第5章--岩石爆破基本原理-3+

•§5岩石爆破基本原理•§5.1爆破破碎原理•爆炸能量，使岩体产生变形和破坏。•了解爆炸荷载作用下岩体的变形与破坏规律，分析爆破破碎原理，指导爆破设计与施工。•便于实现低能耗、高效率破碎岩体的目的，并有效地控制爆破产生的各种危害。•爆破破岩原/机理，就是研究岩体在爆炸能作用下发生破碎的原理。•一、爆炸作用的基本原理•1.爆破破坏作用的基本观点《爆破工程》•(1)爆轰气体破坏作用的观点即爆轰气体膨胀推力作用理论（静作用理论）§5岩石爆破基本原理气体膨胀推力岩石径向位移地表距离不等相邻岩石质点移动速度不等位移阻力不等相邻岩石产生剪切应力岩石破坏•即岩石的破坏主要是由于高温高压的气体产物膨胀做功引起的。膨胀做功如下图所示。§5岩石爆破基本原理•(2)应力波破坏作用的观点•即爆炸应力波反射拉伸作用破坏理论（动作用理论）爆炸应力波自由面拉应力波岩石破坏(压应力波)12(c)(c)(a)(b)发生反射•即岩石的破坏主要是由于岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成的拉应力波引起的。§5岩石爆破基本原理•(3)应力波和爆轰气体共同作用的破坏观点即爆轰气体和应力波综合作用理论•岩石的破坏是爆生气体和冲击波(应力波)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，其基本观点如下：•①首先，冲击波使炮孔壁近区岩石被“压碎”，压碎区以外造成径向裂隙。•②其次，爆生气体产生“气楔作用”，使裂隙进一步延伸和张开；当爆生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，直到能量消耗完。§5岩石爆破基本原理•说明1:•对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆生气体的作用程度是不同的。•(1)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；•(2)在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的条件下，爆生气体的破坏作用是主要的。§5岩石爆破基本原理•说明2：•当仅考虑岩石性质时，则有：•高阻抗岩石(ρc=15~25MPa/s)：岩石破坏以应力波为主。•中阻抗岩石(ρc=5~15MPa/s)：岩石破坏为应力波和爆生气体压力共同作用的结果。•低阻抗岩石(ρc＜5MPa/s)：岩石破坏以爆生气体为主。§5岩石爆破基本原理•2.爆破作用过程•(1)应力波的动态作用过程•特点：波峰应力值高，传播速度快，作用时间短。•(2)爆轰气体的似静压作用过程•特点：压力较低，作用时间较长.炮孔压力—时间曲线t1-药包爆轰反应完成时间t2-爆轰气体产物作用时间图§5岩石爆破基本原理•3.爆破时岩体内的应力状态（集中药包）•(1)应力波在岩体中的传播规律•①(2～7)r：冲击波作用区;•特点：冲击波强度极大，波峰应力值高，岩石产生塑性变形或粉碎，消耗大部分能量，冲击波急剧衰减。•应力衰减与距离三次方成正比。爆炸应力波及其作用范围r—药包半径tH—介质状态变化的时间ts—介质状态恢复到静止状态的时间§5岩石爆破基本原理•②(8～150)r：应力波作用区;•特点：冲击波压应力波，波阵面上的状态参数变化比较平缓；波速等于岩石中的声速。•由于压应力波的作用，岩石处于非弹性状态，可导致岩石的破坏或残余变形。•应力衰减与距离二次方成正比。爆炸应力波及其作用范围r—药包半径tH—介质状态变化的时间ts—介质状态恢复到静止状态的时间§5岩石爆破基本原理•③＞150r：弹性振动区;•特点：应力波地震波。•地震波只能引起岩石质点的弹性振动，而不能使岩石产生破坏；•应力衰减与距离呈线性关系。爆炸应力波及其作用范围r—药包半径tH—介质状态变化的时间ts—介质状态恢复到静止状态的时间§5岩石爆破基本原理•(2)应力波在岩体中引起的应力状态•某点应力状态：直达纵波、直达横波，纵波反射生成的反射纵波和反射横波，横波反射生成的反射纵波和反射横波等的动应力叠加而成。波到达A点的应力分析§5岩石爆破基本原理•自由面附近岩体中各点的主应力σ1和σ2的方向如下左图所示。•由于岩石抗拉强度很小，在拉应力的作用下容易产生裂隙，所以爆破裂隙受σ2的控制，是围绕最小抵抗线为对称轴分布的喇叭形，如下右图所示。§5岩石爆破基本原理•(3)爆轰气体压力下岩体的应力状态•爆轰气体引起的σ1常为压应力，而σ2不常为拉应力，随着至最小抵抗线的距离超过某一极限值后，变为压应力。§5岩石爆破基本原理•§5.2单个药包及成组的爆破作用•一、单个药包爆破的内部作用(无限均匀岩石介质中的爆破作用)•1.定义•药包爆炸后，只在岩石内部产生破坏和变形，而地表(自由面)不出现明显破坏，这种作用称为爆破的内部作用。•概念要点：岩石内部有破坏，地表未破坏。•基本假定：①药包是球形的；•②药包放在无限介质中；③介质是均匀的各向同性。§5岩石爆破基本原理•2.岩石的破坏特征•①药室被扩大，形成一个空腔；•②产生了径向、环向裂隙,以及剪切裂隙；•③距药包较远处，岩石完好无损。R0R2R1爆破的内部作用径向裂隙环向裂隙空腔岩石完好无损§5岩石爆破基本原理•3.岩石破坏的原因•①药室扩大为空腔的原因岩石被压缩，形成一个空腔。冲击强度大于岩石动抗压强度药室岩壁受到强烈冲击爆轰波(冲击波)+高温高压爆生气体•炸药爆炸•原因：爆轰波（冲击波）和高压爆轰气体对药室岩壁产生了强烈冲击（压缩）。§5岩石爆破基本原理•②产生径向裂隙的原因药室岩壁受到强烈冲击爆轰波(冲击波)+高压爆轰气体•炸药爆炸空腔在岩石中形成压应力波(径向压应力)切向拉应力σθ岩石开裂径向裂隙•原因:径向压应力(压缩)引起切向拉应力(拉伸)。下岩石受到径向压缩产生径向位移§5岩石爆破基本原理返回切向拉应力σθ径向压应力岩石径向位移径向裂隙岩石开裂§5岩石爆破基本原理•③产生环向裂隙的原因径向压应力岩石受到径向压缩岩石储存部分弹性变形能解除压应力弹性变形能释放,引起岩石质点向心运动产生径向位移(外内，拉应变)径向拉应力•原因:弹性变形能释放(卸载波)产生了径向拉应力。径向裂隙岩石开裂环向裂隙下§5岩石爆破基本原理`θσσ`θrr`σσ`rσ`r`σ返回径向拉应力岩石开裂环向裂隙§5岩石爆破基本原理•④产生剪切裂隙的原因•在径向裂隙和环向裂隙形成的同时,岩石还受到径向应应力和切向应力的的共同作用,进而产生剪切裂隙。如下图所示。•4.岩石的分区•根据岩石的破坏特征，由内向外，可将岩石大致分为三个区：•①压缩（粉碎）区（近区）•形成的空腔称为压缩区。•说明：a.压缩区又称为粉碎区；•b.压缩区消耗了大部分爆炸能量。下§5岩石爆破基本原理R0R2R1压缩区炸药包返回R1=(2~7)R0•压缩区范围很小,其半径§5岩石爆破基本原理•②破裂区（中区）•产生径向、环向裂隙的岩石范围,称为破裂区。岩石的爆破破坏主要为破裂区。•③震动区（远区）•破裂区以外的岩石范围，称为震动区。•特点：岩石不会发生破坏，但会发生弹性变形。爆炸应力波衰减为地震波。下§5岩石爆破基本原理R0R2R1环向裂隙径向裂隙返回炸药包压缩区R2=(8~150)R0•破裂区的半径破坏区§5岩石爆破基本原理•在学习爆破的内部作用时，应注意以下几点：•①拉力破岩。•②爆破过程中，当裂隙与空腔贯通后，爆生气体会迅速膨胀，产生“气楔作用”，使原有裂隙继续向前扩展和进一步张开。§5岩石爆破基本原理•二、单个药包爆破的外部作用(半无限岩石介质中的爆破作用)•1.定义•药包爆炸后，地表(自由面)出现了明显破坏的爆破作用，称为爆破的外部作用。•2.爆破外部作用下岩石破坏的特征•出现(贯穿)裂隙、形成爆坑、出现飞石。•3.爆破外部作用下岩石破坏的原因•也就是药包在自由面附近爆炸时，岩石是怎样破坏的。又称自由面的破坏作用。§5岩石爆破基本原理•(1)反射拉应力波引起自由面岩石破坏(片落)•即由霍布金森效应引起的破坏。•①当入射压应力波传播到自由面时，一部分或全部反射回来成为同传播方向正好相反的拉应力波，拉应力超过岩石的抗拉强度时，发生片落现象。这种效应叫做霍布金森(Hopkinson)效应。•②霍布金森(Hopkinson)效应的破碎机理§5岩石爆破基本原理•a.应力波的合成•入射压应力波与反射拉应力波叠加后合成拉应力波。如下图所示§5岩石爆破基本原理•b.岩石表面片落过程•如下图所示。•图a:岩体中传播的压应力波；•图b：第1次片落；•图c：第2次片落；•图d：片落终止。§5岩石爆破基本原理•(2)反射拉应力波引起径向裂隙的延伸反射拉伸波对径向裂隙的影响§5岩石爆破基本原理•θ-反射拉应力波的传播方向与裂隙方向的夹角。•θ=900时；拉伸效果最好；•00＜θ＜900时，径向裂隙扩展和延伸；•θ=00时；径向裂隙重新闭合，不利于裂隙的延伸。§5岩石爆破基本原理•(3)自由面改变了岩石中的准静态应力场•爆生气体膨胀压力在炮孔周围形成的应力场，称为准静态应力场。•岩石质点速度在自由面方向上最大，不同方向上位移阻力不等剪切应力剪切破坏岩石。§5岩石爆破基本原理•三、爆破漏斗•1.定义•靠近地表埋置的炸药爆炸时，使附近岩石破坏，并将部分破碎了的岩石向上或两侧抛掷，在地表形成一个漏斗形状（倒圆锥形）的爆坑，这个坑就称为爆破漏斗。如下图所示。§5岩石爆破基本原理•2.爆破漏斗的形成过程•炸药包爆炸后，首先，爆轰波（冲击波）和高温高压爆生气体骤然膨胀对药室岩壁产生强烈冲击（压缩）→粉碎压缩区(a)炸药爆炸形成的应力场；(b)粉碎压缩区§5岩石爆破基本原理•随后，产生的爆炸冲击波（压应力波）径向压缩岩体而产生位移，引起岩体切向拉伸→径向裂隙；•当压应力波达到地表面时，反射生成拉应力波→地表面出现了（片落）飞片；•而受压处于高应力状态的岩体此时出现卸载，在岩体内产生极大的拉伸应力→形成了大量环状裂隙；(c)破裂区(d)破裂区和片落区（自由面处）§5岩石爆破基本原理•之后，具有高温高压的爆炸气体沿着已有裂隙膨胀扩展，当裂隙伸展达到（或接近）地表时，使岩石表面鼓起、破碎，爆炸气体将部分已破碎的岩石抛出，最终形成倒圆锥形的凹坑，从而形成爆破漏斗。(f)岩石被抛掷(e)地表鼓起(g)爆破漏斗§5岩石爆破基本原理•3.爆破漏斗的几何参数•(1)最小抵抗线W•(2)爆破漏斗底圆半径r•(3)爆破作用半径RθHhRWr•(4)爆破漏斗深度H•(5)爆破漏斗可见深度h•(6)爆破漏斗张开角θ•说明：(1)、(2)、(3)称为爆破漏斗三要素。§5岩石爆破基本原理4.爆破作用指数n•爆破漏斗底圆半径r与最小抵抗线W的比值，即Wrn•爆破作用半径（又叫破裂半径）的计算22221WrWRWrR21nWR•说明：爆破作用半径表示药包爆破作用在自由面上可以达到的最大程度。§5岩石爆破基本原理•5.爆破漏斗的分类•根据n值不同，（球状药包产生的）爆破漏斗可分为以下四种形式：•(1)标准抛掷爆破漏斗(a)θ°45°45rWn=1r=Wθ=90°§5岩石爆破基本原理•(2)加强抛掷爆破漏斗n＞1r＞Wθ＞90°•n＞3时，爆炸能量消耗在抛掷上，增加药量，破坏范围增大不明显，故已无实际意义了。•加强抛掷爆破漏斗的n取值:1＜n＜3，露天抛掷大爆破或定向抛掷爆破常用此形式，一般取n=1.2～2.5rθW说明：§5岩石爆破基本原理•(3)减弱抛掷(加强松动)爆破漏斗•井巷掘进爆破常用这种形式。Wrθ0.75＜n＜1r＜Wθ＜90°§5岩石爆破基本原理•(4)松动爆破漏斗•说明:n=0.75时，岩石被破坏、松动，但不抛出坑外，不形成可见的爆破漏斗，故工程中常取n≈0.75。n0.75时，出现不连续破坏，不形成爆破漏斗0.3＜n＜0.75r＜Wθ＜90°Wrθ§5岩石爆破基本原理•6.柱状药包产生的爆破漏斗•(1)柱状装药垂直自由面,如右图•柱状药包可看成由多个连续集中药包组成的。•孔口：加强抛掷爆破漏斗；•中间：标准抛掷爆破和减弱抛掷爆破漏斗;•孔底：松动爆破；会留有残孔。•总的漏斗形状就是这些漏斗的外部轮廓线，大致为喇叭形；孔底破坏弱，爆后会留有残孔。§5岩石爆破基本原理•(2)