《岩石的爆破破碎机理2008.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石的爆破破碎机理2008.doc（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流岩石的爆破破碎机理2008.精品文档.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
2、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
3、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、.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
4、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
5、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
6、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0.150.4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
7、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
8、，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
9、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30005000m/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12ms。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
10、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：第一阶段除了产生径向裂隙外，还有环状裂隙的产生。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
11、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： 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。 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
12、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
13、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匀。因此，必须根据岩石的性质和工程的要求来合理选配炸药的品种。爆轰压力与炸药密度的一次方和爆速平方的乘积成正比关系。所以在爆破坚硬致密的岩石时，以选用密度大和爆速较高的为宜。 （3）爆炸压力 爆炸压力又称炮孔压力,它是爆轰气
14、体产物膨胀作用在孔壁上的压力。在爆破破碎过程中爆炸压力对岩石起胀裂、推移和抛掷作用，一般说来，爆炸压力越高，说明爆轰产物中含有能量越大，对岩石的胀裂、推移和抛掷的作用越强烈。爆炸压力的大小取决于炸药爆热、爆温和爆轰气体的体积。而爆炸压力作用的时间除与炸药本身的性能有关以外，还与爆破时炮泥的堵塞质量有关。因此在工程爆破中除了针对岩石性能和爆破目的，选用性能相适应的炸药品种外，还应注意堵塞质量。 （4）炸药能量的利用率 炸药在岩体中爆炸时所释放出的能量，通过爆炸应力波和爆轰气体膨胀压力的方式传递给岩石，使岩石产生破碎。但是，真正用于破碎岩石的能量只占炸药释放能量的极小部分。大部分能量消耗在作无用功
15、上。例如采用抛掷爆破时用于爆破破碎上的有用功只占总能量的5%7%，就是松动爆破，能量利用率也不会超过20%。因此，提高炸药爆炸能量的利用率是有效地破碎岩石，改善爆破效果和提高经济效益的重要因素。 如果不考虑炸药爆炸时的热化学损失，那么炸药爆炸时的能量分配包括：克服岩体中的凝聚力使岩体粉碎和破裂；克服岩体中的凝聚力和摩擦力使爆破范围内的岩石从母岩体中分离出来；将破碎后岩块推移和抛掷；形成爆破地震波、空气冲击波、噪声和爆破飞石。六、岩石特性对爆破作用的影响 岩石特性包括：岩石的物理、力学性质，岩石动载特性，地质条件等。从某种意义上讲，岩石特性对爆破作用的影响就是岩石的特性对应力波传播的影响。 （1
16、）岩石种类和岩石密度 一般来说，岩石的密度和完整性程度越高，波速越大，反之越小。 （2）结构面对应力波的传播速度的影响 岩石结构面，特别是裂隙严重地影响着应力波的传播，表现在：加剧了应力波的能量的衰减。应力波的衰减程度，取决于裂隙的宽度和黏结材料的阻抗（密度纵波传播速度）。改变了应力波的传播方向。当应力波在传播过程中遇到裂隙等结构面时，应力波发生反射、透射，改变了应力波传播方向。所以，结构面的方向决定了应力波传播方向，也决定了爆破裂隙的扩展程度。七、炸药与岩石的相关因素及爆破作用的影响 （1）炸药波阻抗和岩石波阻抗的匹配 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的乘积。它反映了应力
17、波使岩石质点运动时，岩石阻止波能传播的作用。岩石波阻抗对爆破能量在岩石中的的传播效率有直接影响。通常认为炸药的波阻抗与岩石的波阻抗相匹配时，炸药传递给岩石的能量最多，在岩石中引起的应变值越大，可获得较好的爆破效果。但是，要使炸药与岩石的波阻抗相等是很困难的。为此，一方面通过提高装药密度来提高炸药的波阻抗，使炸药的波阻抗尽量接近岩石的波阻抗；另一方面也可利用应力波作用和爆炸气体作用的全过程能量有效利用率来衡量炸药和岩石的合理匹配，具体做法是：对于弹性模量高，泊松比小的致密坚硬岩石，选用爆速和爆压都较高的炸药，保证相当数量的应力波能传入岩石，产生初始裂隙；对于中等坚固性岩石，选用爆速和威力居中的炸
18、药。对裂隙较发育的岩石，由于内部难以积蓄大量的弹性能，初始应力波不易起破碎作用，宜用爆压中等偏低的炸药；对于软岩、塑性变形大的岩石，应力波大部分消耗在空腔的形成，而且岩石本身弹性模量低，宜用爆压低、爆热较高的铵油的炸药。 （2）药包与孔壁的耦合 炮孔直径与药包直径的比值称为不耦合系数。不耦合系数等于1时，表明药包与孔壁紧密接触，不耦合系数大于1时，表明药包与孔壁间存在着空气间隙。由于炸药与岩石的波阻抗均为空气波阻抗的104倍，在不耦合的情况爆炸能从炸药传播到空气，再由空气传播到岩石的过程中严重衰减。只要药包和孔壁之间存在空气间隙，这种损失就不可避免。八、爆破条件、爆破工艺对爆破作用的影响1、自
19、由面的大小与方向 自由面的作用规纳起来有三点： 、反射应力波。当爆炸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。 、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几十倍。 、自由面是最小抵抗线方向，应力波抵达自由面后，在自由面附近的介质因阻力减少而加速，随后而到的爆炸气体，进一步向自由方向运动，形成鼓包，最后破碎、抛掷。 2、装药结构 通常，装药结构有两种，连续装药和间隔装药。在间隔装药中，又有
20、炮泥间隔、木垫间隔和空气间隔等多种形式。理论和实践表明，装药结构的改变可以引起在炮孔方向的能量分布，从而影响了爆炸能量的有效利用率。、间隔装药降低了作用在孔壁的峰傎压力，减少炮孔周围岩石的过度粉碎，提高了有效能量的利用率。增大装药的不耦合系数，虽然也能降低对孔壁岩石的冲击压力，若装药直径不变，尽然要增大炮孔直径，引起一系列参数的变化。、间隔装药增加了应力波的作用时间。由于冲击压力的降低，减少冲击波的作用，相应增大了应力波的能量，从而能够增加应力波的作用时间。 3、堵塞的影响 堵塞的影响是指堵塞材料、堵塞长度和堵塞的质量的影响，堵塞的作用在于：阻止爆轰气体过早逸散，使炮孔在相对较长时间内保持高压
21、状态，能有效地提高爆破作用。良好的堵塞加强了它对炮孔中的炸药爆轰的约束作用，降低了爆炸气体逸出自由面的压力和温度，提高了炸药的热效率，使更多的热能转变为机械功。在有沼气的工作面内，堵塞还能阻止灼热固体颗粒从炮孔内飞出的作用，有利于安全。堵塞物对爆炸气体喷出的阻力主要靠堵塞物的性质和与孔摩擦力。 4、起爆药包位置 采用柱装药时，起爆药包的位置决定着炸药起爆以后，爆轰波的传播方向。也决定了爆炸应力波的传播方向和爆轰气体的作用时间，所以对爆破作用产生一定的影响。 根据起爆药包在炮孔中的位置不同，有三种不同的起爆方式：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
22、孔口的附近，雷管雷管的聚能穴朝向孔底，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。 反向起爆能提高炮孔利用率，减少岩石的块度，降低炸药消耗量和改善爆破作用的安全条件。反向起爆取得较好的效果的原因可以解释如下： （1）提高了爆炸应力波的作用 由于从孔底起爆，爆炸应力波在传播过程中将迭加成一个高压应力波朝向自由面，这就使得在自由面附近形成强烈的拉伸应力波，从而提高了自由面附近岩石的破碎效果。正向起爆的情况与它恰恰相反，迭加后的应力波不是指向自由面，而是指向岩体内部，使应力波的能量被无限的岩体所吸收，降低了对岩石的破碎作用。 (2)增长了应力波的动压和爆轰气体静压的
23、作用时间 在孔底进行反向起爆后,爆炸应力波分别向自由面传播,并在自由面产生反射。在这段时间内岩石在应力波和爆轰气体作用下，能产生更多的裂隙和使裂隙得到进一步的扩大和延伸。与此相反，正向起爆在反射拉伸波的作用下，过早地产生了自由面贯通的裂隙，使炮孔中的爆炸气体过早地外逸，降低了破碎效果，同时还影响了下段药柱的稳定传播，容易造成残孔。 （3）增大了孔底的爆破作用 岩石抵抗爆破的阻力随着孔深而增大，孔底部分的抗爆阻力最大，要破碎这部分岩石需要消耗较多的能量。若采用正向起爆时，孔口容易过早地产生裂隙，爆炸气体容易沿裂隙逸出。所以作用在孔底的压力会明显降低，而且爆炸气体作用的时间也缩短了，影响了孔底部分
24、岩石的破碎效果。若采用反向起爆时，爆炸气体在岩石破裂之前，一直被密封在炮孔内，所以作用在岩石上的压力较高，作用时间较长，因此有利于岩石的破碎。九、深孔台阶爆破施工工艺 1、露天深孔台阶爆破施工工艺流程如图所示： 2、降低深孔台阶爆破大块产出率和根底的措施露天深孔台阶爆破普遍存在着大块（不合格大块）产出率和根底率偏高的问题，它影响铲装效率，加速设备的磨损，而且增加了二次爆破的工作量，提高了爆破成本。 （1）产生部位和原因分析 大量的统计表明，不合格大块主要产自台阶上部和台阶的坡面，同一爆区软、硬岩的分界处；爆区的后部边界。其原因是： 、为了克服底盘抵抗线的阻力，炸药主要置于炮孔的中、底部，使其沿炮孔轴线方向的炸药能量分布不均。孔口部分能量不足，岩石破碎不均匀。