爆破原理及爆破方法

第一节  爆破作用原理

 

　　一、岩体爆破破坏机理

 

　　爆破是当前破碎岩石的主要手段。对于岩石等脆性介质爆破破坏机理，有许多假设，按其基本观点，归纳起来有爆轰气体膨胀压力作用破坏论、应力波及反射拉伸破坏论、冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用破坏论三种。

　　1．爆轰气体膨胀压力作用破坏论

　　该理论认为炸药爆炸所引起脆性介质(岩石)的破坏，使其产生大量高温高压气体，它所产生的推力，作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起的径向位移，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破裂，当爆轰气体的膨胀推力足够大时，会引起自由面附近的岩石隆起，鼓开并沿径向推出。这种观点完全否认冲击波的动作用，这是不符合实际的。

　　2．应力波反射拉伸破坏论

　　该理论认为药包爆炸时，强大的冲击波冲击和压缩周围岩石，在岩石中激发成强烈的压缩应力波，当传到自由面反射变成拉伸应力波，其强度超过岩石的极限抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏作用。这种理论只从爆轰的动力学观点出发，而忽视了爆生气体膨胀做功的静作用，因而也具有片面性。

　　3．冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用破坏论

　　该理论认为爆破时，岩石的破坏是冲击波和爆轰气体膨胀压力共同作用的结果。但在解释岩石破碎的原因是谁起主导作用时仍存在不同的观点，一种认为冲击波在破碎岩石时不起主要作用，它只是在形成初始径向裂隙时起了先锋作用，但在大量破碎岩石时则主要依靠爆轰气体膨胀压力的推力作用和尖劈作用。另一种观点则认为爆破时岩石破碎谁起主要作用要取决于岩石的性质，即取决于岩石的波阻抗。对于高波阻抗的岩石，即致密坚韧的整体性岩石，它对爆炸应力波的传播性能好，波速大。对于低波阻松软而具有塑性的岩石，爆炸应力波传播的性能较差，波速较低，爆破时岩石的破坏主要依靠爆轰气体的膨胀压力；对于中等波阻抗的中等坚硬岩石，应力波和爆轰气体膨胀压力同样起重要作用。

 

　　二、爆破作用圈形成机理

 

　　爆破作用只发生在介质内部的现象称为爆破的内部作用。根据介质的破坏特征，单个药包破坏的内部作用可在爆源周围形成压碎区、破裂区、震动区，如图4—1所示的三个区。

 

 

图4—1  爆破内部作用示意图

1—原来的装药空腔；2—压碎区；3—破裂区；4—弹性震动区

 

　　1．压碎区

　　药包爆炸时，直接与药包接触的岩石，在极短的时间内，爆轰压力迅速上升到几万甚至几十万大气压，并在此瞬间急剧冲击药包周围的岩石，对于大多数脆性的坚硬岩石，则被压碎。对于可压缩性较大的岩石，则被压缩成压缩空洞，并在空洞表层形成坚实的压实层。因此，压碎区又叫压缩区。压碎区的半径很小，但由于介质遭到强烈粉碎，产生塑性变形或剪切破坏，消耗能量很大。因此，为了充分利用炸药能量，应尽量控制或减小压碎区的形成。

　　2．破裂区(破坏区)

　　压碎区形成后，冲击波通过压碎区，继续向外层岩石传播，冲击波衰减为应力波，其强度已低于岩石的抗压强度，所以不再产生压碎破坏，但仍可使压缩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和径向扩张及切向拉伸应变。如果这种拉伸应变超过了岩石的动抗拉强度，外围的岩石层就会产生径向裂隙。当切向拉应力小到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止向前发展。

　　另外，在冲击波扩大药室时，压力下降了的爆轰气体也同时作用在药室四周的岩石上，在药室四周的岩石中形成一个准静应力场。在应力波造成径向裂隙的期间或以后，爆轰气体开始膨胀并挤入这些裂隙中，导致径向裂隙向前延伸。只有当应力波和爆轰气体衰减到一定程度后才停止裂隙扩展；这样随着径向裂隙、环向裂隙和剪切裂隙的形成、扩展、贯通、纵横交错、内密外疏、内宽外细的裂隙网，将介质分割成大小不等的碎块，形成了破裂区，该区的半径比压碎区大。

　　3．震动区(弹性震动区)

　　在破裂区以外的岩体中，炸药爆炸后产生的能量已消耗很多，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，只能引起岩石质点作弹性振动，直到弹性振动波的能量被岩石完全吸收为止，这个区域叫弹性震动区或地震区。