《控制爆破技術(shù)理論綜述》4500字

控制爆破技術(shù)理論綜述1.1巖石爆破機理自然界廣泛存在著各種各樣的爆炸現(xiàn)象，廣義來看，爆炸時物質(zhì)的物理形態(tài)或化學性質(zhì)都會發(fā)生急劇變化，而在這種變化過程中往往伴隨有能量的快速轉(zhuǎn)化，包括內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，在這同時還能使原來的物質(zhì)或其變化產(chǎn)物甚至是周圍介質(zhì)產(chǎn)生運動，進一步產(chǎn)生巨大的機械破壞效應。一般引起爆炸的原因不同，人們將爆炸區(qū)分為物理爆炸﹑核爆炸和化學爆炸三類，而巖石的爆破過程是炸藥發(fā)生化學爆炸，做機械功、破壞巖石的過程。爆破是炸藥爆炸作用在周圍介質(zhì)的結(jié)果。簡單概括的話就是在巖石中炸藥的爆炸是高溫高壓及瞬時劇烈膨脹的做功過程。在爆破過程中，在介質(zhì)中的炸藥被引爆后，在極短的時間內(nèi)，首先會由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，這時一瞬間體積能夠增加數(shù)百倍甚至幾千倍，伴隨著產(chǎn)生極大壓力和沖擊力的同時還會產(chǎn)生很高的溫度，周圍的介質(zhì)在這個轉(zhuǎn)化的過程中會受到各種不同程度的破壞，這一過程稱為爆破。目前關(guān)于巖石爆破機理的假說，可歸納為以下三種[19-22]。爆炸應力波反射拉伸作用假說該假說認為爆炸后產(chǎn)生的應力波反射后形成了反射波，而反射波所產(chǎn)生的拉伸作用是巖石破壞的主要原因，作用機理如圖2-1所示。在炸藥爆炸后，高溫高壓且強度極大的應力波會使巖體在第一時間發(fā)生壓碎破壞。而在巖體破碎后，應力會大大減小甚至會低于巖體的抗壓強度，這時的應力波就無法使巖體繼續(xù)破碎。而減小后的應力波仍然會繼續(xù)向外傳遞至自由面，在經(jīng)過自由面的反射后形成拉伸波，其產(chǎn)生的拉應力由于大于巖石的抗拉強度，會貫通巖石裂紋，導致巖石被拉斷產(chǎn)生破壞。該假說認為巖石的破碎及裂隙的產(chǎn)生主要是由于壓縮波和反射拉伸波作用的結(jié)果，而爆炸產(chǎn)生的氣體在爆炸過程中只是起輔助作用。圖2-1（a）入射壓力波波前（b）反射拉應力波波前爆生氣體膨脹作用假說該假說認為爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體是巖石破壞的主要原因，這種觀點認為爆生氣體在巖體的整個破碎過程起到主要作用，如圖2-2所示。在爆炸發(fā)生時，爆生氣體會在一開始進入由爆炸應力波所形成的初始裂隙中，形成能夠使裂隙繼續(xù)發(fā)展的應力場。而在同時爆生氣體還會使巖體產(chǎn)生徑向位移，這一過程中又由于巖石位置不同，距離自由面的距離不同，所以不同位置的巖石所受到的阻力不同，進一步形成了大于抗剪強度的剪切應力的局面，進而使巖石發(fā)生剪切破壞。圖2-2爆生氣體膨脹作用破壞示意圖應力波與爆生氣體綜合作用假說該假說認為是爆生氣體與應力波的共同作用造成了巖石的破壞，如圖2-3所示，該觀點認為兩者在巖石破壞過程中都起著重要作用，兩者的共同作用促使巖石破壞效果變得更強，但目前學界對于兩種作用所占的比重還存在著不同觀點。一般認為沖擊波造成巖石破壞，應力波與爆生氣體共同作用促進了巖石裂縫的發(fā)展，才能得到更好的巖體爆破效果。在爆破過程中應力波起到動作用，爆生氣體起到靜作用，而至于兩種作用具體是哪種作用起主要作用，與炸藥種類，巖石性質(zhì)，施工環(huán)境等等多種因素相關(guān)。目前這種假說是最為廣泛接受的。（a）壓縮階段（b）應力波反射階段（c）爆炸氣體膨脹階段圖2-3爆破過程1.2炸藥爆炸基本理論炸藥是指在外部施加一定的能量后能夠發(fā)生化學爆炸的物質(zhì)，能發(fā)生急劇的化學反應，在有限的空間和極短的時間內(nèi)迅速釋放大量熱量生成大量氣體，并產(chǎn)生爆炸效應。炸藥的基本性能主要取決于以下幾點：爆力爆力是表示炸藥爆炸做功量的一個重要指標，放在介質(zhì)中的炸藥在介質(zhì)中爆炸時，能夠?qū)χ車慕橘|(zhì)做功，會造成介質(zhì)的整體破壞包括壓縮和位移，而這種能力的大小就被稱為爆力。通常來說炸藥爆炸瞬間所釋放的能力越大該炸藥的爆力也就越大，這是因為爆炸時產(chǎn)生的熱量高，意味著其產(chǎn)生的氣體量也就越多，這也代表爆力會越大。一般來說會使用爆破漏斗法來測定炸藥的爆力。爆破漏斗法：基本原理是因為炸藥在介質(zhì)中爆炸后會形成漏斗坑，正是通過這一特點才開發(fā)出了爆炸漏斗法。根據(jù)控制變量法可得出當爆炸發(fā)生時外部條件相同的條件下，漏斗坑的大小完全取決于炸藥的做功量。試驗方法如下：首先在爆破試驗開始時挑選均勻的介質(zhì)并設置炮孔，然后再將設計好用量的炸藥在爆炸裝藥規(guī)格相同的情況下裝進炮孔中并且好好填塞炮孔，在引爆后在介質(zhì)里就會產(chǎn)生一個如下圖2-4所示的爆破漏斗，接下來的任務就是測量了，多次測量取平均值方法測出漏斗直徑與深度。圖2-4爆破漏斗實驗猛度炸藥的猛度代表了炸藥的動作用，可以簡單理解成炸藥動作用的強度，能夠直觀地描述出炸藥做功的功率，也使爆炸所產(chǎn)生的沖擊波和應力波的強度有了數(shù)值化的表述，因為猛度正是用來形容介質(zhì)中的炸藥爆炸發(fā)生時在一瞬間發(fā)生的爆炸波和所產(chǎn)生的爆炸產(chǎn)物對周圍的介質(zhì)造成破碎（主要是壓縮）的能力。通常來說，炸藥的密度越大，爆速越大，也就代表著炸藥猛度越大，因為常用的測量方法是鉛柱壓縮法，所以通常來說猛度一般用固定規(guī)格的鉛柱在試驗條件下被壓縮的程度來作為表示方法。爆速炸藥的爆速通常是指在爆炸發(fā)生時，爆炸波在炸藥內(nèi)部的傳播速度。雖然與炸藥本身的性質(zhì)密切相關(guān)，但是同時也受到炸藥方式和起爆條件的影響。在理想狀態(tài)下，即藥柱可以達到理想封閉狀態(tài)，這意味著爆炸產(chǎn)物在傳播過程中不發(fā)生徑向移動，這是可以理解為炸藥在發(fā)生爆炸后所釋放出的全部能量都可以用于沖擊波的傳播，這時爆炸波可以達到最大速度，這是的爆速也被稱為理想爆速。但是理想狀態(tài)終究只是設想，一般來說炸藥實際爆速都會達不到理想爆速與其他炸藥的性能參數(shù)對比，爆速的測量在試驗的應用中已經(jīng)廣泛使用，得出的結(jié)論一般也比較準確。通常按測定原理分類，有如下三種爆速是目前能夠比較準確測定的爆破參數(shù)，測定方法按照原理分類有導爆索法、電測法和高速攝影法這三類。導爆索法：原理是利用已知爆速的標準導爆索與待測藥卷相比較，可以求出待測炸藥一段長度內(nèi)的平均爆速，如圖2-5所示。1—雷管；2—藥包；3—導爆索；4—鉛板圖2-5導爆索法測爆速電測法：這種方法是用電子儀表記錄爆轟波在藥包中傳播的時間，量取相應區(qū)間的距離算出爆速。常用的儀器有光線示波器和數(shù)字式爆速儀等。高速攝影法：這種方法是利用爆轟瞬間發(fā)生的光效應，通過高速攝影裝置將爆轟波傳播過程記錄下來，經(jīng)分析運算算得爆速值。感度炸藥的感度是用來表征炸藥在外界條件下起爆的難易程度的值，炸藥的性能各有不同，一般來說即使是在完全相同的條件下，不同的炸藥起爆的難度還是不同。炸藥的感度小則意味著起爆炸藥所需要的外能少，反之則高。和前面的性能在炸藥的實際的爆破中用來衡量爆炸程度不同，炸藥的感度更多的是用來衡量炸藥在制作加工，運輸保存以及使用時的安全性的，感度過高的炸藥易發(fā)生爆炸事故，而感度過低的炸藥會給起爆帶來困難。1.3炸藥起爆方法分類爆破工程一般都是使用工業(yè)炸藥，在具體的爆破工程中，引爆工業(yè)炸藥主要分為兩種方法：一種是直接通過雷管的爆炸起爆工業(yè)炸藥，另一種則是用導爆索爆炸產(chǎn)生的能量去引爆工業(yè)炸藥，而導爆索在使用時也需要先用雷管將其引爆。在爆破工程現(xiàn)場使用中，一般來說使用的更多的是各種起爆網(wǎng)路的混合體，混合起爆網(wǎng)路，能夠更加充分利用各種網(wǎng)路的特性，保證網(wǎng)路的安全可靠性和經(jīng)濟合理性。起爆方式按雷管的點燃方法不同分類如圖2-6所示。圖2-6藥包起爆方式圖中火雷管起爆法時通過導火索傳遞火焰點燃火雷管，也稱導火索起爆法；導爆管雷管起爆法利用導爆管傳遞沖擊波點燃雷管，也稱導爆管起爆法。電雷管起爆法采用電引火裝置點燃雷管，故也稱電力起爆法；與雷管起爆法相應，用導爆索起爆炸藥的稱作導爆索起爆法；與電力起爆法對應，一般將導火索起爆法、導爆管起爆法和導爆索起爆法稱作非電起爆法。1.4巖石爆破損傷工程中的爆破是利用炸藥使介質(zhì)變形或者破壞達到工程建設目的的一種施工技術(shù)。炸藥發(fā)生爆炸，大部分能量用來使圍巖破壞達到工程開挖的目的，但還有一部分其他能量以沖擊波等形式向周圍的介質(zhì)擴散導致其他巖石損傷和開裂，嚴重危害工程建設安全，這一問題遲遲難以解決。而建立巖石爆破模型，則為此類工程問題提供了理論解決方法。巖石爆破模型由于彈性理論的應用，才逐步得到深入研究，隨著對巖石的理論研究不斷地深入以及斷裂力學和損傷力學理論的發(fā)展，巖石爆破模型逐步發(fā)展到斷裂模型以及損傷模型?，F(xiàn)如今損傷模型已經(jīng)成為巖石爆破模型的主要研究方向[23]。（1）彈性理論階段巖石爆破彈性理論階段開始于上世紀６０年代末，彈性理論模型是以彈性力學為理論基礎(chǔ)將巖石視為連續(xù)均質(zhì)的彈性體。在爆破發(fā)生后巖體破壞的原因歸結(jié)于炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波遠遠大于巖石的極限應力強度。（2）斷裂理論階段隨著力學理論不斷地發(fā)展，巖石爆破模型也引入了斷裂力學和斷裂理論形成了斷裂模型，應用最廣泛的巖石爆破模型為NAF—FRAG模型和BCM模型。（3）損傷理論階段對于巖體損傷而言，宏觀上看是巖石材料或結(jié)構(gòu)在外界荷載作用下力學性能的下降；微觀上看是巖石材料或結(jié)構(gòu)在外界荷載或周圍環(huán)境變化等因素影響下導致結(jié)構(gòu)細微的變化，引起的缺陷成核、裂紋擴展和匯合，致使材料或結(jié)構(gòu)的力學性能下降。損傷力學模型與斷裂力學模型相比，更注重巖石材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的群體效應和累計損傷。美國國家實驗室在上世紀八十年代首次建立巖石的爆破損傷模型來模擬油頁巖爆破過程，此后得到廣泛應用并用于模擬脆性巖石爆破過程。爆破損傷模型有如下三種：（1）NAF—FRAG模型Stuart.Mchu模擬動載荷下的巖石破壞與破壞滲透性提高程度這一研究中，提出了NAF—FRAG計算模型[24-25]。該模型以應力波引起了巖石或其它材料中原有裂紋的激活而形成裂紋為依據(jù)，并指出NAF—FRAG模型是研究裂紋的密集程度及其擴展情況和由此引起巖石的破碎程度，同時論述了裂紋內(nèi)氣體壓力引起的裂紋擴展。該模型認為受到外荷載作用而產(chǎn)生的裂紋數(shù)量和裂紋擴展速度決定了巖石破碎的范圍或破碎的程度。在模型中原有裂紋在與其它裂紋交叉后在外部所提供應力與內(nèi)部流體壓力消失后才開裂與擴展。該模型只能通過裂紋密度或單位體積裂紋數(shù)以建立介質(zhì)體內(nèi)裂紋的統(tǒng)計特征，而不是具體某一裂紋的激活與擴展情況的論述。適合研究應力波作用下的介質(zhì)材料破壞的統(tǒng)計特征。（2）BCM模型BCM模型的實質(zhì)是層狀裂紋模型[26]。它主要應用于脆性或者半脆性材料的爆破模型，BCM模型是根據(jù)Griffith裂紋傳播理論的破壞微觀物理過程來解釋巖石爆破模型機理，計算出臨界狀態(tài)下裂紋長度，如果巖石內(nèi)部裂紋長度超過臨界裂紋長度，裂紋就會擴展繼而導致破壞。其基本假設為：①ＢＣＭ模型把巖石內(nèi)部裂紋視為水平發(fā)育或者擴展的，裂紋的法向平行于Ｙ軸。②巖石內(nèi)部單位體積裂紋數(shù)量近似服從指數(shù)函數(shù)分布。N=N式中Ｎ——裂紋半徑大于Ｒ的裂紋數(shù)量Ｎ0——為單位體積中的裂隙總數(shù)量Ｒ１——是給定的分布類型常數(shù)Ｒ——為巖石裂紋半徑。（3）Grady損傷模型Grady.D和Kipp.ME認為巖石爆破后斷裂和破壞的過程是巖石損傷累積的過程[23]。原巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)中原生裂紋、裂紋的長