岩石构造与性质对爆破的影响
高等岩石力学作业简述岩石构造与性质对爆破的影响
简述岩石构造与性质对爆破的影响
【摘要】本文主要阐述了岩石的裂隙性和岩石的坚固性对岩石爆破影响，并提出
相关的分析。
1、岩石分类
岩石是一种或几种矿物组成的天然集合体［1~2］，其种类很多，但按其成因，可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。另外，第四纪以来，由于风化作用、流水作用、风的作用等各种地质作用的结果，形成了各种堆积物，这些堆积物尚未硬结成岩，一般统称为松散沉积物。
2、与爆破相关的岩石性质
岩石介质对爆破作用的抵抗能力与其性质有关，对三种不同性质的岩石而言，一般的说岩浆岩可爆性较差（对爆破作用的抵抗能力最强），沉积岩和变质
岩的可爆性较好。岩石的基本性质从根本上说决定于其生成条件、矿物成分、结构构造状态和后期地质的营造作用。用来定量评价岩石的物理力学性质的参数有100多个，但与爆破有关的主要参数，一般来说有10个［3~4］，如：密度、堆积密度、孔隙率、岩石的波阻抗、岩石的风化程度、岩石的抗冻性、岩石的变形特征、岩石的强度特征、弹性模量、泊松比［5~8］。
（1）密度
密度指岩土的颗粒质量与所占体积之比。一般常见岩石的密度在
3
1400~3000kg/m之间。
（2）堆积密度
堆积密度指包括孔隙和水分在内的岩土总质量与总体积之比，也称单位体积岩石质量。密度与堆积密度相关，密度大的岩石其堆积密度也大。随着堆积密度的增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力也增强，破碎岩石和移动岩石所耗费的能量也增加。（3）孔隙率
岩石的孔隙率n是指岩石中孔隙率体积与岩石的总体积之比，也称孔隙度。常见岩石的孔隙率一般在0.1%~30%之间。随着孔隙率的增加，岩石中冲击波和
应力波的传播速度降低
(4)岩石的波阻抗
岩石的波阻抗指岩石中纵波波速(C)与岩石密度()的乘积。岩石的这
一性质与炸药爆炸后传给岩石的总能量及这一能量传递给岩石的效率有直接关系。它反映了岩石对动量传递的抵抗能力，波阻抗大的岩石往往比较难以爆破。
(5)岩石的风化程度
岩石的风化程度指岩石在地质内力和外力的作用下发生破坏疏松的程度。
(6)岩石的抗冻性
岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。岩石的抗冻性是指岩样在土25C的温度区间内，反复降温、冻结、升温、溶解，其抗压强度有所下降。
(7)岩石的变形特征
岩石的变形特征有：弹性、塑性、脆性
(8)岩石的强度特征
岩石的强度特征：单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度
(9)弹性模量
弹性模量E是指岩石在弹性变形范围内，应力与应变之比。
(10)泊松比
泊松比卩是指岩石试件单向受压时，横向应变与竖向应变之比。由于岩石的组织成分和结构构造的复杂性，尚具有与一般材料不同的特殊性，如各向异性、不均匀性、非线性变形等等。
3、岩石爆破机理
岩石在爆破作用下破碎的物理力学性质［3］。它为正确进行爆破设计、合理选用炸药和控制爆破作用提供科学的依据爆破机理学说，由于炸药的爆炸是一个高
温高压和高速的复杂变化过程，而岩石又是一种千变万化的非均质介质。因此，在解释岩石爆破破碎机理时出现了各种各样的学说。综合起来可以归纳为三种：(1)
爆炸气体膨胀造成拉伸破坏认为炸药在岩石中爆炸时，爆生气体膨胀的压力作用
在药室的周壁上，在岩石中产生压应力和与它相对应的垂直拉应力，由于岩石的
抗拉强度低，当这种拉应力超过岩石的抗拉强度时，便会引起岩石破坏，因此岩石的破碎主要是爆生气体膨胀压力引起的。（2）拉伸应力波破坏炸药在岩石中爆
炸产生的应力波传到自由面后，反射成拉伸波，由于岩石抗拉强度低，因此从自由面开
始，由外向里使岩石产生片状断裂，是岩石破碎的主要原因。（3）应力波
和爆生气体膨胀压共同作用应力波在药室周壁上产生初始的径向裂隙，而爆生气
体则挤人这些裂隙内并使它扩张和延伸，直至岩石完全破碎。因此岩石破碎是应力波和
爆生气体膨胀压共同作用的结果。这一学说越来越为人们所认同。岩体爆破作用圈若将
一个球形药包埋在无限深的均质岩体中，随着离药包距离的不同，爆炸会产生不同的爆
破效果。直接与药包接触的岩石将受到超高压冲击波的冲击和压缩作用，这种压力大大
超过岩石的动抗压强度。若岩石具有可塑性，将
受到强烈压缩而形成压缩圈。但对大多数坚硬岩石来说，可塑性很小，岩石受到强烈冲
击和压缩后将被粉碎，形成粉碎圈，其半径一般为药包半径的2~4倍。粉碎圈以外的岩
石，受到衰减后应力波的径向压缩作用而引起切向拉伸，当拉伸应
力超过岩石的动抗拉强度时，便在粉碎圈外产生放射状的径向裂隙，而爆生的高压气体
便挤人裂隙中，促使裂隙进一步扩张和延伸；应力波通过后，受压缩的岩石迅速卸载，
发生向心的径向运动，而引起环状的拉伸裂隙。径向和环状裂隙的相互交错，将岩石割
裂破碎。通过破裂圈以外的应力波，由于急剧衰减，它的大小已低于岩石的强度，再也
不能引起岩石破碎，而只能引起岩石质点作弹性振动，形成震动圈。
引起岩石变形及破坏的荷载有动荷载和静荷载之分。普遍认为，在动荷载作
用下岩石的力学性质将发生很大变化，它的动力学强度比静力学强度增大很多，变形模
量也明显增大。炸药爆炸是一种强扰动源，爆轰波瞬间作用在岩石界面上，使岩石的状
态参数产生突跃，形成强间断，并以超过介质声速的冲击波的形式向外传播。因而岩石
在炸药爆炸作用下，承受的是一种荷载持续时间极短、加载速率极高的冲击型典型动态
荷载。
4、结构面对爆破的影响作用
在实际爆破过程中岩石动力特性的影响要低于岩体结构面的影响。
结构面的类型有三类：原生结构面、构造结构面和次生结构面，结构面对爆破影响作用有六种［9~11］。
1、应力集中作用
由于软弱带或软弱面的存在，使岩石的连续性遭到破坏。当岩石受力时，岩石便从
强度最小的软弱带或软弱面处首先开裂，在裂开的过程中，在裂缝尖端发生应力集中，
特别是岩石早爆破应力作用下的破坏时瞬时的，来不及进行热交换，且处于脆性状态，结果使应力集中现象更加突出。因此，在岩石中软弱面交发育的爆破地区，其单耗量K 应相应降低。
1、应力波的反射增强作用
由于软弱带的密度、弹性模量和纵波波速均比两侧岩石的值小，当波传至两者的界面处时，便发生反射，反射回去的波与随后继续传来的波相叠加，当其同相位时，应力波便会增强，使软弱带迎波一侧岩石的破坏加剧。对于张开的软弱面，这种作用亦较明显。
但是，究竟是哪一级软弱带或软弱面足以产生明显的反射增强作用，这主要
与爆破规模有关，也就是取决于压缩应力波传播过程中引起的岩石压缩变形，足
以使张开的软人民紧密闭合，或者使软弱面的密度增大到和两侧岩石相差不大时，软弱面或软弱带对应力波的反射增强作用可忽略不计。因此，软弱带和软弱
面对爆破效果的影响问题，必须视爆破规模区别对待，对于施工开挖小炮，不大的裂隙面即可影响其效果，对于大规模的群药包爆破，小的断层破碎带对其影响也不会很显著。
2、能力吸收作用
由于界面的反射作用和软弱带介质的压缩变形与破裂，使软弱带背波侧应力波因能量被吸收而减弱。它与反射增强作用同时产生。因而，软弱带可保护其背波侧的岩石，使其破坏减轻。同样，空气充填的张开裂隙，也有能量吸收作用。
3、泄能作用
当软弱带或软弱面穿过爆源通向临空面，且有爆源到临空面间软弱带或软弱面的长度小于爆破药包最小抵抗线W时，炸药的能量便可以“冲炮”或其他形式泄出，使爆破效果明显降低。
4、锲入作用
在高温高压爆炸气体的膨胀作用下，爆炸气体沿岩体软弱带高速倾入时，将使岩体沿软弱带发生锲形块裂破坏。
5、改变破裂线作用
当爆破漏斗范围存在较大的结构面（如断层面、层理面等）时，根据其结构面与药包的相对位置和产状不同，将会影响漏斗形状大小，减少或增加爆破方量, 不能达到预定
的抛掷方向和堆积集中程度。硐室爆破中常见如下几种情况对爆破漏斗的影响。
（1）结构面在药包后且截切上破裂线R/时（如图1），爆破后上破裂线必沿结构面发展，使上破裂线比原设计缩小，减少了爆破方量，抛掷作用加强。
（2）当结构面在药包前，且截切上破裂线R/时，爆破后上部岩块将会沿结构面坍滑，是上破裂线后仰，爆破方量大，大块率高（如图2）
图1结构面在药包后图2结构面在药包前
（3）当一组结构面与最小抵抗线斜交时，爆破漏斗形状和抛掷方向都将会受到影响。（4）当一组结构面与最小抵抗线垂直或平行时，抛掷方向不会改变，但爆破漏斗形状和爆破方量将受影响。
岩体的强度受岩石强度和结构面强度的控制，在更多的情况下，主要受结构面强度的控制，所以岩块的破裂面大多数是沿岩体内部的结构面形成的。爆后岩块特征的统计表明，凡是沿结构面形成的爆块表面，均呈风化状态；凡是由岩石断裂形成的岩块表面，均呈新鲜状态。
5、岩石的结构（组分）、内聚力对岩石爆破性的影响
岩石由固体颗粒组成，其间有空隙，充填有空气、水或其它杂物。当岩石受外载荷作用，特别是在受炸药爆炸冲击载荷作用下，将引起物态变化，从而导致岩石性质的变化。
矿物是构成岩石的主要成分，矿物颗粒愈细、密度愈大，愈坚固，则愈难于爆破破碎。矿物密度可达4g/cm3以上，岩石的容重不超过其组成矿物的密度。岩石容重一般为1.0?3.5g/cm3 [1~2]。随着密度增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力增大，同时，破
碎或抛移岩石所消耗的能量也增加，这就是一般岩浆岩比较难以爆破的原因。至于沉积岩的爆破性，除了取决于其矿物成分之外，很大程度受其胶结物成分和颗粒大小的影响。例如，沉积岩中细粒有硅质胶结物的，则坚固，难爆破；含氧化铁质胶结物的次之；含有石灰质和粘土质胶结物的沉积岩不坚固，易爆破。变质岩的组分和结构比较复杂，它与变质程度有关。一般变质程度高、质量致密的变质岩比较坚固，难爆；反之则易爆破。
岩石又是由具有不同化学成分和不同结晶格架的矿物以不同的结构方式所组成。由于矿物成分的化学键各不相同，则其分子的内聚力也各不相同。于是，矿物晶体的强度便取决于晶体分子之间作用的内力、晶体结构和晶体的缺陷。通
常，晶体之间的内聚力，都小于晶体内部分子之间的内聚力。并且，晶粒越大，内聚力越小，细粒岩石的强度一般比粗粒岩石的大。又因为晶体之间的内聚力小于晶体内的内聚力，所以，破坏裂缝都出现在晶粒之间。
岩石中普遍存在着以孔隙、气泡、微观裂隙、解理面等形态表现出来的缺陷，这些缺陷都可能导致应力集中。因此，微观缺陷将影响岩石组分的性质，大的裂隙还会影响整体岩石的坚固性，使其易于爆破。
岩体的裂隙性，不但包括岩石生成当时和生成以后的地质作用所产生的原生裂隙，而且包括受生产施工、周期性连续爆破作用所产生的次生裂隙。它们包括断层、褶曲、层理、解理、不同岩层的接触面、裂隙等弱面。这些弱面对于爆破性的影响有两重性：一方面，弱面可能导致爆生气体和压力的泄漏，降低爆破能的作用，影响爆破效果；另一方面，这些弱面破坏了岩体的完整性，易于从弱面破裂、崩落，而且，弱面又增加了爆破应力波的反射作用，有利于岩石的破碎。
但是，必须指出，当岩体本身包含着许多尺寸超过生产矿山所规定的大块（不合
格大块）的结构尺寸时，只有直接靠近药包的小部分岩石得到充分破碎，而离开药包一定距离的大部分岩石，由于已被原生或次生裂隙所切割，在爆破过程中，没有得到充分破碎，在爆破震动或爆生气体的推力作用下，脱离岩体、移动、抛掷成大块。这就是裂隙性岩石有的易于爆破破碎，有的则易于产生大块的两重性。因此，必须了解和掌握岩体中裂隙的宽窄、长短、间距、疏密、方向、裂隙内的充填物、结构体尺寸和结构体含量百分率，以及它们与炸药、爆破工艺参数的相互关系等等。例如，垂直层理、裂隙爆破时，比较容易破碎；而平行或顺着层理、裂隙的爆破则比较困难。
此外，风化作用瓦解岩石各组分之间的联系，因此，风化严重的岩石，易于爆破破
碎。
6、岩石容重、孔隙度和碎胀性对岩石爆破性的影响
岩石容重表示单位体积岩石的重量，其体积包括岩石内部的孔隙。岩石孔隙度，等于孔隙的体积（包括气相或液相体积）与岩石总体积之比。可用单位体积岩石中孔隙所占的体积表示，也可用百分数表示。通常岩石的孔隙度为0.1%?
50 %一般岩浆岩为0.5%?2%，沉积岩为2.5%?15%）。当岩石受压时，孔隙度减少，例如，粘土孔隙度50%,受压后为7%。随着孔隙度增大，冲击波和应力波在其中的传播速度降低。容重大的岩石难以爆破，因为要耗费很大的炸药能量来克服重力，才能把岩石破裂、移动和抛扔。
岩石的碎胀性是岩体破碎后体积松散胀膨的性质；破碎后的岩石体积与破碎前的比值称为碎胀系数。碎胀性与岩体结构及被破碎的程度有关，根据它可以衡量岩石破碎程度，用其计算补偿空间的大小。
7、岩石弹性、塑性、脆性和岩石强度对岩石爆破性的影响
从力学观点看，根据外力作用和岩石变形特点的不同，岩石可能表现为塑性、弹性、粘弹性、弹脆性和脆性等特征。
塑性岩石和弹性岩石受外载作用超过其弹性极限后，产生塑性变形，能量消耗大，将难于爆破（如粘土性岩石）;而脆性岩石（几乎不产生残余变形）、弹脆性岩石均易于爆破（如脆性煤炭）。岩石的塑性和脆性不仅与岩石性质有关，而且与它
的受力状态和加载速度有关。位于地下深处的岩石，相当于全面受压，常呈塑性，而在冲击载荷下又表现为脆性。当温度和湿度增加，也能使岩石塑性增大。通常，在爆破作用下，岩石的脆性破坏是主要的、大量的。相反，靠近药包的岩石，却易呈塑性破坏，虽然其破坏范围很小，但却消耗大部分能量于塑性变形上[12~14]。
为了深入研究岩石爆破性与爆破载荷的关系，一般把岩石视作弹性体或粘弹
性体，炸药在岩体内爆破时，以冲击波和弹性波的形式从药包中心向周围岩石传播，并以弹性变形能或强度作为分析和探讨岩石爆破性的依据。
岩石强度是表示岩石抵抗压、剪、拉诸应力，从而导致岩石破坏的能力。它本来是材料力学中用以表示材料抵抗上述三种简单应力的常量，往往是在单轴静
载作用下的测定指标。爆破时，岩石受的是瞬时冲击载荷，所以应对岩石强度赋以新的
内容，要强调在三轴作用下的动态强度指标。只有如此，才能真实地反映
岩石的爆破性。
岩石的抗压极限强度（c压）最大，抗剪（c剪）次之，抗拉（c拉）最小。一般有如下关系：C拉=（们0?1/50）c压，c剪=（1 /8?1/12）c压因此，尽可能使岩石处于受拉伸或剪切状态下，以利于爆破破碎，提高爆破效果从表中可见，动载强度比静载强度为大[15~16]。
&结语
岩石是爆破的对象，岩石的爆破性是岩石自身物理力学性质和炸药、爆破工
艺的综合反映，而岩石本身的物理力学性质是最主要的影响因素，炸药爆炸对岩
石的爆破作用主要有两个方面，其一是使岩石原生的、次生的裂隙扩张而破坏；其二是克服岩石颗粒之间的内聚力，使岩石内部结构破裂，产生新鲜断裂面。前
者受岩石裂隙性所控制；后者则取决于岩石本身的坚固程度。因此，岩石的裂隙性和岩石的坚固性是影响岩石爆破性最根本的影响因素。
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爆破理论
2. 工程爆破基本理论 爆破理论就是研究炸药爆炸与爆破对象（目标）相互作用规律的有关理论。对于内部爆破（装药置于爆破对象内部），例如岩土爆破，就是研究炸药在岩土介质中爆炸后的能量利用及其分配，也就是研究炸药爆炸产生的冲击波、应力波、地震波在岩土中的传播和由此引起的介质破坏规律，以及在高温高压爆生气体作用下介质的进一步破坏及其运动规律；对于外部爆破（装药与爆破对象之间有一定距离），例如军事上采用的接触或非接触构件爆破，就是研究炸药爆炸后产生的冲击波在传播过程中与目标的相互作用以及由此引起的爆破目标的破坏及其运动规律。它是一个复杂而特殊的研究系统。要阐明爆炸的历程、机理和规律，应包括以下研究内容： ⑴、爆破的介质在什么作用力下破坏的；破坏的规律及其影响因素； ⑵、爆破介质的特性，包括目标（岩土）的结构、构造特征、动态力学性质及其对 爆破效果的影响； ⑶、爆炸能量在介质中传递速率； ⑷、介质的动态断裂特性与破坏规律； ⑸、介质破碎的块度及碎块分布、抛掷和堆积规律； ⑹、空气冲击波与爆破地震波的传播规律、个别爆破碎块的飞散距离；以及由冲击波、地震波、个别飞石、爆体的落地震动等引起的爆破危害效应及其控制技术。 以岩石爆破为例，目前大量实验室和现场试验证明，岩体的爆破破碎有以下规律：（1）、应力波不仅使岩石的自由面产生片落，而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙，或者促使原生裂隙进一步扩大，在应力波传播过程中，岩体破碎的特点是：原生裂隙的触发、裂隙生长、裂隙贯通、岩体破裂或破碎；（2）、加载速率对裂隙的成长有很大作用：作用缓慢的荷载有利于裂隙的贯通和形成较长的裂隙，而高速率的载荷容易产生较多裂隙，但却拟制了裂隙的贯通，只产生短裂隙；（3）、爆破高压气体对裂隙岩体的破碎作用很小，但它有应力波不可 替代的作用：可以使由应力波破裂了的岩体进一步破碎和分离；（4）、岩体的结构面（岩体弱面的统称，包括节理、裂隙、层理等各种界面）控制着岩体的破碎，它们远大于爆破作用力直接对岩体的破坏。 同其它学科对事物的认识规律一样，对爆破理论的研究也是由浅入深的。不同学者先后提出了各种各样的假说或理论，例如，最初提出了克服岩石重力和摩擦力的破坏假说，以后又相继提出了自由面与最小抵抗线原理，爆破流体力学理论，最大压应力、剪应力、拉应力强度理论，冲击波、应力波作用理论，反射波拉伸作用理论，爆生气体膨胀推力作用理论，爆生气体准静楔压作用理论，应力波与爆生气体共同作用理论，能量强度理论，功能平衡理论，利文斯顿（Livingston）爆破漏斗理论和爆破断裂力学等等理论。这些理论观点各异，有些相互矛盾，有些互相渗透，有些不够全面，存在片面性，而且大部分视爆体为连续均匀的介质，与实际情况尚有一定差距。 目前，在爆破界比较倾向一致的是“爆炸冲击波、应力波与爆生气体共同作用”理论，
第4章岩石爆破理论
第4章岩石爆破理论 4.1 岩石爆破特性及爆炸应力波 岩石爆破理论的发展 岩石爆破理论在20世纪70年代确立了冲击波拉伸破坏理论、爆炸气体膨胀压碎破坏理论、冲击波和爆炸气体综合作用理论。随着爆破技术和相邻学科的发展，特别是岩体结构力学、岩石动力学、断裂、损伤力学和计算机模拟爆破技术的发展，使爆破理论的研究更实用化，更系统化。计算机模拟，用以研究裂纹的产生、扩展。但是，从总体上看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研究和生产实际仍有不小的差距。岩石爆破理论的研究内容应该包括：（1）岩石特性，包括岩体结构、构造特征和岩石动力学性质及其对爆破效果的影响； （2）炸药能量向岩石的传递效率； （3）岩石的动态断裂与破坏； （4）爆破过程的数值模拟，预测爆破块度和爆堆形态。 岩石中的爆炸应力波 在介质中传播的扰动称为波。由于任何有界或无界的质点是相互联系着的，其中任何一处的质点受到外界作用而产生变形和扰动时，就要向其他部分传播，这种在压力状态下介质质点的运动或扰动的传播称为应力波。炸药在岩石和其他固体介质中爆炸所激起的应力扰动（或应变扰动）的传播称为爆炸应力波。 应力波分类 （1）按传播速度分类 按传播途径不同，应力波分为两类：在介质内部传播的应力波称为体积波；沿着介质内、外表面传播的应力波称为表面波。体积波按波的传播方向和在传播途径中介质质点扰动方向的关系又分为纵波和横波。 纵波又称P波，其特点是波的传播方向与介质质点运动方向一致，在传播过程中引起压缩和拉伸变形。因此，纵波又可分为压缩波和稀疏波。 横波又称S波，特点是波的传播方向与介质质点运动方向垂直，在传播过程中会引起介质产生剪切变形。
岩石爆破技术的现状与发展
岩石爆破技术的现状与发展 要：结合笔者对爆破技术的研究，对近几年来国内外较为先进的岩石爆破技术的理论及控制爆破技术方面进行简要的介绍，随着岩石爆破技术的不断发展，爆破工程机械化程度的提高，人们对工程爆破作业有害效应更加的专注。岩石爆破技术的发展对爆破施工发挥起到了重要的作用。 关键词：岩石爆破技术；爆破理论；现状；发展 在破岩的过程中采用最为普遍也是效果最好的手段就是爆破。岩石爆破技术的发展不仅仅取决机械设备、测量工具等硬件设备的发展，而且还需要依托爆破理论学、岩石力学等方面的理论成果。随着岩石爆破技术的不断发展以及爆破力学的不断深入，以及测量设备的不断改进、计算机技术在爆破中的普及应用，推动了我国爆破技术向着机械化、智能化方面发展，其只要体现在下面几个方面：一是岩石爆破中使用的各种机械设备逐渐的完善，爆破施工的机械化水平快速发展；二是在对岩石等相关材质的分析上广泛的采用了全新的扫描技术和分析处理技术，根据分析出的岩石的性质来选择与之相符的爆破方案；三是爆破的规模在不断的扩大，爆破的工艺也在不断的更新；四是在爆破的过程中更多的考虑到了环境保护，采用各种控制爆破技术，尽可能的降低岩石爆破对环境及生态造成的影响。五是在岩石爆破过程中开始普遍的应用计算机进行辅助爆破，或者进行计算机模拟爆破，特别是将计算机与GPS 定位系统结合之后发展了数字钻爆系统。这些方面的特点都对我国岩石爆破技术的发展起到深远的影响。
1 岩石爆破理论 所谓的岩石爆破就是利用炸药在爆炸的过程中产生的能量来破碎岩石的方法。岩石爆破理论可以系统的分为两个部分来进行概述：一是岩体中的爆破应力波，岩土在炸药爆炸的过程中，岩体会收到冲击和扰动，而在岩体中传播的波，在波的影响下岩体的内在状态会随之发生变化，因此我们将在固定中传播的扰动波称之为应力波；二是岩石爆破破碎机理，爆破机理的研究是一个较为复杂的课题，由于岩石爆破是也在一个高压、高温、高速的三高环境下发生的，在现有的科技条件下是无法进行测试的，而岩石的状态又是不定的，目前也找不到一个合适的状态方程来对岩石的变化进行科学合理的描述，因此，对岩石爆破作用机理的研究还仅仅停留在定性的阶段，现在实际采用的都是多年积累的经验，并没有科学的根据。虽然这个两种不通的机理，但是在实际的爆破过程中这两者都发挥着作用，只是在不通岩石材质下两者发挥的作用程度不一样。 岩石得以破坏是因为在爆破的过程中产生的应力超过了岩石本身多能够承受的最大限度，岩石的破坏与爆炸时产生的能量大小和岩石的力学特性有着紧密的联系。也就是说，要想对岩石进行破坏，在假定装药的型号、形式及自由面相同的条件下，药包装药的多少只要是由岩石的力学特性决定的。在岩石爆破技术的研究过程中，岩石的力学特性与爆破破碎的关系一直都是研究的一个重点。在一定程度上岩石的力学特性决定了这次岩石爆破的难易程度，它主要表现在岩石的抗压、抗拉、抗剪等方面。炸药的单耗与岩石的这些特性是成正比关系的，对于大多
爆破基本原理
A爆破技术员应知应会的基本原理 一、岩石炸药单耗确定原理和方法 1岩石炸药单耗确定之经验法 2岩石炸药单耗确定之类比法 爆破各种岩石的单位炸药消耗量K值表
3、岩石炸药单耗确定之爆破漏斗试验法 最小抵抗线原理：药包爆炸时，爆破作用首先沿着阻力最小的地方，使岩（土）产生破坏，隆起鼓包或抛掷出去，这就是作为爆破理论基础的“最小抵抗线原理”。 药包在有限介质内爆破后，在临空一面的表面上会出现一个爆破坑，一部分炸碎的土石被抛至坑外，一部分仍落在坑底。由于爆破坑形状似漏斗，称为爆破漏斗。若在倾斜边界条件下，则会形成卧置的椭圆锥体如图2.6.14 当地面坡度等于零时，爆破漏斗成为倒置的圆锥体（图2.6.15）。mDl称为可见的爆破漏斗，其体积V mDl与爆破漏斗V mOl之比的百分数E0，称为平坦地形的抛掷率；r0（漏斗口半径）与W（最小抵抗线）的比值n称为平地爆破作用指数。 当r0=W时，n=1，称为标准抛掷爆破。在水平边界条件下，其抛掷率E=27%。标准抛掷漏斗的顶部夹角为直角。 当r0>W，则n>1，称为加强抛掷爆破。抛掷率>27%。
漏斗顶部夹角大于90°。 当r0 岩石爆破理论模型 摘要：岩石爆破模型的研究是爆破理论和技术发展的关键，通过研究爆破过程 及其参数的变化规律可揭示爆破作用的本质，为完善和发展爆破理论及技术提供基础。 关键词：岩石爆破模型;弹性;断裂;损伤 1、岩石爆破机理 在岩石爆破机理研究中，一般认为造成岩石破坏的原因是冲击波和爆炸生成气体膨胀压力共同作用的结果；但是关于爆炸冲击波和爆炸生成气体准静态压力哪个起主要作用，目前仍存在着两种不同的观点。一种观点认为冲击波的作用只表现在对形成初始径向裂纹起先导作用，而大量破碎岩石则是依靠爆炸生成气体膨胀压力作用。另一种观点则认为爆破过程中哪种载荷起主要作用要取决于岩石的阻抗波，即高波阻抗岩石应力波起主要作用，低波阻抗岩石爆炸生成气体起主要作用；对于均质岩体以应力波作用为主；对于整体性不好、节理裂隙发育的岩体，以爆炸生成气体作用为主。 爆生气体膨胀作用炸药爆炸生成高温高压气体,膨胀做功引起岩石破坏。爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移,由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样,质点位移所受的阻力就不同,最小抵抗线方向阻力最小,岩石质点位移速度最高。正是由于相邻岩石质点移动速度不同,造成了岩石中的剪切应力,一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度,岩石即发生剪切破坏。破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出,形成一倒锥形的爆破漏斗坑。 按理论基础可将爆破模型分为以下几类:以弹性理论处理爆破问题的弹性力学模型;以断裂理论特别是线弹性断裂力学为基础的断裂力学模型;以研究损伤演化特别是细观损伤演化为框架的损伤力学模型;以及将岩石由损伤累积而导致的破坏视为一种逾渗转变的逾渗模型。 2、弹性力学模型 2、1 G.Harries模型 G.Harries模型是建立在弹性应变波基础上的高度简化的二维模型,将岩石视为均质连续的弹性介质。假设岩石为以炮孔轴线为中心的厚壁圆筒,爆炸应力波使与炮孔轴线垂直的平面内质点产生径向位移,当径向位移派生出的切向应变值超过岩石的动态极限抗拉应变T时,岩石中形成径向裂隙。径向裂隙数由下式决定: N=εθ/T 式中 N为径向裂隙条数;εθ为作用于炮孔上的最大切向拉应变。采用MonteCarlo方法确定爆破裂纹分割的块度。该模型首次解决了物理模型使用的局限性和难以定量的问题,但由于没有考虑天然节理裂隙对应力波传播和破碎块度的影响,所以不可避免地影响计算结果的准确性和可靠性。 2、2 R.F.Favreau模型 R.F.Favreau模型是在爆炸应力波理论基础上建立的三维弹性模型,以岩石动态抗拉强度为破坏判据。该模型不仅充分考虑了爆炸应力波和爆生气体综合作 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，在最小抵抗线方向（即地表方向），岩 1 石移动的阻力最小，运动速度最高。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 5岩石爆破理论 5.1岩石爆破破坏基本理论 炸药爆炸引起岩石破坏，这是一个高能转化释放、传递作功的过程。在这个过程中，岩石受力情况极其复杂，而历时又极为短暂，因此要正确地解释岩石爆破破碎机理，就极为困难，人们已作了多年的努力，仍没有一个确切全面的唯一的解释，而是各执一词。 但将多类解释的基本观点和理论依据归类，可概括为三大假说： 5.1.1 爆生气体膨胀作用理论 这种理论是从静力学的观点出发，认为：岩石的破碎主要是由爆炸气体产物的膨胀压力引起。 (1) 炸药爆炸时，产生高压膨胀气体，在周围介质中形成压应力场。 炸药爆炸生成大量气体产物，在爆热的作用下，处于高温高压的状态，而急剧膨胀，这些膨胀气体以极高的压力作用于周围介质，而形成压应力场。 (2) 气体膨胀推力使质点产生径向位移，而产生径向压应力，其衍生拉应力，产生径向裂隙。 很高的压应力场，势必使周围岩石质点发生径向移动，这种位移又产生径向压应力，形成径向压应力的传递；质点在受径向压应力时，将产生径向压缩变形，而在切向伴随有拉伸变形生产，这个拉伸应变就是径向压应力所衍生的切向拉应力所产生。当岩石的抗拉强度低于此切向拉应力时，就将产生径向裂隙；岩石的抗拉强度远远地小于抗压强度（常为其1/10～1/15），所以拉伸破坏极易发生，而形成径向裂隙。 (3) 质点移动所受阻力不等，引起剪切应力，而导致径向剪切破坏。 质点位移受到周围介质的阻碍，阻力不平衡在介质中就会引起剪切应力，若药包附近有自由面时，质点位移的阻力在最小抵抗线方向最小，其质点位移速度最高，偏 离最小抵抗线方向阻力增大，质点位移速度降低，这样在阻力不等 的不同方向上，不等的质点位移速度，必然产生质点间的相对运动 而产生剪切应力。在剪切应力超过岩石抗剪强度的地方，将发生径 向剪切破坏。 (4) 当介质破裂，爆炸气体尚有较高的压力时，则推动破裂块体沿径向朝外运动，形成飞散。 上述破坏发生将消耗大量的爆炸能，如果爆炸气体还有足够大的压力，则将推动破碎岩块作径向外抛运动，若压力不够就可能仅是松动爆破破坏，而没有抛散，甚至只是内部爆破。 用这种理论来解释破岩原因，可简化为： 2010年第01期（下） 岩体在冲击荷载的作用下产生应力波或冲击波，它在岩体中传播，引起岩石变形乃至破坏。炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变形和运动。由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万兆帕，从而在岩石表面形成冲击波，并在岩石中传播。 1．爆生气体膨胀作用 炸药爆炸生成高温高压气体，膨胀做功引起岩石破坏。爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移，由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样，质点位移所受的阻力就不同，最小抵抗线方向阻力最小，岩石质点位移速度最高。正是由于相邻岩石质点移动速度不同，造成了岩石中的剪切应力，一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度，岩石即发生剪切破坏。破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出，形成一倒锥形的爆破漏斗坑。 2.爆炸应力波反射拉伸作用 岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波引起岩石破碎，岩石的破坏形式是拉应力大于岩石的抗拉强度而产生的，岩石是被拉断的。 岩石爆破破碎正是爆生气体和爆炸应力波综合作用的结果。因为冲击波对岩石的破碎作用时间短，而爆生气体的作用时间长，爆生气体的膨胀促进了裂隙的发展；同样，反射拉伸波也加强了径向裂隙的扩展。岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展。爆生气体膨胀的准静态能量是破碎岩石的主要能源。 3.爆破的内部作用—— —无限介质中的爆破作用岩石内药包中心距自由面的垂直距离称为抵抗线。对于一定量的装药来说，若抵抗线超过某一临界值时，可以认为药包处在无限岩石介质中。此时药包爆炸后，在自由面上不会看到爆破的迹象，这种爆破作用叫做爆破的内部作用。 根据岩石的破坏情况，除了在装药处形成扩大空腔外，还将从爆源向外产生压缩粉碎区、破裂区和震动区。 3.1压缩粉碎区 炸药爆炸瞬间，产生几千度的高温和几万兆帕的高压，形成每秒数千米的爆炸冲击波，最靠近装药的岩石在此冲击波和高温高压爆生气体的作用下，产生很高的径向和切向压应力，这样大的压应力远远大于岩石的动态抗压强度。装药空间岩壁受到强烈压缩而形成一个空腔，周围炎时产生粉碎性破坏形成压碎区。 压碎区内冲击波衰减很快，因而压碎区的半径较小，通常只有2~3倍的装药半径，破坏范围虽然不大，但破碎程度大，能量消耗多。因此爆破破岩时应尽量减小压碎区的形成范围。 3.2破裂区 随着冲击波能量的急剧消耗，压碎区外，冲击波衰变为压 岩石爆破破岩机理 田玉新刘星 （中国矿业大学南湖校区江苏徐州221116） 【摘要】炸药在岩体内爆炸时所释放出来的能量是以冲击波高温高压的爆生气体的形式作用于岩体的，整个过程在几个到几十个毫秒的瞬间完成。爆破破岩的机理就是研究岩体在爆炸能作用下发生破碎的原理。由于岩石是一种非均质各向异性介质，加上爆炸作用过程本身的复杂性，使得岩石爆破破岩机理的研究变得困难，因而所提出的各种破岩理论还只能算是假说。 【关键词】爆炸；气体膨胀；应力波；爆破；自由面；径向裂隙 【Abstract】Explosives in rock in the explosion of the energy released by the high temperature and pressure the explosive blast life forms of gas to rock the whole process in a few to a few milliseconds of10seconds.Blasting broken rock the mechanism is to study in the explosion to rock the role of the principles of broken.The rock is an average quality anisotropism media,coupled with explosive role itself of the complexity of the rock blasting broken rock machine of the study is difficult,and the various broken rock theory can only be considered hypothesis. 【Keywords】E xplosions；G as expansion；S tress wave；B lasting；F free surface；R adial cracks 收稿日期：2010-1-12 作者简介：田玉新，女，山东泰安人，现就读于中国矿业大学资源与地球科学学院，主修地质工程专业。 刘星，男，现就读于中国矿业大学资源与地球科学学院，主修地质工程专业。 ◇高教论述◇ 21 岩石破碎机理 露天爆破作为爆破技术的一种，其破碎岩石的原理遵循岩石破碎的基本原理。因此，解露天爆破技术，首先要了解岩石破碎基本原理。 1 岩体破碎机理的几种观点 由于炸药的爆炸反应是一个高温、高压和高速的瞬态过程，岩体性质和爆破条件复杂多变，同时岩体爆破又是一个历时极短和危险性极大的过程，因此给直接观测和研究岩体的破坏过程造成了极大的困难。迄今为止，人们对岩体爆破作用过程仍然了解的不透彻，没有形成一套完整而系统的爆破理论。 关于岩石破碎机理，有几种观点： （1）爆轰气体作用的破碎观点； （2）应力波作用的破碎观点； （3）应力波和爆轰气体共同作用的破碎观点。 2 岩石的爆破作用 由于炸药在岩石体内的埋深不同，其爆破作用形式也不同。当炸药的埋深很大，其破碎岩石作用不能达到岩体的自由面时，称为岩体爆破的内部作用；当炸药埋深较小、破碎岩石作用能达到自由面时，称为岩体爆破的外部作用。 重点分析岩石爆破的内部作用： 当药包在无限介质中爆炸时，在岩体中激发出应力波，其强度随着传播距离的增加而迅速衰减，因此对岩体施加的作用也随之变化。按照破坏特征，大致可以将岩体分为以下三个区域： （1）粉碎区 当密闭在岩体中的炸药爆炸时，爆轰压力在数微秒内达到数千至数万兆帕，瞬间冲击药包周围的岩体，在冲击荷载的作用下，与药包直接接触的岩体被粉碎，称为粉碎区。粉碎区的半径很小，一般为药包直径的几倍。 （2）破裂区 冲击波通过粉碎区后，继续向外层岩石中传播，径向压缩粉碎区外层岩石，产生径向扩张和切向拉伸应变，如果切向拉伸应变超过岩石的动态抗拉强度，则岩石产生径向裂隙，并以0.15—0.38倍的压缩应力波的传播速度向前延伸，直至低于岩石的动态抗拉强度停止扩张；同时爆生气体膨胀并进入径向裂隙中，引起裂隙的扩张，裂隙尖端由于有气体压力引起的应力集中现象，导致径向裂隙向前延伸，并呈现出内密外稀的分布规律；压缩波通过以后，岩体受到强烈压缩时存储的一部分弹性变形能开始释放，产生与压缩应力波作用相反的向心拉伸应力，使岩石质点产生反向的径向运动，拉伸应力大于岩石的动抗拉强度时，在岩体中产生环向裂隙，径向裂隙和环向裂隙相互交错，该区域内岩体被切割成块，此区域为破裂区，其破裂半径一般为药包半径的70—120倍，是工程爆破中岩石破坏的主要部分。 （3）震动区 破裂区以外的岩体中，应力波引起的应力状态和爆轰气体形成的准静应力场都不能使岩石产生破坏，只能引起岩石质点作弹性振动，直到振动波能量被岩石完全吸收为止，这个区域称为震动区。 爆炸应力波与爆破作用原理简介 一、岩体内的爆炸应力波 装药在岩体或其他固体介质中爆炸所激起的应力扰动的传播称为爆炸应力波。爆炸应力波在距爆源点不同距离的区域内可出现塑性波、冲击波、弹塑性波、弹性应力波和地震波等。 大多数岩石在爆炸冲击荷载作用下所激起的爆炸应力波主要是冲击波、弹性应力波和爆炸地震波。冲击波具有陡峭波头，以超声速传播，传播过程中能量损失较大，应力衰减很快，作用范围很小，衰减后变为压缩应力波。压缩应力波以声速传播，传播过程中能量损失比冲击波小，衰减较慢，作用范围则较大，衰减后变为地震波。 冲击波和应力波都是脉冲波，不具有周期性，能对岩石造成不同程度的破坏作用，而地震波为周期振动的弹性波，应力上升时间与应力下降时间大体相等，以声速传播，衰减很慢，作用范围最大，但不再能对岩石造成直接的破坏作用，只能扩大岩体内原有的裂隙，和威胁爆破地点附近建筑物的安全。 炸药爆炸的基本理论 对于应力波，当应力应变呈线性关系时，介质中传播的是弹性波；呈非线性关系时，为塑性波和冲击波。 二、装药的内部作用与外部作用 装药中心距自由面的垂直距离称为最小抵抗线，对于一定量的装药来说，若其最小抵抗超过某一临界值(临界抵抗)，当装药爆炸后，在自由面上不会看到爆破的迹象。也就是爆破作用只发生在岩体的内部，未能达到自由面。 这种作用称为装药的内部作用。发生这种作用的装药称为药壶装药。临界抵抗决定于炸药的类型、岩石性质和装药量。当装药发生内部作用时，除在装药处形成扩大的空腔外，还形成压碎圈、裂隙圈和震动圈。 在压碎圈内变形向方向成45°角的滑移面。在裂隙圈内，但形成辐射状的径向裂隙，有时在径向裂隙之间还形成有环状的切向裂隙。震动圈内的岩石没有任何破坏，只发生震动，其强度随距爆炸中心的距离增大而逐渐减弱，以致完全消失。 当装药的最小抵抗小于其临界抵抗时，在装药爆炸后，除在装药下方岩体内形成压碎圈、裂隙圈和振动圈外，装药上方一部分岩石将被破碎，脱离岩体，形成爆破漏斗。 当形成爆破漏斗的锥顶角较小时，漏斗内破碎的岩石只发生隆起，没有大量岩石的抛掷现象，发生这种作用的装药称为松动装药，其形成的爆破漏斗称为松动漏斗。只形成松动漏斗的爆破称松动漏斗为松动爆破。当爆破漏斗的锥顶角大于一定限度后，破碎的岩石将被抛出漏斗。发生这种作用的装药称为抛掷装药，其形成的漏斗称为抛掷漏斗。形成抛掷漏斗的爆破称为抛掷爆破。 当装药量不变、改变最小抵抗，或最小抵抗不变、改变装药量，可形成不同几何要素的爆破漏斗，包括松动漏斗和抛掷漏斗。 三、岩体爆破作用原理 (一)岩体爆破破坏机理 对于岩石等脆性介质爆破破坏机理，有许多假说，按其基本观点，归纳起来有爆生气体膨胀压力破坏理论，反射拉应力波破坏理论及反射拉应力波与爆生气体压力共同作用理论三种。岩石爆破理论模型
第五章 岩石爆破基本原理
岩石爆破理论
岩石爆破破岩机理_田玉新
爆破作用原理
爆炸应力波与爆破作用原理简介