第五章-岩石爆破基本原理

1第5章岩石爆破基本原理第1节爆破破碎原理炸药在岩体内爆炸瞬间释放出巨大的能量，使岩体产生不同程度的变形和破坏。为了达到低能耗、高效率破碎岩体的目的，并能有效地控制爆破产生的各种危害，就必须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。只有这样，才能合理地确定爆破参数和有效地控制爆破作用。由于炸药的爆炸反应是高温、高压和高速的瞬态过程，岩体性质和爆破条件复杂多变，加之爆破工作具有较大的危险性，因此给直接观测和研究岩体的爆破破坏过程造成了极大的困难。迄今为此，人们对岩体爆破作用过程仍然了解得不透彻，尚不能形成一套完整而系统的爆破理论。尽管如此，随着长期实践经验的积累和现代科学技术的发展，借助先进的爆破测试技术以及模拟爆破试验，对爆破作用原理的研究取得了较大的进展，提出了多种岩体爆破机理的观点，在一定程度上反映了岩体的爆破破坏规律，具有一定的指导意义和实用价值。一、爆破作用的基本原理1．爆破破坏作用的基本观点爆破破坏作用的观点很多，大致可归纳为如下三种：（1）爆轰气体破坏作用的观点。从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量的高温、高压气体。这种气体膨胀产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移。当药包埋深不大时，在昀小抵抗线方向（即地表方向），岩石移动的阻力昀小，运动速度昀高。由于存在不同速度的径向位移，在岩体中形成剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的动态抗剪强度时就会引起岩石破裂。在爆轰气体膨胀推力作用下，自由面附近的岩石隆起、开裂，并沿径向方向推出，如图5—1。这种观点不考虑冲击波的破碎作用。（2）应力波破坏作用观点。从爆炸动力学的观点出发，认为药包爆炸产生强烈的冲击波，冲击、压缩周围的岩体，造成邻近药包的岩体局部压碎，之后冲击波衰减为压应力波继续向外传播。当压应力波传播到岩体界面（自由面）时，产生反射拉应力波，若此拉应力波超过岩石的动态抗拉强度时，从界面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，如图5—2所示。这种观点不考虑爆轰气体的膨胀推力作用。a）b）图5—1爆轰气体剪力破坏作用a）剪应力作用；b）爆轰气体膨胀推力破坏图5—2反射拉应力波产生片裂破坏图2（3）应力波和爆轰气体共同作用的破坏观点。这种观点认为岩体破裂是爆炸应力波和爆轰气体膨胀推力共同作用的结果。近年来的理论和实践研究表明，这种观点比较符合工程实际。2．爆破作用过程药包起爆以后，炮孔（或药室）内产生的压力呈突跃式升高，而后缓慢下降，如图5—3所示。这种压力随时间而变化的特点，反映了以下的两种爆破作用过程：（1）应力波的动态作用过程。药包起爆后，爆轰波首先作用于孔壁，在岩石中激起强烈的冲击波。在固体介质内，这种冲击波以应力波的形式从孔壁向周围高速传播，它的作用时间很短，如图5—3中的，波峰应力值高，当其强度大于岩石的动载强度时，岩石便产生破坏，所以属于动态破坏的作用过程。1t（2）爆轰气体的似静压作用过程。应力波过后，是爆轰气体在密闭空腔内持续膨胀的作用过程，如图5—3中的。该过程的压力较低，但变化较慢，作用时间较长，在岩体中产生似静应力场，当其应力大于岩石的强度时，岩石破坏，所以属于似静压作用过程。2t由此可见，在爆破能量的作用下，岩体破裂是应力波和爆轰气体膨胀推力共同作用的结果。3．爆破时岩体内的应力状态（1）集中药包爆破时岩体内的应力状态①应力波在岩体中的传播规律。当药包爆炸产生的爆轰波传播到药包与岩石的接触面时，在岩体内激发出一种波峰压力值很高的冲击波。冲击波峰值压力就是爆轰波给予岩石的初始压力。其值取决于炸药和岩石的性质以及炸药与岩石的耦合情况。耦合装药（药包与孔壁间不留间隙的装药）时冲击波的波峰压力可按下式计算3eLrreLrrrPCDCP⋅⋅+⋅=ρρρ2（5—1）式中：——岩石中冲击波的初始波峰压力，MPa；rPrρ——岩石密度，kg/m3；LrC——岩石中纵波传播速度，m/s；eρ——炸药密度，kg/m3；D——炸药爆速，m/s；eP——炸药爆轰压力，MPa。从式（5—1）可以看出，同一种炸药的爆轰波在不同性质的岩石中，激发出的冲击波峰值压力并不相同：岩石的波阻抗大，孔壁波峰压力值也大。随着传播距离的增大，冲击波强度减小，波的性质和形状也发生相应的变化，大致可分为三个作用区（图5—4）：在离爆源约3~7倍药包半径的近区，叫冲击波作用区。该区的特点是冲击波的强度极大，波峰应力值一般超过岩石的动抗压强度，使岩石产生塑性变形或粉碎，消耗大部分能量，冲击波发生急剧衰减。通过该区后，冲击波衰减成压应力波，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。该区为应力波作用区，其范围较大，可达到120~150倍药包半径的距离。应力波通过该区后进一步衰减为地震波。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，此区称为弹性振动区。冲击波在传播过程中的衰减规律受炸药性质、药包形状、岩石性质和传播距离等很多因素的影响。一般规律是：在冲击波范围内，应力衰减大致与传播距离的三次方成正比；在应力波作用区，与传播距离的二次方成正比；在地震波作用区，与传播距离成线性关系；球形药包产生的冲击波衰减速4度比柱形药包快；应力波在软弱或多裂隙的岩体中比在均质、坚硬、整体性好的岩体中的衰减快。图5—3炮孔压力—时间曲线图5—4爆炸应力波及其作用范围t1—药包爆轰反应完成时间；r—药包半径；tH—介质状态变化的时间；t2—爆轰气体产物作用时间图ts—介质状态恢复到静止状态的时间冲击波在岩石中传播时，波阵面上的压力衰减规律可用下式近似计算nmrrrPP⎟⎠⎞⎜⎝⎛=0（5—2）式中：——离药包距离为r处的冲击波峰值压力，MPa；rPmP——冲击波初始波峰值压力，MPa；r——距药包中心的距离，m；0r——药包半径，m；n——系数。μμ−±=12n，μ岩石的泊松比。式中“+”号对应冲击波作用区，“－”号对应压缩波作用区。炸药爆炸释放出的能量以应力波和爆轰气体膨胀压力的形式作用在药包周围岩5壁上，在岩体内产生复杂的应力状态。②应力波在岩体中引起的应力状态。爆破压应力波引起的岩体应力状态，不但随时间而变化，而且随传播距离而变化，并可以近似地采用弹性理论来研究和解析。近代动应力的分析方法，是按应力波的传播、衰减、反射和透射等一系列规律，计算应力场中各点在不同时刻的应力分布情况，以求得任意时刻的应力场及任意小单元的应力状态随时间变化的规律。由于计算比较复杂，下面仅就一个自由面条件下爆破应力解析结果作简要介绍。爆炸应力波从爆源向自由面倾斜入射时，在自由面附近岩体中某点的应力状态是很复杂的。它由直达纵波、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。由于从爆源向四周岩体中发射的应力波主要是纵波，下面就入射波是纵波的情况加以分析。如图5—5所示，设自由面平行于横轴X，昀小抵抗线W的方向平行于竖轴Z，药包中心为O。岩体中任一点A的应力状态可作如下分析：该点由入射纵波产生的应力为ipσ，由反射纵波产生的应力为rpσ，由反射横波产生的应力为rsσ，则A点的应力为三者合成，由合成应力引起的三个主应力为1σ，2σ，3σ。图5—5波到达A点的应力分析6根据在一个自由面的砂石中试验（1号雷管爆炸，昀小抵抗线为10cm）结果的分析计算，当拉伸主应力2σ出现极大值时，自由面附近岩体中各点的主应力1σ和2σ的方向如图5—6所示。这种应力分布方向能够满意地解释爆破岩体的裂隙方向：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2σ的控制，是围绕昀小抵抗线为对称轴分布的喇叭形，如图5—7。由此可见，自由面对主应力产生很大的影响：自由面附近的压缩主应力比无自由面时小，而拉伸主应力则比无自由面时大，且爆源离自由面越近，拉伸主应力的增长率越显著，自由面附近的岩体处于比较容易破坏的拉伸应力状态下，说明自由面对改善爆破破碎效果起着重要的作用。③爆轰气体压力作用下岩体的应力状态。由爆炸应力波在岩体中所引起的应力状态，因应力波衰减而迅速消失，爆轰气体则较长时间被密闭在药室容积中，使周围岩石受到爆轰气体准静态压力作用。根据实验和理论分析，岩体中各点的主应力1σ和2σ的作用方向如图5—8所示，与图5—6极为相近，但爆轰气体引起的1σ常为压应力，而2σ不常为拉应力，随着至昀小抵抗线的距离超过某一极限值后，2σ变为压应力。根据图5—8中所示的主应力作用方向，可以推断和解释在爆轰气体准静压作用下，岩体裂隙的方向。7图5—6当2σ达到极大值时1σ和2σ的方向图5—7由1σ、2σ和3σ引起的裂隙图5—8主应力1σ和2σ的作用方向（2）延长药包爆破时岩体中的应力状态。按传统定义，将药包长度和横截面的直径或边长之比，即长径比φ4的药包称为延长药包；φ≤4的药包称为集中药包。近年来，铁道部科学研究院爆破室的史雅语等人从药包爆破作用的特性分析，认为以φ=20作为延长药包的下限是比较合理的。延长药包与集中药包相比，在爆破应力波参数、应力波传播时的衰减规律以及应力分布等方面有着明显的差异。①应力分布不均匀。集中药包起爆时，向四周释放出的能量一般是比较均匀的，岩体中的应力也沿四周均匀分布。若延长药包从一端起爆，则在两端岩体中激发出的应力是不均匀的。图5—9是一个垂直于自由面的从孔底起爆的延长药包。为了研究其爆破作用的特点，将它沿轴向分成五个长度相等的短药柱，即、、、、。每个短药柱以恒定的时间间隔（1x2x3x4x5xntDdtn=，为药包直径，为炸药爆速）进行爆轰，且都产生一个波长相等的球面应力波，并设炸药的爆速和应力波速度之比为2：1。当延长药包完全爆轰后，药包周围岩体中的应力分布如图5—9。dDD8从图中可以看出，由、引起的波阵面上的应力在C点叠加，高于线上其他点的应力；由、、引起的波阵面上的应力在点叠加，因此点的应力高于C点的应力。同理可知，在被C、O、1x2xAC2x3x4xDDE、、所圈定的区域内，由于药包各部分产生应力波的叠加，而形成高应力区；相反，由、FCCB、E、、C圈定的区域为低应力区。一般高应力区爆破破碎效果比低应力区好。F图5—9延长药包爆破时的应力分布②应力波的参数大。前苏联A•H•哈努卡耶夫用六号阿莫尼特炸药的集中药包和延长药包对同种花岗岩进行爆破试验，在折算距离相同时，测得延长药包的所有应力波参数都比集中药包大。③应力波衰减慢。与集中药包相比，延长药包的爆破应力波参数随距离的增加而衰减得较慢，这是由于集中药包爆破产生的球面波的波阵面面积与传播距离的平方成正比例增大，而延长药包的柱面波的波阵面面积只与传播距离的一次方成正比例增大。二、爆破破坏作用分析1．应力波的动态破坏作用9（1）压应力波作用产生径向裂隙。炸药爆炸产生的冲击波作用于药包周围的岩石并向外传播，随着传播距离的增加，波阵面的扩大，波阵面上能流密度减小，冲击波迅速衰减为压应力波，当其强度低于岩石的动抗压强度时，不能直接引起岩石的破坏。但是，它使外层岩石（由图5—10（a）虚线弧表示）受到径向压应力rσ作用，该层岩石产生径向位移（由图5—10（a）实线弧表示），因而导致该层岩石发生径向扩张，在切向衍生拉伸应力τσ，如果该拉应力超过岩石动抗拉强度时，单元体被拉断，形成径向裂隙。这种裂隙以0.15~0.4倍于应力波的传播速度沿径向向前延伸，直到切向拉应力衰减到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止发展。（a）（b）图5—10径向裂隙和环向裂隙的产生（a）压应力波作用产生径向裂隙；（b）稀疏波作用产生环向裂隙（2）稀疏波作用产生环向裂隙。当压应力波通过压碎扩大圈外层岩体时，岩石受压积蓄了一部分弹性变形能。而压应力波过后，稀疏波到来，这部分弹性能就要释放，引起岩石质点的向心运动，因而产生径向拉应力rσ，如图5—10（b）所示，当此拉应力超过岩石的动抗拉强度时，岩体中就产生环向裂隙。（3）应力波反射拉伸破坏作用①霍金逊效应引起的破坏。霍金逊效应是指当压应力波入射到自由面时，从自由面反射回来，变成