岩土爆破理论基础.ppt

安恩向（高级工程师）甘肃省化工研究院兰金民爆公司Tel.：E-mail：,甘肃省2012年第一期爆破工程技术人员（初级）培训,6.岩石爆破理论基础,岩石爆破破碎机理概述 岩体中的爆破应力波 爆破漏斗理论 装药量计算原理 影响工程爆破的主要因素 爆破过程的数值模拟 精细爆破,岩石爆破理论基础,1.岩石爆破破碎机理概述,岩石爆破作用研究的问题：爆破机理：爆破机理的研究是一个复杂的课题，由于炸药爆炸是一个高压、高温、高速的变化过程，目前尚无相应的测试 手段；而岩石的状态又是千变万化，目前尚无合适的状态方程能描述岩石动态变化过程；因此，爆破作用机理的研究，目前还停留在定性阶段，实际爆破上大都是经验公式。提高炸药爆炸能量利用率：当前在岩石中炸药爆破的有效能量只有总能量的10%左右，而提高能量利用率才能加强爆破效果，这个课题需要从炸药爆炸的机理、岩石爆破破坏的变形过程、控制爆破有害效应等方面去研究。,1.岩石爆破破碎机理概述,已有爆破破坏作用理论：爆炸冲击波反射拉伸破坏理论：这种理论是用波动力学观点来观察爆炸过程，首先是霍尔金逊金属杆试验，而后的混凝土爆破飞片试验；这些爆破飞片是爆生气体理论所不能解释的。只能用爆炸冲击波反射拉伸破坏来予以说明。一般用在脆性岩石。爆炸气体膨胀压力破坏作用理论：这种理论是从静力学观点出发，把岩石爆破看成是锅炉爆炸一样，是爆生气体的膨胀力超过岩石本身的强度而使岩石破裂。这种理论适用于土壤、软岩。爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破坏理论：把以上两种理论综合起来比较好的解释了岩石爆破的破坏现象。是当前所公认的。,1.岩石爆破破碎机理概述,冲击波拉伸破坏理论,炸药在岩石中爆轰时，生成高温、高压、高速冲击波猛烈冲击周围岩石，在岩石中引起强烈的应力波。刚开始释放时它的强度远远超过了岩石的动抗压强度，引起周围的过度破碎。当压缩应力波通过压碎带后，继续传波但强度大大下降，不能直接引起岩石的压破碎。当达到自由面时反射成拉应力波，虽然拉应力比较小但达到了岩石的抗拉强度，岩石拉断。表现为“折断”、“片落”、“分离”等现象。逐渐形成爆破漏斗范围内的完全拉裂。,1.岩石爆破破碎机理概述,抵抗线,入射波,反射波,入射反射拉压相互作用使岩石破坏,不破坏处为临界状态,1.岩石爆破破碎机理概述,爆破作用范围,自由面,压缩波,药包半径a1,粉碎圈半径rc,h,r,d,k,稀疏波,1.岩石爆破破碎机理概述,冲击波拉伸破坏理论1.作用的机理：（1）入射波和反射波，反复作用自由面；（2）爆炸的气体只限于岩石的辅助破碎与岩石的移动。2.爆破的主要特征（1）齐爆效果比单孔爆破效果之和好；（2）具有两个自由面的效果比一个自由效果好；（3）爆破时，破坏从自由面向装药中心推进，破坏呈规则的板状。3.爆破作用的几个阶段（1）炸药的爆轰 炸药爆炸后，使炸药周围的岩层介质粉碎，出现范围狭小的粉碎层；半径用rc表示。（2）自由面受入射波和反射波，使岩石受拉，产生破坏。（3）爆轰气体的膨胀作用使岩石进一步粉碎、移动、地表震动。,1.岩石爆破破碎机理概述,对冲击波拉伸破坏理论的评述,（1）意义 利用冲击波的理论推导了爆破漏斗的几何尺寸与药量、爆轰压力、岩石抗拉强度的关系；阐述了爆破作用的两个阶段；自由面受拉伸破坏的原理被世人认同。,1.岩石爆破破碎机理概述,（2）不足 许多问题该理论还不能解释 比较小的冲击波能量占炸药能很小部分（3%），要将岩石完全破碎令人难以理解。根据实验，爆破药量足够大时才会出现片落现象。根据破碎时间分析，冲击波传到自由面，再返回全部历程不超过几毫秒，岩石的裂隙不可能充分发育。一般自由面岩石开始移动的时间为上述时间的1520倍。在压碎带和片裂带之间，存在非破碎带，用冲击波机理解释不清。,1.岩石爆破破碎机理概述,爆炸气体膨胀压破坏理论,基本观点 爆炸气体膨胀压力是引起岩石拉伸破坏的主要原因。依据有二:（1）岩石发生破碎的时间是在爆炸气体作用的时间内；（2）炸药中的冲击波能量只占炸药总能量的（515）%。该理论的代表人物：瑞典学者，兰格福斯。,1.岩石爆破破碎机理概述,1966年岩石爆破现代技术全面论述：爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破坏理论一、初始裂隙形成时间 炮孔内炸药爆炸后几个毫秒之内释放大量爆能破碎有限岩石，产生爆破效果：产生气体：炮孔内压力达104MPa 单位内能量：25000MW 爆速：25006000m/s 产生的冲击波：冲击波传播速度30005000m/s,直径40mm的炮孔：粉碎层约20mm;爆炸产生的径向裂纹在切向应力作用扩展，最后扩展到1米范围。裂隙在几分之一毫秒内完成。,1.岩石爆破破碎机理概述,在炮孔附近即：r=r0 r=2 r0 拉伸应力大于压应力，岩石的拉应力小于岩石的压应力。初始的径向裂缝是由拉应力作用产生。二、自由面附近的拉断破坏（1）爆炸后由于压碎和塑性变形，孔径扩大原来的2倍；随着冲击波的消失，裂隙反复收缩、闭合，扩展裂缝。（2）在临近自由面爆破时，压缩波遇到自由面时反射成拉伸波。反复作用发生裂缝。这种拉伸波在岩石爆破中起次要作用。只有在单位药量比较大时才能产生岩石片落。简答题第7页 15题、第12页 46题,1.岩石爆破破碎机理概述,三、岩石的破碎过程（1）冲击波作用的结果：径向裂缝和发生岩石破裂阶段；（2）松动破坏岩石的大部分能量来自爆炸气体；根据计算冲击波占炸药总能量5%15%；高威力炸药冲击波能量占9%；在冲击波传递过程中损失2/3；爆破漏斗中冲击波能量占3%。（3）岩石破碎的第三和最后阶段是在爆炸气体压力作用下，缓慢破碎过程。达到破碎和移动的目的。,1.岩石爆破破碎机理概述,径向裂缝,1.岩石爆破破碎机理概述,渗透到裂隙带的气体,1.岩石爆破破碎机理概述,C,B,A,ua,ub,uc,压缩波,稀疏波,岩石自由面,岩石自由面的变化,1.岩石爆破破碎机理概述,岩石爆破破碎机理总结,我们可以把岩石爆破破坏过程分为3个阶段：第一个阶段为炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段。炸药起爆后，产生的高压粉碎了炮孔周围的岩石，冲击波以30005000 ms-1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12ms。爆轰波的高压作用，炮孔孔壁粉碎并开始膨胀；,1.岩石爆破破碎机理概述,岩石爆破破碎机理总结,第二阶段为冲击波反射引起自由面处的岩石片落。第一阶段冲击波压力为正值，当冲击波到达自由面后发生反射时，波的压力变为负值。即由压缩应力波变为拉伸应力波。拉应力大于岩石的抗拉强度，岩石出现破裂，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1020ms。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。形成岩石的破碎与移动。高级题第60页 12题,1.岩石爆破破碎机理概述,岩石中爆破作用的5种破坏模式,炮孔周围岩石的压碎作用；径向裂隙作用；卸载引起的岩石内部环状裂隙作用；反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸；爆炸气体扩展应变波所产生的裂隙。,1.岩石爆破破碎机理概述,炮孔膨胀与时间关系,0 0.1 0.2 0.4 1 2 3 5,1,2,4,6,8,10,1,2,3,V/V0,t(ms),V-为膨胀后的炮孔体积;V0-膨胀前的炮孔体积,1.岩石爆破破碎机理概述,从曲线分析可看如下几点:第一阶段，初始冲击波导致岩石破碎，炮孔体积膨胀到初始体积的2倍，保持0.10.4ms体积不变。第二阶段，除自然裂隙外，新裂隙大多是炮孔周围的压应力场和它在自由面反射所形成的拉应力场交替作用形成。爆轰体积膨胀，使岩石体积达到原来体积的4倍，岩石开始破碎。第三阶段，岩石开始破碎并开始移动。,1.岩石爆破破碎机理概述,2.岩体中的爆破应力波,炸药起爆过程：在激发点形成冲击波 10-5 cm炸药发生化学反应区 0.11cm产生高温、高压气体 3000，5000 10000MPa持续、稳定的向外传播爆速30007000m/s一个半径0.7m的药包，完成爆炸反应时间0.10.2ms,2.岩体中的爆破应力波,波：在介质中传播的扰动。应力波：由于任何有界或无界介质的质点是相互联系着的，其中任何一处的质点受到外界作用而产生变形和扰动时，就要向其他部分传播，这种在应力状态下介质质点的运动或扰动的传播称为应力波。爆炸应力波：炸药在岩石和其他固体介质中爆炸所激起的应力波扰动（或应变扰动）的传播。,2.岩体中的爆破应力波,岩体中炸药爆炸时，岩体介质受到冲击扰动，而在岩体中传播的波，在波的阵面前后，岩体应力状态发生变化，因此把在固体中传播的扰动波，统称为应力波。应力波的种类：按照应力波的传播途径和变形特点可分为两大类：体积波：包括两种波 纵波（压缩波）：波的传播与质点运动方向一致，产生压缩或拉伸变形。横波（剪切波）：波的传播与质点运动方向相垂直，产生剪切变形。,2.岩体中的爆破应力波,传波方向,质点运动方向,压,拉,压,纵波(P波)传播示意图,压缩波,稀疏,2.岩体中的爆破应力波,压缩波与稀疏波的概念,压缩波:使岩石受压,稀疏波:使岩石受拉,交变拉压变化使岩石破坏,纵波(P波)的特点:传播方向与质点运动方向一致,可引起岩石拉压破坏,可在可在固体.液体.气体内传播.,2.岩体中的爆破应力波,模拟体积波的横波与纵波,F,F,F,胶皮,受力特点:纵波以拉压为主 横波以剪切为主,X,Y,2.岩体中的爆破应力波,横波(S波)传播示意图,传播方向,质点振动方向,横波特点:传播方向与质点振动方向垂直,可引起介质剪切破坏,只在固体内传播.,2.岩体中的爆破应力波,应力波的种类：表面波：包括两种波：瑞利波：在岩体中传播的纵波、横波传到岩体与空气界面时，在界面上生成一种沿着界面传播的波，这种波在爆破产生的地震效应上十分重要。勒夫波：在某种介质中传播的纵波、横波传到另一种介质时，在两种介质的界面上形成沿着界面传播的波。,2.岩体中的爆破应力波,面波:瑞利波和勒夫波,瑞利波(R)特点:在表面传播与纵波相似,不产生剪切破坏,象水中投石波浪一样由近及远传播.与体波的纵波相对应.勒夫波特点:在介质表面与传播方向成横向的振动.与体波的横波相对应.根据实验研究:辐射的震源的能量为100,则纵波占7%,横波26%;表面波占67%.,2.岩体中的爆破应力波,冲击波在岩体内传播过程分为3个作用区：1.冲击波作用区：在37倍药包半径范围 内；2.应力波作用区或压缩应力波作用区；3.弹性振动区。,2.岩体中的爆破应力波,按传播介质变形性质分,弹性波 黏弹性波 塑性波 冲击波,符合虎克定律在弹性介质中传播,除弹性应力外，还产生摩擦应力或黏滞应力在非线性弹性体中传播,出现屈服应力应力超过弹性极限的波,适应小扰动的介质 超声速传播,炸药爆炸后，在岩石中传播的主要是弹性波，塑性波和冲击波只能在爆源处才能观察到，而且不是所有岩石都能产生这样的波,2.岩体中的爆破应力波,岩体内部的爆破破坏作用 炸药包埋在地下很深处爆炸，爆炸后在地表没有出现明显的破坏迹象，把这种药包称为内部作用药包。这时岩体内部的破坏情况可分为以下4个区域：（1）爆炸空腔：炸药爆炸后，爆生气体沿着裂缝外渗，在药包位置形成扩大的空腔，对于土壤空腔半径要比药包半径大很多。爆炸空腔与岩石性质及炸药种类有关。岩石密度越小，炸药威力越大，空腔半径就越大。当空腔扩张过程结束时，空腔里爆炸产物和剩余压力大大小于岩石的抗压强度极限，这导致过程后期岩石的向心运动。,2.岩体中的爆破应力波,（2）压碎区（压缩区）：爆炸空腔外，岩壁受到爆炸冲击波的高压作用，岩石被压成粉末状，而土壤则被烤压成一个硬壳。装药爆炸时，在岩体内产生的冲击荷载越过岩石冲击变形曲线上的临界应力后（约等于岩石的体积压缩模量），就会在岩体内激起冲击波。使岩体产生强烈压缩和塑性变形，岩石结构遭到严重破坏，从而在爆炸空腔外形成压碎区。压碎区是由塑性变形或剪切破坏形成的，其半径一般不超过装药半径的37倍。对于岩石压碎区半径：如花岗岩、石英岩等 Rp=（）ro对于土壤,如粘土 Rp=（11.313.1）ro 黄 土 Rp=（7.07.6）ro,2.岩体中的爆破应力波,（3）破裂区（破坏区）：爆炸冲击波在通过压碎区后，锐变为压缩波，但其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗拉强度，使岩体质点径向扩张产生拉伸和剪切破坏，出现纵横交错的裂缝，而爆炸气体的渗入，加剧了裂缝的扩展。爆炸冲击波在通过压碎区后，锐变为压缩波，但其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗拉强度，使岩体质点径向扩张产生拉伸和剪切破坏，出现纵横交错的裂缝，而爆炸气体的渗入，加剧了裂缝的扩展。破裂区内的径向裂缝发展很快，一般是纵波波速的0.150.4 倍，爆生气体的“气刃作用”对裂隙延伸也有贡献。在破裂区内除了一般人们公认的存在着径向裂隙以外，还有人提出存在着剪切破坏和环向拉断。,2.岩体中的爆破应力波,（4）震动区（弹性区）：破裂区以外，应力波的瞬态应力和爆炸产物的作用不能再引起岩石的破坏，岩体变形属于弹性变形，所以破裂区之外的区域统称为震动区，压缩波这时已锐变为弹性波，岩体只产生弹性变形，地面有震感。在该区中应力波可以传到很远的距离，变成正负相大体对称的振动波，直至其能量完全被岩体吸收。,2.岩体中的爆破应力波,当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，还会在地表产生破环作用。反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落和径向裂隙的延伸。,爆破的外部作用,反射拉应力波破坏过程示意图a-入射压力波波前；b-反射拉应力波波前,3.爆破漏斗理论 一、爆破漏斗的几何参数 自由面：自由面又叫临空面，通常是指岩土介质与空气接触的交界面。自由面是最小抵抗线方向，自由面的存在有利于岩石的破碎和抛掷。因此，自由面是岩石破碎必不可少的条件。自由面越大、数目越多，岩石的阻力越小，破碎越容易，炸药单耗越少；反之，自由面越小、数目越少，岩石的阻力越大，破碎越困难，炸药单耗越多。最小抵抗线W：最小抵抗线是指炸药包在介质中爆炸时，介质产生抵抗力最小的方向，通常将药包中心到介质自由面的最短距离称为最小抵抗线。,3.爆破漏斗理论,炸药在岩石中爆破作用的范围,埋置深度（抵抗线）,自由面,空气,岩石,炸药,临界埋置深度,最佳埋置深度,内部作用,外部作用,裸露药包,爆破漏斗,四个破坏区,抵抗线,WC,WO,3.爆破漏斗理论,爆破漏斗的几何参数 爆破漏斗半径 r:漏斗的底圆半径；爆破漏斗半径是指圆锥形爆破漏斗的底面半径，表示地表破坏范围的大小 爆破作用半径R：药包中心到漏斗底圆圆周上任一点的距离（或称破裂半径）；爆破漏斗的可视深度h：自爆破漏斗中岩体岩堆表面最低点到自由面的最短距离；爆破漏斗张开角：爆破漏斗的顶角。,3.爆破漏斗理论,3.爆破漏斗理论,3.爆破漏斗理论,n=r/w,爆破作用指数的概念：爆破作用指数是指爆破漏斗底面半径r与最小抵抗线W的比值，用 n表示：n=r/W；爆破松动程度的划分：n=1 标准抛掷；1n0.75减弱抛掷或加强松动；n0.75 必须熟练掌握题第26页 27题,3.爆破漏斗理论,利文斯顿漏斗理论,利文斯顿爆破漏斗理论是美国科罗拉多矿业学院C.W 利文斯顿50年代提出，根据大量的漏斗实验，用V/Q-曲线（单位炸药量的爆破体积-深度比曲线）作为变量，比较科学地建立了爆破漏斗的几何形态，形成比较完善的爆破理论，成为实用爆破理论的鼻祖。,3.爆破漏斗理论,二、对岩石破坏的分类,埋深,岩石表面,药包埋深与效果,漏斗,临界,内部,3.爆破漏斗理论,基本观点（1）炸药的能量分配给岩石和空气的方式；（2）能量传递的过程不仅与炸药有关也与岩石特性有关；（3）炸药释放的能量与炸药量成正比，炸药能量的释放速度是炸药速度的函数，而炸药传给岩石的能量又是时间的函数。,3.爆破漏斗理论,随着埋深减少或药量增加，出现岩层表面破坏。刚开始破坏的深度称临界深度，此时的药量成为临界药量。此条件为弹性变形的上限。在临界弹性状态有如下三种破坏形式：（1）冲击破坏对脆性岩石而言；（2）剪切式破坏对塑性岩石而言；（3）碎化疏松式破坏对松散无内聚力岩石而言；了解以上三种形态，对不同岩性可控制其破坏形式。,3.爆破漏斗理论,随着埋深减小或药量的增加，爆破漏斗逐渐形成，体积逐渐增大，当达到最大值时，冲击破坏的上限与爆破时炸药能量利用的最有效点相吻合。此时的埋深为最佳埋深，相对应的炸药量为最佳药量。当药包埋深继续减小，爆破能量超出最佳破坏效应的 能量，此时岩石的破坏可划分为破碎带或空爆带。,3.爆破漏斗理论,C.W.爆破漏斗试验与V/Q-曲线,0.4,0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,35 30 20 10,V/Q,V/Q-曲线,Ly/Le,3.爆破漏斗理论,怎样读懂上图的曲线？V爆破漏斗的体积；Q装药量；V/Q单位炸药量所爆破下来的岩块体积；Ly任意炸药深度；Le临界深度；=Ly/Le 炸药埋深与临界深度的比值；同一次岩性试验，Q、Le是常数不变，纵坐标仅单位比例变化；横坐标仅为单位长度变化。上图 曲线是固定曲线。,3.爆破漏斗理论,利文斯顿的弹性变形方程 前提条件：岩石是在临界深度时才 开始破坏。弹性方程式为：Le=E(Q)1/3 其中：Le药包临界深度（m)E 弹性变形系数；Q 药包重量（kg);若取：=Ly/Le（即深度比）Ly=E(Q)1/3（19）其中：Ly药包埋深（m），,3.爆破漏斗理论,最大岩石破碎量和冲击式破坏上限时有关最佳埋深的关系式：Lj=0 E(Q0)1/3 其中：Lj最佳埋深（m)0最佳深度比 Q0最佳药包重量（kg)此时药包的大部分能量用于岩石破碎过程，少量用于无用功。（如振动、噪声等）,3.爆破漏斗理论,对岩石破坏的分类：增加药量或减少埋深，地表开始破坏，出现冲击破裂带。使岩石开始发生破坏的埋深称为临界深度(Le)，对应药量称为临界药量(Qe)。不同的临界深度对应不同的临界药量。随着埋深减小或药量的增加，爆破漏斗逐渐形成，体积逐渐增大，当达到最大值时，冲击破坏的上限与爆破时炸药能量利用的最有效点相吻合。此时的埋深为最佳深度(Lj)，相对应的炸药量为最佳药量(Qo)。当药包埋深继续减小，爆破能量超出最佳破坏效应的能量，此时岩石的破坏可划分为破碎带或空爆带。炸药埋深足够深，形成内部作用药包，岩层表面没有任何变形，形成药包至表面的弹性变形带。,3.爆破漏斗理论,0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,V/Q,空爆带,空爆,过渡深度,碎化带,最佳,临界深度,优化带,V/Q-关系图,Ly/Le,3.爆破漏斗理论,利文斯顿理论在露天矿的应用（一）一般优化设计计算步骤（1）通过在不同深度起爆定量药包试验，确定Le,利用(1-8)求出E。（2）通过不同深度起爆不同药量的药包，求出单位炸药达到最大破碎量的深度比，求出0。（3）利用以上求出的两个参数可用来确定生产规模的最佳台阶几何尺寸。利用（1-10）式，可计算出任何药包的临界深度。以上讨论的内容与论点均是基于 一个自由面的单孔漏斗的试验研究成果。,3.爆破漏斗理论,对利氏爆破漏斗理论的评价,（1）爆破漏斗理论基础是大量爆破漏斗实验和能量平衡原则；（2）漏斗的形状用单位药量的爆破体积和深度比曲线表示。充分反映了爆破效果与炸药能和岩石性质有关，反映能量传递实质，更科学化；（3）除了爆破源附近的粉碎层以外，岩体相当部分是由自由面拉断，并用静力学解释，尽管解释不充分，但是它是以后冲击波拉伸理论的基础；（4）倒爆破漏斗理论大大促进采矿方法的发展；（5）爆破漏斗理论仅对爆破结果进行了定量的描述，没有涉及岩石爆破过程、爆破机理，仍属于实用爆破学范围。,3.爆破漏斗理论,4.装药量计算原理,炸药量与岩石破碎体积 成比例理论 一 标准药包的抛掷计算原理 Q=qV 其中：Q炸药量（kg)q单位体积岩石的炸药量（kg/m3)V爆破漏斗体积（m3),4.装药量计算原理,V=r2w/3 标准抛掷爆破条件下：r=w Q-标准抛掷装药量(kg)W-最小抵抗线(m)Q=qw3 分析说明 1.药包的重量与岩石的体积成正比 2.单耗不随最小抵抗线变化而变化 3.实际上炸药能克服介质的重量、抗剪力、惯性力等;但作为一般工程技术人员理解和结合工程实践经验进行炸药量估算是合适的。,4.装药量计算原理,考虑岩石松动程度的爆破药量计算 Q=f(n)qw3 f(n)爆破作用指数函数；n爆破作用指数；前苏联的学者确认的公式：f(n)=0.4+0.6n3没有考虑装药深度对药量的影响。当装药深度大于1520米时公式误差比较大。,4.装药量计算原理,分析 说明（1）以上公式主要是计算了爆破时的参数，没有说明爆破时的物理现象和岩石受何作用力而破坏；（2）计算时未考虑岩石物理性质。该公式在广大工程技术人员中广泛使用，仍是爆破装药计算的基本公式。（3）以下理论公式仍是洞室大爆破的设计计算基础。,4.装药量计算原理,Q=f(n)qw3 其中：q为标准单耗对于 对于标准抛掷爆破 f(n)=1 加强抛掷爆破 f(n)1 减弱抛掷爆破f(n)1 比较通用的f(n)公式：f(n)=0.4+0.6n3 计算公式简单，目前仍在使用简答题第14页 62题高级题第60页 10题,4.装药量计算原理,对装药量公式的力学分析,炸药爆炸破坏固体介质的能量原理 假定一定质量的炸药爆炸产生的总能量为E，其产生的有效能量为E1，有害效应和无效能量为E2，则有 E=E 1+E 2。炸药爆炸对介质做的有效能量E1可分为：E 1=e 1+e 2+e 3+e 4。式中 e1使介质体积变形所需要的能量；e2介质克服张力形成断裂面所需要的能量；e3 需要抛掷介质的动能；e4在重力场中克服重力所需要做的功；,4.装药量计算原理,对装药量公式的力学分析,炸药爆炸破坏固体介质的能量原理 对有害能量E2 又可分为：E 2=e 5+e 6+e 7+e 8。式中e 5空气冲击波携带能量；e 6个别飞散物具有的能量；e 7地震波携带能量；其他无效能量e 8；所以，炸药在介质中爆炸产生的总能量可表示为：高级题第60页 13题,4.装药量计算原理,对装药量公式的力学分析,如果用炸药埋深w的幂次项组合出多项式函数,则装药量Q的公式,可以表示为：瑞典学者兰格福尔斯(U.Langefors)，在现代岩石爆破一书中，提出的在一般岩石中采用松动爆破情况下的药量计算公式为：该式可变化为：,4.装药量计算原理,装药量计算的基本公式,第一项表示克服岩石内部分子之间的联结力，使漏斗块体得以从岩体中分离出来而形成爆破漏斗所需要的能量，它的大小同漏斗的表面积成正比；第二项用于使漏斗范围内的岩石产生破碎，即表示介质体积变形所需要的能量，它同被破碎岩石的体积成正比；第三项是考虑到实施加强抛掷爆破时将爆落的岩块抛移一定距离，表示介质克服重力场所需要的能量。,4.装药量计算原理,装药量计算的基本公式,计算不同W时的爆破能量分配，有：,4.装药量计算原理,装药量计算的基本公式,根据上面计算，可知：小抵抗线（小于1m）时，第一项（地表影响）不能忽略，第三项（重力影响）可忽略；大抵抗线（大于20m）时，第三项（重力影响）不可忽略，第一项（地表影响）可忽略；抵抗线在120m之间，主要是第二项（体积变形）起作用。即为工程爆破常用的体积公式。,4.装药量计算原理,某峒室爆破设计W=10m,n=1.0实测W=8m如药量不变n增加？个别飞石距离有何变化？,4.装药量计算原理,某峒室爆破设计W=10m,n=1.0实测W=8m如药量不变n增加？个别飞石距离有何变化？,飞石距离扩大一倍!,4.装药量计算原理,延长药包的爆破漏斗,延长药包与集中药包的区分：按长径比分：药包的长边L与短边a之比（或药包长度与截面等效直径之比）称为药包的长径比，以表示，即：=L/a。4称为集中药包，4称为条形药包。,4.装药量计算原理,延长药包爆破作用的特点：冲击波阵面是柱面波，能量在垂直药包轴线方向扩散，能流密度随距离平方衰减，在均质介质中爆炸效应的表现特征和物理量具有轴对称的特点；爆炸作用遵循几何相似定律，且基本上符合平方根定律，即有：爆破漏斗特征量和应力波参数是比例距离的函数。,4.装药量计算原理,延长药包爆破漏斗形态：径向形态与集中药包基本相似；轴向形态在装药部位呈轴对称，在药包端头存在端头效应，其端头作用范围比径向要小15%25%（土体）或10%20%（岩石）。,4.装药量计算原理,5.影响工程爆破的主要因素5.1评价爆破工程的主要技术经济效果，常用以下指标：炸药单耗指爆破1m3或1t岩矿消耗的炸药用量，单位为kg/m3或kg/t。延米爆破量指1m炮孔所能崩落的岩石（或矿石）的平均体积或质量，单位为m3/m或t/m。炮孔利用率一般用于地下井巷和隧道掘进爆破，指一次爆破循环的进尺与炮孔平均深度之比，单位为%。,5.影响工程爆破的主要因素,大块率指一次爆破后所产生的不合格大块在总爆破岩石量中所占的比率，单位为%。爆破成本指爆破1m3岩石所消耗的与爆破作业有关的材料、人工、设备及管理等方面的费用，单位为元/m3。除了上述指标外，还采用岩石松动、抛掷堆积效果，光面、预裂爆破的半孔率、保留边坡、围岩的稳定性，爆破对周围环境的安全影响等来评价爆破的技术效果。,5.影响工程爆破的主要因素,影响爆破作用的因素很多，归纳起来主要有：炸药性能（含岩石与炸药的相关因素）；岩石特性；装药结构；爆破参数；爆破工艺。,5.影响工程爆破的主要因素,5.2爆破器材对工程爆破的影响工业炸药的性能和质量对爆破效果和安全有直接的影响。对爆破效果有影响的炸药性能参数主要有：炸药爆速、爆炸气体生成量及装药密度等。现在一般认为：岩石爆破破坏是在冲击波和爆炸气体膨胀压力共同作用下产生的，对整体性良好的坚硬岩石，冲击波作用的效果比较明显，应使用爆速较高的炸药；对松软而具有塑性的岩石，选择爆炸气体生成量较多的炸药爆破就比较有利。装药密度直接影响单位体积炸药所产生的爆炸威力的大小，密度大，爆炸威力也大。炸药的质量对爆破效果的影响也是明显的。,5.影响工程爆破的主要因素,炸药性能对爆破作用的影响,炸药爆速：爆速越大，作用在孔壁上的爆压也越大，对岩石的胀裂，推移，抛掷作用愈强烈。爆轰气体产物的体积：爆轰气体的量越大，对岩石的鼓胀、抛掷能力越大。装药密度：炸药密度的大小，影响炸药的爆速，从而影响炸药能量的发挥。炸药能量利用率：根据岩石性质合理选择炸药品种，合理选择装药结构、起爆网路和保证施工质量，可以提高炸药能量利用率。,5.影响工程爆破的主要因素,岩石的波阻抗是指岩石的密度与纵波在该岩石中的传播速度Cp的乘积。它反映了应力波使岩石质点运动时，岩石阻止波能传播的作用。通常认为炸药的波阻抗(Cee)与岩石的波阻抗(Crr)相匹配时，炸药传递给岩石的能量最多，在岩石中引起的应变值就大，可获得较好的爆破效果。为提高炸药能量传递效率，炸药阻抗应尽可能与岩石阻抗相匹配。岩石阻抗越高，炸药密度和爆速应愈大。炸药与岩石阻抗匹配准则：高阻抗岩石强度较高，为使裂隙发展，应力波应具有较高的应力峰值；中等阻抗岩石，应力波峰值不宜过高，而应增大应力波的作用时间；低阻抗岩石中主要靠气体静压形成破坏，应力波峰值应尽可能予以削掉。,岩石与炸药的能量匹配,5.影响工程爆破的主要因素,装药结构对爆破作用的影响,不耦合装药：指炮孔（或药室）直径大于装药直径的装药形式。不耦合系数：炮孔直径与药卷直径之比。在一定的岩石和炸药条件下，采用不耦合装药可以增加炸药用于破碎和抛掷岩石能量的比例，提高炸药能量的有效利用率，改善岩石破碎的均匀度，降低大块率，提高装岩效率。采用不耦合装药可以增大爆炸应力波的作用时间，其相应的加载率较小，炮孔近区裂隙较小，破碎程度较轻；爆破远区的能量分布比较均匀。在裂隙发育岩体内，采用空腔不耦合爆破更有利于提高爆炸能量利用率，提高破碎效果。中级题第39页 16题 简答题第14页 61题,关于不耦合装药：,5.影响工程爆破的主要因素,装药结构对爆破作用的影响,不同的药包形状或装药结构可以改变炸药的爆炸性能，从而引起爆破作用的变化。药包的几何形状：延长药包较之球形药包其爆炸能量在岩体中分布均匀些，爆破块度也相对均匀。不耦合、空气间隔装药：可以减弱爆破作用对孔壁的破坏，延长爆破作用时间，对达到某些特殊爆破目的十分有利，并改善爆破效果。如轴向不耦合装药用于合理分配炸药能量，使爆破块度均匀；环向不耦合装药用于光面爆破、预裂爆破，保护孔壁或边坡等。,a轴向空气间隔装药；b环向空气间隔装药,5.影响工程爆破的主要因素,按药卷与炮眼的径向关系分为耦合装药和不耦合装药。耦合装药药卷与炮眼直径相等或采取散装药形式。不耦合装药药卷与炮眼在径向有间隙，间隙内可以是空气或其他缓冲材料(如水或岩粉等)。按药卷与药卷在炮眼轴向关系分为连续装药和间隔装药。连续装药各药卷在炮眼轴向紧密接触，间隔装药是药卷(或药卷组)之间在炮眼轴向存在一定长度的空隙，空隙内可以是空气、炮泥、木垫或其他材料。,装药结构的分类：,5.影响工程爆破的主要因素,空气间隔装药对爆破破碎效果的改善,填塞,岩石运动t,上部破碎带,5.影响工程爆破的主要因素,爆破设计要素对破碎效果的影响自由面的作用归纳起来有以下3点：1反射爆破应力波。当爆破应力波遇到自由面时发生反射，压缩应力波变为拉伸波，引起岩石的片落和径向裂隙的延伸。2自由面是形成爆破鼓包的必要条件。自由面一般是最小抵抗线方向，应力波抵达自由面后，在自由面附近的介质运动因阻力减小而加速，随后而到的爆炸气体进一步向自由面方向运动，形成鼓包，最后破碎、抛掷。3改变岩石的应力状态及强度极限。在无限介质中，岩石处于三向应力状态，而自由面附近的岩石则处于单向或双向应力状态。故自由面附近的岩石强度接近岩石单轴抗拉或抗压强度，比在无限介质中承受爆破作用时相应的强度减少几倍甚至十几倍。,5.影响工程爆破的主要因素,爆破参数对爆破作用的影响,爆破参数指单位炸药消耗量、装药量、孔网参数、最小抵抗线等；爆破参数确定得是否合理将直接影响爆破效果。当炸药单耗和装药量确定以后，药包间距与最小抵抗线之间的比值就有着非常重要的作用。比值过小，爆破时岩体容易沿炮孔连线方向产生破裂，而最小抵抗线方向的岩石却得不到充分破碎，从而产生大块，甚至造成欠挖，出现岩坎（或根底）；比值过大时，则可能使炮孔之间的岩石爆不下来，出现岩坎。,5.影响工程爆破的主要因素,爆破工艺对爆破作用的影响,主要是指装药和填塞施工的影响。装药时，起爆药包能量是否足够，起爆药包的位置如何，炸药是否装到预定位置，是否连续；填塞时，填塞材料的质量，填塞长度是否满足设计要求等都对爆破效果产生重要影响。,5.影响工程爆破的主要因素,起爆位置对爆破作用的影响,根据起爆药包在炮孔中安置的位置不同，有3种不同的起爆方式：起爆药包装于孔底，雷管的聚能穴朝向孔口，叫做反向起爆；起爆药包装于靠近孔口的附近，雷管聚能穴朝向孔底，称为正向起爆；在长药包中于孔口附近和孔底分别放置起爆药包，称为多点起爆。,正向起爆,反向起爆,中间起爆,多点起爆,5.影响工程爆破的主要因素,起爆药包位置与装药结构对爆破作用的影响根据起爆药包在炮孔中安置的位置不同，有3种不同的起爆方式：一种是起爆药包装于孔底，雷管的聚能穴朝向孔口，叫做反向起爆；第二种是起爆药包装于靠近孔口的附近，雷管聚能穴朝向孔底，称为正向起爆；第三种是多点起爆，即在长药包中于孔口附近和孔底分别放置起爆药包。实践证明：反向起爆能提高炮孔利用率，减小岩石的块度，降低炸药消耗量和改善爆破作用的安全条件。1提高了爆炸应力波的作用2 增长了应力波的动压和爆轰气体静压的作用时间3 增大了孔底的爆破作用中级题第39页 17题、18题,5.影响工程爆破的主要因素,正向起爆与反向起爆的不同效果,Any difference?有区别吗？,运动方向,Primer,反向起爆,正向起爆,5.影响工程爆破的主要因素,填塞对爆破作用的影响,堵塞的作用：1.保证炸药充分反应，使之产生最大热量，防止炸药不完全爆轰。2.减少孔口飞石和降低空气冲击波强度，减少在这两个方面的能量损失，同时增加爆破作业的安全。3.防止高温高压的爆生气体过早地从炮眼中逸出，延长孔内爆炸气体作用时间，增大爆破破碎范围和破碎程度，改善破碎效果，使爆炸产生的能量更多地转换成破碎岩体的机械功，提高炸药能量的利用率。4.在有瓦斯与煤尘爆炸危险的工作面内，除降低爆轰气体逸出自由面的温度和压力外，堵塞用的炮泥还起着阻止灼热固体颗粒（如雷管壳碎片等）从炮眼中飞出的作用。简答题第11页 43题,5.影响工程爆破的主要因素,5.影响工程爆破的主要因素,充填长度对爆破效果的影响,太长大块多,太短飞石和空爆,正确,5.影响工程爆破的主要因素,简答题第11页 44题,爆破对象的特性对爆破效果的影响岩土爆破中岩石性质和地质条件对爆破效果的影响岩石物理性质：指岩石的容重、孔隙性、波阻抗、风化程度、密度等。它们影响爆破后岩石的破碎程度和大块率岩石力学性质：指岩石的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。地质条件：主要指岩体的结构面，包括断层、层理、节理、裂隙、褶皱、片理、劈理等。地形条件：所谓地形条件，就是爆破区的地面坡度起伏、自由面的形状和数目、山体高低、冲沟分布等地形特征。,5.影响工程爆破的主要因素,爆破施工作业水平与工程爆破效果 严格按设计施工 装药和填塞 施工对设计的反馈 利用爆破施工中对爆破对象和爆破环境的不断深化的了解，及时将相关信息反馈给爆破设计，以修改设计、完善设计，是衡量爆破作业水平的又一个标准。,K=,5.影响工程爆破的主要因素,模拟是真实过程或系统在整个时间内运行的模仿。为了科学地研究这些系统，需要给出一系列关于系统如何工作的假设。把这些采用数学公式或逻辑关系的假设构造成模型，用这种模型试验以取得相应系统行为的某些结果，这就是真实过程或系统的动态模仿。爆破过程的数值模拟就是采用模拟方法，以不同的数值方法为手段，求得爆破过程或系统的模型解。,6.爆破过程的数值模拟,6.爆破过程的数值模拟,爆破过程的数值模拟对于深入认识岩石爆破现象有着重要的意义。通过爆破过程的数值模拟，分析爆破过程，可以确定爆破参数选择的合理性。数值模拟已不再是理论分析和实验研究的辅助手段，而是独立于它的基本科研活动。数值模拟和实验、理论分析已构成认识爆炸力学，甚至整个力学问题的三种有效方法。,6.爆破过程的数值模拟,19层框剪结构大楼的双向三次折叠,6.爆破过程的数值模拟,通过定量化的爆破设计、精心的爆破施工和精细化的爆破管理，进行炸药能量释放与介质破碎、抛掷过程的控制，既达到预期的爆破效果，又实现爆破有害效应的控制，最终实现安全可靠、技术先进、绿色环保及经济合理的爆破作业。精细爆破不单单是一种爆破工艺，更是一种有关爆破的理念，是爆破作业的系统工程，是一种技术体系。,7.精细爆破 7.1 精细爆破的定义与内涵定义:,7.精细爆破,与传统控制爆破相比，精细爆破的目的是爆破过程和效果更加可控，危害效应更低，安全性更高，环境影响更小，经济效益更佳。精细爆破不仅是细心细致，更是一种态度，一种文化。精细爆破是一种发展的概念。,7.1 精细爆破的定义与内涵内涵,7.精细爆破,1.安全可靠，技术先进。辨别和控制危险源；2.绿色环保、控制爆破有害效应和减少对自然环境的影响，推动资源节约型和环境友好型社会的建设；3.经济合理。低成本、低消耗、低排放，实现经济和环境的双赢。,7.2 精细爆破的技术体系目标,7.精细爆破,定量化爆破设计设计理论和方法爆破效果预测爆破负面效应的预测预报精心施工精确测量放样反馈设计与施工优化精心施工,7.2 精细爆破的技术体系 关键技术,7.精细爆破,精细化的管理（实时监控和科学管理）实时监控：爆破块度和堆积范围的快速测量爆破影响深度的及时检测爆破有害效应的跟踪监测与信息反馈爆破器材性能参数的检测爆破监控信息的及时反馈等科学管理爆破工程分级管理设计施工方案审查与监理制度爆破作业与爆破安全的管理与奖惩制度等,7.2 精细爆破的技术体系 关键技术,7.精细爆破,炸药起爆、感度、传爆、性能,爆 炸,岩石性质、分类,爆 破,化学反应四形式,爆炸三要素,内部作用四个区,外部作用一