巖石爆破作用理論

5巖石爆破作用原理§5.1巖石的動(dòng)態(tài)特性和可爆性§5.2巖土中爆炸應(yīng)力波§5.3巖石爆破破碎機(jī)理§5.4爆破漏斗及利文斯頓爆破漏斗理論§5.5裝藥量計(jì)算原理（教材目錄）5.1

巖石爆破破碎機(jī)理

5.2巖石中的爆炸應(yīng)力波

5.3藥包的內(nèi)部作用與外部作用

5.4裝藥量計(jì)算原理

5.5影響爆破作用效果的因素學(xué)習(xí)要點(diǎn)：1、了解巖石爆破破碎機(jī)理的幾種假說(shuō)；2、熟悉藥包在巖石中的內(nèi)部作用；3、掌握藥包的外部破壞作用與爆破漏斗的形成；4、熟悉爆破漏斗要素與爆破作用指數(shù)理論；5、掌握裝藥量計(jì)算原理。

5.1巖石爆破破碎機(jī)理5.1.1概述從爆破理論的發(fā)展過(guò)程來(lái)說(shuō)，存在著3個(gè)階段。

即：早期發(fā)展階段；理論確立階段；最新發(fā)展階段。1）早期發(fā)展階段

1613年德國(guó)人在弗雷斯帕格（Freisberg）礦山首先用炸藥掘進(jìn)坑道，開(kāi)創(chuàng)了爆破采礦的歷史。應(yīng)該說(shuō)從炸藥用于爆破作業(yè)起，人們就有了計(jì)算炸藥量的方法，也就出現(xiàn)了早期爆破理論。這一階段比較著明的理論有炸藥量與巖石破碎體積成比例理論；利文斯頓爆破漏斗理論和流體動(dòng)力學(xué)理論。直到20世紀(jì)60年代日野熊雄的沖擊波拉伸破壞理論的出現(xiàn)，標(biāo)志著早期爆破理論發(fā)展階段的結(jié)束。綜觀早期爆破理論的特點(diǎn)是，出現(xiàn)了炸藥量計(jì)算公式，但是對(duì)爆破過(guò)程并未作實(shí)質(zhì)性的說(shuō)明。2）爆破理論確立階段這一階段從20世紀(jì)60年代初，提出沖擊波拉伸破壞理論和爆炸氣體膨脹壓破壞理論開(kāi)始，到70年代明確提出爆破作用三個(gè)階段為止，歷時(shí)十余年，這一階段的特征是：①?zèng)_擊波拉伸破壞理論；爆炸氣體膨脹壓破壞理論；沖擊波和爆炸氣體綜合作用理論已經(jīng)確立。②在爆炸破壞主因是沖擊波壓力還是爆炸氣體膨脹壓方面展開(kāi)激烈的爭(zhēng)論，在爭(zhēng)論中各派都在不斷完善和發(fā)展自己的觀點(diǎn)。③爭(zhēng)論的結(jié)果：沖擊波和爆炸氣體綜合作用理論，爆破過(guò)程的三個(gè)階段論逐步得到多數(shù)人的承認(rèn)。④利用現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器，例如高速攝影機(jī)進(jìn)行的觀測(cè)，大大豐富和完善了爆破理論的內(nèi)容，初步揭示了破壞的本質(zhì)現(xiàn)象。5

3）最新發(fā)展階段爆破理論的最新發(fā)展階段起始于20世紀(jì)80年代，標(biāo)志之一是裂隙介質(zhì)爆破機(jī)理的產(chǎn)生。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，爆破理論和爆破技術(shù)的研究呈現(xiàn)一派蓬勃發(fā)展的新景象。縱觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以看出：這一階段各學(xué)派雖然仍在不斷完善自己的觀點(diǎn)，但這已不是研究的主流，代表該階段的主要特征是：①裂隙巖體爆破理論的深入研究和巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石爆破的影響和控制。②斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的引入。③計(jì)算機(jī)模擬和再現(xiàn)爆破過(guò)程，用以研究裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展；預(yù)測(cè)爆破塊度的組成和爆堆形態(tài)；供計(jì)算機(jī)模擬用的爆破模型不斷涌現(xiàn)。④一些新的思想，新的研究方法開(kāi)始進(jìn)入爆破理論的研究?？傊?，

爆破理論的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著爆破技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，使爆破理論的研究更實(shí)用化，更系統(tǒng)化了。主要表現(xiàn)在：巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖石動(dòng)力學(xué)、斷裂、損傷力學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬爆破技術(shù)的發(fā)展。

爆破理論的發(fā)展仍滯后爆破技術(shù)的要求。從總體上看，理論研究和生產(chǎn)實(shí)際仍有不小的差距。再加上爆破過(guò)程的瞬時(shí)性和巖石性質(zhì)的模糊性、不確定性，致使爆破理論眾說(shuō)紛紜，爭(zhēng)論不止。

理論觀點(diǎn)存在爭(zhēng)議和分歧。在爆破理論日益發(fā)展又眾說(shuō)紛紜，相互矛盾的情況下，從發(fā)展角度研究各派爆破理論的主要論點(diǎn)、依據(jù)，找出共識(shí)，無(wú)論是對(duì)爆破理論的研究還是指導(dǎo)工程實(shí)踐都有著重要意義。

60年代出現(xiàn)的信息論、控制論；70年代發(fā)展起來(lái)的突變論、耗散結(jié)構(gòu)論、分形理論和非線性理論；80年代以后發(fā)展起來(lái)的混沌學(xué)和分叉理論，使爆破理論的研究出現(xiàn)了一個(gè)嶄新的局面。5.1.2巖石爆破破碎機(jī)理關(guān)于巖石爆破破碎機(jī)理的假說(shuō)，可以歸結(jié)為4種：

爆炸應(yīng)力波反射拉伸理論（動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)）

爆生氣體膨脹壓力破壞理論（靜力學(xué)觀點(diǎn)）

爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論

巖體爆破破碎的損傷力學(xué)觀點(diǎn)

1）爆生氣體膨脹作用理論

該學(xué)說(shuō)從靜力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為巖石的破碎主要是由于爆轟氣體的膨脹壓力引起的。忽視了巖體中沖擊波和應(yīng)力波的破壞作用，其基本觀點(diǎn)如下：

藥包爆炸時(shí)，產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體，這些氣體產(chǎn)物迅速膨脹并以極高的壓力作用于藥包周?chē)膸r壁上，形成壓應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)壓應(yīng)力在切向衍生的拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生徑向裂隙。作用于巖壁上的壓力引起巖石質(zhì)點(diǎn)的徑向位移，由于作用力的不等引起徑向位移的不等，導(dǎo)致在巖石中形成剪切應(yīng)力。當(dāng)這種剪切應(yīng)力超過(guò)巖石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖石就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。當(dāng)爆轟氣體的壓力足夠大時(shí)，爆轟氣體將推動(dòng)破碎巖塊作徑向拋擲運(yùn)動(dòng)。

2）爆炸應(yīng)力波反射拉伸作用理論

該學(xué)說(shuō)以爆炸動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，認(rèn)為應(yīng)力波是引起巖石破碎的主要原因。忽視了爆轟氣體的破壞作用，其基本觀點(diǎn)如下：爆轟波沖擊和壓縮炮孔周?chē)膸r壁，在巖壁中激發(fā)形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波。此應(yīng)力波在周?chē)鷰r體內(nèi)傳播同時(shí)形成裂隙，當(dāng)應(yīng)力波傳到自由面時(shí)，產(chǎn)生反射拉應(yīng)力波。當(dāng)拉應(yīng)力波的強(qiáng)度超過(guò)自由面處巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，從自由面開(kāi)始向爆源方向產(chǎn)生拉伸片裂破壞，直至拉伸波的強(qiáng)度低于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度處時(shí)停止。應(yīng)力波作用學(xué)說(shuō)只考慮了拉應(yīng)力波在自由面的反射作用，不僅忽視了爆轟氣體的作用，而且也忽視了壓應(yīng)力的作用，對(duì)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的環(huán)向作用也未予考慮。實(shí)際上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作用為主。

3）爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論

這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為，巖石的破壞是應(yīng)力波和爆轟氣體共同作用的結(jié)果。它綜合考慮了應(yīng)力波和爆轟氣體在巖石破壞過(guò)程中所起的作用，更切合實(shí)際而為大多數(shù)研究者所接受。其基本觀點(diǎn)如下：爆轟波波陣面的壓力和傳播速度大大高于爆轟氣體產(chǎn)物的壓力和傳播速度。爆轟波首先作用于藥包周?chē)膸r壁上，在巖石中激發(fā)形成沖擊波并很快衰減為應(yīng)力波。沖擊波在藥包附近的巖石中產(chǎn)生“壓碎”現(xiàn)象，應(yīng)力波在壓碎區(qū)域之外產(chǎn)生徑向裂隙。隨后，爆轟氣體產(chǎn)物繼續(xù)壓縮被沖擊波壓碎的巖石，爆轟氣體“楔入”在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生的裂隙中，使之繼續(xù)向前延伸和進(jìn)一步張開(kāi)。當(dāng)爆轟氣體的壓力足夠大時(shí)，爆轟氣體將推動(dòng)破碎巖塊作徑向拋擲運(yùn)動(dòng)。4）巖體爆破破碎的損傷力學(xué)觀點(diǎn)在巖石爆破機(jī)理的研究中，主要圍繞爆破動(dòng)力學(xué)問(wèn)題展開(kāi)，對(duì)于巖石破壞準(zhǔn)則仍沿用巖體靜力學(xué)方法，采用拉應(yīng)力破壞理論、莫爾破壞理論等。這種簡(jiǎn)化處理可用于解決不含地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的均質(zhì)巖體破壞問(wèn)題。然而，大量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，巖體爆破過(guò)程中80%以上的破壞面是沿著巖體各種原生結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生，巖體破壞問(wèn)題難以從巖體力學(xué)角度進(jìn)行分析?？紤]到巖體中的各類(lèi)結(jié)構(gòu)面雖然仍具有一定的強(qiáng)度，但相對(duì)于巖石強(qiáng)度而言卻小得多，加之其所占空間體積又小，因而近年來(lái)在巖體爆破理論研究中引入損傷力學(xué)方法，提出了巖體爆破機(jī)理的損傷力學(xué)觀點(diǎn)。

說(shuō)明：

①對(duì)于不同性質(zhì)的巖石和炸藥，應(yīng)力波與爆轟氣體的作用程度是不同的。②在堅(jiān)硬巖石、高猛度炸藥、偶合裝藥或裝藥不偶合系數(shù)較小的條件下，應(yīng)力波的破壞作用是主要的；③在松軟巖石、低猛度炸藥、裝藥不偶合系數(shù)較大的條件下，爆轟氣體的破壞作用是主要的。5.2巖石中爆炸應(yīng)力波

裝藥在巖石中爆炸時(shí)，最初加載的是沖擊荷載，迅速上升到峰值并下降，過(guò)程很短，在此沖擊荷載作用下巖石內(nèi)激起應(yīng)力擾動(dòng)，然后以爆炸應(yīng)力波的形式在巖石中傳播。

5.2.1

沖擊荷載在巖體內(nèi)引起的應(yīng)力-應(yīng)變爆炸沖擊加載，在距離爆心不同距離的區(qū)段內(nèi)可表現(xiàn)為不同的波傳遞：爆炸沖擊波、爆炸應(yīng)力波和地震波。用巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線解釋?zhuān)瑘D5.1。

上述四種情況是由低應(yīng)力到高應(yīng)力對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力波，藥包在炮孔中爆炸首先形成的是沖擊波隨后衰減為非穩(wěn)態(tài)沖擊波、彈塑性波、彈性應(yīng)力波和地震波，其解釋類(lèi)似，圖5.2。圖5.1圖5.2

5.2.2

爆炸荷載下巖石的本構(gòu)關(guān)系

在爆炸荷載作用下，巖石的(p、T、)狀態(tài)之間的關(guān)系，為巖石的本構(gòu)關(guān)系。即巖石的狀態(tài)方程：p=p(,T)。鮑姆把炸藥爆炸荷載作用下的爆源近區(qū)巖石視為“可壓縮流體”，該處無(wú)剪應(yīng)力存在，由此給出巖石的本構(gòu)方程為：5.2.3巖石中爆炸沖擊波

巖石中沖擊波

鄰近藥包的巖石失去剛性，變成似流體介質(zhì)，產(chǎn)生塑性流動(dòng)破壞。巖石中沖擊波也遵守三個(gè)基本方程：

式中：（鮑姆認(rèn)為：當(dāng)沖擊波波速達(dá)千米以上時(shí)B為定值，即n=4）

求解以上四個(gè)方程有五個(gè)未知數(shù)（P、u、、D、E），必須先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出一個(gè)參數(shù)，然后解其它。

大多數(shù)巖石存在D=a+bu

；a、b

為常數(shù)，有表可查。

沖擊波作用范圍很小，一般不超過(guò)裝藥半徑的3～7倍，衰減很快變成壓縮應(yīng)力波。

衰減規(guī)律：按指數(shù)衰減

——對(duì)比距離；——為壓力衰減指數(shù)，對(duì)沖擊波近似取3。5.2.4巖石中爆炸應(yīng)力波

沖擊波入射壓力

初始徑向應(yīng)力峰值，其計(jì)算分2種情況：

衰減規(guī)律

沖擊波衰減成應(yīng)力波后，應(yīng)力的峰值：，隨著距離增大，峰值將不斷減小。要求理解式中符號(hào)含義。耦合裝藥不耦合裝藥，系數(shù)b＝爆炸近區(qū)；1隨距離增大；切向應(yīng)力峰值：對(duì)應(yīng)力波，其衰減指數(shù)5.3藥包的內(nèi)部作用與外部作用介紹兩個(gè)概念：

自由面——又叫臨空面，是指同空氣接觸的巖石表面。

最小抵抗線（W）——自藥包中心到自由面的最短距離。

最小抵抗線是爆破作用巖石移動(dòng)的主導(dǎo)方向。

Wc為裝藥的臨界抵抗線。5.3.1裝藥的內(nèi)部作用（若W>Wc）

可認(rèn)為藥包處在無(wú)限巖石介質(zhì)中，藥包爆炸后，自由面上看不到爆破的跡象，爆破作用只發(fā)生在巖石內(nèi)部，未能達(dá)到自由面——即內(nèi)部作用。將在裝藥爆炸作用處形成（空腔、壓碎區(qū)、破裂區(qū)、震動(dòng)區(qū)）如圖5.3所示。①壓碎區(qū)——巖石被各向壓碎；②破裂區(qū)——巖石應(yīng)力波作用區(qū)，形成裂隙組；③震動(dòng)區(qū)——在破裂區(qū)外圍的巖體中；圖5.3無(wú)限巖石中炸藥的爆破作用a)有機(jī)玻璃模擬爆破試驗(yàn)結(jié)果；b)無(wú)限巖石中的爆破破壞分區(qū)。1、擴(kuò)大空腔；2、壓碎區(qū)；3、裂隙區(qū)；4、震動(dòng)區(qū)Rb—空腔半徑；Rc—壓碎區(qū)半徑；Rr—裂隙區(qū)半徑。(a)(b)2Rp2Rc2Rk1234

5.3.2半無(wú)限巖石介質(zhì)中的爆破作用

巖石中的裝藥若W<Wc，除發(fā)生內(nèi)部作用外，自由面附近巖石也將產(chǎn)生破碎、移動(dòng)、拋擲，形成爆破漏斗——即外部作用。外部作用的兩種形式：

霍布金生效應(yīng)；拉伸波引起徑向裂隙的延伸。1）霍布金生效應(yīng)壓應(yīng)力波傳播到自由面，一部分或全部反射回來(lái)成為同傳播方向，正好相反的拉應(yīng)力波，這種效應(yīng)叫Hopkinson。

老霍布金生在1914年觀察到疥片現(xiàn)象，內(nèi)壁破壞，水下爆破產(chǎn)生的碎狀水花和大爆破飛石，圖5.4、5.5所示。

1950年工程界開(kāi)始研究，疥片的形成原因：①?zèng)_擊波衰變的為應(yīng)力波；②應(yīng)力波在自由面反射成拉伸應(yīng)力波；③拉伸應(yīng)力波與壓應(yīng)力的合成；④拉斷破壞，形成片狀破裂。影響片落因素：藥包幾何形狀，藥包大小，入射波波長(zhǎng)等；圖5.4霍普金遜效應(yīng)的破碎機(jī)理（A）應(yīng)力波合成的過(guò)程；（B）巖石表面片落過(guò)程4321巖石條拉伸試驗(yàn)

圖5.5反射拉應(yīng)力波破壞過(guò)程示意圖

a—人射壓力波波前；b—反射拉應(yīng)力波波前

2）拉伸波引起徑向裂隙的延伸當(dāng)拉伸應(yīng)力不足以拉斷巖石時(shí)，仍能對(duì)巖體中的裂隙起作用，使垂直波陣面的裂隙閉合，平行波陣面的裂隙延伸，圖5.6。①反射拉伸應(yīng)力波造成自由面附近巖石片落；②反射拉伸應(yīng)力波引起徑向裂隙延伸；③自由面改變了巖石中的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)。通過(guò)以上對(duì)巖石破碎機(jī)理的分析可知，巖石的爆破破碎、破裂時(shí)爆破應(yīng)力波的壓縮、拉伸、剪切和爆生氣體的膨脹、擠壓、致裂和拋擲共同作用的結(jié)果。圖5.6反射拉伸波對(duì)徑向裂隙的影響

5.3.3炸藥在巖石中爆破破壞過(guò)程從時(shí)間來(lái)說(shuō)，將巖石爆破破壞過(guò)程分為三個(gè)階段為多數(shù)人所接受。

第一階段為炸藥爆炸后沖擊波徑向壓縮階段。

炸藥起炸后，產(chǎn)生的高壓粉碎了炮孔周?chē)膸r石，沖擊波以3000-5000m/s

的速度在巖石中引起切向拉應(yīng)力，由此產(chǎn)生的徑向裂隙向自由面方向發(fā)展，沖擊波由炮孔向外擴(kuò)展到徑向裂隙的出現(xiàn)需1-2ms。

第二階段為沖擊波反射引起自由面處的巖石片落。

第一階段沖擊波壓力為正值，當(dāng)沖擊波到達(dá)自由面后發(fā)生反射時(shí)，波的壓力變?yōu)樨?fù)值。即由壓縮應(yīng)力波變?yōu)槔鞈?yīng)力波。在反射拉伸應(yīng)力的作用下，巖石被拉斷，發(fā)生“片落”。此階段發(fā)生在起爆后10-20ms。

第三階段為爆生氣體的膨脹。

巖石受爆炸氣體超高壓力的影響，在拉伸應(yīng)力和氣楔的雙重作用下，徑向初始裂隙迅速擴(kuò)大。圖5.7所示。圖5.7爆破過(guò)程的三階段a、徑向壓縮階段；b、沖擊波反射階段；c、爆炸氣體膨脹階段當(dāng)炮孔前方的巖石被分離、推出時(shí)，巖石內(nèi)產(chǎn)生的高應(yīng)力卸載如同被壓縮的彈簧突然松開(kāi)一樣。這種高應(yīng)力的卸載作用，在巖體內(nèi)引起極大的拉伸應(yīng)力，繼續(xù)了第二階段開(kāi)始的破壞過(guò)程。第二階段形成的細(xì)小裂隙構(gòu)成了薄弱帶，為破碎的主要過(guò)程創(chuàng)造了條件。應(yīng)該指出：（1）第一階段除產(chǎn)生徑向裂隙外，還有環(huán)狀裂隙的產(chǎn)生。（2）從能量觀點(diǎn)出發(fā)，第一、二階段均是由沖擊波作用產(chǎn)生，而第三階段原生裂隙的擴(kuò)大和碎石的拋出均是爆炸氣體作用結(jié)果。5.3.4爆破漏斗

當(dāng)單個(gè)藥包在巖體中的埋置深度不大時(shí)，可以觀察到自由面上出現(xiàn)了巖體開(kāi)裂、鼓起或拋擲現(xiàn)象。這種情況下的爆破作用叫外部作用，其特點(diǎn)是在自由面上形成了一個(gè)倒圓錐形爆坑，稱為爆破漏斗，圖5.8。

1）爆破漏斗的形成過(guò)程（講述法）

2）幾何要素

W——最小抵抗線、

r——爆破漏斗底圓半徑、

R——爆破作用半徑：從藥包中心到爆破漏斗底圓圓周上任一點(diǎn)的距離。

另外：可見(jiàn)深度(自爆破漏斗中渣堆表面最低點(diǎn)到自由面的最短距離)；爆破漏斗張開(kāi)角（漏斗頂角）。2rRhwθ圖5.8爆破漏斗幾何要素示意圖3）爆破作用指數(shù)和爆破漏斗的基本形式爆破漏斗底圓半徑對(duì)最小抵抗線的比值，即

根據(jù)n值不同，爆破漏斗分為：

①標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗：②加強(qiáng)拋擲爆破漏斗：③減弱拋擲爆破漏斗：④松動(dòng)爆破漏斗：

4）柱狀裝藥的爆破漏斗

柱狀裝藥垂直于自由面——夾制作用大，可看成若干個(gè)集中裝藥,如圖5.9。

柱狀裝藥平行于自由面——爆破效果好，如圖5.10。

5）多個(gè)裝藥同時(shí)爆破的爆破漏斗

兩個(gè)相鄰裝藥同時(shí)爆破，中心連線上的受力特點(diǎn)①準(zhǔn)靜應(yīng)力場(chǎng)疊加②應(yīng)力波疊加圖5.9圖5.10

裝藥密集系數(shù)對(duì)爆破漏斗的影響，圖5.11所示。

m>2時(shí)，a過(guò)大，裝藥單獨(dú)形成漏斗；

m=2時(shí)，各自形成標(biāo)準(zhǔn)漏斗；

2>m>1時(shí)，合成一個(gè)漏斗，中間底部破碎不充分（欠挖）；

m=0.8-1.0時(shí)，漏斗體積大，底部平坦；

m<0.8時(shí)，a過(guò)近（超挖）。圖5.115.3.5利文斯頓爆破漏斗理論提出了以能量平衡為準(zhǔn)則的漏斗理論。炸藥能量釋放后，主要消耗在四個(gè)方面：①巖石的彈性變形、②巖石的破碎和破裂、③巖石的拋擲、④空氣沖擊波和對(duì)空氣做功。能量分配在各方面的比例，取決于炸藥的埋置深度。

Eb——變形能系數(shù)巖石中彈性變形能和破碎能達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的埋深為臨界深度Wb

。

即藥包埋于地下一定深度，小于這一深度，則巖石表面出現(xiàn)片落和隆起，大于這一深度，則不出現(xiàn)變形，這一深度稱為臨界深度。5.4裝藥量計(jì)算原理

裝藥量多少直接影響著：爆破效果、爆破成本、爆破安全。裝藥量是爆破中的重要參數(shù)。合理確定之，非常重要。但由于巖石自然條件的多變性，對(duì)巖石爆破破碎機(jī)理及規(guī)律的影響難以確定，精確計(jì)算裝藥量尚有難度。

本節(jié)介紹：集中藥包的計(jì)算（體積公式）、單位用藥量的確定。5.4.1集中藥包的計(jì)算（體積公式）目前還沒(méi)有精確的計(jì)算公式，只有從生產(chǎn)實(shí)踐中得到的經(jīng)驗(yàn)公式。

其物理意義：C1W2——克服分子內(nèi)聚力，分離巖石形成漏斗，其大小與漏斗表面積成正比；

C2W3——破碎漏斗內(nèi)的巖石，與漏斗體積成正比；

C3W4——克服重力做功。忽略1、3項(xiàng)，就是最常用的體積公式。

體積公式原理：裝藥量的大小與巖石對(duì)爆破作用力的抵抗程度成正比。這種抵抗力就是重力，實(shí)際上就是被爆破巖石體積。式中Q——裝藥量，kg。

V——爆破漏斗體積，m3。

K——單位體積用藥量，kg/m3。

w——最小抵抗線；

r——漏斗底圓半徑。如果為標(biāo)準(zhǔn)拋擲漏斗r=w，則形成爆破漏斗時(shí)

要獲得爆破作用指數(shù)不同的爆破漏斗，裝藥量可視為爆破作用指數(shù)幾何函數(shù)當(dāng)時(shí)，為加強(qiáng)拋擲爆破；當(dāng)時(shí)，為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破；當(dāng)時(shí)，為減弱拋擲爆破；蘇聯(lián)鮑列斯闊夫的公式：即，此式即為加強(qiáng)拋擲爆破裝藥量計(jì)算公式對(duì)于松動(dòng)爆破裝藥量，更適用的公式為5.4.2單位用藥量的確定①查表，參考定額或有關(guān)資料；②參照相似礦山或本礦山的實(shí)際單耗的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；③通過(guò)爆破漏斗試驗(yàn)確定半徑；5.5影響爆破作用效果的因素評(píng)價(jià)爆破工程的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，常用以下指標(biāo)：⑴炸藥單耗：指爆破1m3或1t巖礦消耗的炸藥用量，單位為kg/m3或kg/t。⑵延米爆破量：指1m炮孔所能崩落的巖石（或礦石）的平均體積或質(zhì)量，單位為m3/m或t/m。⑶炮孔利用率：一般用于地下井巷和隧道掘進(jìn)爆破，指一次爆破循環(huán)的進(jìn)尺與炮孔平均深度之比，單位為%。⑷大塊率：指一次爆破后所產(chǎn)生的不合格大塊在總爆破巖石量中所占的比率，單位為%。⑸爆破成本：指爆破1m3巖石所消耗的與爆破作業(yè)有關(guān)的材料、人工、設(shè)備及管理等方面的費(fèi)用，單位為元/m3。

除了上述指標(biāo)外，還采用巖石松動(dòng)、拋擲堆積效果，光面、預(yù)裂爆破的半孔率、保留邊坡、圍巖的穩(wěn)定性，爆破對(duì)周?chē)h(huán)境的安全影響等來(lái)評(píng)價(jià)爆破的技術(shù)效果。以上各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，反映了爆破作用效果的好壞，而影響爆破作用的因素很多，歸納起來(lái)主要有3方面，即：

炸藥性能

物理性能，熱化學(xué)參數(shù)和爆炸性能；

巖石特性巖石的物理和力學(xué)性質(zhì)、巖石動(dòng)載特性、地質(zhì)條件等；

爆破條件和工藝自由面、裝藥結(jié)構(gòu)、炮孔堵塞以及起爆點(diǎn)位置。5.5.1炸藥性能的影響炸藥性能包括物理性能，熱化學(xué)參數(shù)和爆炸性能。其中，直接影響爆破作用及其效果的是：炸藥密度、爆熱和爆速；它們進(jìn)而又影響了爆轟壓力、爆炸壓力、爆炸作用時(shí)間以及炸藥爆炸能量利用率。1）炸藥密度爆熱和爆速

破碎巖石主要靠炸藥爆炸釋放出來(lái)的能量。增加炸藥爆熱和密度，可以提高單位體積炸藥的能量密度；反之，必然導(dǎo)致炸藥能量密度的降低，增加鉆孔的工作量和成本。提高炸藥熱化學(xué)參數(shù)，增大密度，采用高威力炸藥是提高爆破作用的有效途徑。爆速也是炸藥性能的主要參數(shù)之一，不同爆速的炸藥，在巖石中爆炸可激起不同的應(yīng)力波參數(shù)，從而對(duì)巖石的爆破作用及效果有著明顯的影響。2）爆轟壓力當(dāng)爆轟波傳到炮孔孔壁上時(shí)，在孔壁的巖石中會(huì)激發(fā)成強(qiáng)烈的沖擊波和應(yīng)力波。這種沖擊波在巖石中，特別是在硬巖中會(huì)引起炮孔周?chē)鷰r石出現(xiàn)粉碎和破裂，它為整個(gè)巖石破裂創(chuàng)造了先決條件。

一般來(lái)說(shuō)，爆轟壓力越高，在巖石中激發(fā)的沖擊波初始峰值壓力和應(yīng)力、應(yīng)變也越大，越有利于巖石的破裂，尤其是對(duì)于堅(jiān)硬致密巖石。但是并不是對(duì)所有巖石來(lái)說(shuō)爆轟壓力越高越好，對(duì)某些巖石來(lái)說(shuō)爆轟壓力過(guò)高將會(huì)造成炮孔周?chē)鷰r石過(guò)度粉碎。另外爆轟壓力越高，沖擊波對(duì)巖石作用時(shí)間越短，沖擊波的能量利用率低且造成巖石破碎不均勻。因此，必需根據(jù)巖石性質(zhì)和工程要求來(lái)合理選配炸藥的品種。3）爆炸壓力爆炸壓力對(duì)巖石起脹裂、推移和拋擲作用，一般說(shuō)來(lái)，爆炸壓力越高，說(shuō)明爆轟產(chǎn)物能量越大，對(duì)巖石脹裂、推移和拋擲作用越強(qiáng)烈。爆破過(guò)程中，沖擊波的作用雖然超前于爆轟氣體產(chǎn)物的膨脹作用，但是爆轟反應(yīng)時(shí)間極為短促，往往在巖石破碎尚未完成以前就結(jié)束了。

爆炸壓力的大小取決于炸藥爆熱、爆溫和爆轟氣體的體積。

而爆炸壓力作用的時(shí)間除與炸藥本身的性能有關(guān)以外，還與爆破時(shí)炮泥的堵塞質(zhì)量有關(guān)。因此在工程爆破中除了針對(duì)巖石性能和爆破目的，選用性能相適應(yīng)的炸藥品種外，還應(yīng)注意堵塞質(zhì)量。4）炸藥能量利用率炸藥在巖體中爆炸時(shí)所釋放出的能量，是通過(guò)爆炸應(yīng)力波和爆轟氣體壓力方式傳遞給巖石并破碎。但真正用于破碎巖石的能量只占炸藥釋出能量的極小部分，大部分能量消耗在作無(wú)用功上。如拋擲爆破時(shí)用于爆破破碎上的有用功5-7%，采用松動(dòng)爆破，能量利用率也不超過(guò)20%。因此，提高炸藥爆炸能量的利用率是有效地破碎巖石、改善爆破效果和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。

在工程爆破中，造成巖石的過(guò)度粉碎，產(chǎn)生強(qiáng)烈的拋擲，形成強(qiáng)大爆破地震波、空氣沖擊波、噪聲和爆破飛石均屬無(wú)益消耗的爆炸功。因此，必須根據(jù)爆破工程的要求，采取有效措施來(lái)提高炸藥爆炸能量的利用率。

例如，根據(jù)巖石性質(zhì)來(lái)合理選擇炸藥的品種，合理確定爆破參數(shù)，選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)和藥包的起爆順序，以及保證堵塞質(zhì)量等等，都可以提高炸藥在巖體中爆炸時(shí)的能量利用率。5.5.2巖石特性和結(jié)構(gòu)面的影響

巖石特性包括：巖石的物理和力學(xué)性質(zhì)、巖石動(dòng)載特性、地質(zhì)條件等。從某種意義講，巖石特性對(duì)爆破作用的影響就是巖石的特性對(duì)應(yīng)力波傳播的影響。一般來(lái)說(shuō)，巖石密度和完整性越高，波速越大，反之則越小。

巖體結(jié)構(gòu)面，特別是裂隙嚴(yán)重地影響著應(yīng)力波的傳播，表現(xiàn)在：①加劇了應(yīng)力波能量的衰減。②改變了應(yīng)力波傳播方向。結(jié)構(gòu)面的方向決定了應(yīng)力波傳播方向，也決定了爆破裂隙的擴(kuò)展程度。1）炸藥波阻抗和巖石波阻抗的匹配通常認(rèn)為炸藥波阻抗與巖石波阻抗相配，炸藥傳遞給巖石的能量最多，可獲得較好的爆破效果。但是，要使炸藥與巖石的波阻抗相等很困難，兩者一般相差較大。為此，一方面通過(guò)提高裝藥密度來(lái)提高炸藥的波阻抗，使炸藥的波阻抗盡量接近巖石的波阻抗；另一方面利用能量有效利用率來(lái)衡量炸藥和巖石的合理匹配。

具體做法：①對(duì)于彈性模量高、泊松比小的致密堅(jiān)硬巖石，選用爆速和爆壓都較高的炸藥，保證相當(dāng)數(shù)量的應(yīng)力波能傳入巖石，產(chǎn)生初始裂隙；②對(duì)于中等堅(jiān)固性巖石，選用爆速和威力居中的炸藥。③對(duì)于軟巖、塑性變形大的巖石，宜用爆壓較低、爆熱較高的銨油炸藥。2）藥包與孔壁耦合關(guān)系的影響炮孔直徑與藥包直徑的比值稱為不耦合系數(shù)（Rd

）。不耦合系數(shù)大于1時(shí)，表明藥包與孔壁間存在著空氣間隙。由于炸藥與巖石的波阻抗均為空氣波阻抗的104倍，在不耦合情況下爆炸能從炸藥傳播到空氣，再由空氣傳播到巖石的過(guò)程中嚴(yán)重衰減。只要藥包和孔壁之間存在空氣間隙，這種損失就不可避免。

當(dāng)Rd＞1時(shí)，爆轟波對(duì)孔壁的沖擊效應(yīng)減緩?？妆谏系淖畲笄邢驊?yīng)力急劇下降。①對(duì)爆破堅(jiān)硬致密巖石來(lái)說(shuō)，是極端不利的。②但對(duì)光面、預(yù)裂以及需控制孔壁巖石過(guò)度粉碎的爆破，常常要借助增大不耦合系數(shù)來(lái)控制爆轟波對(duì)孔壁的沖擊作用。

圖5.12是工程爆破中常用的幾種不耦合裝藥結(jié)構(gòu)形式。a等藥徑連續(xù)裝藥，除有環(huán)向空氣層外，還有軸向空氣柱；b不等藥徑的連續(xù)裝藥，藥卷間用導(dǎo)爆索聯(lián)接；c等藥徑不連續(xù)裝藥，藥卷間用導(dǎo)爆索聯(lián)接；d等藥徑連續(xù)裝藥，只有環(huán)向空氣層，沒(méi)有軸向空氣柱。L—孔深、l藥

—藥柱、l氣

—空氣柱、l堵—堵塞。圖5.12常用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)形式Ll藥l藥l堵l藥l藥l藥l堵l堵l堵l氣l氣l氣l氣l氣abcd

5.5.3爆破條件、爆破工藝的影響1）自由面的大小與方向自由面的作用舊納起來(lái)有以下三點(diǎn)：

反射應(yīng)力波。當(dāng)爆炸應(yīng)力波遇到自由面時(shí)發(fā)生反射，壓縮應(yīng)力波變?yōu)槔觳ǎ饚r石的片落和徑向裂隙的延伸。

改變巖石的應(yīng)力狀態(tài)及強(qiáng)度極限。在無(wú)限介質(zhì)中，巖石處于三向應(yīng)力狀態(tài)，而自由面附近的巖石則處于單向或雙向應(yīng)力狀態(tài)。故自由面附近的巖石強(qiáng)度接近巖石單軸抗拉或抗壓強(qiáng)度，比在無(wú)限介質(zhì)中承受爆破作用時(shí)相應(yīng)的強(qiáng)度減少幾倍甚至10倍。

自由面是最小抵抗線方向，應(yīng)力波抵達(dá)自由面后，在自由面附近的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)因阻力減小而加速，隨后而到的爆炸氣體進(jìn)一步向自由面方向運(yùn)動(dòng)，形成鼓包，最后破碎、拋擲。