巖石爆破作用基本原理和作用

1、巖石爆破作用基本原理 在鐵路建設、水利工程、采礦工程以及其它土石方工程中，爆破是目前應用最為廣泛、最為有效的一種破巖手段。為了優(yōu)化爆破參數(shù)，必須了解巖石在爆破作用下的破碎機理、裝藥量的計算原理以及各種相關因素對爆破效果的影響。施工人員正在鉆孔錄像資料由武漢理工大學爆破研究所提供武漢理工大學爆破研究所在山東博萊進行高速公路邊坡光面爆破 由于巖石是一種非均質、各向異性的介質，爆炸本身又是一個高溫高壓高速的變化過程，炸藥對巖石破壞的整個過程在幾十微秒到幾十毫秒內就完成了，因此研究巖石爆破作用機理是一項非常復雜和困難的工作。鉆孔工人正在進行光面爆破的鉆孔 隨著測試技術的進步，相關科學的發(fā)展和引入，以及

2、各類工程對爆破規(guī)模和質量要求的不斷提高，巖石爆破作用原理的研究取得了許多新的進展，建立了一些新的學說和理論體系，提出了很多計算模型和計算公式，盡管這些研究成果還不很完善，但它們基本上反映了巖石爆破作用中的某些客觀規(guī)律，對爆破實踐具有一定的指導意義和應用價值?？茖W技術是第一生產力第一節(jié) 巖石爆破破碎原因的幾種學說 一、爆轟氣體壓力作用學說( explosion gas failure theory) 這種學說從靜力學觀點出發(fā)，認為巖石的破碎主要是由于爆轟氣體（explosion gas）的膨脹壓力引起的。這種學說忽視了巖體中沖擊波和應力波（stress wave）的破壞作用，其基本觀點如下：某

3、待 爆 破 的 山 體 藥包爆炸時，產生大量的高溫高壓氣體，這些爆炸氣體產物迅速膨脹并以極高的壓力作用于藥包周圍的巖壁上，形成壓應力場。當巖石的抗拉強度低于壓應力在切向衍生的拉應力時，將產生徑向裂隙。理論研究 作用于巖壁上的壓力引起巖石質點的徑向位移，由于作用力的不等引起徑向位移的不等，導致在巖石中形成剪切應力。當這種剪切應力超過巖石的抗剪強度時，巖石就會產生剪切破壞。當爆轟氣體的壓力足夠大時，爆轟氣體將推動破碎巖塊作徑向拋擲運動。某 山 體 爆 破 二、應力波作用學說（shock wave failure theory） 這種學說以爆炸動力學為基礎，認為應力波是引起巖石破碎的主要原因。這種學

4、說忽視了爆轟氣體的破壞作用，其基本觀點如下： 爆轟波沖擊和壓縮著藥包周圍的巖壁，在巖壁中激發(fā)形成沖擊波并很快衰減為應力波。 此應力波在周圍巖體內形成裂隙的同時向前傳播，當應力波傳到自由面時，產生反射拉應力波（圖4-1）。 當拉應力波的強度超過自由面處巖石的動態(tài)抗拉強度時，從自由面開始向爆源方向產生拉伸片裂破壞，直至拉伸波的強度低于巖石的動態(tài)抗拉強度處時停止。缺陷 應力波作用學說只考慮了拉應力波在自由面的反射作用，不僅忽視了爆轟氣體的作用，而且也忽視了壓應力的作用，對拉應力和壓應力的環(huán)向作用也未予考慮。實際上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作用為主。 三、應力波和爆轟氣體壓力共同作用學說 這種學說認

5、為，巖石的破壞是應力波和爆轟氣體共同作用的結果。這種學說綜合考慮了應力波和爆轟氣體在巖石破壞過程中所起的作用，更切合實際而為大多數(shù)研究者所接受。其基本觀點如下： 理論研究 爆轟波波陣面的壓力和傳播速度大大高于爆轟氣體產物的壓力和傳播速度。 爆轟波首先作用于藥包周圍的巖壁上，在巖石中激發(fā)形成沖擊波并很快衰減為應力波。沖擊波在藥包附近的巖石中產生“壓碎”現(xiàn)象，應力波在壓碎區(qū)域之外產生徑向裂隙。 隨后，爆轟氣體產物繼續(xù)壓縮被沖擊波壓碎的巖石，爆轟氣體“楔入”在應力波作用下產生的裂隙中，使之繼續(xù)向前延伸和進一步張開。當爆轟氣體的壓力足夠大時，爆轟氣體將推動破碎巖塊作徑向拋擲運動。 對于不同性質的巖石和

6、炸藥，應力波與爆轟氣體的作用程度是不同的。 在堅硬巖石、高猛度炸藥、偶合裝藥或裝藥不偶合系數(shù)（本章第五節(jié)）較小的條件下，應力波的破壞作用是主要的； 在松軟巖石、低猛度炸藥、裝藥不偶合系數(shù)較大的條件下，爆轟氣體的破壞作用是主要的。某土石方爆破后形成的爆堆圖4-1 反射拉伸波破壞過程示意圖1-壓應力波波頭；2-反射拉應力波波頭第二節(jié) 單個藥包的爆破作用 為了分析巖體的爆破破碎機理，通常假定巖石是均勻介質，并將裝藥簡化為在一個自由面條件下的球形藥包。球形藥包的爆破作用原理是其它形狀藥包爆破作用原理的基礎。圖4-2 爆破的內部作用R0-藥包半徑；R1-粉碎區(qū)半徑；R2-破裂區(qū)半徑圖4-3 破裂區(qū)裂隙的

7、形成（管伯倫）r-徑向壓應力；-切向拉應力；r-徑向拉應力；-切向壓應力某 經 過 光 面 爆 破 的 巖 石 一、爆破的內部作用 當藥包在巖體中的埋置深度很大，其爆破作用達不到自由面時，這種情況下的爆破作用叫作爆破的內部作用，相當于單個藥包在無限介質中的爆破作用。巖石的破壞特征隨離藥包中心距離的變化而發(fā)生明顯的變化。 根據(jù)巖石的破壞特征，可將偶合裝藥（見本章第五節(jié)）條件下，受爆炸影響的巖石分為三個區(qū)域（圖4-2）。 粉碎區(qū) 當密閉在巖體中的藥包爆炸時，爆轟壓力在數(shù)微秒內急劇增高到數(shù)萬兆帕，并在藥包周圍的巖石中激發(fā)起沖擊波，其強度遠遠超過巖石的動態(tài)抗壓強度。在沖擊波的作用下，對于堅硬巖石，在此

8、范圍內受到粉碎性破壞，形成粉碎區(qū)；對于松軟巖石（如頁巖、土壤等），則被壓縮形成空腔，空腔表面形成較為堅實的壓實層，這種情況下的粉碎區(qū)又稱為壓縮區(qū)。 一些學者的理論研究表明：對于球形裝藥，粉碎區(qū)半徑一般是藥包半徑的（）倍；對于柱形裝藥，粉碎區(qū)半徑一般是藥包半徑的（）倍。雖然粉碎區(qū)的范圍不大，但由于巖石遭到強烈粉碎，能量消耗卻很大。因此，爆破巖石時，應盡量避免形成壓碎區(qū)。 破裂區(qū) 在粉碎區(qū)形成的同時，巖石中的沖擊波衰減成壓應力波。在應力波的作用下，巖石在徑向產生壓應力和壓縮變形，而切向方向將產生拉應力和拉伸變形。由于巖石的抗拉強度僅為其抗壓強度的十至五十分之一，當切向拉應力大于巖石的抗拉強度時，該

9、處巖石被拉斷，形成與粉碎區(qū)貫通的徑向裂隙（crack），如圖4-3（a）所示。 隨著徑向裂隙的形成，作用在巖石上的壓力迅速下降，藥室周圍的巖石隨即釋放出在壓縮過程中積蓄的彈性變形能，形成與壓應力波作用方向相反的拉應力，使巖石質點產生反方向的徑向運動。 當徑向拉應力大于巖石的抗拉強度時，該處巖石即被拉斷，形成環(huán)向裂隙，如圖4-3(b)所示。 在應力波和爆轟氣體的共同作用下，隨著徑向裂隙、環(huán)向裂隙和切向裂隙的形成、擴展和貫通，在緊靠粉碎區(qū)處就形成了一個裂隙發(fā)育的區(qū)域，稱為破裂區(qū)。 震動區(qū) 在破裂區(qū)外圍的巖體中，應力波和爆轟氣體的能量已不足以對巖石造成破壞，應力波的能量只能引起該區(qū)域內巖石質點發(fā)生彈

10、性振動，這個區(qū)域稱為震動區(qū)。在震動區(qū)，由于地震波的作用，有可能引起地面或地下建筑物、構筑物的破裂、倒塌，或導致路塹邊坡滑坡、隧道冒頂片幫等災害。 二、爆破漏斗（crater） 當單個藥包在巖體中的埋置深度不大時，可以觀察到自由面上出現(xiàn)了巖體開裂、鼓起或拋擲現(xiàn)象。這種情況下的爆破作用叫作爆破的外部作用，其特點是在自由面上形成了一個倒圓錐形爆坑，稱為爆破漏斗，如圖4-4所示。 （一 ）爆破漏斗的幾何要素 自由面（free face）是指被爆破的介質與空氣接觸的面，又叫臨空面。 最小抵抗線（minimum burden）是指藥包中心距自由面的最短距離。爆破時，最小抵抗線方向的巖石最容易破壞，它是爆破

11、作用和巖石拋擲的主導方向。 3. 爆破漏斗半徑（crater radius）是指形成倒錐形爆破漏斗的底圓半徑。常用r表示爆破漏斗半徑。 4. 爆破漏斗破裂半徑，又叫破裂半徑，是指從藥包中心到爆破漏斗底圓圓周上任一點的距離。圖4-4中的R表示爆破漏斗破裂半徑。 5. 爆破漏斗深度。爆破漏斗頂點至自由面的最短距離叫爆破漏斗深度。圖4-4中的H表示爆破漏斗深度。圖4-4 爆破漏斗的幾何要素 6. 爆破漏斗可見深度。爆破漏斗中碴堆表面最低點到自由面的最短距離叫爆破漏斗可見深度。，如圖4-4中h所示。 7. 爆破漏斗張開角，即爆破漏斗的頂角，如圖4-4中的所示。 （二）爆破作用指數(shù)（crater ind

12、ex）。爆破漏斗底圓半徑與最小抵抗線的比值稱為爆破作用指數(shù)，用n表示，即： （4-1） 爆破作用指數(shù)n在工程爆破中是一個極重要的參數(shù)。 爆破作用指數(shù)n值的變化，直接影響到爆破漏斗的大小、巖石的破碎程度和拋擲效果。 （三）爆破漏斗的分類。根據(jù)爆破作用指數(shù)n值的不同，將爆破漏斗分為以下四種。 1. 標準拋擲爆破漏斗。如圖4-5之(a)所示，當r=W，即n=1時，爆破漏斗為標準拋擲爆破漏斗，漏斗的張開角=90。形成標準拋擲爆破漏斗的藥包叫做標準拋擲爆破藥包。 2.加強拋擲爆破漏斗。如圖45(b)所示，當rW，即n1時，爆破漏斗為加強拋擲爆破漏斗，漏斗的張開角90。形成加強拋擲爆破漏斗的藥包，叫做加強

13、拋擲爆破藥包。 3.減弱拋擲爆破漏斗。如圖45(c)所示，當n1時，爆破漏斗為減弱拋擲爆破漏斗，漏斗的張開角90。形成減弱拋擲爆破漏斗的藥包，叫做減弱拋擲爆破藥包，減弱拋擲爆破漏斗又叫加強松動爆破漏斗。 4.松動爆破漏斗。如圖45(d)所示，當0n時，爆破漏斗為松動爆破漏斗，這時爆破漏斗內的巖石只產生破裂、破碎而沒有向外拋擲的現(xiàn)象。從外表看，沒有明顯的可見漏斗出現(xiàn)。 工程中常用二三個以上炮孔或峒室的群藥包進行爆破。群藥包爆破是單個藥包爆破的組合，通過調整群藥包的藥包間距和起爆時間順序，采用諸如光面爆破、預裂爆破、微差爆破、擠壓爆破等爆破技術，可以充分發(fā)揮單個藥包的爆破作用，達到單個藥包分次起爆

14、所不能達到的爆破效果（詳見后續(xù)章節(jié)的內容，此不贅述）。某土石方爆破工程圖4-5 爆破漏斗分類第三節(jié) 體積公式 目前，在巖土工程爆破中，精確計算裝藥量(charge quantity)的問題尚未得到十分圓滿的解決。工程技術人員更多的是在各種經驗公式的基礎上，結合實踐經驗確定裝藥量。其中，體積公式是裝藥量計算中最為常用的一種經驗公式。 一、體積公式的計算原理 在一定的炸藥和巖石條件下，爆落的土石方體積與所用的裝藥量成正比。這就是體積公式的計算原理。體積公式的形式為： Q=kV （4-2） 式中： Q 裝藥量，kg ; k 單位體積巖石的炸藥消耗量，kg/m3 ; V 被爆落的巖石體積，m3 。 二

15、、集中藥包的藥量計算 1.集中藥包（concentrated charge）的標準拋擲爆破:根據(jù)體積公式的計算原理，對于采用單個集中藥包進行的標準拋擲爆破，其裝藥量可按照下式來計算： QbkbV （4-3） 式中： Qb 形成標準拋擲爆破漏斗的裝藥量，kg； kb 形成標準拋擲爆破漏斗的單位體積巖石 的炸藥消耗量，一般稱為標準拋擲爆破 單位用藥量系數(shù)，kg/m3; V 標準拋擲爆破漏斗的體積，m3。式（4-3）中V值的大小為： （4-4）式中： r 爆破漏斗底圓半徑，m； W 最小抵抗線；m。對于標準拋擲爆破漏斗， ，即rW ， 所以 （4-5）數(shù)學是科學研究的重要手段 將（4-5）式代入（4

16、-3）式，得 QbkbW3 (4-6 ) 式（4-6）即集中藥包的標準拋擲爆破裝藥量計算公式。 2. 集中藥包的非標準拋擲爆破 在巖石性質、炸藥品種和藥包埋置深度都不變動的情況下，改變標準拋擲爆破的裝藥量，就形成了非標準拋擲爆破。當裝藥量小于標準拋擲爆破的裝藥量時，形成的爆破漏斗底圓半徑變小， n 1，為加強拋擲爆破。 可見非標準拋擲爆破的裝藥量是爆破作用指數(shù)n的函數(shù)，因此可以把不同爆破作用的裝藥量用下面的計算通式來表示： Q = f(n)kbW3 (4-7) 式中：f(n) 爆破作用指數(shù)函數(shù) 對于標準拋擲爆破f(n)，減弱拋擲爆破或松動爆破f(n)1。 f(n)具體的函數(shù)形式有多種，各派學者

17、的觀點不一，我國工程界應用較為廣泛的是前蘇聯(lián)學者鮑列斯闊夫提出的經驗公式： 3 (4-8) 鮑列斯闊夫公式適用于拋擲爆破裝藥量的計算，將（4-8）式代入（4-7）式，得到集中藥包拋擲爆破裝藥量的計算通式： 3)kbW3 (4-9) 應用(4-9)式計算加強拋擲爆破的裝藥量時，結果與實際情況比較接近。但是，當最小抵抗線W大于25m時，用（4-9）式計算出來的裝藥量偏小，應乘以修正系數(shù) Qp= (0.40.6n3)kbW3 (4-10) 集中藥包松動爆破的裝藥量可按下式計算： Qs= ksW3 (4-11) 式中:Qs集中藥包形成松動爆破的裝藥量，kg； ks 集中藥包形成松動爆破的單位體積巖石的

18、炸藥消耗量，一般稱為松動爆破的單位用藥量系數(shù)，kg/m3 ; 工程經驗表明，ks與kb之間存在著以下關系： ksf(n)kb kb （4-12） 即集中藥包松動爆破的單位用藥量約為標準拋擲爆破單位用藥量的三分之一到二分之一。松動爆破的裝藥量公式可以表示為： Qs= （）kbW3 （4-13） 三、延長藥包的藥量計算 延長藥包（extended charge）是在工程爆破中應用最為廣泛的藥包。如炮眼爆破法和深孔爆破法中使用的柱狀藥包(column charge)以及峒室爆破法中使用的條形藥包（linear charge）都屬于延長藥包。 延長藥包是相對于集中藥包而言的，當藥包的長度和它橫截面的直

19、徑（或最大邊長）之比值 大于某一值時，叫做延長藥包。 值大小的規(guī)定目前尚未統(tǒng)一。就圓柱形裝藥而言，通常當 4時，即視為延長藥包。 實際上，要真正起到延長藥包的作用，藥包的長度要超過藥包直徑17倍以上。 1. 延長藥包垂直于自由面 掘進隧道時，炮眼爆破法的柱狀裝藥就是延長藥包垂直于自由面的一種形式（圖4-6）。這種情況下炸藥爆炸時易受到巖體的夾制作用，但一般仍能形成倒圓錐的漏斗，只是易殘留炮窩。 計算裝藥量時，仍可按體積公式來計算。 Q=kbf(n)W3 （4-14） 式中：Q-裝藥量，kg； W-最小抵抗線，m；W= l2- 堵塞長度，m；l1- 裝藥長度,m。 需要說明的是，在淺眼爆破中，由

20、于鑿巖機所鉆的眼徑較小，炮眼內往往容納不下由（4-14）式計算所得的裝藥量。在這種情況下，需要多打炮眼以容納計算的藥量。 在隧道爆破設計時，常用（5-4）式計算每掘進循環(huán)的總裝藥量，然后根據(jù)斷面尺寸和循環(huán)進尺確定單孔裝藥量。 延長藥包垂直于自由面的爆破，實際上是在一個自由面條件下的密集炮眼群爆破。圖4-6 柱狀裝藥垂直自由面 圖4-7 柱狀裝藥平行于自由面 2. 延長藥包平行于自由面 深孔爆破靠近邊坡炮孔的裝藥和峒室爆破采用的條形藥包都是延長藥包平行于自由面的具體形式。延長藥包爆破后形成的爆破漏斗是一個V形橫截面的爆破溝槽。設V形溝槽的開口寬度為2r，溝槽深度W，當rW 時， =1，稱為標準拋

21、擲爆破溝槽。如圖4-7所示。 Q = kbV=kbr Wl = kbW 2l 即Q = kbW2l （4-15） 對于形成非標準拋擲爆破溝槽的情況,裝藥量的計算公式應考慮爆破作用指數(shù)n的影響，于是： Q = f(n)kbW2l （4-16） 式中：Q 延長藥包的裝藥量，kg； f(n) 與爆破作用指數(shù)有關的經驗公式； W 延長藥包的最小抵抗線，m； l 延長藥包的裝藥長度，m。 對于硐室爆破中使用的條形藥包，裝藥量的計算公式可以表示為： Qt = f(n)kbW2 （4-17） 式中：Qt - 條形藥包單位長度裝藥量，kg/m； 式（4-17）中的f(n)為經驗公式，形式多樣，各不相同。 我國

22、使用較多的是原蘇聯(lián)學者鮑列斯闊夫和阿夫捷也夫提出的經驗公式： f(n) 鮑列斯闊夫公式阿夫捷也夫公式 f(n) （4-18） （4-19） 上述公式中，n為爆破作用指數(shù)， 我國爆破工程技術人員也提出了一些f(n)經驗公式，其中由鐵道科學研究院提出的公式如下：f(n) （4-20） 第四節(jié) 爆破參數(shù)的意義和選擇 一、單位用藥量系數(shù)kb和ks kb是指單個集中藥包形成標準拋擲爆破漏斗（n1）時，爆破每一立方米巖石或土壤所消耗的2號巖石銨梯炸藥的重量，稱作標準拋擲爆破單位用藥量系數(shù)，簡稱標準單位用藥量系數(shù)。 ks則是指單個集中藥包形成松動爆破漏斗時（一般），爆破每一立方米巖石或土壤所消耗的2號巖石銨

23、梯炸藥的重量，稱作松動爆破單位用藥量系數(shù)。概念 kb與ks相對于同類巖石來講，存在式（4-12）的關系。 因此，工程實際中常先選擇kb值再決定ks的值。 選擇kb或ks時，應考慮多方面的影響因素來加以確定，主要有以下幾個途徑： 1. 查表。對于普通的巖土爆破工程，kb和ks的值可由查表得出。拆除爆破中有關磚混結構、鋼筋混凝土結構的單位用藥量系數(shù)可由第八章的相關表格中查處。這些表都是對2號巖石銨梯炸藥而言的，使用其它炸藥時應乘以炸藥換算系數(shù)e（見表4-1）。 2. 采用工程類比的方法，參照條件相近工程的單位用藥量系數(shù)確定kb或ks的值。在工程實際中，用這個途徑更為現(xiàn)實、可靠。 3. 采用標準拋擲

24、爆破漏斗試驗確定kb。理論上講，形成標準拋擲爆破漏斗的裝藥量Q與其所爆落的巖體體積之比即為kb的值。 （ 接下頁） 但是，在試驗中恰好爆成一個標準拋擲爆破漏斗是很困難的，因此，在試驗中常根據(jù)（4-9）式計算kb的值，即 （4-21） 試驗時，應選擇平坦地形，地質條件要與爆區(qū)一樣，選取的最小抵抗線W應大于1米，采用集中藥包。根據(jù)最小抵抗線W、裝藥量Q以及爆后實測的爆破漏斗底圓半徑r，計算n值并由式（4-21）計算kb值。試驗應進行多次，并根據(jù)各次的試驗結果選取接近標準拋擲爆破漏斗的裝藥量。 需要指出的是，kb和ks都只是集中藥包爆破時裝藥量與所爆落巖體體積之間的一個關系系數(shù)。當群藥包共同作用時，

25、群藥包的總裝藥量與群藥包一次爆落的巖體總體積的比值稱為單位耗藥量，簡稱炸藥單耗，用字母q來表示，即：q （4-22） 式中 q 單位耗藥量； 群藥包總裝藥量，kg； 群藥包一次爆落的巖體總體積。 一般只有在單個集中藥包爆破時，kb或ks才與 q相等。在群藥包爆破設計中，kb和ks只用來計算單個藥包的裝藥量。單位耗藥量也是一個經濟指標，可用來衡量爆破工程的經濟效益，是爆破工程預算的重要指標之一。 二、最小抵抗線W 最小抵抗線W的確定方法根據(jù)爆破方法的不同而有所區(qū)別。對于硐室爆破、藥壺法爆破以及其它采用集中藥包的爆破方法，最小抵抗線W是從藥包中心到地面或臨空面的的最短距離圖4-8（a）；而采用延長

26、藥包爆破的炮眼法爆破（淺眼爆破、深孔爆破），最小抵抗線W則是從藥包長度的中心到距該中心最近臨空面的最短距離圖4-8（b）。 有區(qū)別哦圖4-8 各種爆破方法的最小抵抗線 三、爆破作用指數(shù)n值 n值是表示爆破漏斗大小的一個重要指標，是一個無量綱參數(shù)。通過n值，我們可以判斷爆破工程的性質。同時，也是分析爆破的效果和經濟效益的重要依據(jù)。為了獲得良好的爆破效果，在選擇n值時，可參考以下原則： 1對于拋擲爆破，n值的大小可根據(jù)地面坡度的大小選取： 20時 2.0 2030時 1.75 3045時 1.5 4560時 1.25 60時 1.0 對于多排藥包爆破，后排藥包的n值應比前排藥包加大，以克服前排藥包

27、爆破產生的阻力。但是在任何情況下，對于拋擲和揚棄爆破n值都不應大于3。因為當n3后，n值對爆破效果的影響就不大了。 2松動爆破的n值。式（4-12）表明，松動爆破的爆破作用指數(shù)函數(shù)f(n)的形式與鮑列斯闊夫的經驗公式（4-8）不同。事實上，松動爆破后通常不出現(xiàn)可見的爆破漏斗，即多數(shù)情況下松動爆破的爆破作用指數(shù)n 0，所以就無法用n值表達爆破松動的情況。因此，在工程中一般只是借用爆破作用指數(shù)函數(shù)f(n)的形式來計算松動爆破的裝藥量。 下面是不同類型松動爆破的f(n)值 最大的內部作用藥包 ； 減弱松動藥包 ； 正常松動藥包 ； 加強松動藥包 ； 為了達到松動爆破的爆破目的， 對于上述取值范圍，f

28、(n)一般不宜超過上限，即使在巖石堅硬完整的情況下也應遵守這個原則。 第五節(jié) 影響爆破效果的因素 影響爆破效果的因素很多，本節(jié)就炸藥性能、地質條件、裝藥結構、堵塞以及起爆方式等爆破工程中影響爆破效果的共性問題進行闡述。后面的章節(jié)中還將對影響爆破效果的其它一些因素進行論述。 一、炸藥性能對爆破效果的影響 炸藥的密度、爆熱、爆速、作功能力和猛度等性能指標，反映了炸藥爆炸時的作功能力，直接影響炸藥的爆炸效果。增大炸藥的密度和爆熱，可以提高單位體積炸藥的能量密度，同時提高炸藥的爆速、猛度和作功能力。煤礦許用銨梯炸藥2號巖石炸藥巖石膨化硝銨炸藥 但是品種、型號一定的工業(yè)炸藥其各項性能指標符合相應的國家標

29、準或行業(yè)標準，做為工業(yè)炸藥的用戶，工程爆破領域的技術人員一般不能變動這些性能指標。 即使象銨油炸藥、水膠炸藥或乳化炸藥這些可以在現(xiàn)場混制的炸藥，過分提高其爆熱，也會造成炸藥成本的大幅度提高。 另外，工業(yè)炸藥的密度也不能進行大幅度的變動，例如當銨梯炸藥的密度超過其極限值后，就不能穩(wěn)定爆轟。因此，根據(jù)爆破對象的性質，合理選擇炸藥品種并采取適宜的裝藥結構，從而提高炸藥能量的有效利用，是改善爆破效果的有效途徑。 爆速是炸藥本身影響其能量有效利用的一個重要性能指標。不同爆速的炸藥，在巖體內爆炸激起的沖擊波和應力波的參數(shù)不同，從而對巖石爆破作用及其效果有著明顯的影響。 巖石（或其它介質）的密度同巖石（或其

30、它介質）縱波速度的乘積，稱為該巖石（或介質）的波阻抗(wave impedance)。它的物理意義是：在巖石（或其它介質）中引起擾動使質點產生單位振動速度所必需的應力。 波阻抗大，產生單位振動速度所需的應力就大；反之，波阻抗小，產生單位振動速度所需的應力就小。因此，波阻抗反映了巖石（或其它介質）對波傳播的阻尼作用。炸藥的密度與其爆速的乘積稱作炸藥的波阻抗?？茖W研究離不開實驗 實驗表明，當炸藥或鑿巖機釬桿的波阻抗值同巖石的波阻抗值愈接近，炸藥或釬桿傳給巖石的能量就愈多，在巖石中所引起的破碎程度也愈大。從能量觀點來看，為提高炸藥能量的有效利用，炸藥的波阻抗應盡可能與所爆破巖石的波阻抗相匹配。因此，

31、巖石的波阻抗愈高，所選用炸藥的密度和爆速應愈大。 求算e值。也可以根據(jù)上述兩式的平均值求算e值，即 。常用炸藥的換算系數(shù)e值列于表4-2中。事實上，用作功能力和猛度兩個指標確定炸藥的換算系數(shù)具有一定的局限性，必要時，可以通過比較爆破漏斗試驗法確定e值。 二、地質條件對爆破效果的影響 露天工程爆破的實踐證明，爆破效果的好壞，在很大程度上取決于爆區(qū)地質條件的好壞以及爆破設計是否充分考慮到地質條件與爆破作用之間的的關系。 國內外爆破專業(yè)人員越來越多地認識到爆破與地質結合的重要性。爆破工程地質正在朝著形成一個新學科的方向發(fā)展。 爆破工程地質著重研究地形地質條件對爆破效果、爆破安全及爆破后巖體穩(wěn)定性的影

32、響，涉及地形、巖性、地質構造和水文地質諸方面。這里僅舉幾個例子，說明自由面及不良地質構造對爆破效果的影響。 1. 自由面對爆破效果的影響 在爆破工程中自由面的作用是非常重要的。有了自由面，爆破后的巖石才能向這個面破壞和移動。增加自由面的個數(shù)，可以在明顯改善爆破效果的同時，顯著地降低炸藥消耗量。合理地利用地形條件或人為地創(chuàng)造自由面，往往可以達到事半功倍的效果。 圖4-9 很形象地說明了自由面?zhèn)€數(shù)對爆破效果的影響。圖中（a）表示只有一個自由面時的情況，圖中（b）表示具有兩個自由面時的情況。如果巖石是均質的，而且其它條件相同，那么圖中（b）條件下所爆下的巖石體積幾乎為（a）條件下的兩倍。圖4-9 自

33、由面對爆破效果的影響 2. 斷層對爆破效果的影響 實踐證明，在藥包爆破作用范圍內的斷層（fault）或大裂隙能影響爆破漏斗的大小和形狀，從而減少或增加爆破方量，使爆破不能達到預定的拋擲效果甚至引起爆破安全事故。因此，在布置藥包時，應查明爆區(qū)斷層的性質、產狀和分布情況，以便結合工程要求盡可能避免其影響。 圖4-10中的藥包布置在斷層的破碎帶中。當斷層內的破碎物膠結不好時，爆炸氣體將從斷層破碎帶沖出，造成沖炮并使爆破漏斗變小。圖4-11中的藥包位于斷層的下面。爆破后，爆區(qū)上部斷層上盤的巖體將失去支撐，在重力的作用下順斷層面下滑，從而使爆破方量增大，甚至造成原設計爆破影響范圍之外的建筑物損壞。 3.

34、 溶洞對爆破效果的影響 在巖溶地區(qū)進行大爆破時，地下溶洞對爆破效果的影響不容忽視。溶洞能改變最小抵抗線的大小和方向，從而影響裝藥的拋擲方向和拋擲方量（圖4-12）。爆區(qū)內小而分散的溶洞和溶蝕溝縫，能吸收爆炸能量或造成爆破漏氣，造成爆破不勻，產生大塊。 溶洞還可以誘發(fā)沖炮、塌方和陷落，嚴重時會造成爆破安全事故。對于深孔爆破，地下溶洞會使炮孔容藥量突然增大，產生異常拋擲和飛石（圖4-13）。危險！圖4-10 藥包布置在斷層中 圖4-11藥包布置在斷層下1-藥室；F-斷層；R1-實際下破裂線R2-設計下破裂線；R1-實際上破裂線R2-設計上破裂線圖4-12 溶洞對拋擲方向的影響 圖4-13 溶洞對深

35、孔爆破的影響 三、裝藥結構對爆破效果的影響 炸藥在被爆介質內的安置方式稱為裝藥結構。這里著重討論炮眼爆破法中裝藥結構對爆破效果的影響。根據(jù)炮眼內藥卷與炮眼、藥卷與藥卷之間的關系，炮眼爆破法中的裝藥結構可以分為以下幾種： 溫州闌尾樓裝藥結構一瞥 按藥卷與炮眼在徑向的關系分為 偶合裝藥（coupling charge）：藥卷與炮眼在徑向無間隙圖4-14（a），如散裝藥。 不偶合裝藥(decoupling charge)：藥卷與炮眼在徑向有間隙，間隙內可以是空氣或其它緩沖材料圖4-14（b），如水、砂等。 按藥卷與藥卷在炮眼軸向的關系分為 連續(xù)裝藥（continuos charge）：藥卷與藥卷在炮

36、眼軸向緊密接觸圖4-14（c）。 間隔裝藥（spaced charge）：藥卷（或藥卷組）之間在炮眼軸向存在一定長度的空隙，空隙內可以是空氣、炮泥、木墊或其它材料圖4-14（d） 。 圖4-14 裝藥結構(a)偶合裝藥；(b) 不偶合裝藥；(c) 正向連續(xù)裝藥；(d) 正向空氣間隔裝藥；(e) 反向連續(xù)裝藥 1-炸藥；2-炮眼壁；3-藥卷；4-雷管；5-炮泥； 6-腳線；7-竹條；8-綁繩 偶合裝藥或散裝藥(bulk loading)時，裝藥直徑即炮眼直徑； 不偶合裝藥時，裝藥直徑一般指藥卷直徑(cartridge diameter)。炮孔直徑與裝藥直徑之比稱為不偶合系數(shù)(decoupling

37、 index)。散裝藥時，不偶合系數(shù)為1。這個概念很重要 理論研究、實驗室試驗和工程實踐證明，在一定的巖石和炸藥條件下，采用不偶合裝藥或空氣間隔裝藥具有下列優(yōu)點： 1.可以增加炸藥用于破碎或拋擲巖石能量的比例，提高炸藥能量的有效利用率。 2.改善巖石破碎的均勻度，降低大塊率，從而使裝巖效率得到提高。 3.降低炸藥消耗量。 4. 能有效地保護爆破時形成的新自由面。 這兩種裝藥結構,特別是不偶合裝藥結構在光面爆破和預裂爆破中得到廣泛的應用。 堵塞（tamping）就是針對不同的爆破方法采用相應的材料，將巖體中通向藥室(chamber)的通道填實。堵塞的目的是：保證炸藥充分反應，使之產生最大熱量，防

38、止炸藥不完全爆轟；防止高溫高壓的爆轟氣體過早地從炮眼或導洞中逸出，使爆炸產生的能量更多地轉換成破碎巖體的機械功，提高炸藥能量的有效利用率。 四、堵塞對爆破效果的影響 圖4-16表示在有堵塞和無堵塞的炮孔中，壓力隨時間變化的關系。從圖中可以看出，在有堵塞和無堵塞兩種條件下，爆炸作用對炮孔壁的初始沖擊壓力雖然沒有很大的影響，但是堵塞卻明顯增大了爆轟氣體作用在孔壁上的壓力和壓力作用的時間，從而大大提高了它對巖石的破碎和拋擲作用。 不同的爆破方法所使用的堵塞材料、堵塞長度和堵塞方式不完全相同。 圖4-16 堵塞對爆破作用的影響a-有堵塞；b-無堵塞 五、起爆點位置對爆破效果的影響 起爆用的雷管或起爆藥

39、柱在裝藥中的位置稱為起爆點(initiation point)。在炮眼爆破法中，根據(jù)起爆點在裝藥中的位置和數(shù)目，將起爆方式分為正向起爆（collar firing ）、反向起爆（bottom firing )和多點起爆(multipoint priming)。 單點起爆時，如果起爆點位于裝藥靠近炮眼口的一端，爆轟波傳向眼底，稱為正向起爆圖4-14(c)、(d)。反之，當起爆點置于裝藥靠近眼底的一端，爆轟波傳向眼口，就稱為反向起爆圖4-14(e) 。當在同一炮眼內設置一個以上的起爆點時，稱為多點起爆。沿裝藥全長敷設導爆索起爆，是多點起爆的一個極端形式，相當于無窮多個起爆點。 試驗和經驗表明，起爆

40、點位置是影響爆破效果的重要因素。在巖石性質、炸藥用量和炮眼深度一定的條件下，與正向起爆相比，反向起爆可以提高炮眼的利用率，降低巖石的夾制作用，降低大塊率。在炮眼較深，起爆間隔時間較長以及炮眼間距較小的情況下，反向起爆可以消除采用正向起爆時容易出現(xiàn)的一些情況，如起爆藥卷被鄰近炮眼內的裝藥爆破“壓死（dead pressed）”或提前炸開的現(xiàn)象。 與正向起爆相比，反向起爆也有其不足之處。例如，需要長腳線雷管，裝藥比較麻煩；在有水深孔中起爆藥包容易受潮；裝藥操作的危險性增加，機械化裝藥時靜電效應可能引起早爆（prematare explosion）等。 無論是正向起爆，還是反向起爆，巖體內的應力分布

41、都是很不均勻的，如果相鄰炮眼分別采用正、反向起爆，就能改善這種狀況。 采用多點起爆，由于爆轟波發(fā)生相互碰撞，可以增大爆炸應力波參數(shù)，包括峰值應力，應力波作用時間及其沖量，從而能夠提高巖石的破碎度。第六節(jié) 控制爆破技術 控制爆破（controlled blasting）：對爆破效果和爆破危險進行雙重控制的爆破技術，稱為控制爆破技術。廣東省東莞市水泥廠拆除工程武漢飯店拆除爆破錄像資料由武漢理工大學爆破研究所提供 危害：地震、飛石、空氣沖擊波、噪音、毒氣、粉塵、盲炮、粉碎性破壞、不定向裂隙、超欠挖。 分類：土石方控制爆破（采礦、巖土、交通、水利）；城市控制爆破。概念及特點 一、微差爆破（millis

42、econd delay blasting） 1 （1）定義：以毫秒數(shù)量級來控制相鄰炮孔或炮排之間的起爆間隔時間，這樣的順序起爆技術稱為微差爆破，又稱毫秒爆破。寧宿徐高速公路路基爆破錄像資料由滁州爆破公司提供（2）特點（優(yōu)）（1）地震效應低（指在等藥量的前提下）（2）一次爆破量大（同震級條件下）（3）單耗低（4）爆破塊度均勻，大塊率低（5）爆堆整齊、集中（6）能將飛石、空氣沖擊波危害減少2微差爆破作用機理（為何能改善爆破效果） 1）新自由面的產生 （1）巖石的夾制力變小 （2）巖石的強度下降 （3）提高了反射波能，使破壞加強 2）應力場疊加 先爆的炮孔產生的動態(tài)（靜態(tài)）應力場尚未消失之前，后爆炮

43、孔產生的動態(tài)（靜態(tài)）應力場能交叉疊加使應力加強。3）運動巖石的相互碰撞 （1）補充破碎 （2）使飛石和沖擊波能變?yōu)橛杏霉?（3）爆堆集中4）從時間、空間上分散了地震波能計算地震，用最大一段起爆藥量Q。 3微差間隔時間的確定 1）按產生應力疊加 先爆孔內壓力下降，巖石回彈出現(xiàn)拉伸應力波時，再起爆后排孔。 計算偏?。–p= n米/ms） 2）按形成補充自由面 觀測研究表明：從起爆到巖石被破壞和發(fā)生位移的時間，大約是應力波傳到自由面（W）所需時間的5-10倍。 經驗公式： ms K-統(tǒng)計數(shù)字，露天臺階常取25； 先爆孔剛好形成破裂漏斗，已明顯脫離瞬間，再起爆后一組，間隔2060ms。 3）按降低地震

44、效應最小的原則確定 （1）主震相剛好錯開 30-50ms （2）地震波相互干擾 以最大限度降低地震效應 t1-震動周期 實際中，由器材決定，一般孔間25-50 ms（1-2段）；排間50-100 ms（2-4段） 4控制微差間隔時間的方法 1）器材上： （1）毫秒電雷管 （2）導爆管雷管 （3）導爆索+毫秒繼爆管 （4）電力微差起爆器網路復雜 2）形式上分 （1）孔內微差：微差雷管在孔內（電雷管、導爆管雷管） （2）孔外微差：微差雷管在孔外（導爆管、導爆索、微差起爆器） （3）孔內分段微差：孔內分段間隔裝藥 二、擠壓爆破（留渣多排孔微差爆破） 定義：在W自由面前方留有一定厚度的爆堆，增加第一排

45、炮孔裝藥量（增加單耗）和相對延長微差時間（第一排響后與第二排之間的時間），從而提高炸藥能量利用率和改善爆破效果，稱為多排孔微差擠壓爆破。 原理： 阻止巖石前期運動，增加準靜應力場作用時間。 使空氣沖擊波、飛石能變成有用功，補充破碎， 減少了大塊。 優(yōu)點： 1.爆堆集中整齊，根底少； 2.塊度較小，爆破質量好； 3.個別飛石飛散距離小； 4.能貯存大量已爆礦巖，有利于均衡生產。 50年代出現(xiàn)，煤炭系統(tǒng)規(guī)定：永久性巷道必須用光面爆破，礦山邊坡。三、光面爆破柳州一桂林高速公路山石質路爆破 光面爆破（smooth blasting）是一種使爆出的新壁面保持平整，而不受明顯破壞的爆破技術，其特點是在設計

46、開挖輪廓線上鉆鑿一排孔距與最小抵抗線相匹配的光爆孔并采用不偶合裝藥或其它特殊的裝藥結構，在開挖主體的裝藥響炮之后，光爆孔內的裝藥同時起爆，從而形成一個貫穿光爆炮孔，光滑平整的開挖面。原理 1.優(yōu)點（特點） 爆面平整，凹凸度小，隧道5cm，邊坡20cm，光爆孔痕跡50%。 保持了圍巖的完整性和穩(wěn)定性。 避免應力集中，在深部巖壁表面可減少巖爆危險。 施工安全性好。 總掘進成本低，巷道支護、維修費用小。 2.光面爆破形成條件與機理 1）光面裂隙的形成條件和力學條件形成條件力學條件避免壓縮粉碎破壞r動壓避免不定向徑向裂隙T動拉2）保證光面裂隙形成的措施 減小爆破孔網參數(shù) 光面孔孔距a?。?020）d孔

47、；Wa。 減弱裝藥 選用D, q炸藥。 線裝藥密度：軟：70120 g/m中硬：100150 g/m 硬：150250 g/m不偶合裝藥不耦合系數(shù)同時起爆光面孔 3）機理 1 不偶合裝藥中，空氣間隔層緩沖消弱了爆炸沖擊作用，單孔使 r動壓,孔壁不致壓碎，T動拉，形成一條裂隙。 3 氣體尖劈作用，促進加速發(fā)展連心線上的裂隙。 4 相鄰的（密集）炮孔互為導向空孔作用，沿炮孔連心線上巖石強度下降，為光面裂隙形成提供了原始條件。 3.光面爆破參數(shù)設計 不偶合系數(shù) 合理的不偶合系數(shù)應使炮孔壓力低于孔壁巖石的動抗壓強度而高于動抗拉強度。不偶合系數(shù)通常采用，其中以用的較多。 光面炮孔間距a 炮孔間距一般為孔眼直徑的1020倍。在節(jié)理裂隙比較發(fā)育的巖石中應取小值，整體性好的巖石可取大值。 最小抵抗線W 光面層厚度或周邊眼至相鄰輔助眼間的距離是光面爆破的最小抵抗線，一般應大于光面孔眼的間距。在爆破中，為了使保留區(qū)巖壁光滑而不致破壞，抵抗線W也不宜過大，通常取W=（13）m，否則爆破后不能形成光滑的巖壁，達不到光面爆破的目的。因此對于露天深孔光面爆破的抵抗線W最好采用與鉆孔直徑d有關的關系式計算， 即W=（720）d 。 炮孔密集系數(shù)m m過大，爆后可能在光面眼間留下巖埂，造成欠挖；m過小，則會在新巖面上造成凹坑。實踐表明，當炮孔密集系數(shù)m時，光爆效果較好；硬巖取