岩石爆破理论概要.doc

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： 气体推动→压应力场→径向位移→外抛 5.2.2 爆炸应力波反射拉伸作用理论 这种理论是从爆轰动力学观点出发，认为：爆破时岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射，转变成的拉应力波所造成。 当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度己大大下降到不能直接引起岩石的破碎［见图5-2(a) p143］。当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波强度己很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。这种破裂方式亦称“片落”［见图5-2(b) p143］。随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗范围内的岩石完全拉裂为止。因此岩石破碎的主要部分是入射波和反射波作用的结果，爆生气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。 该理论的试验基础是岩石杆件的爆破试验（亦称为霍普金森杆件试验）和板件爆破试验。杆件爆破试验是用长条岩石杆件，在一端安置炸药爆炸，则靠炸药一端的岩石被炸碎，而另一端岩石也被拉断成许多块，杆件中间部分没有明显破坏，如图5-3（p143）所示。板件爆破试验是在松香平板模型的中心钻一小孔，插入雷管引爆，除平板中心形成和类似同心圆的破碎区外，在平板的边缘部分形成了由自由面向中心发展的拉裂区，如图5-4（p143）所示。这些试验说明了拉伸波对岩石的破坏作用。这种理论也称为动作用理论。 5.2.3 爆生气体和应力波共同作用理论 该理论认为，实际爆破中，爆生气体膨胀和爆炸应力波都对岩石破坏起作用，是其共同作用的结果。 而哪一种作用是主要作用，应根据不同的情况来确定。经验表明：对松软的塑性土壤，波阻抗很低，应力波衰减很大，这类岩土的破坏主要靠爆生气体的膨胀作用。而对致密坚硬的高波阻抗岩石，应主要靠爆炸应力波的作用，才能获得较好的爆破效果。 即这种理论认为：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。因此，岩石的爆破破坏与岩石特性和装药条件等因素有关，即不同岩性选用炸药不同，应使其波阻抗相互匹配。为此将岩石和炸药按波阻抗值分为三类： 第一类，高阻抗岩石。其波阻抗为15～25 MPa.s/m，其破坏主要取决于应力波，包括入射波和反射波，应选用高波阻抗、高猛度、高爆速炸药。 第二类，中阻抗岩石。其波阻抗为5～15 MPa.s/m