第一部分爆破作用基本原理

第一部分爆破作用基本原理第一章炸藥爆炸與爆破工程1.1炸藥爆炸的基本要素炸藥在能作用下可能發(fā)生3種基本形式的化學(xué)反應(yīng)，即熱分解、燃燒和爆炸。熱分解：炸藥在常溫下或受熱作用時(shí)，會(huì)發(fā)生緩慢的分解并放出熱量，這就是熱分解。炸藥熱分解的速度隨溫度的升高而加快。所以在貯存炸藥時(shí)要注意通風(fēng)，保持常溫，防止炸藥因溫度過高導(dǎo)致分解加快而引起爆炸事故。燃燒：炸藥在火焰或熱作用下可能引起燃燒。燃燒的速度一般比較慢，但當(dāng)燃燒生成的氣體或熱量不能及時(shí)排出時(shí)，可能導(dǎo)致爆炸。因此，當(dāng)遇到炸藥燃燒時(shí)，切不可采用砂土覆蓋去滅火。1.1炸藥爆炸的基本要素爆炸：當(dāng)炸藥受到足夠大的外能作用時(shí)，會(huì)發(fā)生猛烈的化學(xué)反應(yīng)，引起炸藥爆炸。爆炸反應(yīng)傳播速度保持在穩(wěn)定值時(shí)的化學(xué)反應(yīng)稱為爆轟。這時(shí)炸藥的能量釋放最充分、最集中。上述三種反應(yīng)形式不是相互獨(dú)立的，在一定的條件下，可以相互轉(zhuǎn)化。如當(dāng)炸藥失火時(shí)，應(yīng)設(shè)法控制溫升和熱能積聚，以免轉(zhuǎn)化為爆炸，造成事故。使用炸藥時(shí)，要給予足夠的外能，防止出現(xiàn)不穩(wěn)定爆炸，造成爆燃和息爆事故。1.1炸藥爆炸的基本要素炸藥爆炸是化學(xué)爆炸的一種?；瘜W(xué)爆炸與物理爆炸（如鍋爐爆炸、輪胎爆炸等）的共同點(diǎn)是：在發(fā)生爆炸處，周圍的壓力突躍升高，因而在空氣中同時(shí)拌有聲響效應(yīng)。它們不同點(diǎn)是：物理爆炸在爆炸前后，物質(zhì)的性質(zhì)及化學(xué)成分沒有改變；而化學(xué)爆炸，如炸藥、瓦斯、煤塵、鞭炮等的爆炸，在爆炸前后物質(zhì)的性質(zhì)及化學(xué)成分發(fā)生改變。1.1炸藥爆炸的基本要素炸藥爆炸具有以下３個(gè)基本要素：１）化學(xué)反應(yīng)過程大量放熱。放熱是炸藥爆炸得以自動(dòng)高速進(jìn)行的必要條件，也是炸藥爆炸對(duì)外力作功的動(dòng)力。一般常用工業(yè)炸藥爆炸時(shí)，每１ｋｇ放出的熱量大于３０００ｋＪ。２）化學(xué)反應(yīng)速度極快。這是區(qū)別于一般化學(xué)反應(yīng)的顯著特點(diǎn)。一般工業(yè)炸藥爆炸的反應(yīng)速度大于３０００ｍ／ｓ。３）化學(xué)反應(yīng)過程生成大量氣體。炸藥爆炸所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，是爆炸作功的媒介。工業(yè)炸藥爆炸時(shí)生成氣體量在１ｍ３／ｋｇ左右。１.２爆破工程的主要特征我們知道，炸藥是一種蘊(yùn)藏著巨大能量的物質(zhì)，１ｋｇ球形藥包爆炸時(shí)，所釋放的能量有數(shù)百萬(wàn)焦耳。利用炸藥的爆炸能量對(duì)介質(zhì)作功，可以完成預(yù)定工程目標(biāo)的作業(yè)。爆破工程，作為人類改造自然的有力工具，有以下４點(diǎn)主要特征：１）具有特定的工程對(duì)象和目標(biāo)要求。任何一個(gè)爆破工程項(xiàng)目，都有確定的爆破對(duì)象和范圍，以及對(duì)爆破效果（質(zhì)量）、安全、工期及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等的要求。１.２爆破工程的主要特征２）均應(yīng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和施工作業(yè)。任何一個(gè)爆破工程項(xiàng)目，都應(yīng)在調(diào)研、勘測(cè)以及可行性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)和施工組織設(shè)計(jì)，施工作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)文件實(shí)施。３）藥包爆炸過程及所產(chǎn)生的效應(yīng)必須是可控的。這是炸藥作為能源用于工程的基本要求，不僅要做到嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的方式、時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)藥包起爆，并保證準(zhǔn)爆，而且應(yīng)做到有效地控制爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)，保證環(huán)境的安全。４）項(xiàng)目密切結(jié)合工程實(shí)際，爆破效果通過實(shí)踐評(píng)價(jià)檢驗(yàn)。任何一個(gè)爆破工程項(xiàng)目，都有各自不同的客觀環(huán)境和施工條件，無(wú)論是爆破設(shè)計(jì)，還是施工都必須密切結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)性地選擇方案、參數(shù)、技術(shù)和安全措施，才能取得良好的爆破效果。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用爆破破碎機(jī)理:當(dāng)埋置在距地面很深處的藥包爆炸時(shí)，在地面沒有顯現(xiàn)出爆破作用，這時(shí)藥包的爆破作用只局限在地面以下，稱為爆破的內(nèi)部作用。通常按巖石破壞的特征，可將爆破作用范圍內(nèi)的巖石劃分為3個(gè)圈：即壓縮圈、破裂圈和振動(dòng)圈。在壓縮圈內(nèi)，由于巖石直接受到藥包爆炸的巨大壓力和高溫作用，如果巖石是可塑的，就會(huì)遭受壓縮而形成空腔；如果巖石是脆性的，就會(huì)遭受到粉碎。壓縮圈的范圍很小，其半徑一般不超過藥包半徑的2~3倍。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用破裂圈圍繞在壓縮圈以外的一圈巖石，雖然受到的爆炸作用力較壓縮圈中的巖石小很多，但巖石受到結(jié)構(gòu)性破壞，生成縱橫交錯(cuò)的裂隙，巖體被割裂成塊，此范圍叫做破裂圈。破裂圈的范圍大約為藥包半徑的8~10倍。振動(dòng)圈在破裂圈以外的范圍內(nèi)，爆破作用力已衰減到不能使巖石的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，而只能引起巖石顆粒產(chǎn)生彈性振動(dòng)，這一圈叫做振動(dòng)圈。振動(dòng)圈的范圍很大，直到爆破作用力完全被巖土所吸收時(shí)為止。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用臨空面：通常是指被爆巖石與空氣的交界面，即對(duì)爆破作用能發(fā)生影響并在爆破時(shí)能使巖石移動(dòng)的那個(gè)巖面為臨空面（亦稱自由面）。臨空面的存在是爆破工程破巖所必須具備的條件，沒有臨空面就談不上破碎巖石的效果。臨空面條件不同，對(duì)爆破的作用和爆破的效果也不一樣，臨空面越多，爆破破巖越容易，爆破效果也越好。當(dāng)巖石性質(zhì)、炸藥品種相同時(shí)，隨著臨空面的增多，爆破單位體積的巖石所耗用的炸藥量（簡(jiǎn)稱炸藥單耗）將明顯降低。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用最小抵抗線（W）：爆破工程中，通常將藥包中心到最近自由面的距離，稱為最小抵抗線。最小抵抗線是爆破工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，由于它代表了爆破時(shí)巖石阻力最小的方向，所以在此方向上巖石運(yùn)動(dòng)速度最高，爆作用最集中。因此，最小抵抗線是爆破作用的主導(dǎo)方向，也是拋擲作用的主導(dǎo)方向。爆破漏斗：將球形藥包埋置在一個(gè)水平臨空面下的巖體中爆破時(shí)，如果埋置深度合適，則爆破后將會(huì)在巖體中由藥包中心到臨空面形成一個(gè)倒圓錐體的爆破坑，這個(gè)坑就叫做爆破漏斗。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用爆破漏斗要素：1）爆破漏斗半徑r，表示在臨空面上爆破破壞范圍的大小；2）最小抵抗線W，在臨空面為水平的情況下，它就是藥包的埋置深度；3）漏斗破裂半徑R，爆破漏斗的側(cè)邊線長(zhǎng)，表示爆破作用在巖體中的破壞范圍；4）漏斗可見半徑P，藥包爆破后，一部分巖塊被拋擲到漏斗以外，一部分又回落到漏斗內(nèi)，形成一個(gè)可見漏斗。從臨空面到漏斗內(nèi)巖塊堆積表面的最大深度，叫做漏斗可見深度。5）漏斗張開角θ，即爆破漏斗的錐角，它表示漏斗的張開程度。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用爆破作用指數(shù)n：在巖石性質(zhì)和爆破條件一定，當(dāng)裝藥量不變而改變藥包的埋置深度，或藥包埋置深度固定不變而改變裝藥量時(shí)，都可發(fā)現(xiàn)爆破漏斗的尺寸和爆破作用性質(zhì)發(fā)生變化。這種變化可用爆破漏斗半徑r與最小抵抗線W的比值來(lái)表征，此比值為爆破作用指數(shù)，用n表示，即n=r/W。當(dāng)n發(fā)生變化時(shí)，爆破的作用性質(zhì)，爆破漏斗的大小，巖塊的拋擲量和拋擲距離都將發(fā)生變化。所以，根據(jù)n不同，可將爆破作用性質(zhì)和爆破漏斗進(jìn)行分類：即標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破、加強(qiáng)拋擲爆破、加強(qiáng)松動(dòng)爆破、松動(dòng)爆破。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗：當(dāng)爆破作用指數(shù)n=1時(shí)，藥包爆破后即可形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗坑，即漏斗半徑r等于最小抵抗線W，漏斗張開角等于90°，此時(shí)，漏斗中的巖石不僅全部被破碎，而且有相當(dāng)數(shù)量的巖塊被拋擲到漏斗外，出現(xiàn)了明顯的漏斗坑。形成這種標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗的爆破作用，稱為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破。加強(qiáng)拋擲爆破漏斗：當(dāng)1＜n＜3時(shí)，藥包爆破后，所形成的漏斗半徑r大于最小抵抗線W，漏斗張開角也大于90°，漏斗中的大部分巖塊將被拋擲到漏斗以外，這種漏斗稱為加強(qiáng)拋擲爆破漏斗，其爆破作用叫作加強(qiáng)拋擲爆破。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用減弱拋擲（或稱加強(qiáng)松動(dòng)）爆破漏斗：當(dāng)0.75＜n＜1時(shí)，藥包爆破所形成的漏斗半徑r小于抵抗線W，漏斗張開角θ也小于90°，漏斗范圍的巖石遭受到破壞，而且有少部分巖塊被拋擲到漏斗外，出現(xiàn)深度不大的漏斗坑。這種漏斗稱為減弱拋擲漏斗或加強(qiáng)松動(dòng)爆破漏斗。其爆破作用叫作減弱拋擲爆破或加強(qiáng)松動(dòng)爆破。松動(dòng)爆破漏斗：當(dāng)爆破作用指數(shù)在0.4~0.75范圍內(nèi)時(shí)，藥包爆破后基本上沒有拋擲作用，地表上只見到鼓包現(xiàn)象，面看不到爆破漏斗坑，漏斗范圍內(nèi)的巖石破碎，這種漏斗稱為松動(dòng)爆破漏斗，其爆破作用叫作松動(dòng)爆破。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用由上述可見，爆破作用指數(shù)n表征著爆破作用的性質(zhì)，因此在爆破工程中，可通過選擇適宜的n值來(lái)控制爆破作用的性質(zhì)，從而達(dá)到預(yù)期的爆破目的。例如在開山筑壩、礦山露天剝離、開挖路塹和移山平地等爆破工程中，可采用爆破作用指數(shù)n＞1的加強(qiáng)拋擲爆破，以便盡可能將破碎后的巖塊拋擲到一定的距離以外，減少搬運(yùn)工作量。在一定范圍內(nèi)n值愈大，拋擲方量愈多，拋擲距離也愈遠(yuǎn)。加強(qiáng)松動(dòng)和松動(dòng)爆破由于裝藥量較小，爆堆比較集中，幾乎不產(chǎn)生飛散物，因此在爆破工程中，使用比較廣泛。對(duì)城鎮(zhèn)復(fù)雜環(huán)境爆破，為防止爆破飛散物及其他危害，常采用n=0.4~0.75的松動(dòng)爆破。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用裝藥量計(jì)算：裝藥量是爆破工程中一個(gè)最重要的參量。裝藥量確定的正確與否直接關(guān)系到爆破效果和經(jīng)濟(jì)效益。一般來(lái)說(shuō)，裝藥量的確定與爆落巖石體積、巖性、臨空面狀況及其他爆破條件等各種因素有關(guān)，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直沿用著在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式——體積公式。它的基本原理為：裝藥量的大小應(yīng)與被爆破的巖石體積成正比。公式為：Q=K×V1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用試驗(yàn)證明，在巖石性質(zhì)、炸藥品種和藥包埋置深度均相同的情況下，改變裝藥量Q的大小即可獲得爆破作用指數(shù)不同的爆破漏斗。此外，爆破單位體積炸藥消耗量隨著爆破作用指數(shù)的不同而變化。因此，裝藥量可視為爆破作用指數(shù)n的函數(shù)。故各種不爆破作用的裝藥量的計(jì)算通式可表示為：Q=K標(biāo)W3f（n），其中f（n）=0.4+0.6n3稱為爆破作用指數(shù)；K為單位用藥量系數(shù)或稱單耗等。K值在某種意義代表巖石的可爆性，與巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖層結(jié)構(gòu)、節(jié)理、風(fēng)化程度等有關(guān)。可通過爆破試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用在爆破工程應(yīng)用中，常常根據(jù)實(shí)際情況采用合理的藥包形狀以達(dá)到不同的工程目的。藥包形狀主要分為以下4類：即集中藥包、條形（延長(zhǎng)）藥包、平面藥包和特定形狀藥包。集中藥包：這種藥包在理論上應(yīng)是球體，在工程實(shí)際中通常把藥包做成正方體或長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體的最長(zhǎng)邊不超過最短邊的4倍。在實(shí)際應(yīng)用中藥室（方形）法、藥壺法的藥包屬集中藥包。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用條形藥包；根據(jù)施工條件將藥包做成長(zhǎng)條形，可以是圓柱狀也可以方柱狀。通常人們把藥包長(zhǎng)度大于最短邊或其換算直徑4倍時(shí)的藥包，稱為條形藥包。在實(shí)際應(yīng)用中，炮孔法、中深孔法和硐室爆破中的條形藥包都屬條形（延長(zhǎng)）藥包。平面藥包：理想的平面藥包一般理解為藥包的長(zhǎng)度和寬度比厚度要大得多，利用藥包爆炸產(chǎn)生的的平面壓縮波對(duì)介質(zhì)作功，能顯著地提高爆炸作用能量的定向性和密集性。爆炸復(fù)合、硬化、壓實(shí)以及水下大面積炸礁等，可以看做是平面藥包在實(shí)際中的應(yīng)用。1.3單個(gè)藥包在介質(zhì)中的爆破作用特定形狀藥包：將炸藥做成特定的藥包，用以達(dá)到特定的爆破作用。應(yīng)用最廣泛的是聚能爆破法，把藥包外殼的一端加工成圓錐形或拋物面形的凹穴，使爆轟波按圓錐或拋物線形凹穴的表面聚集在它的焦點(diǎn)或軸線上，形成高速射流，擊穿與它接觸的介質(zhì)的某一特定部位。這種藥包在軍事上用做破甲彈以穿透坦克的外殼或其他軍事目標(biāo)，在工程上用來(lái)切割金屬板材、大塊的二次破碎以及在凍土中穿孔等。１.４成組藥包在介質(zhì)中的爆破作用在實(shí)際爆破工程中，一般很少采用單個(gè)藥包爆破，常常要多個(gè)藥包爆破才能達(dá)到預(yù)期的工程目的，研究成組藥包的爆破作用原理，對(duì)合理確定爆破參數(shù)具有重要意義。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上藥包同時(shí)爆破時(shí)，在最初幾微秒時(shí)間內(nèi)，應(yīng)力波以同心球狀各自從起爆點(diǎn)向外傳播，經(jīng)過一定時(shí)間后，相鄰兩藥包爆破引起的應(yīng)力波相遇，并產(chǎn)生相互迭加，其結(jié)果在波陣面的切線方向上的拉伸應(yīng)力增大，則形成應(yīng)力增高現(xiàn)象，從面使沿炮孔聯(lián)線上的巖石首先產(chǎn)生徑向裂隙。炮孔距離愈近，這種裂隙就愈多，但是不能認(rèn)為炮孔愈近，爆破效果就愈好，因?yàn)榕诳茁?lián)線上產(chǎn)生裂隙后，爆轟氣體很快沿裂隙逸散，而使其他方向上的徑向裂隙得不到足夠的發(fā)展，從而降低了巖石的破碎程度；當(dāng)炮孔距太大時(shí)，因應(yīng)力隨孔距增大面減小，巖石得不到充分的破碎，在兩孔間可能會(huì)留下巖柱。１.４成組藥包在介質(zhì)中的爆破作用在一定的界面多個(gè)藥包按適當(dāng)?shù)拈g距排列，在爆破時(shí)就可以按界面產(chǎn)生爆破裂縫，而對(duì)界面兩側(cè)的介質(zhì)很小損傷，預(yù)裂爆破、光面爆破技術(shù)就是基于這一爆破作用原理發(fā)展起來(lái)的。當(dāng)藥包周圍一定范圍內(nèi)存在空孔時(shí)，空孔將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，即由于藥包爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波遇到空孔時(shí)，在空孔兩邊引起動(dòng)拉應(yīng)力集中，如該值大于介質(zhì)的動(dòng)抗拉極限強(qiáng)度，在空孔的徑向?qū)a(chǎn)生裂縫，當(dāng)兩孔的距離大于孔徑的３倍時(shí)，空孔就不易產(chǎn)生裂紋?？湛椎膶?dǎo)向作用，常應(yīng)用于預(yù)裂爆破和光面切割爆破的拐角部位，由于介質(zhì)的不均勻性可能引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在爆破工程設(shè)計(jì)中即應(yīng)當(dāng)重視，也可以加以利用。１.４成組藥包在介質(zhì)中的爆破作用在臺(tái)階爆破中（梯段爆破），多排成組齊發(fā)爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波相互作用情況比單排時(shí)更加復(fù)雜，在前后排各炮孔所構(gòu)成的四邊形中的巖石，受到四個(gè)炮孔藥包爆破引起的應(yīng)力波的相互迭加作用，造成了極高的應(yīng)力狀態(tài)，并且延長(zhǎng)了應(yīng)力波的作用時(shí)間，因而使破碎效果大為改善。然而在另一方面，多排成組藥包齊發(fā)爆破時(shí)，只有第一排炮孔爆破具有兩個(gè)臨空面的優(yōu)越條件，而后排炮孔爆破無(wú)平行炮孔方向的自由面可利用，爆破后所受的夾制作用大，爆破能量消耗大，因此在實(shí)際工程中很少采用多排成組炮孔的齊發(fā)爆破。在多排成組炮孔爆破時(shí)，前后排炮孔采用微差起爆技術(shù)，將會(huì)獲得較好的爆破效果，對(duì)降低爆破振動(dòng)也十分有利。１.４成組藥包在介質(zhì)中的爆破作用孔網(wǎng)參數(shù)與藥包起爆時(shí)序：爆破工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，