岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39

一、岩石爆破破碎的主因

破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。

1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔）

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，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。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，虽然此时波的强度已很低，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”。随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗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，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。

2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等）

从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。它在很大程度上忽视了冲击波的作用。 3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等） 这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。此外，爆炸冲击波对高阻抗的致密、坚硬岩石作用更大，而爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软弱岩石的破碎效果更佳。

二、炸药在岩石中的爆破作用的范围 1、炸药的内部作用 假设岩石为均匀介质，当炸药置于无限均质岩石中爆炸时，在岩石中将形成以炸药为中心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎区、裂隙区及弹性振动区。

（1）粉碎区（压缩区） 炸药爆炸后，爆轰波和高温、高压爆炸气体迅速膨胀形成的冲击波作用在孔壁上，都将在岩石中激起冲击波或应力波，其压力高达几万MPa、温度高达30000以上，远远超过岩石的动态抗压强度，致使炮孔周围岩石呈塑性状态，在几到几十毫米的范围内岩石熔融。尔后随着温度的急剧下降，将岩石粉碎成微细的颗粒，把原来的炮孔扩大成空腔，称为粉碎区。如果所处岩石为塑性岩石（黏

土质岩石、凝灰岩、绿泥岩等），则近区岩石被压缩成致密的、坚固的硬壳空腔，称为压缩区。由于粉碎区是处于坚固岩石的约束条件下，大多数岩石的动态抗压强度都很大，冲击波的大部分能量已消耗于岩石的塑性变形、粉碎和加热等方面，致使冲击波的能量急剧下降，其波阵面的压力很快这下降到不足以粉碎岩石，所以粉碎区半径很小的，一般为药包半径的几倍。 （2）裂隙区（破裂区）

当冲击波通过粉碎区以后，继续向外层岩石中传播。随着冲击波传播范围的扩大，岩石单位面积的能流密度降低，冲击波衰减为压缩应力波。其强度已低于岩石的动抗压强度，不能直接压碎岩石。但是，它可使粉碎区外层的岩石遭到强烈的径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因而导致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变。如果这种切向拉伸应变超过了岩石的动抗拉强度的话，那么在外围的岩石层中就会产生径向裂隙。这种裂隙以0.15～0.4倍压缩应力波的传播速度向前延伸。当切向拉伸应力小到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止向前发展。此时便会产生与压缩应力波作用方向相反的向心拉伸应力。致岩石质点产生反向的径向移动，当径向拉伸应力超过岩石的动抗拉强度时，在岩石中便会出现环向的裂隙。径向裂隙和环向裂隙的相互交错，将该区中的岩石割裂成块。此区域亦称破裂区。 (3)弹性振动区

裂隙区以外的岩体中,由于应力波引起的应力状态和爆轰气体压力建立起的准静应力场均不足以使岩石破坏,只能引起岩石质点做弹性振动,直到弹性振动波的能量被岩石完全吸收为止,这个区域叫做弹性振动区。 2、炸药的外部作用

当集中药包埋置在靠近地表的岩石中时，药包爆破后除产生内部的破坏作用以外，还会在地表产生破坏作用。在地表附近产生的破坏作用的现象称为外部作用。根据应力波反射原理，当药包爆炸以后，压缩应力波传到自由面时，便从自由面反射回来，变为性质和方向完全相反的拉伸应力波，这种反射拉伸波可以引起岩石片落和引起径向裂隙扩展。

(1)反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落

当压缩应力波到达自由面时，产生了反射压缩应力波，并由自由面向爆源传播。由于岩石抗拉强度很低，当拉伸应力波的峰值压力大于岩石的抗拉强度时，岩石被拉断，与母岩分离。随着反射拉伸波的传播，岩石将从自由面向药包方向形成“片落”。“片落”现象的产生主要与药包的几何形状、药包大小和入射波的波长有关。对装药量较大的硐室爆破易产生片落，而对于装药量小的深孔来说，产生的“片落”现象则较困难。入射波的波长对“片落”过程的影响主要表现在随着波长的增大，其拉伸应力就急剧下降。 （2）反射拉伸波引起径向裂隙的延伸

从自由面反射回岩体中的拉伸波，即使它的强度不足以产生“片落”，但是反射拉伸波同径向裂隙梢处的应力相互迭加，也可使径向裂隙大大地向前延伸。

三、炸药在岩石中爆破破坏的过程

从时间来说，将岩石爆破破坏过程分为3个阶段为多数人所接受。 第一阶段为炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段。炸药起炸后，产生的高压粉碎了炮孔周围的岩石，冲击波以3000～5000m/s的速度在岩石中引起切向拉应力，由此产生的径向裂隙向自由面方向发展，冲击波由炮孔向外扩展到径向裂隙的出现需

1～2ms。第二阶段为冲击波反射引起自由面处的岩石片落。第一阶段冲击波为正值，当冲击波到达自由面后产生反射时，波的压力变为负值。即由压缩应力波变为拉伸应力波。在反射拉伸应力的作用下，岩石被拉断，发生片落。此阶段发生在起爆后10～20ms。第三阶段为爆炸气体的膨胀，岩石受爆炸气体超高压力的影响，在拉伸应力和气楔的双重作用下，径向初始裂隙迅速扩大。 当炮孔前方的岩石被分离、推出时，岩石内产生的高应力卸载如同被压缩的弹簧突然松开一样。这种高应力的卸载作用，在岩石内引起极大的拉伸应力，继续了第二阶段开始的破坏。第二阶段形成的细小裂隙构成了薄弱带，为破碎的主要过程创造了条件。应该指出的是：①第一阶段除了产生径向裂隙外，还有环状裂隙的产生。②如果从能量观点出发，第一、二阶段均是冲击波的作用而产生的，而第三阶段原生的扩大和碎石的抛出均是爆炸气体作用的结果。 四、岩石中爆破作用的5种破坏模式

炸药爆炸时，周围岩石受到多种载荷的综合作用，包括：冲击波产生和传播引起的动载荷；爆炸气体形成的准静载荷和岩石移动及瞬间应力场张弛导致的载荷释放。在爆破的整个过程中，起主要作用的是5种破坏模式： ①炮孔周围岩石的压碎作用； ②径向裂隙作用；

③卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；

④反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸； ⑤爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙。

无论是冲击波拉伸破坏理论还是爆炸气体膨胀压破坏理论，就其岩石破坏的力学作用而言，主要仍是拉伸破坏。 五、影响爆破作用的因素

影响爆破作用的因素很多，归纳起来主要在3个方面，即炸药性能；岩石特性；爆破条件和爆破工艺。

1、炸药性能对爆破作用的影响

炸药性能包括物理性能、热化学参数和爆炸性能。其中，直接影响爆破作用及其效果的是炸药密度、爆执和爆速。正是它们进而影响了爆轰压力、爆炸压力、爆破作用时间以及炸药爆炸能量利用率。 （1）炸药密度、爆热和爆速

破碎岩石主要靠炸药爆炸释放出来的能量。增加炸药爆热和密度，可以提高单位体积炸药的能量密度；反之必然导致炸药能量密度的降低，增加钻孔的工作量和成本。提高炸药热化参数，增大密度，采用高威力的炸药是提高爆破作用的有效途径。爆速也是炸药性能的主要参数之一，不同爆速的炸药，在岩石中爆炸可产生不同的应力波参数，从而对岩石的爆破作用及效果有着明显的影响。 （2）爆轰压力

爆轰压力是指炸药爆轰时爆轰波波阵面所测得的压力，当爆轰波传到炮孔孔壁上时，在孔壁的岩石中会激发成强烈的冲击波和应力波。这种冲击波在岩石中，特别是在硬岩中会引起炮孔周围岩石出现粉碎和裂隙，它为整个岩石破裂创造了先决条件。一般来说,爆轰压力越高，在岩石中激发的冲击波的初始峰值压力和引起的应力以及应变也越大，越有利于岩石的破裂，尤其是对于爆破坚硬致密的岩石来说更是如此。但是并不是对所有岩石来说爆轰压力越高越好，对某些岩石来说爆轰压力过高将会造成炮孔周围岩石的过度粉碎。另外爆轰压力越高，冲击波对岩石的作用时间越短，冲击波的能量利用率低而且造成岩石破碎不均