全国工程爆破技术人员统一培训内容(6).ppt

全国工程爆破技术人员统一培训内容全国工程爆破技术人员统一培训内容中国工程爆破协会中国工程爆破协会 编编汪旭光汪旭光 主编主编冶金工业出版社冶金工业出版社（20112011）爆爆破破设设计计与与施施工工（6）2021/9/271第六章第六章 岩土爆破理论岩土爆破理论 6.1岩石爆破理论的发展岩石爆破理论的发展6.2岩石中的爆炸应力波岩石中的爆炸应力波6.3岩石中的爆炸气体岩石中的爆炸气体6.4岩石的爆破破碎机理岩石的爆破破碎机理6.5爆破漏斗理论爆破漏斗理论6.6装药量计算原理装药量计算原理6.7露天台阶爆破的破碎机理露天台阶爆破的破碎机理6.8土中爆破机理土中爆破机理6.9影响爆破作用的因素影响爆破作用的因素6.10爆破过程的数值模拟爆破过程的数值模拟6.11精细爆破精细爆破2021/9/272第五章第五章岩土中爆炸的基本理论岩土中爆炸的基本理论5.1岩石的动态特性和可爆性岩石的动态特性和可爆性5.2岩土中爆炸应力波岩土中爆炸应力波5.3岩石爆破破碎机理岩石爆破破碎机理5.4爆破漏斗及利文斯顿爆破漏斗理论爆破漏斗及利文斯顿爆破漏斗理论5.5装药量计算原理装药量计算原理2021/9/273学习要点学习要点：1、了解岩石性质及可爆性的基本概念；、了解岩石性质及可爆性的基本概念；2、熟悉岩石爆破破坏的几种假说；、熟悉岩石爆破破坏的几种假说；3、掌握药包在岩石中的内部和外部破坏作用；、掌握药包在岩石中的内部和外部破坏作用；4、掌握爆破漏斗与爆破作用指数理论；、掌握爆破漏斗与爆破作用指数理论；5、掌握装药量计算原理。、掌握装药量计算原理。2021/9/2745.1岩石的动态特性和可爆性岩石的动态特性和可爆性岩石的物理性质、岩石的物理性质、岩石爆破荷载特性、岩石爆破荷载特性、爆炸荷载下爆炸荷载下岩石的强度特性、岩石的强度特性、岩石的可爆性及可爆性分级。岩石的可爆性及可爆性分级。本节主要介绍：本节主要介绍：2021/9/2751、岩石的物理性质、岩石的物理性质（从反应爆破特征和爆破破碎角度解释。）（从反应爆破特征和爆破破碎角度解释。）1）空隙度）空隙度指岩石中指岩石中各空隙的总体积各空隙的总体积 V V0 0 与与岩石总体积岩石总体积 V V 之比。之比。空隙的存在削弱了岩石的强度。空隙的存在削弱了岩石的强度。2）密度）密度有密度（有密度（）和重力密度（）和重力密度（）之分，）之分，=M/(V-V0),=G/V =G/V；一般岩石的一般岩石的 和越大岩石越难以破碎，抛掷爆破时需消耗较和越大岩石越难以破碎，抛掷爆破时需消耗较 多的能量克服重力。多的能量克服重力。3）波阻抗）波阻抗指岩石的密度指岩石的密度与该岩石中纵波波速与该岩石中纵波波速C Cp的乘积。的乘积。反应了岩石阻止波能传播的作用，通常认为炸药的波阻抗与反应了岩石阻止波能传播的作用，通常认为炸药的波阻抗与 岩石的波阻抗相匹配时，爆破能量传递最多，可获得较好的岩石的波阻抗相匹配时，爆破能量传递最多，可获得较好的 岩石爆破效果。岩石爆破效果。4）碎胀性）碎胀性岩石破碎后因碎片间孔隙增多而使体积增大的性质。岩石破碎后因碎片间孔隙增多而使体积增大的性质。(=V(=V1 1/V),/V),岩石爆破破碎必须有一定的碎胀空间，包括外部岩石爆破破碎必须有一定的碎胀空间，包括外部 空间和内部孔隙。空间和内部孔隙。2021/9/2762、岩石爆破荷载特性、岩石爆破荷载特性 即（即（）特性，或变形特性。）特性，或变形特性。爆炸荷载作用是一种动载，在岩石内引起应力、应变以波爆炸荷载作用是一种动载，在岩石内引起应力、应变以波的形式在岩石中传播。的形式在岩石中传播。1 1）岩石表现为脆性化）岩石表现为脆性化 加载速度不同时，岩石表现的变形性质不同加载速度不同时，岩石表现的变形性质不同 提高应变率，岩石将由塑性向脆性转化，弹性模量提高，提高应变率，岩石将由塑性向脆性转化，弹性模量提高，如表如表5 51 1。2 2）动态应力场）动态应力场爆炸荷载下，应力脉冲首先形成冲击波，迅速衰减为应力爆炸荷载下，应力脉冲首先形成冲击波，迅速衰减为应力波。波。岩石中各点的应力、变形、位移均与时间有关，为动态岩石中各点的应力、变形、位移均与时间有关，为动态应力场。应力场。2021/9/2773、爆炸荷载下岩石的强度特性、爆炸荷载下岩石的强度特性1）同一岩石在不同受力状态下的强度）同一岩石在不同受力状态下的强度其一般特性：其一般特性：三轴抗压强度三轴抗压强度双轴抗压强度双轴抗压强度单轴抗压强度单轴抗压强度抗剪强度抗剪强度抗拉强度抗拉强度岩石的强度差异性很大。岩石的强度差异性很大。2）岩石的动态强度）岩石的动态强度提高加载速度，岩石由弹塑性、塑性向脆性转化，其弹性提高加载速度，岩石由弹塑性、塑性向脆性转化，其弹性模量增大、强度也随之提高。模量增大、强度也随之提高。动态抗压或抗拉强度；动态抗压或抗拉强度；静态抗压或抗拉强度；静态抗压或抗拉强度；K系数。系数。上式表明：动载作用下岩石的强度与加载速度有关。上式表明：动载作用下岩石的强度与加载速度有关。2021/9/2783）岩石的动态弹性常数）岩石的动态弹性常数（见（见P107108）都与弹性波参数有关（波速、波阻抗）。）都与弹性波参数有关（波速、波阻抗）。总之：总之：在爆炸动荷载作用下，岩石表现有如下动态特点：在爆炸动荷载作用下，岩石表现有如下动态特点：（1）岩石由弹塑性、塑性向）岩石由弹塑性、塑性向脆性转化脆性转化；（2）岩石的弹性）岩石的弹性模量增大模量增大；（3）岩石的）岩石的强度提高强度提高。2021/9/2794 4、岩石的可爆性及可爆性分级、岩石的可爆性及可爆性分级 可爆性可爆性指岩石对爆破破坏的抵抗能力或岩石爆破破坏的难易程度。指岩石对爆破破坏的抵抗能力或岩石爆破破坏的难易程度。它是岩石自身物理力学性质、炸药和爆破工艺的综合反映。它是岩石自身物理力学性质、炸药和爆破工艺的综合反映。可爆性分级：可爆性分级：1 1）岩石坚固性分级）岩石坚固性分级普氏分级，提出坚固性的概念，岩石对外力的抵抗普氏分级，提出坚固性的概念，岩石对外力的抵抗作用是于一致的。作用是于一致的。f=c/10,c 岩石静态单轴抗压强度，（岩石静态单轴抗压强度，（MPa）。）。将岩石分成十个级将岩石分成十个级f=（0.320）。之后其学生巴隆进行了修正。之后其学生巴隆进行了修正。f=c/30+2 2）岩石波速和波阻抗分级法）岩石波速和波阻抗分级法简便测定、便于计算，应用不太广。简便测定、便于计算，应用不太广。3 3）可爆性指数分级法）可爆性指数分级法可靠性准确性好，方法复杂难推广。可靠性准确性好，方法复杂难推广。2021/9/27105.25.2岩石中爆炸应力波岩石中爆炸应力波 装药在岩石中爆炸时，最初加载的是冲击荷载，迅速上装药在岩石中爆炸时，最初加载的是冲击荷载，迅速上升到峰值并下降，过程很短，在此冲击荷载作用下岩石内升到峰值并下降，过程很短，在此冲击荷载作用下岩石内激起应力扰动，然后以爆炸应力波的形式在岩石中传播。激起应力扰动，然后以爆炸应力波的形式在岩石中传播。1 1、冲击荷载在岩体内引起的应力、冲击荷载在岩体内引起的应力-应变应变 爆炸冲击加载，在距离爆心不同距离的区段内可表现为爆炸冲击加载，在距离爆心不同距离的区段内可表现为不同的波传递：不同的波传递：爆炸冲击波、爆炸应力波和地震波。爆炸冲击波、爆炸应力波和地震波。2021/9/2711 用岩石应力用岩石应力-应变关系曲线解释。见应变关系曲线解释。见P111P111。上述四种情况是由低应力到高应力对应不同的应力波，药上述四种情况是由低应力到高应力对应不同的应力波，药包在炮孔中爆炸首先形成的是冲击波随后衰减为非稳态冲击波包在炮孔中爆炸首先形成的是冲击波随后衰减为非稳态冲击波、弹塑性波、弹性应力波和地震波，其解释类似。、弹塑性波、弹性应力波和地震波，其解释类似。岩石应力岩石应力-应变曲线应变曲线2021/9/2712 2 2、爆炸荷载下岩石的本构关系、爆炸荷载下岩石的本构关系 在爆炸荷载作用下，岩石的在爆炸荷载作用下，岩石的(p p、T T、)状态之间的关系，状态之间的关系，为岩石的本构关系为岩石的本构关系。即岩石的状态方程：即岩石的状态方程：p=pp=p(,T T)。鲍姆把炸药爆炸荷载作用下的爆源近区岩石视为鲍姆把炸药爆炸荷载作用下的爆源近区岩石视为“可压缩可压缩流体流体”，该处无剪应力存在，由此给出岩石的本构方程为：，该处无剪应力存在，由此给出岩石的本构方程为：2021/9/27133 3、岩石中爆炸冲击波、岩石中爆炸冲击波 邻近药包的岩石失去刚性，变成似流体介质，产生塑性流动邻近药包的岩石失去刚性，变成似流体介质，产生塑性流动破坏。破坏。岩石中冲击波也遵守三个基本方程岩石中冲击波也遵守三个基本方程 式中：式中：（鲍鲍姆姆认为认为：当冲：当冲击击波波速达千米以上波波速达千米以上时时B为为定定值值，即，即n=4）2021/9/2714以上四个方程有以上四个方程有五个未知数（五个未知数（P、u、D、E），），要求要求解，必须先用实验方法测出一个参数，然后解其它。解，必须先用实验方法测出一个参数，然后解其它。大多数岩石存在大多数岩石存在 D=a+bu a、b 为常数，有表可查。为常数，有表可查。冲击波作用范围很小，一般不超过装药半径的冲击波作用范围很小，一般不超过装药半径的3 37 7倍，倍，衰减很快变成压缩应力波。衰减很快变成压缩应力波。其衰减规律：其衰减规律：对比距离，对比距离，为压力为压力 衰减指数，对冲击波近似取衰减指数，对冲击波近似取3 3。2021/9/2715 4、岩石中爆炸应力波、岩石中爆炸应力波 冲击波衰减成应力波后，应力的峰值：冲击波衰减成应力波后，应力的峰值：，随着距离，随着距离增大，峰值将不断减小。增大，峰值将不断减小。为初始径向应力峰值，其计算分为初始径向应力峰值，其计算分为：为：耦合装药耦合装药 不耦合装药不耦合装药切向应力峰值切向应力峰值，系数，系数要求理解式中符号含义。要求理解式中符号含义。爆炸近区；爆炸近区；b1随距离增大；随距离增大；2021/9/27165.3岩石爆破破碎机理岩石爆破破碎机理本节介绍：岩石爆破破碎机理的几种假说；本节介绍：岩石爆破破碎机理的几种假说；爆破的内部作用和外部作用。爆破的内部作用和外部作用。1、岩石爆破破碎机理的几种假说、岩石爆破破碎机理的几种假说 爆生气体膨胀作用理论（静作用理论）爆生气体膨胀作用理论（静作用理论）爆炸应力波反射拉伸作用理论（动作用理论）爆炸应力波反射拉伸作用理论（动作用理论）爆生气体和应力波综合作用理论爆生气体和应力波综合作用理论2021/9/27171）爆生气体膨胀作用理论）爆生气体膨胀作用理论该学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是由于该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的膨胀压力引起的。忽视了岩体中冲击波和应力爆轰气体的膨胀压力引起的。忽视了岩体中冲击波和应力波的破坏作用，其基本观点如下：波的破坏作用，其基本观点如下：药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些气体产物迅速膨胀并药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些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。当压应力在以极高的压力作用于药包周围的岩壁上，形成压应力场。当压应力在切向衍生的拉应力大于岩石的抗拉强度时，将产生切向衍生的拉应力大于岩石的抗拉强度时，将产生径向裂隙径向裂隙。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，岩石就会产生超过岩石的抗剪强度时，岩石就会产生剪切破坏剪切破坏。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抛掷运动掷运动。2021/9/27182）爆炸应力波反射拉伸作用理论）爆炸应力波反射拉伸作用理论该学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引该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。忽视了爆轰气体的破坏作起岩石破碎的主要原因。忽视了爆轰气体的破坏作用，其基本观点如下：用，其基本观点如下：爆轰波冲击和压缩炮孔周围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并很爆轰波冲击和压缩炮孔周围的岩壁，在岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。快衰减为应力波。此应力波在周围岩体内传播同时形成裂隙，当应力此应力波在周围岩体内传播同时形成裂隙，当应力波传到自由面时，产生反射拉应力波。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。态抗拉强度处时停止。应力波作用学说只考虑了拉应力波在自由面的反射作用，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实际上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作用为主。用为主。2021/9/27193）爆生气体和应力波综合作用理论）爆生气体和应力波综合作用理论这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同作用这种学说认为，岩石的破坏是应力波和爆轰气体共同作用的结果。它综合考虑了应力波和爆轰气体在岩石破坏过程中的结果。它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：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。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很快衰减为应力波。冲击波在药包附近的岩石中产生“压碎压碎”现象，应力现象，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。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。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。2021/9/2720说明：说明：对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气体的气体的作用程度作用程度是不同的。是不同的。在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药在坚硬岩石、高猛度炸药、偶合装药或装药不偶合系数较小的条件下，不偶合系数较小的条件下，应力波应力波的破坏作用是的破坏作用是主主要要的；的；在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数较大的条件下，较大的条件下，爆轰气体爆轰气体的破坏作用是的破坏作用是主要主要的。的。2021/9/27212、爆破的内部作用和外部作用、爆破的内部作用和外部作用 介绍两个概念：介绍两个概念：自由面自由面又叫临空面，是指同空气接触的岩石表面。又叫临空面，是指同空气接触的岩石表面。最小抵抗线（最小抵抗线（W）自药包中心到自由面的最短距离。自药包中心到自由面的最短距离。最小抵抗线是爆破作用岩石移动的主导方向。最小抵抗线是爆破作用岩石移动的主导方向。Wc为装药的临界抵抗线。为装药的临界抵抗线。2021/9/27221）装药的内部作用（若）装药的内部作用（若WWc）可认为药包处在无限岩石介质中，药包爆炸后，自由面上可认为药包处在无限岩石介质中，药包爆炸后，自由面上看不到爆破的迹象，爆破作用只发生在岩石内部，未能达到看不到爆破的迹象，爆破作用只发生在岩石内部，未能达到自由面自由面即内部作用。即内部作用。将在装药爆炸作用处形成（空腔、压碎区、破裂区、震动将在装药爆炸作用处形成（空腔、压碎区、破裂区、震动区）如图区）如图 所示。所示。压碎区压碎区岩石被各向压碎；岩石被各向压碎；破裂区破裂区岩石应力波作用区，形成裂隙组；岩石应力波作用区，形成裂隙组；震动区震动区在破裂区外围的岩体中；在破裂区外围的岩体中；2021/9/2723图图5.5.无限岩石中炸药的爆破作用无限岩石中炸药的爆破作用a)有机玻璃模拟爆破试验结果；有机玻璃模拟爆破试验结果；b)无限岩石中的爆破破坏分区。无限岩石中的爆破破坏分区。1、扩大空腔；、扩大空腔；2、压碎区；、压碎区；3、裂隙区；、裂隙区；4、震动区、震动区Rb空腔半径；空腔半径；Rc压碎区半径；压碎区半径；Rr裂隙区半径。裂隙区半径。(a)(b)2021/9/2724 2）半无限岩石介质中的爆破作用）半无限岩石介质中的爆破作用岩石中的装药若岩石中的装药若W2时，时，a过大，装药单独形成漏斗；过大，装药单独形成漏斗；m=2时，时，各自形成标准漏斗；各自形成标准漏斗；2m1时，合成一个漏斗，中间底部破碎不充分时，合成一个漏斗，中间底部破碎不充分（欠挖）；（欠挖）；m0.81.0时，漏斗体积大，底部平坦；时，漏斗体积大，底部平坦；m0.8时，时，a过近过近（超挖）。（超挖）。2021/9/27342、利文斯顿爆破漏斗理论、利文斯顿爆破漏斗理论提出了以能量平衡为准则的漏斗理论提出了以能量平衡为准则的漏斗理论炸药能量释放后，主要消耗在四个方面：炸药能量释放后，主要消耗在四个方面：岩石的弹性变形、岩石的弹性变形、岩石岩石的破碎和破裂、的破碎和破裂、岩石的抛掷、岩石的抛掷、空气冲击波和对空气做功。能量分配空气冲击波和对空气做功。能量分配在各方面的比例，取决于炸药的埋置深度。在各方面的比例，取决于炸药的埋置深度。Eb 变形能系数变形能系数岩石中弹性变形能和破碎能达到饱和状态时的埋深为临界深度岩石中弹性变形能和破碎能达到饱和状态时的埋深为临界深度Wb。即药包埋于地下一定深度，小于这一深度，则岩石表面出现片落和隆即药包埋于地下一定深度，小于这一深度，则岩石表面出现片落和隆起，大于这一深度，则不出现变形，这一深度称为临界深度。起，大于这一深度，则不出现变形，这一深度称为临界深度。2021/9/27355.5装药量计算原理装药量计算原理装药量多少直接影响着：爆破效果、爆破成本、装药量多少直接影响着：爆破效果、爆破成本、爆破安全。爆破安全。装药量是爆破中的重要参数。合理确定之，非常装药量是爆破中的重要参数。合理确定之，非常重要。但由于岩石自然条件的多变性，对岩石爆重要。但由于岩石自然条件的多变性，对岩石爆破破碎机理及规律的影响难以确定，精确计算装破破碎机理及规律的影响难以确定，精确计算装药量尚有难度。药量尚有难度。本节介绍：集中药包的计算（体积公式）、本节介绍：集中药包的计算（体积公式）、单位用药量的确定。单位用药量的确定。2021/9/27361、集中药包的计算（体积公式）、集中药包的计算（体积公式）目前还没有精确的计算公式，只有从生产实践中得到的经验目前还没有精确的计算公式，只有从生产实践中得到的经验公式。公式。其物理意义：其物理意义：C1W2克服分子内聚力，分离岩石形成漏斗，其大小克服分子内聚力，分离岩石形成漏斗，其大小与漏斗表面积成正比；与漏斗表面积成正比；C2W3破碎漏斗内的岩石，与漏斗体积成正比；破碎漏斗内的岩石，与漏斗体积成正比；C3W4克服重力做功。克服重力做功。忽略忽略1、3项，就是最常用的体积公式。项，就是最常用的体积公式。体积公式原理：装药量的大小与岩石对爆破作用力的抵体积公式原理：装药量的大小与岩石对爆破作用力的抵抗程度成正比。抗程度成正比。这种抵抗力就是重力，这种抵抗力就是重力，实际上就是被爆破岩实际上就是被爆破岩石体积。石体积。2021/9/2737Q 装药量，装药量，kg。V 爆破漏斗体积，爆破漏斗体积，m3。K 单位体积用药量，单位体积用药量，kg/m3。形成爆破漏斗时形成爆破漏斗时 w 最小抵抗线；最小抵抗线；r 漏斗底圆半径。漏斗底圆半径。2021/9/2738如果为标准抛掷漏斗如果为标准抛掷漏斗则则要获得爆破作用指数不同的爆破漏斗，装药量可视为爆破要获得爆破作用指数不同的爆破漏斗，装药量可视为爆破作用指数几何函数作用指数几何函数2021/9/2739当当时，为加强抛掷爆破；时，为加强抛掷爆破；当当时，为标准抛掷爆破；时，为标准抛掷爆破；当当时，为减弱抛掷爆破；时，为减弱抛掷爆破；苏联鲍列斯阔夫的公式：苏联鲍列斯阔夫的公式：即即，此式即为此式即为加强抛掷爆破加强抛掷爆破装药量计算公式装药量计算公式对于对于松动爆破松动爆破装药量，更适用的公式为装药量，更适用的公式为2021/9/27402、单位用药量的确定、单位用药量的确定查表，参考定额或有关资料；查表，参考定额或有关资料；参照相似矿山或本矿山的实际单耗的统计数据；参照相似矿山或本矿山的实际单耗的统计数据；通过爆破漏斗试验确定半径；通过爆破漏斗试验确定半径；2021/9/2741