爆破破岩基本机理与计算原理

原理：炸药爆炸后，在岩石压杆中产生沿压杆轴向传 播的爆炸压缩应力波，到达压杆的另一端遇端面（自由 面）将发生反射，形成拉伸应力波反射入压杆，当此拉 伸波的拉应力值高于岩石的抗拉强度时，岩石将从该端 被拉断，随着反射波的传播，拉断的块数增多，直至拉 应力小于岩石的抗拉强度停止
爆生气体和爆炸应力波综合作用假说
从古代至今，采用炸药爆炸来破碎岩体仍然是一种最有效的方法。炸 药爆炸作用下，岩体是如何破碎的呢？
早在1613年德国人马林（Marlin）、韦格尔（Weigel） 在弗雷帕格（Freisberg）矿山首先用炸药开掘坑道，开创 了爆破采矿的历史。
国内外学者们经过长期探索，包括高速摄影技术、现场爆破试验和计 算机模拟技术，提出了岩石爆破机理的种种假说。
霍普金森压杆试验示ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
不同药量的岩石压杆爆破试验
自由面附近应用波的发射作用
岩石条爆破试验：
１－雷管； ２－炸药； ３－岩石条试件； ４－粉碎区； ５－裂隙区； ６－震动区； ７－片落区
霍普金森效应
试验：在岩石压杆的一端安置炸药，起爆后，靠近炸 药一端的岩石被炸碎，压杆中间部分没有明显的破坏， 而杆件的另一端则被拉断呈许多块。
岩石爆破机理早期发展阶段主要为 L.W.利文斯顿的爆破 理论、流体动力学理论以及炸药量与岩石破碎体积成比例 理论。
4.1 岩石爆破理论发展阶段
直到20世纪60年代日野熊雄的冲击波拉伸破坏理论的出 现，标志着早期爆破理论发展阶段的结束，爆破机理发展 第二阶段的开始。
岩石爆破理论发展的第二阶段主要提出了岩石爆破机理 的三种假说：
这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同 作用的结果。这种学说综合考虑了应力波和爆轰气体在岩 石破坏过程中所起的作用，其基本观点如下：
炸药爆炸后在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应 力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎”现象，应力 波在压碎区域之外产生径向裂隙。随后，爆轰气体产物继 续压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体“楔入”在应力波作 用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进一步张开。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。自由面的反射拉伸作用同样也加强了径向裂 隙的扩展，并造成岩石片落。
爆破破岩基本机理 和计算原理
爆破破岩基本机理和计算原理
4.1 岩石爆破理论发展阶段 4.2 岩石中的爆炸应力波 4.3 岩石爆破作用 4.4 炸药在岩石中的爆破破坏过程 4.5 爆破漏斗理论 4.6 光面爆破和预裂爆破
4.7 4.8 聚能效应 4.9 装药量计算原理 4.10 影响爆破效应的因素
4.1 岩石爆破理论发展阶段
炸药在岩土介质中爆炸发展图像
1)岩石中爆炸应力波的演变
炸药在岩土介质中爆炸发展图像（续）
2) 冲击载荷作用下岩石的变形及其对应的各种应力波
★ 岩石爆破破坏机理的三种假说: 1）爆生气体膨胀推力作用假说； 2）爆炸应力波反射拉伸作用假说； 3）爆生气体和爆炸应力波综合作用假说。
★ 装药爆破作用： ＊内部作用：岩石在炸药作用下发生破坏的物理过程 ＊外部作用：爆破漏斗
一、岩石爆破破坏机理的三种假说
由于岩石是一种非均质、各向异性的介质，爆炸本身 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。尽管如此， 理论研究方面仍取得重大成果，归结起来岩石爆破破坏机 理有三种假说
爆生气体的膨胀作用
爆炸应力波反射拉伸作用假说
这种学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引起岩 石破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作 用，也忽视了压应力的作用，其基本观点如下：
爆轰波冲击和压缩药包周围的岩壁，在岩石中激发形 成冲击波并很快衰减为应力波。 此应力波在周围岩体内形 成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面时，产生反 射拉应力波，当拉应力波的强度超过自由面处岩石的抗拉 强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，直 至拉伸波的强度低于岩石的动态抗拉强度处时停止。自由 面形成片落爆破漏斗。（外——内）
岩石爆破破坏机理的三种假说（综合）
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。
工程爆破实践中应根据岩石条件、爆破效果要求，合 理选择炸药品种和爆破方法（特别是装药结构）
1）爆生气体膨胀推力作用假说； 2）爆炸应力波反射拉伸作用假说； 3）爆生气体和爆炸应力波综合作用假说。
爆生气体膨胀推力作用假说
这种学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是 由于爆轰气体的膨胀压力引起的。这种学说忽视了岩体中 冲击波和应力波的破坏作用，其基本观点如下：
药包爆炸，产生大量高温高压气体，这些爆炸气体迅 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 点径向位移，由于不同方向受力不等引起径向位移速度不 等，导致在岩石中形成剪切应力。当剪切应力超过岩石抗 剪强度时，岩石即产生剪切破坏。破碎岩块又在爆轰气体 推力作用下沿径向抛出，形成爆破漏斗坑。（内——外）
第二节 岩石中爆炸应力波
炸药在岩石中的爆炸时，最初施加在岩石上的是冲击荷 载，在极短的时间内上升到峰值压力，而后又迅速下降， 爆炸载荷的整个作用过程很短。在此冲击荷载作用下， 岩石内激起爆炸应力波。冲击压缩岩石，造成岩石破坏。
爆炸应力波在距爆源不同距离的区段内可表现为：爆炸 冲击波、爆炸应力波和爆炸地震波。在爆源近区是冲击 波，具有陡峭的波阵面并以超声速传播，波阵面前后的 岩石状态参数（压力、密度、温度、岩石质点移动速度） 都发生突跃变化。冲击波在传播过程中能量消耗大、衰 减快。随着距离增大，冲击波衰变为压缩应力波，波头 变缓，以声速传播，能量衰减较慢。随传播距离增大， 应力波又衰变为周期性振动的地震波。