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3岩石爆破作用原理

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岩石 爆破 作用 原理
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在铁路建设、水利工程、采矿工程以及其它土石方工程中,爆破是目前应用最为广泛、最为有效的一种破岩手段。为了优化爆破参数,必须了解岩石在爆破作用下的破碎机理、装药量的计算原理以及各种相关因素对爆破效果的影响。第四章 岩石爆破作用原理施工人员正在钻孔录像资料由武汉理工大学爆破研究所提供武汉理工大学爆破研究所在山东博莱进行高速公路边坡光面爆破由于岩石是一种非均质、各向异性的介质,爆炸本身又是一个高温高压高速的变化过程,炸药对岩石破坏的整个过程在几十微秒到几十毫秒内就完成了,因此研究岩石爆破作用机理是一项非常复杂和困难的工作。钻孔工人正在进行光面爆破的钻孔随着测试技术的进步,相关科学的发展和引入,以及各类工程对爆破规模和质量要求的不断提高,岩石爆破作用原理的研究取得了许多新的进展,建立了一些新的学说和理论体系,提出了很多计算模型和计算公式,尽管这些研究成果还不很完善,但它们基本上反映了岩石爆破作用中的某些客观规律,对爆破实践具有一定的指导意义和应用价值。第一节 岩石爆破破碎原因的几种学说一、爆轰气体压力作用学说 ( 种学说从静力学观点出发,认为岩石的破碎主要是由于爆轰气体( 膨胀压力引起的。这种学说忽视了岩体中冲击波和应力波( 破坏作用,其基本观点如下:某待爆破的山体药包爆炸时,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。作用于岩壁上的压力引起岩石质点的径向位移,由于作用力的不等引起径向位移的不等,导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的抗剪强度时,岩石就会产生剪切破坏。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。某山体爆破二、应力波作用学说( 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(图 4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。缺陷应力波作用学说只考虑了拉应力波在自由面的反射作用,不仅忽视了爆轰气体的作用,而且也忽视了压应力的作用,对拉应力和压应力的环向作用也未予考虑。实际上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作用为主。三、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:理论研究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。对于不同性质的岩石和炸药,应力波与爆轰气体的作用程度是不同的。在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数(本章第五节)较小的条件下,应力波的破坏作用是主要的;在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的条件下,爆轰气体的破坏作用是主要的。某土石方爆破后形成的爆堆图 4射拉伸波破坏过程示意图12b)(a)12(c)(c)第二节 单个药包的爆破作用为了分析岩体的爆破破碎机理,通常假定岩石是均匀介质,并将装药简化为在一个自由面条件下的球形药包。球形药包的爆破作用原理是其它形状药包爆破作用原理的基础。2破的内部作用σθσa)σσσr`σr`σσ`σθ(b)`图 4裂区裂隙的形成(管伯伦)σσθ’σ’θ破的内部作用当药包在岩体中的埋置深度很大,其爆破作用达不到自由面时,这种情况下的爆破作用叫作爆破的内部作用,相当于单个药包在无限介质中的爆破作用。岩石的破坏特征随离药包中心距离的变化而发生明显的变化。根据岩石的破坏特征,可将偶合装药(见本章第五节)条件下,受爆炸影响的岩石分为三个区域(图 4粉碎区当密闭在岩体中的药包爆炸时,爆轰压力在数微秒内急剧增高到数万兆帕,并在药包周围的岩石中激发起冲击波,其强度远远超过岩石的动态抗压强度。在冲击波的作用下,对于坚硬岩石,在此范围内受到粉碎性破坏,形成粉碎区;对于松软岩石(如页岩、土壤等),则被压缩形成空腔,空腔表面形成较为坚实的压实层,这种情况下的粉碎区又称为 压缩区 。一些学者的理论研究表明:对于 球形装药 ,粉碎区半径一般是药包半径的( ;对于 柱形装药 ,粉碎区半径一般是药包半径的( 。虽然粉碎区的范围不大,但由于岩石遭到强烈粉碎,能量消耗却很大。因此,爆破岩石时,应尽量 避免形成压碎区 。破裂区在粉碎区形成的同时,岩石中的冲击波衰减成压应力波。在应力波的作用下,岩石在径向产生压应力和压缩变形,而切向方向将产生拉应力和拉伸变形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的十至五十分之一,当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时,该处岩石被拉断,形成与粉碎区贯通的径向裂隙( 如图 4a)所示。随着径向裂隙的形成,作用在岩石上的压力迅速下降,药室周围的岩石随即释放出在压缩过程中积蓄的弹性变形能,形成与压应力波作用方向相反的拉应力,使岩石质点产生反方向的径向运动。当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时,该处岩石即被拉断,形成环向裂隙,如图 4-3(b)所示。在应力波和爆轰气体的共同作用下,随着径向裂隙、环向裂隙和切向裂隙的形成、扩展和贯通,在紧靠粉碎区处就形成了一个裂隙发育的区域,称为 破裂区 。震动区在破裂区外围的岩体中,应力波和爆轰气体的能量已不足以对岩石造成破坏,应力波的能量只能引起该区域内岩石质点发生弹性振动,这个区域称为震动区。在震动区,由于地震波的作用,有可能引起地面或地下建筑物、构筑物的破裂、倒塌,或导致路堑边坡滑坡、隧道冒顶片帮等灾害。某土石方爆破后形成的爆堆二、 爆破漏斗( 单个药包在岩体中的埋置深度不大时,可以观察到自由面上出现了岩体开裂、鼓起或抛掷现象。这种情况下的爆破作用叫作爆破的外部作用,其特点是在自由面上形成了一个倒圆锥形爆坑,称为 爆破漏斗 ,如图 4一 )爆破漏斗的几何要素自由面( 指被爆破的介质与空气接触的面,又叫 临空面 。最小抵抗线( 指药包中心距自由面的最短距离。爆破时,最小抵抗线方向的岩石最容易破坏,它是爆破作用和岩石抛掷的主导方向 。3. 爆破漏斗半径( 指形成倒锥形爆破漏斗的底圆半径。常用 . 爆破漏斗破裂半径,又叫破裂半径,是指从药包中心到爆破漏斗底圆圆周上任一点的距离。图 4表示爆破漏斗破裂半径。5. 爆破漏斗深度。爆破漏斗顶点至自由面的最短距离叫爆破漏斗深度。图 4表示爆破漏斗深度。破漏斗的几何要素6. 爆破漏斗可见深度。爆破漏斗中碴堆表面最低点到自由面的最短距离叫爆破漏斗可见深度。,如图 4. 爆破漏斗张开角,即爆破漏斗的顶角,如图 4 所示。(二)爆破作用指数( 爆破漏斗底圆半径与最小抵抗线的比值称为 爆破作用指数 ,用 :( 4破作用指数 破作用指数 接影响到爆破漏斗的大小、岩石的破碎程度和抛掷效果。n 三)爆破漏斗的分类。根据爆破作用指数 爆破漏斗分为以下四种。1. 标准抛掷爆破漏斗。如图 4a)所示,当 r=W,即 n=1时,爆破漏斗为标准抛掷爆破漏斗,漏斗的张开角 θ=90 ° 。形成标准抛掷爆破漏斗的药包叫做 标准抛掷爆破药包 。图 4— 5(b)所示,当 r> W,即 n> 1时,爆破漏斗为加强抛掷爆破漏斗,漏斗的张开角 θ > 90° 。形成加强抛掷爆破漏斗的药包,叫做 加强抛掷爆破药包 。图 4— 5(c)所示,当 n< 1时,爆破漏斗为减弱抛掷爆破漏斗,漏斗的张开角 θ < 90° 。形成减弱抛掷爆破漏斗的药包,叫做 减弱抛掷爆破药包 ,减弱抛掷爆破漏斗又叫加强松动爆破漏斗。图 4— 5(d)所示,当0< n< 破漏斗为松动爆破漏斗,这时爆破漏斗内的岩石只产生破裂、破碎而没有向外抛掷的现象。从外表看,没有明显的可见漏斗出现。工程中常用二三个以上炮孔或峒室的群药包进行爆破。群药包爆破是单个药包爆破的组合,通过调整群药包的药包间距和起爆时间顺序,采用诸如光面爆破、预裂爆破、微差爆破、挤压爆破等爆破技术,可以充分发挥单个药包的爆破作用,达到单个药包分次起爆所不能达到的爆破效果(详见后续章节的内容,此不赘述)。某土石方爆破工程(c)(a)θ5°45rW(d)(b)θ破漏斗分类第三节 体积公式目前,在岩土工程爆破中,精确计算装药量(问题尚未得到十分圆满的解决。工程技术人员更多的是在各种经验公式的基础上,结合实践经验确定装药量。其中,体积公式是装药量计算中最为常用的一种经验公式。一、体积公式的计算原理在一定的炸药和岩石条件下,爆落的土石方体积与所用的装药量成正比。这就是体积公式的计算原理。体积公式的形式为:Q=k· V ( 4中: Q — 装药量, k — 单位体积岩石的炸药消耗量, kg/V — 被爆落的岩石体积, 二、标准抛掷爆破 :根据体积公式的计算原理,对于采用单个集中药包进行的标准抛掷爆破,其装药量可按照下式来计算:V ( 4中: 形成标准抛掷爆破漏斗的装药量, kg; 形成标准抛掷爆破漏斗的单位体积岩石的炸药消耗量,一般称为标准抛掷爆破单位用药量系数, kg/ — 标准抛掷爆破漏斗的体积, ( 4 4中: r — 爆破漏斗底圆半径, m;W — 最小抵抗线; m。对于标准抛掷爆破漏斗, ,即 r= W ,所以 ( 4 r W  13 2n  1V W W W W W      3 3 1 0472 3 3 4代入( 4,得4式( 4集中药包的标准抛掷爆破装药量计算公式。2. 集中药包的非标准抛掷爆破在岩石性质、炸药品种和药包埋置深度都不变动的情况下,改变标准抛掷爆破的装药量,就形成了非标准抛掷爆破。当装药量小于标准抛掷爆破的装药量时,形成的爆破漏斗底圆半径变小,n 1,为 加强抛掷爆破 。可见非标准抛掷爆破的装药量是爆破作用指数 此可以把不同爆破作用的装药量用下面的计算通式来表示:Q = f(n)· k­b· (4中: f(n) — 爆破作用指数函数对于标准抛掷爆破 f(n)= 弱抛掷爆破或松动爆破 f(n)1。f(n)具体的函数形式有多种,各派学者的观点不一,我国工程界应用较为广泛的是前苏联学者鲍列斯阔夫提出的经验公式:f(n) = 4列斯阔夫公式 适用于抛掷爆破装药量的计算 ,将( 4代入( 4,得到集中药包抛掷爆破装药量的计算通式: (4应用 (4计算加强抛掷爆破的装药量时,结果与实际情况比较接近。但是,当最小抵抗线 5( 4计算出来的装药量偏小,应乘以修正系数  ( 1252525WW mW m/(4中药包松动爆破的装药量可按下式计算:4中 :集中药包形成松动爆破的装药量, kg; 集中药包形成松动爆破的单位体积岩石的炸药消耗量,一般称为松动爆破的单位用药量系数, kg/;工程经验表明, f(n)· 4集中药包松动爆破的单位用药量约为标准抛掷爆破单位用药量的三分之一到二分之一。松动爆破的装药量公式可以表示为:( 4312~三、延长药包的药量计算延长药包( 在工程爆破中应用最为广泛的药包。如炮眼爆破法和深孔爆破法中使用的柱状药包 (及峒室爆破法中使用的条形药包( 属于延长药包。延长药包是相对于集中药包而言的,当药包的长度和它横截面的直径(或最大边长)之比值 大于某一值时,叫做 延长药包 。值大小的规定目前尚未统一。就圆柱形装药而言,通常当 > 4时,即视为延长药包。实际上,要真正起到延长药包的作用,药包的长度要超过药包直径 17倍以上。1. 延长药包垂直于自由面掘进隧道时,炮眼爆破法的柱状装药就是延长药包垂直于自由面的一种形式(图 4这种情况下炸药爆炸时易受到岩体的夹制作用,但一般仍能形成倒圆锥的漏斗,只是易残留炮窝。计算装药量时,仍可按体积公式来计算。Q=n) ( 4中: m;l 12W=塞长度, m;药长度 ,m。需要说明 的是,在浅眼爆破中,由于凿岩机所钻的眼径较小,炮眼内往往容纳不下由( 4计算所得的装药量。在这种情况下,需要多打炮眼以容纳计算的药量。在隧道爆破设计时,常用( 5计算每掘进循环的总装药量,然后根据断面尺寸和循环进尺确定单孔装药量。延长药包垂直于自由面的爆破,实际上是在一个自由面条件下的密集炮眼群爆破。21状装药垂直自由面 图 4状装药平行于自由面2. 延长药包平行于自由面深孔爆破靠近边坡炮孔的装药和峒室爆破采用的条形药包都是延长药包平行于自由面的具体形式。延长药包爆破后形成的爆破漏斗是一个 r,沟槽深度 W,当 r= W 时, =1,称为标准抛掷爆破沟槽。如图 4n = l = = ( 4于形成非标准抛掷爆破沟槽的情况 ,装药量的计算公式应考虑爆破作用指数 是:Q = f(n) 4中: Q — 延长药包的装药量, kg;f(n) — 与爆破作用指数有关的经验公式;W — 延长药包的最小抵抗线, m;l — 延长药包的装药长度, m。对于硐室爆破中使用的条形药包,装药量的计算公式可以表示为: = f(n) ( 4中: 形药包单位长度装药量, kg/m;式( 4的 f(n)为经验公式,形式多样,各不相同。 4 0 60 55 13. .. ( )f(n)=鲍列斯阔夫公式阿夫捷也夫公式2 0 4 0 613( . . )nnf(n)=( 4 4述公式中, 1252525WW mW m/ 1 25250 0032 25WW mW ( )我国爆破工程技术人员也提出了一些 f(n)经验公式,其中由铁道科学研究院提出的公式如下:  n f(n)=  1 01 11 211 1 31 3.....( 4四节 爆破参数的意义和选择一、单位用药量系数 n= 1)时,爆破每一立方米岩石或土壤所消耗的 2号岩石铵梯炸药的重量,称作标准抛掷爆破单位用药量系数,简称 标准单位用药量系数 。般 050%。保持了围岩的完整性和稳定性。避免应力集中,在深部岩壁表面可减少岩爆危险。施工安全性好。总掘进成本低,巷道支护、维修费用小。面裂隙的形成条件和力学条件形成条件 力学条件避免压缩粉碎破坏 σ r[σ 动拉 ]2)保证光面裂隙形成的措施减小爆破孔网参数光面孔孔距 10~20) W≥a 。减弱装药选用 D↓,ρ↓, q↓ 炸药。线装药密度:软: 70— 120 g/100— 150 g/150— 250 g/药孔理1 不偶合装药中,空气间隔层缓冲消弱了爆炸冲击作用,单孔使 σr[σ动拉 ],形成一条裂隙。3 气体尖劈作用,促进加速发展连心线上的裂隙。4 相邻的(密集)炮孔互为导向空孔作用,沿炮孔连心线上岩石强度下降,为光面裂隙形成提供了原始条件。偶合系数通常采用 中以 面炮孔间距 0~ 20倍。在节理裂隙比较发育的岩石中应取小值,整体性好的岩石可取大值。最小抵抗线 般应大于光面孔眼的间距。在爆破中,为了使保留区岩壁光滑而不致破坏,抵抗线 常取 W=( 1~ 3)m,否则爆破后不能形成光滑的岩壁,达不到光面爆破的目的。因此对于露天深孔光面爆破的抵抗线 W=( 7~ 20) d 。炮孔密集系数 后可能在光面眼间留下岩埂,造成欠挖; 会在新岩面上造成凹坑。实践表明,当炮孔密集系数 m= 爆效果较好;硬岩取大值,软岩取小值。单位装药量 是指单位长度孔眼中装药量的多少 ( g/ m或 m)。为了控制裂缝的发展,保持新壁面的完整稳固,在保证沿孔眼连线破裂的前提下,应尽可能减少装药量。软岩一般用 70~ 120g/ m,中硬岩为 100~ 150g/ m,硬岩为 150~ 25m。起爆间隔时间实验研究表明,齐发起爆的裂缝表面最平整,微差起爆次之,而秒延期起爆最差。齐发起爆时,孔眼贯通裂缝较长,可抑制其它方向裂隙的发展,有利于减少孔眼周围裂隙的产生和形成平整的壁面。所以在实施光面爆破时,时间间隔越短,壁面平整的效果越有保证。四、预裂爆破预裂爆破( 预先沿设计轮廓线用爆破方法形成一条裂缝后再起爆主炮孔的一种控制爆破方法,其特点是在设计开挖轮廓线上钻凿一排孔距合适的预裂孔并采用不偶合装药或其它特殊的装药结构,在开挖主体爆破之前,同时起爆预裂炮孔内的装药,从而形成一条贯穿预裂炮孔的裂缝,通过这条裂缝降低开挖主体爆破时对保留岩体的破坏。概念:沿设计轮廓线打一排减小了孔距的平行炮孔,采用不偶合装药,先起爆预裂孔,形成裂缝后( 1— 2再起爆主爆孔,使预裂缝在一定范围内减小主爆孔的地震效应 50— 80%以上。影响预裂爆破的因素很多,如钻孔直径、钻孔间距、装药量、钻孔直径与药包直径的比值(称不偶合系数)、装药结构、炸药性能、地质构造与岩石力学强度等。目前,一般根据实践经验,并考虑这些因素中的主要因素和它们之间的相互关系来进行参数的确定。1)钻孔直径 径主要是根据台阶高度和钻机性能来决定。对于质量要求高的工程,采用较小的钻孔。一般工程钻孔直径以 80~ 150于质量要求较高的工程,钻孔直径以 32~ 100好能按药包直径的 2~ 4倍来选择钻孔直径。2)钻孔间距 与钻孔直径有关。通常一般工程取 a=( 5~ 7) d;质量要求高的工程取 a=( 7~ 10) d。选择 孔直径大于 100于 60弱破碎的岩石取小值,坚硬的岩石取大值;质量要求高的取小值,要求不高的取大值。3)不偶合系数 示药包与孔壁之间的间隙大,爆破后对孔壁的破坏小;反之对孔壁的破坏大。一般可取 n=2~ 4。实践证明,当 n≥2 时,只要药包不与保留的孔壁(指靠保留区一侧的孔壁)紧贴,孔壁就不会受到严重的损害。如果 n< 2,则孔壁质量难以保证。药包应放在炮孔中间, 绝对不能与保留区的孔壁紧贴,否则 可能造成对孔壁的破坏。4)线装药密度 全和经济性,因此它是一个很重要的参数。装药密度可用以下经验公式进行计算:( 1)证不损坏孔壁(除相邻炮孔间连线方向外) 式中 δy —— 岩石极限抗压强度, r—— 预裂孔半径, mm。q—— 线装药密度 ,Kg/m。该式适用范围是 δy = 10~ 15r=46~170)预裂孔孔深预裂孔孔深的确定以不留根底和不破坏台阶底部岩体的完整性为原则,因此应根据具体工程的岩体性质等情况来确定。6)堵塞长度良好的堵塞不但能充分利用炸药的爆炸能量,而且能减少爆破有害效应的产生。一般情况下,堵塞长度与炮孔直径有关,通常取炮孔直径的 12~ 20倍。2.预裂爆破的质量标准及效果评价1)预裂爆破的质量标准对于铁路、矿山、水利等露天石方开挖工程,预裂爆破的质量标准主要有以下几点:( 1)预裂缝缝口宽度不小于 1 2)预裂壁面上较完整地留下半个炮孔痕迹,药包附近岩体不出现严重的爆破裂隙;( 3)预裂壁面基本光滑、平整,不平整度(相邻钻孔之间的预裂壁面与钻孔轴线平面之间的线误差值)应不大于± 15映完毕,谢谢观看!
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