《工程爆破理论》PPT课件.ppt

工程爆破理论工程爆破理论 工程爆破技术人员培训班讲义 前 言 一.目的1.掌握工程爆破理论的基本概念2.掌握工程爆破理论分析方法3.考试会答有关类似的试题二.解决应用中的问题1.一般土岩的浅眼工程爆破问题2.洞室大爆破问题3.深孔工程爆破问题4.地下工程开挖与掘进爆破问题5.矿山爆破问题三 学习好工程爆破理论树立全面的科学观1.能量守恒的基本观念：（1）岩石爆破：炸药的能量与岩石破碎需要能量的关系（2）拆除爆破：炸药的能量与结构破坏需要能量的关系 （3）有效的炸药能量工程所需的岩石破碎状态和结构破坏程度的能量，工程技术人员研究的核心2、工程爆破理论与技术的关联性（1）任何一个参数、一个公式和一种工程爆破技术、爆破施工方法都是相关联的，能有“举一反三，触类旁通”效果。（2）洞室大爆破深孔等级爆破浅眼爆破爆破雕刻爆破粉碎结石，突出体现了炸药能量在爆破对象中的“合理分布”原理，还可称爆破能力控制力原理。3、工程技术人员的应掌握的工程知识（1）地质岩土方面的知识，充分了解岩土的特性（密度、拉压强度、弹性系数、含水率、节理走向、地形等）。（2）工程结构知识，充分了解混凝土、钢筋混岗凝土、砖墙、石料等技术材料的性能。（3）民用爆破器材的基本知识，对爆炸品和传爆材料，起爆器材性能（4）安全技术知识，有安全技术设计、安全评价、评估，安全监理的技术知识、安全管理的能力。4 岩石爆破理论研究的内容（1）爆轰理论的研究（2）岩石特性（3）炸药能量的转换与传递（4）岩石动态断裂与破坏（5）计算机仿真与数值模拟 第一章工程爆破原理第一章工程爆破原理 第一节第一节 炸药量与岩石破碎体积炸药量与岩石破碎体积 成比例理论成比例理论 一 标准药包的抛掷计算原理 Q=qV (1-1)其中：Q炸药量（kg)q单位体积岩石的炸药量（kg/m3)V爆破漏斗体积（m3)（11）傻瓜公式 n=r/w 爆破作用指数的概念：n=r/w是漏斗半径与最小抵抗线的比值，是描述爆破松动程度的概念。爆破松动程度的划分：n=1 标准抛掷；1nn0.75减弱抛掷或加强松动；n0.75 V=r2w/3 标准抛掷爆破条件下：r=w Q-标准抛掷装药量(kg)W-最小抵抗线(m)Q=qw3 -著名的豪泽(Hauser)公式 分析说明分析说明 1.药包的重量与岩石的体积成正比 2.单耗不随最小抵抗线变化而变化 3.该理论在 介质松散、黏结不良状态下合适；在W与决定单位炸药消耗量时的最小抵抗线相差不大时才适用。4.实际上炸药能克服介质的重量、抗剪力、惯性力等;结论分析(3)是不准确的,但作为一般工程技术人员理解和结合工程实践经验进行炸药量估算是合适的。二 考虑岩石松动程度的爆破药量计算 Q=f(n)qw3 (1-3)f(n)爆破作用指数函数；n爆破作用指数；有关学者根据试验得出公式：f(n)=(1+n2)1/2-0.41)3 (1-4)前苏联的学者确认的公式：f(n)=0.4+0.6n3 (1-5)从（1-4）（1-5）来看，没有考虑装药深度对药量的影响。当装药深度大于1520米时公式误差比较大。三、考虑装药深度的计算三、考虑装药深度的计算 当增加装药深度时，不仅被破碎的介质体积增加，而且消耗于抬高每立方米介质体积的能量也一定增加。土质：W大于20米时 Q=f(n)qw3(w/20)1/2 （16）岩石：W大于15米时 Q=f(n)qw3(w/15)1/2 （17）著名的波克罗夫斯基公式 分析 说明1、以上公式主要是计算了爆破时的参数，没有说明爆破时的物理现象和岩石受何作用力而破坏；2、计算时未考虑岩石物理性质。该公式在广大工程技术人员中广泛使用，仍是爆破装药计算的基本公式。3、以下理论公式仍是洞室大爆破的设计计算基础。Q=f(n)qw3 其中：q为标准单耗对于 对于标准抛掷爆破 f(n)=1 加强抛掷爆破 f(n)1 减弱抛掷爆破f(n)1 比较通用的f(n)公式：f(n)=0.4+0.6n3 计算公式简单，目前仍在使用计算公式简单，目前仍在使用 第二节利文斯顿漏斗理论 利文斯顿爆破漏斗理论是美国科罗拉多矿业学院C.W 利文斯顿50年代提出，根据大量的漏斗实验，用V/Q-曲线（单位炸药量的爆破体积-深度比曲线）作为变量，比较科学地建立了爆破漏斗的几何形态，形成比较完善的爆破理论，成为实用爆破理论的鼻祖。一、基本观点 1、炸药的能量分配给岩石和空气的方式；2、能量传递的过程不仅与炸药有关也与岩石特性有关。3、炸药释放的能量与炸药量成正比。炸药能量的释放速度是炸药速度的函数，而炸药传给岩石的能量又是时间的函数。二、对岩石破坏的分类 埋深岩石表面 药包埋深与效果漏斗临界内部 爆破漏斗的几何参数 自由面：被爆破的岩体与空气接触的面（或称临空面）；最小抵抗线W：自药包中心到自由面的最短距离（是爆破作用岩石最先移动的部位）；爆破漏斗半径 r:漏斗的底圆半径；爆破作用半径R：药包中心到漏斗底圆圆周上任一点的距离（或称破裂半径）；爆破漏斗的可视深度h：自爆破漏斗中岩体岩堆表面最低点到自由面的最短距离；爆破漏斗张开角：爆破漏斗的顶角。爆破范围的划分爆破范围的划分 根据不同药包对地表的产生效果将爆破范围分成四个带：（1）弹性变形带 （2）冲击破裂带 （3）破碎带 （4）空腔带 炸药埋深足够深，形成内部作用药包，岩层表面没有任何变形，形成药包至表面的弹性变形带。随着埋深减少或药量增加，出现岩层表面破坏。刚开始破坏的深度称临界深度，此时的药量成为临界药量。此条件为弹性变形的上限。在临界弹性状态有如下三种破坏形式：（1）冲击破坏对脆性岩石而言；（2）剪切式破坏对塑性岩石而言；（3）碎化疏松式破坏对松散无内聚力岩石而言；了解以上三种形态，对不同岩性可控制其破坏形式。随着埋深减小或药量的增加，爆破漏斗逐渐形成，体积逐渐增大，当达到最大值时，冲击破坏的上限与爆破时炸药能量利用的最有效点相吻合。此时的埋深为最佳埋深，相对应的炸药量为最佳药量。当药包埋深继续减小，爆破能量超出最佳破坏效应的 能量，此时岩石的破坏可划分为破碎带或空爆带。三、C.W.爆破漏斗试验与V/Q-曲线 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 35 30 20 10V/Q V/Q-曲线 Ly/Le 怎样读懂上图的曲线？V爆破漏斗的体积；Q装药量；V/Q单位炸药量所爆破下来的岩块体积；Ly任意炸药深度；Le临界深度；=Ly/Le 炸药埋深与临界深度的比值；同一次岩性试验，同一次岩性试验，Q、Le是常数不变，是常数不变，纵坐标仅单位比例变化；横坐标仅为单纵坐标仅单位比例变化；横坐标仅为单位长度变化。上图位长度变化。上图 曲线是固定曲线。曲线是固定曲线。四、利文斯顿的弹性变形方程四、利文斯顿的弹性变形方程 前提条件：岩石是在临界深度时才 开始破坏。弹性方程式为：Le=E(Q)1/3 （18）其中：Le药包临界深度（m)E 弹性变形系数；Q 药包重量（kg);若取：=Ly/Le （即深度比）Ly=E(Q)1/3 （19）其中：Ly药包埋深（m），（1-9）式为一般方程。最大岩石破碎量和冲击式破坏上限时有关最佳埋深的关系式：Lj=0 E(Q0)1/3 （110）其中：Lj最佳埋深（m)0最佳深度比 Q0最佳药包重量（kg)此时药包的大部分能量用于岩石破碎过程，少量用于无用功。（如振动、噪声等）五、利文斯顿理论在露天矿的应用 （一）一般优化设计计算步骤 1.通过在不同深度起爆定量药包试验，确定Le,利用(1-8)求出E。2.通过不同深度起爆不同药量的药包，求出单位炸药达到最大破碎量的深度比，求出0。3.利用以上求出的两个参数可用来确定生产规模的最佳台阶几何尺寸。利用（1-10）式，可计算出任何药包的临界深度。以上讨论的内容与论点均是基于 一个自由面的单孔漏斗的试验研究成果。0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0V/Q空爆带空爆过渡深度碎化带最佳临界深度优化带 V/Q-关系图（图1-2）（二）考虑露天台阶爆破两个或多个自由面的条件的计算方法 台阶爆破的几个概念 1.炸药能量受控的三个主要方向:水平方向、垂直方向、孔间方向；2.爆破岩石移动的方向：水平方向而不是垂直方向。3.台阶底盘抵抗线与最小抵抗线区别，解决底盘抵抗线大于最小抵抗线的问题。抵抗线超深孔间距孔深dc台阶眉线台阶眉线HSV 阶段下部平盘 台阶立体图台阶立体图依受控方向释放能量大小所确定的深度比依受控方向释放能量大小所确定的深度比图1-3图1-4 实际爆破过程中，希望岩石向水平方向移动，可令V=0 H0,从而达到目的。在孔间方向的爆破能量相互作用加强，一般 S都大于0。在炸药和岩石特性给定条件下，已知E和0 可进行如下计算：1、已知E、0 值；孔径和装药密度；2、超深为定值；3、经验或试验确定V、H和S值；4、设抵抗线W（m）；5、用W=HE（Q）1/36、已知每米炮孔的装药量，可计算药柱高度；7、利用通用方程可计算药包中心到地表面的距离；8、孔深=Ly+1/2药柱高；9、堵塞高度=孔深-药柱高；10、利用公式计算药包临界深度；11、台阶高度=孔深-超深；12、利用一般方程可计算孔间距；13、依据岩石体积和装药量，计算单耗。以上内容是深孔台阶爆破的理论基础（光面和预裂爆破原理出外）。六 利文斯顿理论在地下矿中的应用 在地下工程中将顶板作为自由面,在药包爆炸过程中,形成倒漏斗的全新的爆破漏斗概念:落矿原理说明 1.重力和摩擦力作为岩体松动和下落的能量一部分,并没有消耗爆破能;2.增大爆破漏斗的几何尺寸;3.形成稳定的新的自由面;倒漏斗爆破施工法上巷道顶板 上巷道底板下巷道顶板 下巷道底板炮孔矿 渣漏 斗地下挤压爆破漏斗示意图漏斗A漏斗B漏斗C 漏斗布置示意图爆后轮廓 柱体爆破单元漏斗形式药包抵抗线孔间距/2上巷道底面下巷道顶面下巷道底面倒漏斗药包岩渣正打孔倒打孔 倒爆破漏斗采矿形式示意图倒爆破漏斗采矿形式示意图 VCR法：垂直后退采矿法 优点；采矿结构简单、采切量小、作业条件好、安全、崩矿质量高，产量高和成本低。步骤：（1）在矿体中钻一个或多个大直径炮孔；（2）装近似于球形的药包。埋深使其爆破后形成最优的爆破漏斗效果。（3）药爆爆炸时，借助于气体压力破碎岩石形成倒漏斗。（4）从矿房中运出漏斗的破碎矿石。用途：采矿、地下挤压爆破、采空区处理、地下病害处理等。七、爆破漏斗理论的拓展 1.点线面药包的内在联系点线面药包的内在联系 美国的雷德帕思在球型药包实验的基础上，进行了长柱药包实验，大大扩展了利文思顿理论的应用范围。理论基础:(1)球型集中药包-点药包 即球形药包（球形药室、集中药室）球形药量用Q表示。单孔柱状药包-线药包；多排柱状药包-面药包；分析原理：几何相似和量纲原理（1）点药包：量纲方程：Ld=Ld 3/Q1/3Q1/3 量纲深度比：d=Ld 3/Q1/3式中：d点药包的深度比（m/kg1/3)Ld点药包的埋深（m)Q点药包的药量（kg)(2)线药包 量纲方程：Lx=L3/Q1/2Q/L 1/2 量纲表示线药包深度比 Z=L3/Q1/2（3）面药包 量纲方程：Lm=L 3/QQ/L2 量纲表示面药包深度比 m=L3/Q 根据量纲分析存在如下关系：d3=x2=m的关系上式说明:点、线、面的装药量是等效的。sQ（药量）Q/L L sLLQ/L2s a球型b 线形 c 板型 单位长度药量单位面积药量量纲分析方法的用途：1、柱状药包换算成球状药包：Q2=KQ1Q1炮孔装药量；Q2等效集中装药量；K等值药量系数。当药包长径比为10时K=0.72、利用求得的等效集中药包利用相似定律可计算现场的最佳埋深。2、爆破漏斗理论后期成果 土耳其的比尔金，1993年在石灰石矿进行实验，得出以下成果。（1）漏斗张开角与抵抗线关系 特点：张开角随最小抵抗线增大而减小；当W=3.5m时，张开角不成形。=180-21.63W -漏斗张开角；W-最小抵抗线；漏斗张开角与抵抗线关系曲线图20015010050 0 1 2 3 4漏斗张开角（。）最小抵抗线W（m)（2）岩石爆破体积与最小抵抗线关系 爆破岩石量随最小抵抗线增加而增加；存在一个最佳抵抗线。W0=33.7d150100 500 1 2 3 4破岩体积（立方米）最小抵抗线W（m)(3)抛掷距离与抵抗线关系 T=32.06-3.96W 30 20100 1 2 3 4平均抛距（m)最小抵抗线W（m)（4）爆破块度与最小抵抗线 实验表明岩体的薄弱程度对块度有很大影响。但块度与抵抗线有明显的线性关系。K50=0.192W-0.0620.51.01.5 1 2 3 4K50(m)最小抵抗线（m)块度和平均节理有关八、对利氏爆破漏斗理论的评价1、爆破漏斗理论基础是大量爆破漏斗实验和能量平衡原则；2、漏斗的形状用单位药量的爆破体积和深度比曲线表示。充分反映了爆破效果与炸药能和岩石性质有关，反映能量传递实质，更科学化。3、除了爆破源附近的粉碎层以外，岩体相当部分是由自由面拉断，并用静力学解释，尽管解释不充分，但是它是以后冲击波拉伸理论的基础。4、倒爆破漏斗理论大大促进采矿方法的发展；5、爆破漏斗理论仅对爆破结果进行了定量的描述，没有涉及岩石爆破过程，爆破机理，仍属于实用爆破学范围。柴俭 13908052559 第二章 冲击波拉伸破坏理论 第一节 基本观点 炸药在岩石中爆轰时，生成高温、高压、高速冲击波猛烈冲击周围岩石，在岩石中强度引起强烈的应力波。刚开始释放时它的强度远远超过了岩石的动抗压强度，引起周围的过度破碎。当压缩应力波通过压碎带后，继续传波但强度大大下降，不能直接引起岩石的压破碎。当达到自由面时反射成拉应力波，虽然拉应力比较小但达到了岩石的抗拉强度，岩石拉断。表现为“折断”、“片落”、“分离”等现象。逐渐形成爆破漏斗范围内的完全拉裂。作用的机理：作用的机理：1.入射波和反射波，反复作用自由面；入射波和反射波，反复作用自由面；2.爆炸的气体只限于岩石的辅助破碎与爆炸的气体只限于岩石的辅助破碎与岩石的移动。岩石的移动。坚持以上观点的代表人物：坚持以上观点的代表人物：日本的日日本的日野熊雄。野熊雄。一、基本概念解释岩石中的爆炸应力波概念：炸药在岩石和与其相关联的固体介质中爆炸引起应力扰动的传播称为爆炸应力波。关键词：炸药 岩石 爆炸 传播1、按传播途径分类体积波和面波，体积波分为纵波和横波体积波：在介质内部传播的应力波 表面波:沿介质内外表面传播的应力波传波方向质点运动方向压拉压 纵波(P波)传播示意图压缩波稀疏 压缩波与稀疏波的概念压缩波:使岩石受压 稀疏波:使岩石受拉交变拉压变化使岩石破坏纵波(P波)的特点:传播方向与质点运动方向一致,可引起岩石拉压破坏,可在可在固体.液体.气体内传播.横波(S波)传播示意图传播方向质点振动方向横波特点:传播方向与质点振动方向垂直,可引起介质剪切破坏,只在固体内传播.模拟体积波的横波与纵波FFF胶皮受力特点:纵波以拉压为主 横波以剪切为主XY 面波:瑞利波和勒夫波 瑞利波(R)特点:在表面传播与纵波相似,不产生剪切破坏,象水中投石波浪一样由近及远传播.与体波的纵波相对应.勒夫波特点:在介质表面与传播方向成横向的振动.与体波的横波相对应.根据实验研究:辐射的震源的能量为100,则纵波占7%,横波26%;表面波占67%.2.按传播介质变形性质应力波分类 弹性波黏弹性波塑性波冲击波符合虎克定律弹性介质非线性弹性体 屈服阶段塑性体介质超过弹性极限 适应小扰动的介质 超声速传播 冲击载荷与冲击波参数冲击载荷的特征1 加载体与受载体相互作用力状态2 相互作用的受力状态是不均匀的3 动态过程冲击波参数：冲击波压力、冲击波速度、介质运动速度、内能和压缩比第二节第二节 日野冲击波拉伸破坏理论日野冲击波拉伸破坏理论 1、爆破的主要特征、爆破的主要特征 （1）爆破产生的漏斗通常留有残孔；）爆破产生的漏斗通常留有残孔；h/w1 不耦合装药 五、自由面或称临空面临空面的作用：1、反射引力波；2、改变岩石的应力状态及强度极限；3、抵抗线方向4、炸药爆炸影响自由面范围越大，爆破范围越大 六、装药结构 间隔装药和连续装药两种间隔装药的特点：1、能合理分配炸药能量，提高炸药能量的利用；2、增加应力波作用时间，降低孔壁的峰值压力；3、分散了炸药能量七、堵塞作用：1、封闭炸药能量，防治泄能；2、堵塞长度可改变装药结构；3、防治爆炸灼热颗粒溢出，防治安全事故八、起爆药包位置正向传爆、反向传爆、多点传爆反向传爆特点：1、提高爆炸应力作用；2、增加了应力波的动压和爆轰气体静压时间；3、增加了孔底的爆破作用。