岩石爆破作用原理.ppt

在铁路建设、水利工程、采矿工程以及其它土石方工程中，爆破是目前应用最为广泛、最为有效的一种破岩手段。为了优化爆破参数，必须了解岩石在爆破作用下的破碎机理、装药量的计算原理以及各种相关因素对爆破效果的影响。录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供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。钻孔工人正在进行光面爆破的钻孔随着测试技术的进步，相关科学的发展和引入，以及各类工程对爆破规模和质量要求的不断提高，岩石爆破作用原理的研究取得了许多新的进展，建立了一些新的学说和理论体系，提出了很多计算模型和计算公式，尽管这些研究成果还不很完善，但它们基本上反映了岩石爆破作用中的某些客观规律，对爆破实践具有一定的指导意义和应用价值。第一节岩石爆破破碎原因的几种学说某待爆破的山体药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些爆炸气体产物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的径向位移，由于作用力的不等引起径向位移的不等，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的抗剪强度时，岩石就会产生剪切破坏。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。某山体爆破二、应力波作用学说（shockwavefailuretheory）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，其基本观点如下：爆轰波冲击和压缩着药包周围的岩壁，在岩壁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（图4-1）。当拉应力波的强度超过自由面处岩石的动态抗拉强度时，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。缺陷三、应力波和爆轰气体压力共同作用学说这种学说认为，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，更切合实际而为大多数研究者所接受。其基本观点如下：爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高于爆轰气体产物的压力和传播速度。爆轰波首先作用于药包周围的岩壁上，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。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（本章第五节）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。某土石方爆破后形成的爆堆第二节单个药包的爆破作用图4-2爆破的内部作用R0-药包半径；R1-粉碎区半径；R2-破裂区半径图4-3破裂区裂隙的形成（管伯伦）σr-径向压应力；σθ-切向拉应力；σ’r-径向拉应力；σ’θ-切向压应力某经过光面爆破的岩石一、爆破的内部作用当药包在岩体中的埋置深度很大，其爆破作用达不到自由面时，这种情况下的爆破作用叫作爆破的内部作用，相当于单个药包在无限介质中的爆破作用。岩石的破坏特征随离药包中心距离的变化而发生明显的变化。根据岩石的破坏特征，可将偶合装药（见本章第五节）条件下，受爆炸影响的岩石分为三个区域（图4-2）。粉碎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发起冲击波，其强度远远超过岩石的动态抗压强度。在冲击波的作用下，对于坚硬岩石，在此范围内受到粉碎性破坏，形成粉碎区；对于松软岩石（如页岩、土壤等），则被压缩形成空腔，空腔表面形成较为坚实的压实层，这种情况下的粉碎区又称为压缩区。一些学者的理论研究表明：对于球形装药，粉碎区半径一般是药包半径的（1.28～1.75）倍；对于柱形装药，粉碎区半径一般是药包半径的（1.65～3.05）倍。虽然粉碎区的范围不大，但由于岩石遭到强烈粉碎，能量消耗却很大。因此，爆破岩石时，应尽量避免形成压碎区。破裂区在粉碎区形成的同时，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至五十分之一，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（crack），如图4-3（a）所示。