工程爆破理論2課件

1、 工程爆破理論 工程爆破技術(shù)人員培訓(xùn)班講義 前 言 一. 目的1.掌握工程爆破理論的基本概念2.掌握工程爆破理論分析方法3.考試會(huì)答有關(guān)類似的試題二.解決應(yīng)用中的問題1. 一般土巖的淺眼工程爆破問題2. 洞室大爆破問題3. 深孔工程爆破問題4.地下工程開挖與掘進(jìn)爆破問題5.礦山爆破問題三 學(xué)習(xí)好工程爆破理論樹立全面的科學(xué)觀1. 能量守恒的基本觀念：（1）巖石爆破：炸藥的能量與巖石破碎需要能量的關(guān)系（2）拆除爆破：炸藥的能量與結(jié)構(gòu)破壞需要能量的關(guān)系 （3）有效的炸藥能量工程所需的巖石破碎狀態(tài)和結(jié)構(gòu)破壞程度的能量，工程技術(shù)人員研究的核心2、工程爆破理論與技術(shù)的關(guān)聯(lián)性（1）任何一個(gè)參數(shù)、一個(gè)公式和一

2、種工程爆破技術(shù)、爆破施工方法都是相關(guān)聯(lián)的，能有“舉一反三，觸類旁通”效果。 （2）洞室大爆破深孔等級(jí)爆破淺眼爆破爆破雕刻爆破粉碎結(jié)石，突出體現(xiàn)了炸藥能量在爆破對(duì)象中的“合理分布 ”原理，還可稱爆破能力控制力原理。 3、工程技術(shù)人員的應(yīng)掌握的工程知識(shí)4 巖石爆破理論研究的內(nèi)容（1）爆轟理論的研究（2）巖石特性（3）炸藥能量的轉(zhuǎn)換與傳遞（4）巖石動(dòng)態(tài)斷裂與破壞（5）計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值模擬 第一章工程爆破原理 第一節(jié) 炸藥量與巖石破碎體積 成比例理論 一 標(biāo)準(zhǔn)藥包的拋擲計(jì)算原理 Q=qV (1-1) 其中： Q炸藥量（kg) q單位體積巖石的炸藥量（kg/m3) V爆破漏斗體積（ m3) （11）傻瓜

3、公式 V=r2w/3 標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破條件下：r=w Q-標(biāo)準(zhǔn)拋擲裝藥量(kg) W-最小抵抗線(m) Q=qw3 - 著名的豪澤(Hauser)公式 分析說明 1. 藥包的重量與巖石的體積成正比 2.單耗不隨最小抵抗線變化而變化 3. 該理論在 介質(zhì)松散、黏結(jié)不良狀態(tài)下合適；在W與決定單位炸藥消耗量時(shí)的最小抵抗線相差不大時(shí)才適用。 4.實(shí)際上炸藥能克服介質(zhì)的重量、抗剪力、慣性力等;結(jié)論分析(3)是不準(zhǔn)確的,但作為一般工程技術(shù)人員理解和結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行炸藥量估算是合適的。 二 考慮巖石松動(dòng)程度的爆破藥量計(jì)算 Q=f(n)qw3 (1-3) f(n)爆破作用指數(shù)函數(shù)； n爆破作用指數(shù)； 有關(guān)學(xué)者

4、根據(jù)試驗(yàn)得出公式： f(n)=(1+n2)1/2-0.41)3 (1-4) 前蘇聯(lián)的學(xué)者確認(rèn)的公式： f(n)=0.4+0.6n3 (1-5) 從（1-4）（1-5）來看，沒有考慮裝藥深度對(duì)藥量的影響。當(dāng)裝藥深度大于1520米時(shí)公式誤差比較大。 三、考慮裝藥深度的計(jì)算 當(dāng)增加裝藥深度時(shí)，不僅被破碎的介質(zhì)體積增加，而且消耗于抬高每立方米介質(zhì)體積的能量也一定增加。 土質(zhì)：W大于20米時(shí) Q=f(n)qw3(w/20)1/2 （16）巖石：W大于15米時(shí) Q=f(n)qw3(w/15)1/2 （17） 著名的波克羅夫斯基公式 分析 說明1、以上公式主要是計(jì)算了爆破時(shí)的參數(shù)，沒有說明爆破時(shí)的物理現(xiàn)象和

5、巖石受何作用力而破壞；2、計(jì)算時(shí)未考慮巖石物理性質(zhì)。該公式在廣大工程技術(shù)人員中廣泛使用，仍是爆破裝藥計(jì)算的基本公式。3、以下理論公式仍是洞室大爆破的設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)。 第二節(jié)利文斯頓漏斗理論 利文斯頓爆破漏斗理論是美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院C.W 利文斯頓50年代提出，根據(jù)大量的漏斗實(shí)驗(yàn)，用V/Q-曲線（單位炸藥量的爆破體積-深度比曲線）作為變量，比較科學(xué)地建立了爆破漏斗的幾何形態(tài)，形成比較完善的爆破理論，成為實(shí)用爆破理論的鼻祖。一、基本觀點(diǎn) 1、炸藥的能量分配給巖石和空氣的方式； 2、能量傳遞的過程不僅與炸藥有關(guān)也與巖石特性有關(guān)。 3、炸藥釋放的能量與炸藥量成正比。炸藥能量的釋放速度是炸藥速度的函數(shù)，

6、而炸藥傳給巖石的能量又是時(shí)間的函數(shù)。 爆破漏斗的幾何參數(shù) 自由面：被爆破的巖體與空氣接觸的面（或稱臨空面）； 最小抵抗線W：自藥包中心到自由面的最短距離（是爆破作用巖石最先移動(dòng)的部位）； 爆破漏斗半徑 r :漏斗的底圓半徑； 爆破作用半徑R：藥包中心到漏斗底圓圓周上任一點(diǎn)的距離（或稱破裂半徑）； 爆破漏斗的可視深度h：自爆破漏斗中巖體巖堆表面最低點(diǎn)到自由面的最短距離； 爆破漏斗張開角：爆破漏斗的頂角。 爆破范圍的劃分 根據(jù)不同藥包對(duì)地表的產(chǎn)生效果將爆破范圍分成四個(gè)帶： （1）彈性變形帶 （2）沖擊破裂帶 （3）破碎帶 （4）空腔帶 炸藥埋深足夠深，形成內(nèi)部作用藥包，巖層表面沒有任何變形，形成藥

7、包至表面的彈性變形帶。 隨著埋深減少或藥量增加，出現(xiàn)巖層表面破壞。剛開始破壞的深度稱臨界深度，此時(shí)的藥量成為臨界藥量。此條件為彈性變形的上限。 在臨界彈性狀態(tài)有如下三種破壞形式： （1）沖擊破壞對(duì)脆性巖石而言； （2）剪切式破壞對(duì)塑性巖石而言； （3）碎化疏松式破壞對(duì)松散無內(nèi)聚力巖石而言； 了解以上三種形態(tài)，對(duì)不同巖性可控制其破壞形式。 隨著埋深減小或藥量的增加，爆破漏斗逐漸形成，體積逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，沖擊破壞的上限與爆破時(shí)炸藥能量利用的最有效點(diǎn)相吻合。此時(shí)的埋深為最佳埋深，相對(duì)應(yīng)的炸藥量為最佳藥量。 當(dāng)藥包埋深繼續(xù)減小，爆破能量超出最佳破壞效應(yīng)的 能量，此時(shí)巖石的破壞可劃分為破碎帶或

8、空爆帶。 怎樣讀懂上圖的曲線？ V爆破漏斗的體積； Q裝藥量；V/Q單位炸藥量所爆破下來的巖塊體積； Ly任意炸藥深度； Le臨界深度； =Ly/Le 炸藥埋深與臨界深度的比值； 同一次巖性試驗(yàn)，Q、Le是常數(shù)不變，縱坐標(biāo)僅單位比例變化；橫坐標(biāo)僅為單位長(zhǎng)度變化。上圖 曲線是固定曲線。 四、利文斯頓的彈性變形方程 前提條件：巖石是在臨界深度時(shí)才 開始破壞。 彈性方程式為： Le=E(Q)1/3 （18） 其中： Le藥包臨界深度（m) E 彈性變形系數(shù)； Q 藥包重量（kg); 最大巖石破碎量和沖擊式破壞上限時(shí)有關(guān)最佳埋深的關(guān)系式： Lj= 0 E(Q0)1/3 （110） 其中： Lj最佳埋深

9、（m) 0最佳深度比 Q0最佳藥包重量（kg) 此時(shí)藥包的大部分能量用于巖石破碎過程，少量用于無用功。（如振動(dòng)、噪聲等） 五、利文斯頓理論在露天礦的應(yīng)用 （ 一）一般優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 1. 通過在不同深度起爆定量藥包試驗(yàn)，確定Le,利用(1-8)求出E。 2. 通過不同深度起爆不同藥量的藥包，求出單位炸藥達(dá)到最大破碎量的深度比，求出0。 3. 利用以上求出的兩個(gè)參數(shù)可用來確定生產(chǎn)規(guī)模的最佳臺(tái)階幾何尺寸。利用（1-10）式，可計(jì)算出任何藥包的臨界深度。 以上討論的內(nèi)容與論點(diǎn)均是基于 一個(gè)自由面的單孔漏斗的試驗(yàn)研究成果。 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.

10、9 1.0V/Q空爆帶空爆過渡深度碎化帶最佳臨界深度優(yōu)化帶 V/Q- 關(guān)系圖（圖1-2）（二）考慮露天臺(tái)階爆破兩個(gè)或多個(gè)自由面的條件的計(jì)算方法 臺(tái)階爆破的幾個(gè)概念 1. 炸藥能量受控的三個(gè)主要方向: 水平方向、垂直方向、孔間方向； 2. 爆破巖石移動(dòng)的方向：水平方向而不是垂直方向。 3. 臺(tái)階底盤抵抗線與最小抵抗線區(qū)別，解決底盤抵抗線大于最小抵抗線的問題。抵抗線超深孔間距孔深dc臺(tái)階眉線臺(tái)階眉線HSV 階段下部平盤 臺(tái)階立體圖依受控方向釋放能量大小所確定的深度比圖1-3圖1-4 實(shí)際爆破過程中，希望巖石向水平方向移動(dòng)，可令V =0 H0,從而達(dá)到目的。在孔間方向的爆破能量相互作用加強(qiáng)，一般 S

11、都大于0。 在炸藥和巖石特性給定條件下，已知E和0 可進(jìn)行如下計(jì)算： 1、已知E、 0 值；孔徑和裝藥密度； 2、超深為定值； 3、經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)確定V 、H和S值； 4、設(shè)抵抗線W（m）； 5、用W= HE（Q）1/36、已知每米炮孔的裝藥量，可計(jì)算藥柱高度；7、利用通用方程可計(jì)算藥包中心到地表面的距離；8、孔深=Ly+1/2藥柱高；9、堵塞高度=孔深-藥柱高；10、利用公式計(jì)算藥包臨界深度；11、臺(tái)階高度=孔深-超深；12、利用一般方程可計(jì)算孔間距；13、依據(jù)巖石體積和裝藥量，計(jì)算單耗。 以上內(nèi)容是深孔臺(tái)階爆破的理論基礎(chǔ)（光面和預(yù)裂爆破原理出外）。 六 利文斯頓理論在地下礦中的應(yīng)用 在地下工程

12、中將頂板作為自由面,在藥包爆炸過程中,形成倒漏斗的全新的爆破漏斗概念: 落礦原理說明 1. 重力和摩擦力作為巖體松動(dòng)和下落的能量一部分,并沒有消耗爆破能; 2. 增大爆破漏斗的幾何尺寸; 3. 形成穩(wěn)定的新的自由面; 倒漏斗爆破施工法上巷道頂板 上巷道底板下巷道頂板 下巷道底板炮孔礦 渣漏 斗地下擠壓爆破漏斗示意圖漏斗A漏斗B漏斗C 漏斗布置示意圖爆后輪廓 柱體爆破單元漏斗形式藥包抵抗線孔間距/2上巷道底面下巷道頂面下巷道底面倒漏斗藥包巖渣正打孔倒打孔 倒爆破漏斗采礦形式示意圖 VCR法：垂直后退采礦法 優(yōu)點(diǎn)；采礦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采切量小、作業(yè)條件好、安全、崩礦質(zhì)量高，產(chǎn)量高和成本低。 步驟： （1

13、）在礦體中鉆一個(gè)或多個(gè)大直徑炮孔； （2）裝近似于球形的藥包。埋深使其爆破后形成最優(yōu)的爆破漏斗效果。（3）藥爆爆炸時(shí)，借助于氣體壓力破碎巖石形成倒漏斗。 （4）從礦房中運(yùn)出漏斗的破碎礦石。 用途：采礦、地下擠壓爆破、采空區(qū)處理、地下病害處理等。七、爆破漏斗理論的拓展 1. 點(diǎn)線面藥包的內(nèi)在聯(lián)系 美國(guó)的雷德帕思在球型藥包實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了長(zhǎng)柱藥包實(shí)驗(yàn)，大大擴(kuò)展了利文思頓理論的應(yīng)用范圍。 理論基礎(chǔ): (1)球型集中藥包-點(diǎn)藥包 即球形藥包（球形藥室、集中藥室）球形藥量用Q表示。 單孔柱狀藥包-線藥包； 多排柱狀藥包-面藥包； 分析原理：幾何相似和量綱原理（1）點(diǎn)藥包： 量綱方程： Ld= Ld

14、3/Q1/3Q1/3 量綱深度比：d= Ld 3/Q1/3式中： d點(diǎn)藥包的深度比（m/kg1/3) Ld點(diǎn)藥包的埋深（m) Q點(diǎn)藥包的藥量（kg)(2)線藥包 量綱方程：Lx= L3/Q1/2Q/L 1/2 量綱表示線藥包深度比 Z=L3/Q1/2（3）面藥包 量綱方程：Lm= L 3/QQ/L2 量綱表示面藥包深度比 m=L3/Q 根據(jù)量綱分析存在如下關(guān)系： d3=x2=m的關(guān)系上式說明:點(diǎn)、線、面的裝藥量是等效的。 sQ（藥量）Q/L L sLLQ/L2s a球型b 線形 c 板型 單位長(zhǎng)度藥量單位面積藥量量綱分析方法的用途：1、柱狀藥包換算成球狀藥包： Q2=KQ1Q1炮孔裝藥量 ；

15、Q2等效集中裝藥量；K等值藥量系數(shù)。當(dāng)藥包長(zhǎng)徑比為10時(shí)K=0.72、利用求得的等效集中藥包利用相似定律可計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)的最佳埋深。 2、爆破漏斗理論后期成果 土耳其的比爾金，1993年在石灰石礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下成果。 （ 1）漏斗張開角與抵抗線關(guān)系 特點(diǎn)：張開角隨最小抵抗線增大而減?。划?dāng)W=3.5m時(shí)，張開角不成形。 =180-21.63W -漏斗張開角；W-最小抵抗線； 漏斗張開角與抵抗線關(guān)系曲線圖20015010050 0 1 2 3 4漏斗張開角（。）最小抵抗線W（m)（2）巖石爆破體積與最小抵抗線關(guān)系 爆破巖石量隨最小抵抗線增加而增加；存在一個(gè)最佳抵抗線。 W0=33.7d150100

16、500 1 2 3 4破巖體積（立方米）最小抵抗線W（m)(3) 拋擲距離與抵抗線關(guān)系 T=32.06-3.96W 30 20100 1 2 3 4平均拋距（m) 最小抵抗線W（m)（4）爆破塊度與最小抵抗線 實(shí)驗(yàn)表明巖體的薄弱程度對(duì)塊度有很大影響。但塊度與抵抗線有明顯的線性關(guān)系。 K50=0.192W-0.0620.51.01.5 1 2 3 4K50(m)最小抵抗線（m)塊度和平均節(jié)理有關(guān)八、對(duì)利氏爆破漏斗理論的評(píng)價(jià)1、爆破漏斗理論基礎(chǔ)是大量爆破漏斗實(shí)驗(yàn)和能量平衡原則；2、漏斗的形狀用單位藥量的爆破體積和深度比曲線表示。充分反映了爆破效果與炸藥能和巖石性質(zhì)有關(guān)，反映能量傳遞實(shí)質(zhì)，更科學(xué)化。

17、3、除了爆破源附近的粉碎層以外，巖體相當(dāng)部分是由自由面拉斷，并用靜力學(xué)解釋，盡管解釋不充分，但是它是以后沖擊波拉伸理論的基礎(chǔ)。4、倒爆破漏斗理論大大促進(jìn)采礦方法的發(fā)展；5、爆破漏斗理論僅對(duì)爆破結(jié)果進(jìn)行了定量的描述，沒有涉及巖石爆破過程，爆破機(jī)理，仍屬于實(shí)用爆破學(xué)范圍。 柴儉第二章 沖擊波拉伸破壞理論 第一節(jié) 基本觀點(diǎn) 炸藥在巖石中爆轟時(shí)，生成高溫、高壓、高速?zèng)_擊波猛烈沖擊周圍巖石，在巖石中強(qiáng)度引起強(qiáng)烈的應(yīng)力波。剛開始釋放時(shí)它的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，引起周圍的過度破碎。當(dāng)壓縮應(yīng)力波通過壓碎帶后，繼續(xù)傳波但強(qiáng)度大大下降，不能直接引起巖石的壓破碎。當(dāng)達(dá)到自由面時(shí)反

18、射成拉應(yīng)力波，雖然拉應(yīng)力比較小但達(dá)到了巖石的抗拉強(qiáng)度，巖石拉斷。表現(xiàn)為“折斷”、“片落”、“分離”等現(xiàn)象。逐漸形成爆破漏斗范圍內(nèi)的完全拉裂。 作用的機(jī)理： 1.入射波和反射波，反復(fù)作用自由面； 2.爆炸的氣體只限于巖石的輔助破碎與巖石的移動(dòng)。 堅(jiān)持以上觀點(diǎn)的代表人物：日本的日野熊雄。 一、基本概念解釋巖石中的爆炸應(yīng)力波概念：炸藥在巖石和與其相關(guān)聯(lián)的固體介質(zhì)中爆炸引起應(yīng)力擾動(dòng)的傳播稱為爆炸應(yīng)力波。關(guān)鍵詞：炸藥 巖石 爆炸 傳播1、按傳播途徑分類體積波和面波，體積波分為縱波和橫波體積波：在介質(zhì)內(nèi)部傳播的應(yīng)力波 表面波:沿介質(zhì)內(nèi)外表面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波傳波方向質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向壓拉壓 縱波(P波)傳播示意圖壓縮波稀疏 壓縮波與稀疏波的概念壓縮波:使巖石受壓 稀疏波:使巖石受拉交變拉壓變化使巖石破壞縱波(P波)的特點(diǎn):傳播方向與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向一致,可引起巖石拉壓破壞,可在可在固體.液體.氣體內(nèi)傳播. 橫波(S波)傳播示意圖傳播方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向橫波特點(diǎn): 傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直,可引起介質(zhì)剪切破壞,只在固體內(nèi)傳播. 模擬體積波的橫波與縱波FFF膠皮受力特點(diǎn): 縱波以拉壓為主 橫波以剪切為主XY 面波:瑞利波和勒夫波 瑞利波(R)