7.2单个药包爆炸作用分析

视频1视频2最小抵抗线（w）：——从药包重心至自由面的最短距离，即表示爆破时岩石阻力最小的方向，因此，最小抵抗线是爆破作用和岩石移动的主导方向。w自由面w装药视频1视频2最小抵抗线（w）的意义：1、决定装药量。2、决定作业量。3、土石飞散的主要方向。视频1视频2土石飞散的主要方向h自由面h装药视频1视频2埋置在地表以下很深处的药包爆炸时，如果药包威力不很高，则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：1、爆破的内部作用视频1视频21）压缩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起冲击波，其强度远远超过岩石的动态抗压强度。在爆炸冲击波的强动作用，炮孔壁周围的介质被粉碎（坚硬岩石）或强烈压缩（松软岩石），形成粉碎区或压缩区。由于压缩区处于坚固岩石的约束条件下，而在三轴压缩情况下岩石的动抗压强度增大，且大多数岩石的可压缩性很差，所以压缩范围很小，其半径一般不超过药室半径的2倍。视频1视频22）破碎区由于压缩或粉碎岩石消耗了大量能量，岩石中的冲击波衰减成压应力波。在应力波的作用下，岩石在径向产生压应力和压缩变形，而切向方向将产生拉应力和拉伸变形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的十分这一到五十分之一，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径向裂隙。径向裂隙视频1视频2压缩应力波通过压缩区外层岩石时，岩石受到强烈的压缩而储蓄了一部分弹性变形能；随着径向裂隙的形成，作用在岩石上的压力迅速下降，药室周围的岩石随即释放出压缩过程中积蓄的弹性变形能，形成与压应力波作用方向相反的拉应力，使岩石质点产生反方向的径向运动。当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成环向裂隙。环向裂隙视频1视频2应力波的作用在岩石中首先形成初始裂隙，接着爆轰气体的膨胀、挤压和气楔作用使初始裂隙进一步延伸和扩展。当应力波强度和爆轰产物的压力衰减到一定程度后，岩石中裂隙的扩展趋于停止。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。视频1视频23）震动区在破坏区以外的岩体，不能造成岩石的破坏而只能引起弹性震动。这个范围比两个区大得多，叫震动区。视频1视频2２、爆破的外部作用当单个药包在岩体中的埋置深度不大时，可以观察到自由面上出现了岩体开裂、鼓起或抛掷现象。这种情况下的爆破作用称为爆破的外部作用。其特点是在自由面上形成一个倒圆锥形爆坑，称为爆破漏斗。当装药埋置深度小于临界深度时，除爆破的内部作用外，还必须考虑自由面对应力场的影响。此时，入射到自由面上的应力波和从自由面反射回的反射应力波（反射纵波和反射横波）进行叠加，就会在靠自由面一侧的岩体内构成非常复杂的动态应力场。该应力场对破碎漏斗的形成起着决定性的作用。视频1视频2炸药在岩体表面附近爆炸现象视频1视频21）自由面反射拉伸波层裂作用（霍金逊（Hopkinson）效应）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。片落过程不是岩石破碎的主要过程，且爆破时不总是一定有片落现象出现。视频1视频2图7-8霍金逊效应的破碎机理（A）应力波合成的过程；（B）岩石表面片落过程视频1视频22）反射拉伸应力波延伸径向裂纹作用从自由面反射回来的拉伸应力波，使原先存在于径向裂隙梢上的应力场得到加强，故裂隙继续向前延伸。裂纹延伸的情况与反射拉伸波传播的方向和裂纹方向的交角有关。当为90°时，反射拉伸波将最有效地促使裂纹扩展和延伸，使该裂纹成为优势裂纹；当小于90°时，反射拉伸波以一个垂直于裂纹方向的应力分量促使径向裂纹扩张和延伸，或者在径向裂纹未端造成分支裂纹；当为0时，即径向裂纹垂直于自由面时，反射拉伸波不会对裂纹产生任何拉力。相反的，反射波在其切向上派生的压应力，会使己经张开的裂纹重新闭合。视频1视频23）自由面对爆破应力场影响根据应力分析，当拉伸主应力（方向直于纸面）出现极大值时，在岩体中各点的主应力方向如图（b）所示。拉应力是产生径向裂纹的根源，其作用方向随着x值的增大逐渐发生偏转，最后垂直于自由面，生成的裂纹群大体似喇叭花状排列。32视频1视频2３、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自由面；最小抵抗线（W）；爆破漏斗底圆半径（r）；爆破作用半径（R）；爆破漏斗深度（D）；爆破漏斗可见深度（h）；爆破漏斗张开角（θ）。视频1视频2爆破漏斗hwrrDRθ视频1视频22）爆破作用指数n=r/W爆破作用指数是工程爆破中一个极重要的参数。爆破作用指数值的变化，直接影响到爆破漏斗的大小、岩石的破碎程度和抛掷效果。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(n1)；（3）减弱抛掷(0.75n1)；（4）松动爆破(0n0.75)；视频1视频2视频1视频2４、利文斯顿爆破漏斗理论在爆破理论的发展过程中，爆破漏斗理论和实验研究一直占有重要的地位。利文斯顿（C.W.Livingston）在各种岩石上，用不同的药量和不同药包埋置深度，进行了大量爆破漏斗试验，论证了炸药能量分配给药室周围岩石以及地表空气的几种方式，于1956年提出了以能量平衡为准则爆破漏斗理论。Livingston爆破漏斗理论主要内容如下：（1）闸明影响爆炸能量传递主要因素；（2）引入临界深度和岩石应变能系数；（3）闸明爆炸能量分配随药包埋置深度变化规律；（4）闸明爆破漏斗体积与药包埋置深度的关系。视频1视频2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等因素。在岩石性质一定的条件下，爆破能量的多少取决于药包重量；能量释放速度取决于炸药的传爆速度。若将药包埋置在地表以下很深的地方爆炸，则绝大部分爆炸能量被岩石吸收；如果将药包逐渐向地表移动并靠近地表爆炸时，传给岩石的能量比率将逐渐降低，传给空气的能量比率逐渐增高。视频1视频21）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。)17(3QEN利文斯顿漏斗爆破能量效果的不同，将岩石爆破时的变形和破坏形态分为以下四种类型：E表示在一定的装药量Q条件下，岩石表面开始破裂时岩石可能吸收的最大爆破能量。临界深度是岩石表面呈弹性变形状态的上限。视频1视频22）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。3QEdc视频1视频2最适宜深度与临界深度之比称为最适宜深度比△0。)37(00Nd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。)57(300QEd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。视频1视频23）碎化破坏药包重量不变，药包埋置深度比最适宜深度小时，则地表岩石中生成的爆破漏斗体积也减小而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。当药包埋置深度继续减小到某一值时，传播给大气的爆炸能开始超过岩石吸收的爆炸能，这个埋置深度称为转折深度。岩石呈碎化破坏状态的下限为最适宜深度，上限为转折深度。在此范围内的爆破都会有或大或小的爆破漏斗生成。视频1视频24）空气中爆炸药包重量保持不变，埋置深度小于转折深度时且继续减小，则岩石破碎加剧，岩块抛掷更远，声响更大，爆炸能传给空气的比率更高，岩石吸收的能量的比率更低。其下限为转折深度，上限为深度等于零，即药包完全裸露在空气中爆炸。炸药爆炸能量消耗在以下四个方面：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。能量消耗的分配随药包重量和深度的不同而变化。视频1视频2５、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7-11自由面数对爆破效果的影响