南華大學(xué)-巖石的爆破破碎機(jī)理

南華大學(xué)-巖石的爆破破碎機(jī)理第七章巖石的爆破破碎機(jī)理概論爆破是目前采礦工程中和其他基礎(chǔ)工程中應(yīng)用最廣泛最頻繁的一種破碎巖石的有效手段。為了更有效的利用炸藥爆炸釋放的能量達(dá)到一定的工程目的，研究炸藥包爆炸作用下巖石的破碎機(jī)理是一項(xiàng)重要的科研課題。炸藥爆轟過(guò)程屬于超動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，從藥包起爆到巖石破碎，只有幾十微秒。巖石的爆破機(jī)理研究是在生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，借助于高速攝影，模擬試驗(yàn)，數(shù)值分析對(duì)爆破過(guò)程中在巖石內(nèi)發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變、破裂、飛散等現(xiàn)象的觀測(cè)基礎(chǔ)上總結(jié)而成的。（講課時(shí)間5分鐘）第一節(jié)巖石爆破破壞的幾種假說(shuō)一、爆炸氣體產(chǎn)物膨脹壓力破壞理論（講課時(shí)間10分鐘）巖石主要由于裝藥空間內(nèi)爆炸氣體產(chǎn)物的壓力作用而破壞。炸藥爆炸—?dú)怏w產(chǎn)物（高溫，高壓）—在巖中產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)—引起應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的徑向位移—徑向壓應(yīng)力—切向拉應(yīng)力—巖石產(chǎn)生徑向裂紋；如果存在自由自由面方向上最小，巖石質(zhì)點(diǎn)速度在自由面方向上最大，位移阻力各方向上的不等形成剪切應(yīng)力導(dǎo)致巖石剪切破壞；爆炸氣體剩余壓力對(duì)巖塊產(chǎn)生進(jìn)一步的拋擲。面，巖石位移的阻力在這種理論認(rèn)為：1、炸藥的能量中動(dòng)能僅為5%~15%，大部分能量在爆炸氣體產(chǎn)物中；2、巖石發(fā)生破裂和破碎所需時(shí)間小于爆炸氣體施載于巖石的時(shí)間。二、沖擊波引起應(yīng)力波反射破壞理論（講課時(shí)間5分鐘）巖石的破壞主要是由自由爆炸沖擊波在自由面反射為拉伸波，巖石的抗拉強(qiáng)度低，巖石易受拉破壞。這種理論主要依據(jù)：面上應(yīng)力波反射轉(zhuǎn)變成的拉應(yīng)力波造成的。1、巖體的破碎是由自由面開(kāi)始而逐漸向爆心發(fā)展的；2、沖擊波的壓力比氣體膨脹壓力大得多。

圖7-1反射拉伸破壞三、爆炸氣體膨脹壓力和沖擊波所引起的應(yīng)力波共同作用理論（難點(diǎn)）（講課時(shí)間10分鐘）爆破時(shí)巖石的破壞是爆炸氣體和沖擊波共同作用的結(jié)果，它們各自在巖石破壞過(guò)程的不同階段起重要作用。爆轟波衰減成應(yīng)力波造成巖石“壓碎”，壓碎區(qū)以外造成徑向裂隙。氣體產(chǎn)生“氣楔作用”使裂隙進(jìn)一步延伸和張開(kāi)，直到能量消耗完。盡管炸藥的能量中動(dòng)能僅為5%~15%，但巖石開(kāi)始的破裂階段是非常重要的。爆炸氣體產(chǎn)物膨脹的準(zhǔn)靜態(tài)能量是破碎巖石的主要能源，炸藥作功能力同它的爆熱和爆容有關(guān)。沖擊波作用重要性同巖石的特性有關(guān)。巖石波阻抗較高時(shí)，要求有較高的應(yīng)力波峰值，此時(shí)沖擊波的作用更為重要。巖石按波阻抗值分為三類：1、巖石波阻抗為10X105~25X105（g/cm2·s）；2、巖石波阻抗為5X105~10X105（g/cm2·s）；3、巖石波阻抗為2X105~5X105（g/cm2·s）。不同條件下和不同目的情況下的爆破，可以通過(guò)控制炸藥的應(yīng)力波峰值和爆炸生成氣體的作用時(shí)間來(lái)達(dá)到預(yù)期目的第二節(jié)單個(gè)藥包爆破作用的分析一、爆破的內(nèi)部作用地表不出現(xiàn)明顯破壞的爆破作用稱為爆破的內(nèi)部作用，隨遠(yuǎn)離爆心，巖石破壞特征發(fā)生明顯變化，可以分為三個(gè)區(qū)：圖7-1藥包爆炸的外部作用原理圖1、壓縮區(qū)受到爆炸沖擊波的強(qiáng)動(dòng)作用，炮孔壁周圍的介質(zhì)被粉碎或強(qiáng)烈壓縮，形成壓縮區(qū)或粉碎區(qū)成壓縮區(qū)或粉碎區(qū)。（半徑為3-7r）圖7-2壓縮圏2、破碎區(qū)爆炸沖擊波在巖石中形成新鮮裂紋或激活原生裂紋，爆炸氣體的高壓氣楔作用，對(duì)裂紋進(jìn)行擴(kuò)展，形成破碎區(qū)。圖7-3破碎圏3、震動(dòng)區(qū)在破壞區(qū)以外的巖體，只發(fā)生彈性震動(dòng)。圖7-3震動(dòng)圏圖7-4爆破的內(nèi)部作用二、爆破的外部作用爆炸效應(yīng)波及到地表的爆破作用稱為爆破的外部作用。1、霍金遜（Hopkinson）效應(yīng)圖7-5霍金遜效應(yīng)的破碎機(jī)理（A）應(yīng)力波合成的過(guò)程；（B）巖石表面片落過(guò)程沖擊波在自由面處發(fā)生反射形成拉伸波，在自由面表面處的材料中形成拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生片落現(xiàn)象。2、反射拉伸應(yīng)力波引起徑向裂隙的延伸。三、爆破漏斗當(dāng)藥包產(chǎn)生外部作用時(shí)，在地表會(huì)形成一個(gè)爆破坑，稱為爆破漏斗。1、爆破漏斗的構(gòu)成要素（1）自由面；（2）最小抵抗線；（3）爆破漏斗底圓半徑；（4）爆破作用半徑；（5）爆破漏斗深度；（6）爆破漏斗可見(jiàn)深度；（7）爆破漏斗張開(kāi)角。圖7-6爆破漏斗2、爆破作用指數(shù)n=r/W在最小抵抗線相同的情況下，爆破作用愈強(qiáng)，爆破漏斗底圓半徑愈大。根據(jù)n的大小爆破漏斗分為：（1）標(biāo)準(zhǔn)拋擲（n=1）；（2）加強(qiáng)拋擲(n>1)；（3）減弱拋擲(0.75<n<1)；（4）松動(dòng)爆破(0<n<0.75)；圖7-7標(biāo)準(zhǔn)及加強(qiáng)拋擲爆破與松動(dòng)爆破圖四、利文斯頓爆破漏斗理論利文斯頓漏斗理論是以能量平衡為基礎(chǔ)的巖石爆破破碎的爆破漏斗理論。炸藥包在介質(zhì)中爆炸時(shí)傳給介質(zhì)的能量多少和速度，取決于巖石性質(zhì)、炸藥性能，藥包大小和藥包埋置深度。1、彈性變形藥包的種類和重量不變，當(dāng)藥包埋置深度減小到某一臨界值時(shí)，地表巖石開(kāi)始發(fā)生明顯破壞，脆性巖石將片落，塑性巖石將隆起，這個(gè)藥包埋置深度臨界值稱為臨界深度N。NE3Q（7-1）2、沖擊破壞藥包重量一定，使爆破漏斗體積最大的藥包埋置深度稱為最適宜深度d0。藥包埋值深度與臨界深度之比稱為深度比△。（7-1）式變?yōu)槔乃诡D一般方程。dE3Qc（7-2）最適宜深度與臨界深度之比稱為最適宜深度比△0。d00N（）7-3通過(guò)漏斗實(shí)驗(yàn)求出E及△0，則當(dāng)藥量Q已知時(shí)，可以求出最適宜深度d0。dE3Q（7-4）003、碎化破壞藥包重量不變，藥包埋置深度比最適宜深度小時(shí)，爆破漏斗體積內(nèi)的巖石更為破碎，拋擲明顯，空氣沖擊波和響聲更大。傳播給大氣的爆炸能開(kāi)始超過(guò)巖石吸的收爆炸能時(shí)的埋置深度稱為轉(zhuǎn)折深度。4、空氣中爆炸藥包重量保持不變，埋置深度小于轉(zhuǎn)折深度時(shí)，巖石破碎，拋擲，聲響更厲害，爆炸能傳給空氣的比塊的拋散，響聲、地五、兩個(gè)自由面情況下的爆破自由面的大小和數(shù)量對(duì)爆破效果有直接影響率大，巖石吸的收能量小。炸藥爆炸的能量消耗在巖石的彈性變形，巖石的破碎，巖震和空氣沖擊波。能量的分布與藥包量和深度而變化。圖7-8自由面數(shù)對(duì)爆破效果的影響第三節(jié)成組藥包爆破時(shí)巖石的破壞特征成組藥包爆破的應(yīng)力分布變化情況和巖石破壞過(guò)程要比單藥包爆破時(shí)復(fù)雜得多，因此研究成組藥包的爆破作用機(jī)理對(duì)于合理選擇爆破參數(shù)有重要的指導(dǎo)意義。一、單排成組藥包的齊發(fā)爆破通過(guò)高速攝影得到的資料分析，相鄰炮孔的應(yīng)力波產(chǎn)生疊加，應(yīng)力重新分布。但在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：相鄰兩齊發(fā)爆破的炮眼間的拉伸裂隙是從炮眼向外發(fā)展的。應(yīng)力波和爆轟氣體聯(lián)合作用爆破理論很好地解釋了該現(xiàn)象。應(yīng)力的疊加可能引起應(yīng)力降低區(qū)的出現(xiàn)。適當(dāng)增大孔距，并相應(yīng)減小最小抵抗線，使利于減大小塊的產(chǎn)生（大孔距小抵抗線技術(shù)）。二、多排成組藥包的齊發(fā)爆破1、前后排四個(gè)炮孔所構(gòu)成的四邊形巖石中，爆轟波的疊加有2、只有第一排炮孔有自由面，后排受到較大的夾制作用，為了改善爆破效果，應(yīng)微差起爆技術(shù)。應(yīng)力降低區(qū)處在巖石之外的空中，有利于巖石破碎。采用

第四節(jié)裝藥量計(jì)算原理一、裝藥量計(jì)算方法主要有兩種，相似準(zhǔn)則和體積法則。目前比較成熟和流行的方法是體積法。二、體積法：QKV（7-5）式中：Q—裝藥量；K—單位體積巖石用藥量：V—爆破漏斗體積。拋擲漏斗：r=W。標(biāo)如果藥包為集中藥包（最大尺寸不超過(guò)最小尺寸的6倍）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)拋擲爆破的藥量近似為：QK13rWKW23（7-6）根據(jù)相似法則，在巖石性質(zhì)、炸藥威力和藥包埋值深度不變的情況下，改變裝藥量可以得到各種漏斗。因此，各種類型的拋擲爆破藥量可以用下式計(jì)算：Qf(n)KW3拋（7-7）f(n)加強(qiáng)拋擲、標(biāo)準(zhǔn)拋擲、減弱拋擲的分別大于、等于、小于1。f(n)0.40.6n3鮑列斯闊夫經(jīng)驗(yàn)公式；Q(0.33~0.55)KW3。松動(dòng)爆破的裝藥量經(jīng)驗(yàn)公式：拋K的確定1、查表、定額；2、工程類比；3、標(biāo)準(zhǔn)拋擲漏斗試驗(yàn)。三、裝藥量計(jì)算原理裝藥量的多少取決于要塊度因素。上面的公式是以單自由面和單藥包爆破為前爆破，多自由面爆破。在計(jì)算藥量時(shí)，按具體情況確定每個(gè)藥包所能爆下的體積，確定每個(gè)藥包的重量。求爆破的巖石體積、爆破漏斗形狀和巖石性質(zhì)等。但沒(méi)有考慮提的，在實(shí)際爆破中常常是用多藥包成組第五節(jié)影響爆破作用的因素一、炸藥性能對(duì)爆破作用的影響炸藥的密度、爆速、炸藥波阻抗、爆轟壓力、爆炸壓力、爆炸氣體體積以及爆炸能量利用率等因素。1、炸藥爆炸能量利用率目前的爆炸能量利用率只有10~20%；研究爆炸能量的分布比率，可以提高能量利用率。2、爆轟壓力過(guò)高的爆轟壓力，會(huì)造成藥包周圍近區(qū)巖石的過(guò)渡粉碎而消耗較多能量。3、爆炸壓力爆炸壓力比爆轟壓力作用時(shí)間長(zhǎng)得多，t1爆轟反應(yīng)時(shí)間，t2為爆轟氣體產(chǎn)物作用時(shí)間。t1愈大，爆轟時(shí)間短，爆轟壓力高，以應(yīng)力波傳播的爆炸能量就愈多，可能造成近區(qū)巖石過(guò)渡粉碎而引起能量的浪費(fèi)。實(shí)際工程中要求如t2所示，壓力低而作用時(shí)間長(zhǎng)。如使用空氣間隙裝藥。二、爆炸能向巖石傳播的效率的影響1、炸藥波阻抗同巖石波阻抗的匹配炸藥波阻抗與巖石波阻抗相等時(shí)，能量傳遞效率最高。CDrPr2crPrPmPCJ（7-8）e2、空氣間隙裝藥裝藥結(jié)構(gòu)的改變會(huì)引起炸藥爆炸性能的改變，從而影響爆炸能量有效利用率?？諝忾g隙可以起緩沖作用，使爆炸壓力較平緩的作用在孔壁，上避免過(guò)渡破壞區(qū)的形成，使更多的于巖石的破裂，從而提高能量利用率。能量用空氣間隙裝藥的形式：軸向不偶合和徑向不偶合裝藥。圖7-9軸向不偶合和徑向不偶合裝藥結(jié)構(gòu)圖7-10偶合和不偶合裝藥優(yōu)點(diǎn)：（1）降低大塊產(chǎn)出率，改善巖礦的均勻度，從而提高裝巖效率。（2）降低單位炸藥消耗量。（3）新自由面受到較少破壞