《5岩土中爆炸的基本理论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5岩土中爆炸的基本理论.ppt（127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、第五章 岩石爆破基本原理5-1爆破破碎原理5-2单个药包及成组药包的爆破作用5-3定向断裂控制爆破原理5-4微差爆破原理5-5挤压爆破原理5-6聚能装药爆破原理5-7影响爆破效果的因素第一节爆破破碎原理一、爆破作用的基本原理1、爆破作用的基本观点1)1)爆轰气体压力作用学说爆轰气体压力作用学说 2)2)应力波作用学说应力波作用学说 3)3)应力波和爆轰气体共同作用学说应力波和爆轰气体共同作用学说1)、爆轰气体压力作用学说爆轰气体压力作用学说(explosion gas explosion gas failure theory)failure theory)这种学说从静力学观点出发，认为岩石的破
2、碎主要是由于爆轰气体（explosion gas）的膨胀压力引起的。这种学说忽视了岩体中冲击波和应力波（stress wave）的破坏作用，其基本观点如下：药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些爆炸气体产物迅速膨胀并以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，形成压应力场。当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的拉应力时，将产生径向裂隙。2)应力波作用学说（应力波作用学说（shock wave failure theoryshock wave failure theory）这种学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引起岩石破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作用，其基本观点如下：爆轰波冲击和压缩
3、着药包周围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力波传到自由面时，产生反射拉应力波当拉应力波的强度超过自由面处岩石的动态抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，直至拉伸波的强度低于岩石的动态抗拉强度处时停止。3)3)应力波和爆轰气体压力共同作用学说应力波和爆轰气体压力共同作用学说这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同作用的结果。这种学说综合考虑了应力波和爆轰气体在岩石破坏过程中所起的作用，更切合实际而为大多数研究者所接受。其基本观点如下：爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高于爆轰气体产物的压力和传播速度。爆轰波首先作
4、用于药包周围的岩壁上，在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎”现象，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。随后，爆轰气体产物继续压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体“楔入”在应力波作用下产生的裂隙中，使之继续向前延伸和进一步张开。当爆轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块作径向抛掷运动。2 2爆破作用过程爆破作用过程（1）、应力波的动态作用过程3 爆破时岩石中爆炸应力波1来源（爆源）：岩石中的爆炸应力波来自埋入岩石中炸药的爆轰（爆炸）。炸药爆炸在岩石中激起的应力波（称为爆炸应力波），爆炸应力波在岩石中的传递方式及过程，以及应力波的破岩作用2装药类型1)耦合装
5、药：如果炸药充满整个药室径向空间，不留有任何空隙，则称为耦合装药。2)不耦合装药：如果装入药室的炸药包（卷）与药室壁之间留有一定的径向空隙，则称为不耦合装药。3)不耦合装药类型：除不耦合装药外，也采用轴向留有空气柱的空气间隔装药，分别用装药不耦合系数和装药系数来表述各自的装药充满程度。不耦合系数定义为：4)不耦合系数：5)装药系数：式中k 为装药不耦合系数；为装药系数；db和dc分别为药室直径和药包直径；lb和lc分别为药室长度和药包长度。3炸药在岩土介质中爆炸发展图像1)岩石中爆炸应力波的演变 2)冲击载荷作用下岩石的变形及其对应的各种应力波冲击载荷作用下岩石的变形规律不同应力幅值时岩石中传
6、播的各种应力波固体材料（岩石）在冲击载荷作用下的变形规律如上图所示。对应不同应力幅值，所形成的应力波特征不同：（1）在装药近区，作用于岩石的爆炸载荷值很高，若 ，将在岩石中形成波阵面上所有状态参数都发生突变的冲击波（图a），冲击波在岩石中以超音速传播，衰减最快。（2）随着冲击波向外传播、衰减，当 时，如图 所示，由于变形模量 随应力的增大而增大，波速大于图中A-B 段的塑性波波速，但小于O-A 段的弹性波波速，因此应力幅值大的塑性波追赶前面的塑性波，形成速性追赶加载，形成陡峭的波阵面，但波速低于弹性波速，为亚音速，这种波称为非稳定的冲击波。（3）当 时，由于 不是常数，且随应力的增大而减小，因
7、此应力幅值大的应力波速度低于小应力幅值的应力波，在传播过程中波阵面逐渐变缓，塑性波速度以亚音速传播。而应力小于的部分，则以弹性波速度传播。(4)当 时，为常数等于岩石的弹性常数，这时应力波为弹性波，以未扰动岩石中的音速传播。4 传入岩石中的爆炸载荷1)耦合装药时传入岩石中的爆炸载荷(1)爆洪波参数：根据流体动力学爆轰理论，可以建立炸药正常爆轰条件下的爆轰参数计算式，目前普遍采用的炸药爆轰参数的简明（近似）计算式如下：式中Qv为炸药的爆热；为炸药的密度；D为炸药的爆速；p、u、c分别为爆轰波 阵面的压力、产物密度、质点速度和声速。(2)爆轰波对炮孔壁的冲击作用耦合装药条件下，炸药与岩石紧密接触，
8、因而爆轰波将在炸药岩石界面上发生透射、反射。利用炮孔爆破岩石时如：隧洞、巷 道掘进），通常炸药柱在一端用雷 管引爆，爆轰波不是平面波，而是 呈球面形，而且爆轰波对炮孔壁岩 石的冲击也不是正冲击（正入射），而是斜冲击。目前确定炸药爆轰传入岩石的载荷，采用的是近似方法。由于在装药表 面附近，球面爆轰波的曲率半径已 减小到很小，波头与炮孔壁间的夹 角爆轰波的入射波头与岩石面的夹角不大，因而近似将爆轰波对炮孔壁的冲击看成正冲击，可按正入射求解岩石中的透射波参数。(3)爆轰波的透射和反射平面爆轰波在炸药内从左向右传播，到达炸药岩石分界面时，发生透射和反射，透射波在岩石中继续向右传播，反射波则在爆轰产物内
9、向左传播。设炸药的初始参数为：p0、u0=0爆轰波速度为Dv1；爆轰波即爆轰产物初始参数为p1、u1 岩石的初始参数为p0、u0=0 反射波参数为p2 、u2、Dv2 透射波参数为p2 、u2透射波波速为Dv2(4)岩石中透射波参数孔壁荷载计算分别对入射波、反射波和透射波建立连续方程和运动方程，并利用界面上的连续条件即可求得：式中上式可化为为求得岩石中透射波的其他参数（p2 、u2），我们需要知道岩石的Hugoniot曲线(5)岩石中透射波参数孔壁荷载近似计算实践表明，并非在所有岩石中都能生成冲击波，这取决于炸药与岩石的性质。对大多数岩石而言，即便生成冲击波，也很快衰减成弹性应力波，作用范围也
10、很小，故有时也近似认为爆轰波与炮孔壁岩石的碰撞是弹性的，岩石中直接生成弹性应力波（简称应力波），进而按弹性波理论或声学近似理论确定岩石界面上的初始压力。根据声学近似理论可推得式中Cp为岩石中的弹性波速度；为岩石的密度；D1为爆轰波速度。2)不耦合装药时传入岩石中的爆炸载荷不耦合装药情况下，爆轰波首先压缩装药与药室壁之间间隙内的空气，引起空气冲击波，而后再由空气冲击波作用于药室壁，对药室壁岩石加载。为求得这一载荷值，先做3点假定：（a）爆炸产物在间隙内的膨胀为绝热膨胀，其膨胀规律为PV3=常数，遇药室壁激起冲击压力，并在岩石中引起爆炸应力波。（b）忽略间隙内空气的存在。（c）爆轰产物开始膨胀时的
11、压力按平均爆压Pm计算，即有：1)不耦合装药孔壁压力计算由以上假设，爆轰产物撞击药室壁前的炮孔内压力即入射压力为式中，Vb 、Vc分别为炸药体积和药室体积。根据有关研究，爆轰产物撞击药室壁时，压力将明显增大，增大倍数n=811。因此，得到不耦合装药时，药室壁受到的冲击压力为：对隧洞掘进中的钻孔柱装药来说，Vb 、Vc 分别为：2)隧洞掘进爆破（柱状装药）孔壁压力计算炮孔岩石壁受到的冲击压力式中为db dc 分别为炮孔直径和装药直径，lb lc分别为炮孔长度和装药长度3)硐室爆破、光面爆破孔壁压力计算如果装药与药室之间存在较大的间隙（如：硐室、光面爆破装药），则爆轰产物的膨胀宜分为高压膨胀和低压
12、膨胀两个阶段。当气体产物压力大于临界压力时，为高压膨胀阶段，膨胀规律为PV3=常数，当气体产物压力小于临界压力时，为低压膨胀阶段，膨胀规律为PVx=常数（x=1.21.3）。临界压力pcri 为式中E为单位质量炸药含有的能量；其余符号意义同前。作为一种近似，也可取pcri=100MPa。5岩石中爆炸冲击波的衰减规律在爆炸源近区，一般情况下岩石中传播的是冲击波。这时可把岩石看成流体，冲击波压力随距离的衰减规律为式中 为比距离，r为距药室中心的距离；rc为药室（炮眼）半径为径向应力峰值；为压力衰减指数，对冲击波，取6 岩石中爆炸应力波、地震波的衰减在冲击波作用区之外，传播的是应力波，应力波的衰减规
13、律与冲击波相同，但衰减指数较小。前苏联学者给出的应力波的衰减指数为我国武汉岩土力学研究所通过现场试验得出的应力波衰减指数为在应力波作用区，岩石中柱状应力波的径向应力与切向应力之间有如下关系应力波进一步衰减将变成地震波，习惯上用质点速度来表示地震波的强度，这时其衰减规律表示为式中k、为与岩石性质有关的系数7 应力波通过结构面的传播入射纵波、反射纵波和横波、透射纵波和横波应力纵波向结构面反射与透射8层状岩石中应力波的传播我们将讨论应力波通过多个平行结构面的传播情况。为此，我们先介绍求解这一问题的一种简便方法等效波阻抗法。利用这一方法，可以求出不同形式的瞬态波通过各种夹层时的透射效应。由于问题的复杂
14、性，我们只讨论弹性应力波垂直入射多层岩石的传输效应，而不考虑所产生的横波效应。1)等效波阻抗法右图所示为应力波垂直通过k+1 层岩石介质的传播。在层面1上有应力和速度连续条件式中，z1为第一层介质的波阻抗，后面类同。改变波的相位因子，可确定同一瞬时界面2的质点速度。正向前进的波乘因子 ，负向前进的波乘因子 于是，有式中，d1为层厚；1为波长。由式(1)、(2)，得到同理，在界面2上有将式(4)代入式(3)，并进行矩阵运算同理，根据界面2、3上的连续条件，有重复上述过程，直到界面k和k+1，可得到联立以上方程，有其是 单位模矩阵。任意个这样的矩阵相乘，结果仍是单中位模矩阵。设应力波通过的!层界面
15、的等效波阻抗为)，并将图1 改用图2 来表示，则由此可知又等效波阻抗示意图将以上各式代入式（“/)/*-），即得到令则有得到等效波阻抗后，应力的透、反射系数为：透射系数 反射系数位移的透、反射系数为透射系数 反射系数二 爆破破坏作用分析1、应力波的动态破坏作用：（1）：压应力波作用产生径向裂隙；（2）：稀疏波作用产生环向裂隙；（3）：应力波反射拉伸破坏作用；霍金逊效应反射拉伸波使径向裂隙延伸2、爆生气体的似静压破坏作用（1）：爆轰气体的似静压作用产生径向裂隙；（2）：爆轰气体的压力释放产生环向裂隙；（3）：爆轰气体的“气楔”作用使裂隙延伸；3、应力波和爆轰气体的共同作用第二节 单个药包及成组药
16、包的爆破作用装药爆破作用：内部作用：岩石在炸药作用下发生破坏的物理过程 外部作用：爆破漏斗一 单个药包爆破的内部作用岩石在炸药作用下发生破坏的物理过程：（1）炸药爆炸，其爆轰波冲击药室四壁，四壁岩石向外运动，压迫外围岩体，在岩体中形成冲击波，在此岩石冲击波作用下，靠近药室壁的一层岩石，受力状态超过抗压极限，岩石结构被破坏，形成压碎圈；该圈之外侧，岩石单元体在冲击波传播方向上受压力，单元体获得向传播方向运动的速度开始向外运动，运动结果，使单元体在垂直波传播方向上受拉力，两个方向承力结果，在450线方向出现最大剪应力，该范围内的岩体受拉应力和剪应力作用产生破坏，形成破碎圈。装药内部爆破作用分区图装
17、药内部爆破作用分区图 O药包；r1粉碎区；r2破裂区；d0装药直径岩石在炸药作用下发生破坏的物理过程（2）药室壁的岩石向外运动，药室扩大，从药室壁向爆破气体传出稀疏波，药室压力降低，岩石向外运动受到外侧岩石阻挡，运动速度减慢，当岩石中的压力大于药室壁上的压力时，岩石单元体受力方向朝向药室，从而向药室加速，直至朝向药室运动，岩石单元向药室的运动和水中爆炸的气泡脉动有相似之处，岩石运动的减速和反向，在岩体中传播稀疏波，产生径向拉应力。药室周围压碎圈中的散体向药室运动，促使爆炸气体楔入径向裂缝（拉伸缝）、剪切裂缝、环向裂缝和岩体中原生裂隙，使其扩大，形成破碎圈。粉碎区、破裂区、震动区特性粉碎区：粉碎
18、区：范围一般不超过(37)r0（自爆炸中心算起）。在爆生气体和冲击波的综合作用下，形成近似流体的塑性区，或强烈压碎区。破裂区：破裂区：在应力波作用下，该处的岩石将被拉断，形成与压碎区相贯通的径向裂隙。同时，在爆生气体的挤入作用下，使径向裂隙继续延伸和扩展。震动区：震动区：应力波能量只能引起岩石质点发生弹性振动。在振动区，由于地震波，特别是瑞利波、勒夫波等表面波的影响，有可能引起建筑物、结构物的破坏。二、单个药包爆破的外部作用药包在岩体中埋置较浅，或者虽然埋置较深但是药量较大，当其爆破破坏作用能达到自由面时，称为爆破的外部作用。存在自由面，岩体中的冲击波由自由面反射，在表面可以形成霍普金森效应式
19、的拉断，反射波与入射波叠加的结果，使单元体受力方向发生变化，造成漏斗侧面的开裂。二、单个药包爆破的外部作用漏斗外侧面的形成，进一步解除了爆炸气体的约束，于是气体进一步向各种裂缝楔入，使岩体进一步破坏，并形成鼓包运动。在波的传播过程中，岩体的各向异性会改变波阵面的形态，岩石中的缺欠，会干扰波的传播，形成应力集中，岩体中的构造面会使波发生反射、折射，造成能量的再分配，使新生裂缝分配不匀。在爆生气体楔入裂缝的过程中，岩体中原有裂缝可起引导和阻断作用，岩体中的各种缺欠可能发展成新的裂缝，是爆破漏斗不对称，爆破块度不好控制的主要原因。岩块在运动中互相碰撞，落地撞击可造成其进一步破碎。自由面影响：层裂（片
20、落）效应 和爆破漏斗爆破漏斗示意图爆破漏斗示意图 W炸药埋深；R爆破漏斗破裂半径；r爆破漏斗半径岩石条集中药包爆破漏斗参数爆破漏斗：形成过程 几何参数最小抵抗线w、爆破漏斗半径r 爆破漏斗作用半径R爆破作用指数n=r/w爆破漏斗可见深度h爆破作用类型：n=1 标准抛掷爆破漏斗 n1 加强抛掷爆破漏斗 0.75n1 减弱抛掷爆破漏斗 0.3n 0.75 松动爆破漏斗 爆破漏斗形成机理定义：若装药的最小抵抗线小于其临界抵抗线，即炸药在自由面附近爆破，炸药爆炸后形成一个倒锥形凹坑，即爆破漏斗。它是爆破破坏的基本形式。形成过程：球形药包在自由面附近爆破时，可产生压碎区、裂隙区、片落区、爆破漏斗和地震区
21、。当应力波向外传播到达自由面，则产生反射拉应力波，该拉应力大于岩石等介质的抗拉强度时，在自由面的介质被拉断形成片落区。在径向裂隙的控制下，破裂区一直扩展到自由面，或者破裂区和片落区相连接形成连续性破坏。与此同时，大量的爆生气体继续膨胀，将最小抵抗线方向的岩石等介质表面鼓起、破碎、抛掷，最终形成倒锥形的凹坑即爆破漏斗，爆破漏斗几何参数几何参数：最小抵抗线W、爆破漏斗半径r、爆破漏斗作用半径R、漏斗深度D、漏斗可见深度h。爆破漏斗三要素：是指W、r和R。爆破漏斗四种基本形式用爆破作用指数（n=r/w）描述：1 松动爆破漏斗（n=0.75）爆破漏斗内的岩石等介质被破坏、松动，并不抛出坑外，不形成可见
22、地爆破漏斗坑。2 减弱抛掷（加强松动）爆破漏斗。，又称加强松动爆破漏斗（0.75n1）爆破漏斗的有效破坏范围并不随 n 值的增加而明显增大。实际上，这时炸药的能量主要消耗在岩块等介质的抛掷上。因此，n3 已无实际意义。爆破漏斗类型a松动爆破漏斗；b减弱抛掷爆破漏斗；c一标准抛掷爆破漏斗；d加强抛掷爆破漏斗抛掷爆破漏斗形成过程图：1自由面；2压缩变形区；3粉碎区；4拉伸变形；5爆炸气体；6鼓包；7破碎抛掷岩石；8爆破漏斗，9可见漏斗利文斯顿爆破漏斗理论要点；岩石爆破的四种破坏形态爆破漏斗特性曲线3、利文斯顿爆破漏斗理论单排药包齐发爆破原理应力波加强区的形成应力波降低区的形成多排药包齐发爆破原理三
23、、成组药包的爆破作用原理相邻装药的间距密集系数m=a/W m=2时，两装药形成的漏斗正好相连 2m1时，两装药合成一个漏斗四个药包作用的爆破漏斗四 装药量计算的基本原理和方法1、装药量计算的基本原理和体积公式常用公式体积公式 Q=qV q炸药单耗；kg/m3；V爆破的岩石体积，m3 式中C1、C2、C3 分别为面积、体积和考虑抛掷所需能量系数。四 装药量计算的基本原理和方法2、装药量计算的基本方法（1）洞室爆破的计算方法标准抛掷爆破的药量计算方法公式应用：若集中装药 则标准装药 装药量计算原理加强抛掷装药：式中f(n)为爆破作用指数的函数。f(n)讨论：f(n)=1为标准抛掷爆破；f(n)大于
24、1为加强抛掷爆破；f(n)小于1为减弱抛掷爆破。松动爆破漏斗的装药量约为标准爆破漏斗装药量的0.330.35倍，所以柱状装药计算公式柱状装药：计算公式的原理同集中装药抛掷爆破鲍列斯夫经验公式：松动爆破不同的是体积计算：若Lb 为炮孔深度 爆破漏斗体积：平行自由面装药时体积（2）台阶爆破的药量计算第一排炮孔的单孔药量计算方法：第二排孔以后的药量计算 （3）墙体爆破的药量计算（4）立柱爆破的药量计算3 炸药单耗的计算方法查表法：类比法爆破漏斗法试爆法 第三节定向断裂控制爆破原理一、定向断裂控制爆破的基本原理及措施1、减弱爆破原理2、应力叠加原理3、应力集中原理4、侧向卸载原理 第三节定向断裂控制爆
25、破原理二、光面爆破和预裂爆破1、光面爆破和预裂爆破的特点2、光面爆破和预裂爆破的原理 光面爆破光面爆破特点光面爆破原理光面爆破参数影响光面裂缝形成的因素光面爆破施工光面爆破特点（与普通爆破相比较）1）周边轮廓线符合设计要求；2）爆破后的岩面光滑平整，通风阻力小，岩面上应力集中现象减少，肉眼几乎看不到爆破裂隙，原有构造裂隙也不因爆破影响而有明显扩展，可保持围岩的整体性和稳定性，有利于施工的安全；3）可减少超挖或欠挖，节省因超、欠挖而增加的工程量和费用，提高工程速度和质量；光面爆破后通常可在新形成的壁面上残留清晰可见的半边孔壁痕迹；4）与喷射混凝土和锚杆支护相配合，正逐步形成一套多快好省的工程施工
26、新工艺。光面爆破原理应力集中的预裂效应由于光面爆破周边眼是同时起爆，而国内所生产毫秒同段电雷管的时差均大于0.5ms。因此，相邻两炮眼起爆时差无疑超过0.5ms，很难达到同时起爆。炸药爆炸产生的压缩应力波波速3000m/s 左右在岩体中传播，所以两炮眼爆炸应力波很难在两眼中心连线的某点相遇和同时起爆，故各炮眼有先后起爆之差。相邻两炮眼，当A号眼先爆炸时，B号眼相当于空眼。后起爆的炮眼，起到导向作用。应力叠加效应 左图：拉力加强示意图 下图：拉应力集中应力叠加效应应力降低区的分析应力叠加效应沿炮孔连心线的压应力相互抵消，拉应力拉得到加强。若两炮孔相距较近，叠加后的拉应力超过介质的抗拉强度，则沿炮
27、孔连心线产生径向裂隙，使两炮孔相互贯通。在炮孔连心线和炮孔壁相交处产生应力集中，其拉应力最大。在两药包的辐射状应力波作用线正交处应力相互抵消，产生应力降低区，空眼导向作用空眼后起 爆的炮眼 起到导向作用。沿导向眼形成 贯通裂缝光面爆破参数 1 不耦合系数k；2 炮孔间距a；3 最小抵抗线W；4 炮孔邻近系数m；5 线装药密度；6 起爆间隔时间；光面爆破参数之一1 不耦合系数不耦合系数 k不耦合系数k：指炮孔直径d 和药卷直径d0之比 k=d/d0讨论：讨论：1)当k=1：表示炮孔直径和药卷直径完全耦合，炮孔全部被炸药装满，药卷与孔壁之间没有空隙。此时，爆轰压力对孔壁作用明显。2)当k 1：表示
28、炮孔直径与药卷直径不耦合，药卷与孔壁之间有空隙。k越大，则空隙也越大。合理的不耦合应使炮孔压力低于岩壁动抗压强度而高于动抗拉强度。光面爆破参数之一不耦合系数k3)当kck 1：光面爆破的效果就不好 （kc生压碎圈的临界不耦合系数）。4)当k kc 1：是进行光面爆破时获得良好效果的必要条件实践证明，k25 时，光面效果最好。光面爆破参数之二2 炮孔间距炮孔间距a一般为炮孔直径的1020 倍。a=(1020)d在节理裂隙比较发育的岩石中应取小值，整体性好的岩石中可取大值。光面爆破参数之三3 最小抵抗线最小抵抗线W最小抵抗线W指光面层厚度或周边孔到邻近辅助孔间的距离。一般它应大于或等于光面孔间距：
29、W a光面爆破参数之四 4 炮孔邻近系数炮孔邻近系数m 炮孔邻近系数：炮孔邻近系数：孔距与最小抵抗线的笔直；m=a/Wm 值过大时，爆后有可能在光面孔间的岩壁表面留下岩石埂，造成欠挖；m值过小时，则会在新壁面造成凹坑。实践表明，当m=0.81.0 时，爆后的光面效果较好.硬岩中取大值，软岩中取小值。光面爆破参数之五 5 线装药密度线装药密度定义：定义：指单位长度炮孔中装药量的多少（g/m）。为了控制裂隙的发育以保持新壁面的完整稳固，在保证沿炮孔联心线破裂的前提下，应尽可能少装药。取值：取值：软岩中一般可用70120 g/m，中硬岩中为120150 g/m，硬岩中为150250 g/m。光面爆破
30、参数之六 6 起爆间隔时间起爆间隔时间实验室爆破试验研究结果表明，齐发起爆的裂隙表面最平整，微差延期起爆次之，秒差起爆最差。齐发起爆时，炮孔间贯通裂隙较长，抑制了其他方向裂隙的发育，有利于减少炮孔周围的裂隙的产生，可形成平整的壁面。所以，在实施光面爆破时，间隔时间愈短，壁面平整的效果愈有保证。应尽可能减小周边孔间的起爆时差。相邻光面炮孔的起爆间隔时间不应大于100ms。影响光面裂缝形成的因素主要因素有装药量和装药结构、最小抵抗线与装药量和装药结构、最小抵抗线与孔间距的比值、起爆方法、空孔等。孔间距的比值、起爆方法、空孔等。1）装药结构为了不破坏需要保护一侧的围岩，要采用较大的不耦合系数k，环状
31、间隙装药和间隔装药，以及低猛度、低爆速（如爆速为20003000m/s），低密度的炸药。根据岩石的坚固性和炸药特性，合理地确定不耦合系数和装药结构，是搞好光面控制爆破的关键之一。影响光面裂缝形成的因素2)最小抵抗线、空孔与孔距控制爆破炮孔要适当加密，才能有效地形成光面裂隙。最小抵抗线应大于光面孔的孔距。最小抵抗线过小时，孔与孔之间的光面裂隙来不及贯通，各孔就已朝自由面形成爆波漏斗，结果产生凹凸不平的破裂面。相反，最小抵抗线过大时，光面裂隙固然容易形成，但是自由面方向的爆破效果可能要恶化，大块多。在节理、裂隙发育的岩石中以及开挖面的拐角，弯曲部分，要加密炮孔或增加导向空孔。空孔具有导向作用空孔具
32、有导向作用影响光面裂缝形成的因素3）起爆顺序。从模拟爆破的结果看，以同时起爆效果最好，毫秒间隔起爆效果次之，同段延期起爆效果最差。光面爆破设计设计原理光面爆破设计不仅要考虑周边孔，还必须同时严格控制靠近周边孔的主炮孔的装药。设计原理：任何主炮孔产生的裂隙破坏区均不得超过周边孔的裂隙破坏区。瑞典爆炸研究基金会利用下述算法进行控制：爆破振动速度计算的经验公式是：式中：v为振速，m/s；Q为单孔药量，kg；R为距离，m。产生危险的振速范围是70100 m/s。不同装药密度时振速v与距离R 的函数关系对于3m 深的炮孔，不同线装药密度的Rv关系见图不同炸药产生的裂缝范围对不同线装药密度按70m/s,计
33、算产生裂隙的范围，示于图。不同炸药产生的裂缝范围由图可以看出：d=17mm吉利特（一种低爆速、低爆压光面爆破专用炸药）裂缝范围0.25m；d=45mm铵油炸药裂缝范围1.6m。如果二者相距1m，则铵油炸药炮孔的裂缝范围超出周边孔破裂范围0.35m，这需调整与周边孔相距1m的爆破孔装药量，才能保证光面爆破的效果。光面爆破常用装药结构A轴向不耦合;b径、轴向不耦合;C径向不耦合;1炮泥；2导爆索；3雷管脚线；4d=32mm 药包；5d=2025mm药包；6电雷管；7 d=32mm药包光面爆破施工打眼要求采用光面爆破时对打眼要求特别严格。一般地说，希望沿着巷道周边轮廓线布置炮眼，但由于打眼工具和打眼
34、技术的限制，因此，炮眼眼口要偏离周边轮廓线一定距离，炮眼向轮廓线倾斜一个角度，周边眼开眼在设计轮廓线上，为保证打眼质量，可采取以下措施1）准确看线，开工前准确地将中腰线引到工作面上，然后按照中腰线准确地定出周边眼，二圈眼及槽眼位置，并在工作面上做出明显的标志。2）照两点线打好第一个正顶眼，首先打正顶眼，在钎杆上方顶板上距工作面!米的地方悬挂一临时中线，依次保持炮眼沿巷道轴线钻进，然后将此眼插上炮棍作为其他炮眼的标志方向。3）预量钎长做到心中有数，保证各眼底落在同一平面上。4）套钎子打深眼，眼深超1.82.0m 时，采用套钎子，易于保证炮眼平直。5)划分区域，定人定眼，以便熟练技术，掌握规律，提
35、高打眼速度和准确性。第三节定向断裂控制爆破原理l l 原理原理 l l 特点特点 l l 形式形式 l l 炮孔切槽参数和工艺炮孔切槽参数和工艺 l l 聚能药包参数聚能药包参数 l l 切缝药包参数切缝药包参数 切缝机理切缝药包刻槽爆破的断裂力学模型示意图 刻槽爆破的断裂力学模型示意图 井下石灰岩刻槽爆破的孔壁槽口效果微差爆破又称为毫秒爆破，是指将炮孔分组以毫秒级的时间间隔顺序起爆的方法。（1）应力波叠加作用（2）改善自由面作用（3）补充破碎作用（4）降低爆破地震作用第四节微差爆破原理微差爆破作用原理作用原理大致有如下几种说法：1应力波叠加作用；2增加自由面作用；3增加岩块相互碰撞作用；4减
36、小爆破地震作用。1 应力波叠加作用若相邻辆装药间隔若干毫秒爆炸，先起爆的装药在岩体内形成的应力场尚未消失，而后起爆装药又立即起爆，使两者所产生的应力波相互叠加，从而加强了破碎效果。微差爆破作用原理 2增加自由面作用在先爆深孔破裂漏斗形成后，它对后爆深孔来说相当于新增加的自由面，如图所示。后起爆孔的最小抵抗线和爆破作用方向都有所改变，增多了入射压力波和反射拉伸波在自由面方向的破碎岩石作用，并减少夹制作用。图中：1 第一组起爆；2 第二组起爆微差爆破作用原理 3增加岩块相互碰撞作用当第一响炮孔爆破时，爆破漏斗内的破碎岩石起飞尚未回落时，相邻第二响炮孔已经起爆，此时破碎的岩石也朝刚形成的补充自由面方
37、向飞散，二者相互碰撞。在密集的“岩块幕中”后爆药包的爆生气体不易逸散到大气中，从而又增加了补充破碎机会。接着后排第三响又起爆，在微差适当的时间内，与第一、二响破碎的岩石可能再次碰撞，形成第三次破碎。在碰撞破碎过程中，岩石中的动能降低，导致抛距减小，爆堆相对集中。微差爆破作用原理 4 减小爆破地震作用由于微差爆破显著地减小了单响的药量，即将原来同时齐爆药量在时间上得以分散，因此，爆破地震能量也在时间上和空间上加以分散，使地震强度大大降低。如果微差时间选得适当，两组地震波还可能产生干扰，也会削弱地震波的强度，一般可降低地震强度1/32/3。微差间隔时间 的确定原则：原则：确定 值的大小是微差爆破技
38、术的关键，合理的时间间隔，应以达到形成新自由面的时间最合理，破碎质量最佳，减震效果最好为原则。影响：影响：基于矿岩条件的复杂性，爆破材料性能指标的离散性，孔网实际参数的不均匀性、实施微差起爆器材的局限性等等，因此，作为工程爆破，其最优微差起爆时间间隔应是一个区间或范围，而不应是一个固定值。计算公式：计算公式：目前，关于微差爆破的理论和假说较多，相应的计算时间间隔公式也较多，极不统一，在此只能将有关公式做一介绍，供参考。1 按有效的（充分的）应力迭加作用确定颇克洛夫斯基等认为，先爆炮孔产生的压应力波及气楔作用，使自由面方向的岩石发生强烈变形和移动，随着爆炸气体的逸散，孔内空腔压力下降，在岩石弹性
39、恢复力的作用下，自孔壁向周围岩石产生拉伸波，若在此时起爆相邻一组炮孔则为最佳时间，将产生良好的爆破效果。式中：a为炮孔间距，m；cp为压应力波传播速度，m/s；t1为爆生气体有效压力作用时间，s；Q1为单孔装药量，kg。2 按形成补充自由面确定哈努卡耶夫认为，先爆炮孔刚好形成爆破漏斗，且爆岩脱离岩体。即形成s=0.81.0cm 宽的贯通裂缝为宜，=t1+t2+t3 =2W/cp+W/c2+s/vcp式中cp岩石纵波波速，m/s；c2裂隙扩展速度，c2=0.05cpvcp矿岩碎块平均运动速度，m/s。t1弹性应力波传至自由面并返回所需的时间，t1=2W/cp，ms；t2形成裂缝所需的时间，t2=
40、W/c2，ms；t3破碎的岩块离开原岩s所需的时间，t3=s/vcp，ms；3 按爆生气体膨胀作用确定伊藤一郎认为要使微差爆破效果好，不仅使前后排爆破动力效果迭加，还应在前段爆破产生的气体膨胀作用正处于静力破坏时，下一段装药开始爆炸，故其最优微差间隔时间应为：式中c2为裂隙扩展速度，c2=100150m/s。4 按抵抗线和岩石性质确定1)国内长沙矿山研究院提出公式式中：f为岩石普氏系数；W0为实际抵抗线（m）。在清碴爆破条下，取其为底盘抵抗线；在压碴条件下，为底盘抵抗线与压碴折合抵抗线的和。2)瑞典U.Langefors（兰格弗斯）等人提出公式（在最小抵抗线为0.50.8m 的条件下）k为与岩
41、石条件有关系数，坚硬岩石取k=3，中硬以下岩石 k=5。3)前苏联矿山部门提出公式K为岩石裂隙系数，裂隙不发育的岩石k=0.5；中等发育k=0.75；裂隙发育k=0.9。结论：近年来，从各国的发展动向来看，美国认为 =912.5ms；瑞典取 =310ms；加拿大取 =5075ms；法国取 =1560ms；英国取 =2530ms；前苏联和我国取 =25ms等。东北工学院牛成俊曲线在实验研究资料的基础上绘制 了微差间隔时间与矿岩波阻抗 Z及抵抗线W的关系曲线。该图 表明最优微差间隔时间具有随 波阻抗Z的增加而减少和随抵 抗线W的增加而增加的趋向。根据我国鞍山本溪矿区的爆破 经验，在采用排间微差爆破
42、时，以2575ms 为宜。实现微差爆破的方法（起爆顺序）1)顺序（逐排）起爆；2）横向起爆；3）斜线起爆：（1）为对角线起爆；（2）为楔形或V形起爆方式；（3）为台阶工作面采用V形或梯形起爆方式1)顺序（逐排）起爆1)顺序（逐排）起爆这是最简单、应用最广泛的一种起爆形式，一般呈三角形布孔。在大区爆破时，由于同排（同段）药量过大，容易造成爆破地震危害。2）横向起爆2）横向起爆这种起爆方式没有向外抛掷作用，多用于掘沟爆破和挤压爆破。图中 1、2、3为起爆顺序3）斜线起爆3）斜线起爆分段炮孔的连线与台阶坡顶线呈斜交的起爆方式称为斜线起爆。图（a）为对角线起爆，常在台阶有侧向自由面的条件下采用。利用这
43、种起爆形式时，前段爆破能为后段爆破创造较宽的自由面，如图中ABCD的连线。图中1、2、3、4、5为起爆顺序，ABCD为前段为后段 爆破创造的自由面图（b）、（c）为楔形或V形起爆方式，多用于掘沟工作面。图（d）为台阶工作面采用V形或梯形起爆方式。没有足够补偿空间的爆破称为加压爆破，又称为留碴或压碴爆破。（1）延长爆轰气体膨胀作用时间（2）产生挤压破碎作用（3）形成瞬间自由面（空腔）的作用（4）改变应力波的能量分配第五节挤压爆破原理第六节聚能装药爆破原理聚能装药爆炸后，靠近聚能穴的炸药所产生的爆炸产物就会向穴的轴线方向聚集，射出一股高温、高压、高速和密度大的聚能流，使能量集中在较小的断面上，提高
44、了局部的破坏作用，这种现象称为聚能效应。炸药爆炸的聚能原理 要使一个装药产生良好的聚能效应必须具有带金属的聚能罩，并要严格使装药对称于爆源和聚能穴构成的轴线。带有金属聚能罩的聚能装药，爆炸后形成 的 金 属 射 流 运 动 的 头 部 平 均 速 度 可 达45007000m/s，温度可达数千摄氏度以上，射流断部的能量密度可达E0=29105kg.cm/cm3。同炸药爆轰波阵面的能量密度2105kg.cm/cm3相比，要高出14倍以上，对钢和岩石具有极大的穿射作用。图1 聚能射流形成过程聚能装药定向开裂造缝机理聚能装药定向开裂造缝机理由爆轰理论可知，药柱爆炸时可分布在空间的爆炸能与其形状、性能
45、等因素有关。图8.1为三种不同装药结构对井壁产生的破坏效果1。其中：(a)表示柱状装药结构。引爆后爆轰波到达聚能槽时，爆轰产物沿锥角平分线传播。能量不集中，不仅不能定向开裂造缝，而且对井壁还会产生“压实效应”。(b)表示无罩聚能装药结构。当爆轰波到达聚能槽时，爆轰产物沿锥角平分线集中，形成一股高速气流，称为聚能流，它具有极高的速度和密度，某一断面处直径最小，称为焦点，单位截面上能量最大，具有定向开裂造缝功能。(c)表示有罩聚能装药结构。即聚能槽处用药形罩支撑着，当爆轰波到达罩面时，金属罩由于受到强烈压缩，内表面部分金属被挤出来，沿锥角平分线高速向外射流，能量也最集中，具有更强的定向造缝功能。三
46、种不同装药结构对井壁的破坏作用 金属流定向造缝过程示意图 影响聚能爆破威力的因素 (1)、炸药的性能 （2）、药型罩1）、药型罩的材料2）、药型罩的形状3）、药型罩的锥角4）、药型罩的壁厚影响聚能爆破威力的因素 （3）、升压时间升压时间J.F.Cuderman 认为首要因素是升压时间tm，tm不同则裂缝型态不同，对于多缝压裂tm应遵循下式：式中 tmin为爆炸破裂区与多缝压裂区边界的升压时间，s；tmin为多缝压裂区与水力裂缝区边界的升压时间，s；CR为瑞利（Releigh）表面波速，m/s；Dj为井径，m。当tmtmin时为水压裂型。显然，影响升压时间安的主要因素是推进剂类型和井径Dj，井径
47、一般为确定值，因此，可通过改变推进剂性能来调节升压时间，进而控制峰值压力Pmax，使其达到既不损坏套管，又能压出多条裂缝的目的。影响聚能爆破威力的因素 （4）、隔板隔板不但可以促使爆轰波同时到达凹槽表面，而且可以改变、压垮药型罩的爆轰波作用方向，使罩趋于被爆轰波垂直压垮，罩环高速集中于罩轴，形成更为集中的射流。对于较大的聚能药包，以选择木质材料的隔板较好；对于较小的聚能药包，采用夹布塑料或粘土掺锯末等为好。（5）、炸高聚能爆炸时，用支架使装药与作用目标保持一定距离，称为炸高。与最大穿孔深度相对应的炸高，称为有利炸高。有利炸高与药型罩锥角、药型罩材料、炸药性能及有无隔板等条件有关。对于锥形罩的聚
48、能药包，其最佳支架高为33.5倍的金属罩口径。当药包装药高度等于药型罩高与药包半径之和时，破岩能力达最大。影响聚能爆破威力的因素 （6）、药包的壳体一般来讲，对于带隔板的聚能装药，增强装药外壳有类似于不合理的增大隔板直径的作用，因而将光药柱试验得到的隔板直径和厚度减小，可使爆轰波形趋于合理，从而可提高穿孔深度。对于不带隔板的光药柱，增加装药外壳后，可减少稀疏波的作用，有利于提高炸药的能量利用率。（7）、作用岩石材质作用岩石材质 作用岩石的密度和强度对穿孔效果影响很大，穿孔深度与药型罩材料和作用目标材质的密度之比的平方根成正比。影响聚能爆破威力的因素 (8)、聚能流射孔的穿孔直径及深度聚能流射孔
49、的穿孔直径及深度在固体介质上穿孔的深度和直径取决于聚能流的直径、密度以及侧向压力，并和固体介质的物理力学性质有关。一般来说，聚能流直径、密度和侧向压力则与聚能药柱母线的长度、聚能罩的材料与锥角有关。穿孔直径的大小可由下式近似求出：式中D-孔口直径；rc-聚能金属流的半径；Pc-聚能金属流的轴向压力；Pa-聚能金属流的极限侧压力。在岩石上穿孔直径决定于聚能金属流的直径和密度，金属流穿入时的侧压以及岩石的物理机械性质。工程应用用于破碎和处理事故（1）、破碎大块（2）、处理钻探、溜井卡堵事故用于穿孔（1)、开挖电杆深坑（2)、在冻土层中穿孔 在高原冻土地区进行爆破开挖的关键是钻孔。目前，国内还没有适
50、合这种冻土地区的钻孔机械。现在一般采用的钻机是DDP100型汽车地质钻机和XJ100型手把地质钻机，钻孔直径为90150mm，钻yL效率为56m台班。7l05型内燃钻机钻孔直径为60mm，钻孔效率为25m台班。所有这些钻机，在高原冻土中施工，都在不同程度上存在着钻孔串低、气温低时发动机发动不易等缺点。为此，原铁道兵和铁道部科学研究院于19751977年间，在青藏高原进行了三次聚能爆破穿孔试验，以寻求一种快速钻孔爆破的方法。试验工点海拔高度为4700m左右，气压为(560600)XOzPa，年平均气温-2度-7摄氏度。冻土地层情况是00.2m为草皮；o.20.6m为粘砂土，含水量为235，容重为