15~0.4）倍压缩应力波的传播速度向前延伸。当切向拉伸应力小到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止向前发展。另外在冲击波扩大药室时，压力下降了的爆轰气体也同时作用在药室四周的岩石上，在药室四周的岩石中形成一个准静应力场。当压缩应力波通过破裂区时，岩石受到强烈的压缩，储蓄了一部分弹性变形能，当应力波通过后，岩石中的应力释放，便会产生与压缩应力波作用方向相反的向心拉伸应力。使岩石粒点产生反向的径向移动，当径向拉伸应力超过岩石的动抗拉强度时，在岩石中便会出现周向的裂隙。图5—11是径向裂隙和周向裂隙的形成原理示意图。径向裂隙和周向裂隙的相互交错，将该区中的岩石割裂成块，如图5—11所示。此区域叫做破裂区（或破坏区）。3.弹性震动区破裂区以外的岩体中，由于应力波引起的应力状态和爆轰气体压力建立起的准静应力场均不足以使岩石破坏，只能引起岩石质点作弹性振动，直到弹性振动波的能量被岩石完全吸收为止，这个区域叫弹性震动区或地震区。震动区半径可按下式估算：3)8.2~5.1(QRs（二）爆破的外部作用当药包在岩体中埋置很浅，即爆破作用能达到自由面，即在半无限介质中的爆破，这种情况的爆破叫做爆破的外部作用。当将集中药包埋置在靠近地表的岩石中时，那么药包爆破后，除了产生内部的破坏作用以外，还会在地表产生破坏作用，造成地表附近的岩石破坏。1.由应力波的合成引起的破坏自由面附近岩石中的爆破破碎机理，可根据入射波和反射波叠加结果所产生的应力状态（图5—12）来判断。由拉伸应力引起的裂隙，是以最小抵抗线为中心呈放射状的分布，如图5—12b所示。2.由霍布金逊效应引起的破坏根据应力波的反射原理，当药包爆炸以后的压缩应力波到达