岩土爆破理论基础.ppt

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1、安恩向安恩向（高级工程师）（高级工程师）甘肃省化工研究院兰金民爆公司甘肃省化工研究院兰金民爆公司Tel.：E-mail：甘肃省甘肃省20122012年第一期爆破工程技术人员（初级）培训年第一期爆破工程技术人员（初级）培训6.岩石爆破理论基础岩石爆破理论基础 岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 爆破漏斗理论爆破漏斗理论 装药量计算原理装药量计算原理 影响工程爆破的主要因素影响工程爆破的主要因素 爆破过程的数值模拟爆破过程的数值模拟 精细爆破精细爆破 岩岩石石爆爆破破理理论论基基础础1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 l岩石爆破作用研究的问题：

2、岩石爆破作用研究的问题：l 爆破机理：爆破机理：爆破机理的研究是一个复杂的课题，由于炸药爆炸是一个高压、高温、高速的变化过程，目前尚无相应的测试 手段；而岩石的状态又是千变万化，目前尚无合适的状态方程能描述岩石动态变化过程；因此，爆破作用机理的研究，目前还停留在定性阶段，实际爆破上大都是经验公式。l 提高炸药爆炸能量利用率：提高炸药爆炸能量利用率：当前在岩石中炸药爆破的有效能量只有总能量的10%左右，而提高能量利用率才能加强爆破效果，这个课题需要从炸药爆炸的机理、岩石爆破破坏的变形过程、控制爆破有害效应等方面去研究。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 l已有爆破破坏作用理论：已有爆破

3、破坏作用理论：l 爆炸冲击波反射拉伸破坏理论：爆炸冲击波反射拉伸破坏理论：这种理论是用波动力学观点来观察爆炸过程，首先是霍尔金逊金属杆试验，而后的混凝土爆破飞片试验；这些爆破飞片是爆生气体理论所不能解释的。只能用爆炸冲击波反射拉伸破坏来予以说明。一般用在脆性岩石。爆炸气体膨胀压力破坏作用理论：爆炸气体膨胀压力破坏作用理论：这种理论是从静力学观点出发，把岩石爆破看成是锅炉爆炸一样，是爆生气体的膨胀力超过岩石本身的强度而使岩石破裂。这种理论适用于土壤、软岩。l 爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破坏理爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破坏理论：论：把以上两种理论综合起来比较好的解释了岩石爆破的

4、破坏现象。是当前所公认的。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 冲击波拉伸破坏理论 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。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 抵抗线入射波反射波入射反射拉压相互作用使岩石破坏不破坏处为临界状态1.岩

5、石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 爆破作用范围自由面压缩波药包半径a1 粉碎圈半径rchrdk稀疏波1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 冲击波拉伸破坏理论冲击波拉伸破坏理论1.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岩石的移动。爆炸的气体只限于岩石的辅助破碎与岩石的移动。2.爆破的主要特征爆破的主要特征 （1）齐齐爆效果比爆效果比单单孔爆破效果之和好；孔爆破效果之和好；（2）具有两个自由面的效果比一个自由效果好；）具有两个自由面的效果比一个自由效果好；（3）爆破）爆破时时，破坏从自由面

6、向装，破坏从自由面向装药药中心推中心推进进，破坏呈，破坏呈规则规则的板状。的板状。3.爆破作用的几个爆破作用的几个阶阶段段 （1）炸）炸药药的爆的爆轰轰 炸炸药药爆炸后，使炸爆炸后，使炸药药周周围围的岩的岩层层介介质质粉碎，出粉碎，出现现范范围围狭小的粉碎狭小的粉碎层层；半径用半径用rc表示。表示。（2）自由面受入射波和反射波，使岩石受拉，）自由面受入射波和反射波，使岩石受拉，产产生破坏。生破坏。（3）爆）爆轰轰气体的膨气体的膨胀胀作用使岩石作用使岩石进进一步粉碎、移一步粉碎、移动动、地表震、地表震动动。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 对冲击波拉伸破坏理论的评述对冲击波拉伸破坏理

7、论的评述（1）意义）意义 利用冲击波的理论推导了爆破漏斗的几何尺寸与药量、爆轰压力、岩石抗拉强度的关系；阐述了爆破作用的两个阶段；自由面受拉伸破坏的原理被世人认同。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 （2）不足）不足 许多问题该理论还不能解释 比较小的冲击波能量占炸药能很小部分（3%），要将岩石完全破碎令人难以理解。根据实验，爆破药量足够大时才会出现片落现象。根据破碎时间分析，冲击波传到自由面，再返回全部历程不超过几毫秒，岩石的裂隙不可能充分发育。一般自由面岩石开始移动的时间为上述时间的1520倍。在压碎带和片裂带之间，存在非破碎带，用冲击波机理解释不清。1.岩石爆破破碎机理概述岩石

8、爆破破碎机理概述 爆炸气体膨胀压破坏理论爆炸气体膨胀压破坏理论 基本观点 爆炸气体膨胀压力是引起岩石拉伸破坏的主要原因。依据有二:（1）岩石发生破碎的时间是在爆炸气体作用的时间内；（2）炸药中的冲击波能量只占炸药总能量的（515）%。该理论的代表人物：瑞典学者，兰格福斯。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 1966年岩石爆破现代技术全面论述：爆炸冲击波反爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破坏理论射拉伸破坏和爆生气体共同破坏理论一、初始裂隙形成时间一、初始裂隙形成时间 炮孔内炸药爆炸后几个毫秒之内释放大量爆能破碎有限岩石，产生爆破效果：产生气体：炮孔内压力达104MPa 单位内能量：

9、25000MW 爆速：25006000m/s 产生的冲击波：冲击波传播速度30005000m/s,直径40mm的炮孔：粉碎层约20mm;爆炸产生的径向裂纹在切向应力作用扩展，最后扩展到1米范围。裂隙在几分之一毫秒内完成。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 在炮孔附近即：r=r0 r=2 r0 拉伸应力大于压应力，岩石的拉应力小于岩石的压应力。初始的径向裂缝是由拉应力作用产生。二、自由面附近的拉断破坏二、自由面附近的拉断破坏 （1）爆炸后由于压碎和塑性变形，孔径扩大原来的2倍；随着冲击波的消失，裂隙反复收缩、闭合，扩展裂缝。（2）在临近自由面爆破时，压缩波遇到自由面时反射成拉伸波。反复

10、作用发生裂缝。这种拉伸波在岩石爆破中起次要作用。只有在单位药量比较大时才能产生岩石片落。简答题第简答题第7页页 15题题 、第、第12页页 46题题1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 三、岩石的破碎过程三、岩石的破碎过程（1）冲击波作用的结果：径向裂缝和发生岩石破裂阶段；（2）松动破坏岩石的大部分能量来自爆炸气体；根据计算冲击波占炸药总能量5%15%；高威力炸药冲击波能量占9%；在冲击波传递过程中损失2/3；爆破漏斗中冲击波能量占3%。（3）岩石破碎的第三和最后阶段是在爆炸气体压力作用下，缓慢破碎过程。达到破碎和移动的目的。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 径向裂缝1.岩

11、石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 渗透到裂隙带的气体1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 CBA uaubuc压缩波稀疏波岩石自由面岩石自由面的变化1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 岩石爆破破碎机理总结岩石爆破破碎机理总结l我们可以把岩石爆破破坏过程分为3个阶段个阶段：l第一个阶段第一个阶段为炸药爆炸后冲击波径向压缩阶段。炸药起爆后，产生的高压粉碎了炮孔周围的岩石，冲击波以30005000 ms-1的速度在岩石中引起切向拉应力，由此产生的径向裂隙向自由面方向发展。冲击波由炮孔向外扩展到径向裂隙的出现需12ms。爆轰波的高压作用，爆轰波的高压作用，炮孔孔壁粉碎并开始膨胀

12、；炮孔孔壁粉碎并开始膨胀；1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 岩石爆破破碎机理总结岩石爆破破碎机理总结l第二阶段第二阶段为冲击波反射引起自由面处的岩石片落。第一阶段冲击波压力为正值，当冲击波到达自由面后发生反射时，波的压力变为负值。即由压缩应力波变为拉伸应力波。拉应力大于岩石的抗拉强度，岩石出现拉应力大于岩石的抗拉强度，岩石出现破裂，破裂，在反射拉伸应力的作用下，岩石被拉断，发生片落。此阶段发生在起爆后1020ms。l第三阶段第三阶段为爆炸气体的膨胀，岩石受爆炸气体超高压力的影响，在拉伸应力和气楔的双重作用下，径向初始裂隙迅速扩大。形成岩石的破碎与移动。形成岩石的破碎与移动。l高级题

13、第高级题第60页页 12题题1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 岩石中爆破作用的岩石中爆破作用的5 5种破坏模式种破坏模式 炮孔周炮孔周围围岩石的岩石的压压碎作用；碎作用；径向裂隙作用；径向裂隙作用；卸卸载载引起的岩石内部引起的岩石内部环环状裂隙作用；状裂隙作用；反射拉伸引起的反射拉伸引起的“片落片落”和引起径向裂隙的和引起径向裂隙的延伸；延伸；爆炸气体爆炸气体扩扩展展应变应变波所波所产产生的裂隙。生的裂隙。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 炮孔膨胀与时间关系0 0.1 0.2 0.4 1 2 3 5 1246810123V/V0t(ms)V-为膨胀后的炮孔体积;V0-膨

14、胀前的炮孔体积1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 从曲线分析可看如下几点:第一阶段，初始冲击波导致岩石破碎，炮孔体积膨胀到初始体积的2倍，保持0.10.4ms体积不变。第二阶段，除自然裂隙外，新裂隙大多是炮孔周围的压应力场和它在自由面反射所形成的拉应力场交替作用形成。爆轰体积膨胀，使岩石体积达到原来体积的4倍，岩石开始破碎。第三阶段，岩石开始破碎并开始移动。1.岩石爆破破碎机理概述岩石爆破破碎机理概述 2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 炸药起爆过程：炸药起爆过程：在激发点形成冲击波 10-5 cm炸药发生化学反应区 0.11cm产生高温、高压气体 3000，5000 10

15、000MPa持续、稳定的向外传播爆速30007000m/s一个半径0.7m的药包，完成爆炸反应时间0.10.2ms2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 波波：在介质中传播的扰动。应力波应力波：由于任何有界或无界介质的质点是相互联系着的，其中任何一处的质点受到外界作用而产生变形和扰动时，就要向其他部分传播，这种在应力状态下介质质点的运动或扰动的传播称为应力波。爆炸应力波爆炸应力波：炸药在岩石和其他固体介质中爆炸所激起的应力波扰动（或应变扰动）的传播。2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 l岩体中炸药爆炸时，岩体介质受到冲击扰动，而在岩体中传播的波，在波的阵面前后，岩体应力状态发生

16、变化，因此把在固体中传播的扰动波，统称为应力波。l应力波的种类：应力波的种类：按照应力波的传播途径和变形特点可分为两大类：l 体积波：体积波：包括两种波 l纵波（压缩波）：波的传播与质点运动方向一致，产生压缩或拉伸变形。l横波（剪切波）：波的传播与质点运动方向相垂直，产生剪切变形。2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 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2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 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

17、.气体内传播.2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 l 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XY2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 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.2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 l应力波的种类：应力波的种类：l 表面波：表面波：包括两种波：l瑞利波：在岩体中传播的纵波、横波传到岩体与空气界面时，在界面上生成一种沿着界面传播的波，这种波在爆破产生的地震效应上十分重要。l勒夫波：在某种介质中传播的纵波、横波传到另一种介质时，在两种

18、介质的界面上形成沿着界面传播的波。2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 面波:瑞利波和勒夫波l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.l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.l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%.2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 冲击波在岩体内传播过程分为冲击波在岩体内传播过程分为3 3个作用区：个作用区：1.冲击波作用区冲击波作用区：在：在37倍药包半径范围倍药包半径范围 内；内；2.应力波作用区应力波作用区或或压缩

19、应力波作用区压缩应力波作用区；3.弹性振动区弹性振动区。2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 按传播介质变形性质分按传播介质变形性质分 弹性波弹性波 黏弹性波黏弹性波 塑性波塑性波 冲击波冲击波符符合合虎虎克克定定律律在在弹弹性性介介质质中中传传播播除除弹弹性性应应力力外外，还还产产生生摩摩擦擦应应力力或或黏黏滞滞应应力力在在非非线线性性弹弹性性体体中中传传播播 出出现现屈屈服服应应力力应应力力超超过过弹弹性性极极限限的的波波 适适应应小小扰扰动动的的介介质质 超超声声速速传传播播 炸药爆炸后，在岩石中传播的主要是弹性波，塑性波和冲炸药爆炸后，在岩石中传播的主要是弹性波，塑性波和冲击波

20、只能在爆源处才能观察到，而且不是所有岩石都能产击波只能在爆源处才能观察到，而且不是所有岩石都能产生这样的波生这样的波2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 l岩体内部的爆破破坏作用岩体内部的爆破破坏作用l 炸药包埋在地下很深处爆炸，爆炸后在地表没有出现炸药包埋在地下很深处爆炸，爆炸后在地表没有出现明显的破坏迹象，把这种药包称为内部作用药包。这时明显的破坏迹象，把这种药包称为内部作用药包。这时岩体内部的破坏情况可分为以下岩体内部的破坏情况可分为以下4个区域：个区域：l（1）爆炸空腔：炸药爆炸后，爆生气体沿着裂缝外渗，）爆炸空腔：炸药爆炸后，爆生气体沿着裂缝外渗，在药包位置形成扩大的空腔，对

21、于土壤空腔半径要比药在药包位置形成扩大的空腔，对于土壤空腔半径要比药包半径大很多。包半径大很多。爆炸空腔与岩石性质及炸药种类有关。岩石密度越爆炸空腔与岩石性质及炸药种类有关。岩石密度越小，炸药威力越大，空腔半径就越大。当空腔扩张过程小，炸药威力越大，空腔半径就越大。当空腔扩张过程结束时，空腔里爆炸产物和剩余压力大大小于岩石的抗结束时，空腔里爆炸产物和剩余压力大大小于岩石的抗压强度极限，这导致过程后期岩石的向心运动。压强度极限，这导致过程后期岩石的向心运动。2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 l（2）压碎区（压缩区）：爆炸空腔外，岩壁受到爆炸）压碎区（压缩区）：爆炸空腔外，岩壁受到爆炸

22、冲击波的高压作用，岩石被压成粉末状，而土壤则被烤冲击波的高压作用，岩石被压成粉末状，而土壤则被烤压成一个硬壳。压成一个硬壳。l装药爆炸时，在岩体内产生的冲击荷载越过岩石冲击变装药爆炸时，在岩体内产生的冲击荷载越过岩石冲击变形曲线上的临界应力后（约等于岩石的体积压缩模量），形曲线上的临界应力后（约等于岩石的体积压缩模量），就会在岩体内激起冲击波。使岩体产生强烈压缩和塑性就会在岩体内激起冲击波。使岩体产生强烈压缩和塑性变形，岩石结构遭到严重破坏，从而在爆炸空腔外形成变形，岩石结构遭到严重破坏，从而在爆炸空腔外形成压碎区。压碎区。l 压碎区是由塑性变形或剪切破坏形成的，其半径一般压碎区是由塑性变形或

23、剪切破坏形成的，其半径一般不超过装药半径的不超过装药半径的37倍。倍。l对于岩石压碎区半径：对于岩石压碎区半径：l如花岗岩、石英岩等如花岗岩、石英岩等 Rp=（）（）rol对于土壤对于土壤,如粘土如粘土 Rp=（11.313.1）ro l黄黄 土土 Rp=（7.07.6）ro2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 l（3）破裂区（破坏区）：爆炸冲击波在通过压碎区后，）破裂区（破坏区）：爆炸冲击波在通过压碎区后，锐变为压缩波，但其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗锐变为压缩波，但其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗拉强度，使岩体质点径向扩张产生拉伸和剪切破坏，出拉强度，使岩体质点径向扩张产生拉伸和

24、剪切破坏，出现纵横交错的裂缝，而爆炸气体的渗入，加剧了裂缝的现纵横交错的裂缝，而爆炸气体的渗入，加剧了裂缝的扩展。爆炸冲击波在通过压碎区后，锐变为压缩波，但扩展。爆炸冲击波在通过压碎区后，锐变为压缩波，但其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗拉强度，使岩体质其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗拉强度，使岩体质点径向扩张产生拉伸和剪切破坏，出现纵横交错的裂缝，点径向扩张产生拉伸和剪切破坏，出现纵横交错的裂缝，而爆炸气体的渗入，加剧了裂缝的扩展。而爆炸气体的渗入，加剧了裂缝的扩展。l 破裂区内的径向裂缝发展很快，一般是纵波波速的破裂区内的径向裂缝发展很快，一般是纵波波速的0.150.4 倍，爆生气体的倍，爆

25、生气体的“气刃作用气刃作用”对裂隙延伸也有贡对裂隙延伸也有贡献。献。l 在破裂区内除了一般人们公认的存在着径向裂隙以外，在破裂区内除了一般人们公认的存在着径向裂隙以外，还有人提出存在着剪切破坏和环向拉断。还有人提出存在着剪切破坏和环向拉断。2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 l（4）震动区（弹性区）：）震动区（弹性区）：破裂区以外，应力波的瞬态应力和爆炸产破裂区以外，应力波的瞬态应力和爆炸产物的作用不能再引起岩石的破坏，岩体变形物的作用不能再引起岩石的破坏，岩体变形属于弹性变形，所以破裂区之外的区域统称属于弹性变形，所以破裂区之外的区域统称为震动区，压缩波这时已锐变为弹性波，岩为震动

26、区，压缩波这时已锐变为弹性波，岩体只产生弹性变形，地面有震感。在该区中体只产生弹性变形，地面有震感。在该区中应力波可以传到很远的距离，变成正负相大应力波可以传到很远的距离，变成正负相大体对称的振动波，直至其能量完全被岩体吸体对称的振动波，直至其能量完全被岩体吸收。收。2.2.岩体中的爆破应力波岩体中的爆破应力波 当药包埋置在靠近地表的岩石中时，药包爆当药包埋置在靠近地表的岩石中时，药包爆破后除产生内部的破坏作用以外，还会在地表产破后除产生内部的破坏作用以外，还会在地表产生破环作用。反射拉伸波引起自由面附近岩石的生破环作用。反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落和径向裂隙的延伸。片落和径向裂隙的延伸

27、。爆破的外部作用爆破的外部作用反射拉应力波破坏过程示意图a-入射压力波波前；b-反射拉应力波波前 3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 一、爆破漏斗的几何参数一、爆破漏斗的几何参数 自由面：自由面又叫临空面，通常是指岩土介质与空气接触的交界面。自由面是最小抵抗线方向，自由面的存在有利于岩石的破碎和抛掷。因此，自由面是岩石破碎必不可少的条件。自由面越大、数目越多，岩石的阻力越小，破碎越容易，炸药单耗越少；反之，自由面越小、数目越少，岩石的阻力越大，破碎越困难，炸药单耗越多。最小抵抗线W：最小抵抗线是指炸药包在介质中爆炸时，介质产生抵抗力最小的方向，通常将药包中心到介质自由面的最短距离称为最小抵抗线。3.

28、爆破漏斗理论爆破漏斗理论炸药在岩石中爆破作用的范围埋埋置置深深度度（抵抵抗抗线线）自由面空气岩石炸药炸药临界埋临界埋置深度置深度最佳埋最佳埋置深度置深度内部作用外部作用裸露药包爆破漏斗四个破坏区抵抗线WCWO3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 爆破漏斗的几何参数爆破漏斗的几何参数 爆破漏斗半径爆破漏斗半径 r:漏斗的底圆半径；爆破漏斗半径是指圆锥形爆破漏斗的底面半径，表示地表破坏范围的大小 爆破作用半径爆破作用半径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张开角：爆破漏斗的

29、顶角。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论n=r/w 爆破作用指数的概念：爆破作用指数是指爆破漏斗底面半径r与最小抵抗线W的比值，用 n表示：n=r/W；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 必须熟练掌握题第必须熟练掌握题第必须熟练掌握题第必须熟练掌握题第2626页页页页 27 27题题题题3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论利文斯顿漏斗理论利文斯顿漏斗理论 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，

30、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。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论二、对岩石破坏的分类二、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3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 基本观点基本观点（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。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 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

31、态有如下三种破坏形式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。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 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。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 C.W.爆破漏斗试验与V/Q-曲线 0.4 0.5 0.6 0.7

32、0.8 0.9 1.0 35 30 20 10V/Q V/Q-曲线 Ly/Le3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 怎样读懂上图的曲线？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，纵是常数不变，纵坐标仅单位比例变化；横坐标仅为单位长度坐标仅单位比例变化；横坐标仅为单位长度变化。上图变化。上图 曲线是固定曲线。曲线是固定曲线。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论利文斯顿的弹性变形方程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。

33、弹性方程式为：Le=E(Q)1/3 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），3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 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 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）3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论对岩石破坏的分类：增加药量或减少埋深，地表开始破坏，出现增加药量或减少埋深，地表开始破坏，出现冲击破冲击破裂带裂带。使岩石开始。使岩石

34、开始发发生破坏的埋深称生破坏的埋深称为为临界深度临界深度(Le)，对应药对应药量称量称为为临界药量临界药量(Qe)。不同的临界深度对应不同的临界药量。随着埋深减小或随着埋深减小或药药量的增加，爆破漏斗逐量的增加，爆破漏斗逐渐渐形成，形成，体体积积逐逐渐渐增大，当达到最大增大，当达到最大值时值时，冲，冲击击破坏的上破坏的上限与爆破限与爆破时时炸炸药药能量利用的最有效点相吻合。此能量利用的最有效点相吻合。此时时的埋深的埋深为为最佳深度最佳深度(Lj)，相，相对应对应的炸的炸药药量量为为最佳最佳药量药量(Qo)。当当药药包埋深包埋深继续继续减小，爆破能量超出最佳破坏效减小，爆破能量超出最佳破坏效应应

35、的能量，此时岩石的破坏可划分为的能量，此时岩石的破坏可划分为破碎带破碎带或或空爆空爆带带。炸药埋深足够深，形成内部作用药包，岩层表面没炸药埋深足够深，形成内部作用药包，岩层表面没有任何变形，形成药包至表面的有任何变形，形成药包至表面的弹性变形带弹性变形带。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论 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 Ly/Le3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论利文斯顿理论在露天矿的应用利文斯顿理论在露天矿的应用 （一）一般优化设计计算步骤一）一般优化设计计算步骤（1）通过在不同深度

36、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。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论对利氏爆破漏斗理论的评价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

37、，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。3.爆破漏斗理论爆破漏斗理论4.装药量计算原理装药量计算原理 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 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)4.装药量计算原理装药量计算原理 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

38、抗线(m)Q=qw3 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.实际上炸药能克服介质的重量、抗剪力、惯性力等;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。4.装药量计算原理装药量计算原理 考虑岩石松动程度的爆破药量计算 Q=f(n)qw3 f(n)爆破作用指数函数；n爆破作用指数；前苏联的学者确认的公式：f(n)=0.4+0.6n3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。4.装药量计算原理装药量计算原理 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

39、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。4.装药量计算原理装药量计算原理 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，目前仍在使用简答题第简答题第14页页 62题题高级题第高级题第60页页 10题题4.装药量计算原理装药量计算原理 对装药量公式的力学分析炸药爆炸破坏固体介质的能量原理炸药爆炸破坏固体介质的能量

40、原理 假定一定质量的炸药爆炸产生的总能量为E，其产生的有效能量为E1，有害效应和无效能量为E2，则有 E=E 1+E 2。炸药爆炸对介质做的有效能量E1可分为：E 1=e 1+e 2+e 3+e 4。式中 e1使介质体积变形所需要的能量；e2介质克服张力形成断裂面所需要的能量；e3 需要抛掷介质的动能；e4在重力场中克服重力所需要做的功；4.装药量计算原理装药量计算原理 对装药量公式的力学分析炸药爆炸破坏固体介质的能量原理炸药爆炸破坏固体介质的能量原理 对有害能量E2 又可分为：E 2=e 5+e 6+e 7+e 8。式中e 5空气冲击波携带能量；e 6个别飞散物具有的能量；e 7地震波携带能

41、量；其他无效能量e 8；所以，炸药在介质中爆炸产生的总能量可表示为：高级题第高级题第60页页 13题题 4.装药量计算原理装药量计算原理 对装药量公式的力学分析如果用炸药埋深w的幂次项组合出多项式函数,则装药量Q的公式,可以表示为：瑞典学者兰格福尔斯(U.Langefors)，在现代岩石爆破一书中，提出的在一般岩石中采用松动爆破情况下的药量计算公式为：该式可变化为：4.装药量计算原理装药量计算原理 装药量计算的基本公式 第一第一项项表示克服岩石表示克服岩石内部分子之间的联结力内部分子之间的联结力，使漏，使漏斗斗块块体得以从岩体中分离出来而形成爆破漏斗所需要体得以从岩体中分离出来而形成爆破漏斗所

42、需要的能量，它的大小同的能量，它的大小同漏斗的表面积漏斗的表面积成正比；成正比；第二第二项项用于使漏斗范用于使漏斗范围围内的内的岩石产生破碎岩石产生破碎，即表示，即表示介介质质体积变形体积变形所需要的能量，它同所需要的能量，它同被破碎岩石的体积被破碎岩石的体积成正比；成正比；第三第三项项是考是考虑虑到到实实施加施加强强抛抛掷掷爆破爆破时时将爆落的岩将爆落的岩块块抛移一定距离，表示抛移一定距离，表示介质克服重力场介质克服重力场所需要的能量。所需要的能量。4.装药量计算原理装药量计算原理 装药量计算的基本公式 计算不同计算不同W时的爆破能量分配，有时的爆破能量分配，有：炸炸药药埋深埋深第一项 q1

43、=0.07/W第二项 q2=0.35第三项 q3=0.004W 总单耗W(m)q1(kg/m3)q1/q(%)q2(kg/m3)q2/q(%)q3(kg/m3)q3/q(%)q(kg/m3)0.10.766.60.3533.30.00040.041.05040.50.1428.00.3571.00.0020.40.4921.00.0716.00.3583.00.0040.90.4242.00.0358.90.3589.10.0082.00.3934.00.0184.60.3591.20.0164.20.3845.00.0143.60.3591.10.025.20.38410.00.0071.8

44、0.3588.20.0410.10.39715.00.0051.20.3584.30.0614.50.41520.00.0040.90.3580.60.0818.40.43425.00.0030.70.3577.30.1022.10.45330.00.0020.40.3574.20.1225.40.4724.装药量计算原理装药量计算原理 装药量计算的基本公式 根据上面计算，可知：小抵抗线（小于1m）时，第一项（地表地表影响影响）不能忽略，第三项（重力影响重力影响）可忽略；大抵抗线（大于20m）时，第三项（重力重力影响影响）不可忽略，第一项（地表影响地表影响）可忽略；抵抗线在120m之间，主要是

45、第二项（体积变形体积变形）起作用。即为工程爆破常用的体积公式体积公式。4.装药量计算原理装药量计算原理 某峒室爆破设计W=10m,n=1.0实测 W=8m如药量不变n增加？个别飞石距离 有何变化？4.装药量计算原理装药量计算原理 某峒室爆破设计W=10m,n=1.0实测 W=8m如药量不变n增加？个别飞石距离 有何变化？飞石距离扩大一倍飞石距离扩大一倍!4.装药量计算原理装药量计算原理 延长药包的爆破漏斗 延延长药长药包与集中包与集中药药包的区分：包的区分：按按长长径比径比分：分：药药包的包的长边长边L与短与短边边a之比（或之比（或药药包包长长度与截面等效度与截面等效直径之比）称直径之比）称为

46、药为药包的包的长长径比，以径比，以表示，即：表示，即：=L/a。4称称为为集中集中药药包，包，4称称为为条形条形药药包。包。4.装药量计算原理装药量计算原理 延延长药长药包爆破作用的特点：包爆破作用的特点：冲冲击击波波阵阵面是柱面波，能量在垂直面是柱面波，能量在垂直药药包包轴线轴线方向方向扩扩散，能流密度随距离平方衰减，在均散，能流密度随距离平方衰减，在均质质介介质质中爆炸效中爆炸效应应的表的表现现特征和物理量具有特征和物理量具有轴对轴对称的特点；称的特点；爆炸作用遵循几何相似定律，且基本上符合平方根爆炸作用遵循几何相似定律，且基本上符合平方根定律，即有：定律，即有：爆破漏斗特征量和爆破漏斗特

47、征量和应应力波参数是比例距离力波参数是比例距离的函数。的函数。4.装药量计算原理装药量计算原理 延延长药长药包爆破漏斗形包爆破漏斗形态态：径向形径向形态态与集中与集中药药包基本相似；包基本相似；轴轴向形向形态态在装在装药药部位呈部位呈轴对轴对称，在称，在药药包端包端头头存存在端在端头头效效应应，其端，其端头头作用范作用范围围比径向要小比径向要小15%25%（土体）或（土体）或10%20%（岩石）（岩石）。4.装药量计算原理装药量计算原理 5.影响工程爆破的主要因素影响工程爆破的主要因素l5.1评评价爆破工程的主要技价爆破工程的主要技术经济术经济效果，常用以下效果，常用以下指指标标：l炸炸药单药

48、单耗耗l指爆破指爆破1m3或或1t岩岩矿矿消耗的炸消耗的炸药药用量，用量，单单位位为为kg/m3或或kg/t。l延米爆破量延米爆破量l指指1m炮孔所能崩落的岩石（或炮孔所能崩落的岩石（或矿矿石）的平均体石）的平均体积积或或质质量，量，单单位位为为m3/m或或t/m。l炮孔利用率炮孔利用率l一般用于地下井巷和隧道掘一般用于地下井巷和隧道掘进进爆破，指一次爆破爆破，指一次爆破循循环环的的进进尺与炮孔平均深度之比，尺与炮孔平均深度之比，单单位位为为%。5.影响工程爆破的主要因素影响工程爆破的主要因素l大大块块率率l指一次爆破后所指一次爆破后所产产生的不合格大生的不合格大块块在在总总爆破岩爆破岩石量中

49、所占的比率，石量中所占的比率，单单位位为为%。l爆破成本爆破成本l指爆破指爆破1m3岩石所消耗的与爆破作岩石所消耗的与爆破作业业有关的材有关的材料、人工、料、人工、设备设备及管理等方面的及管理等方面的费费用，用，单单位位为为元元/m3。l 除了上述指除了上述指标标外，外，还还采用岩石松采用岩石松动动、抛、抛掷掷堆堆积积效果，光面、效果，光面、预预裂爆破的半孔率、保留裂爆破的半孔率、保留边边坡、坡、围围岩的岩的稳稳定性，爆破定性，爆破对对周周围环围环境的安全影响等境的安全影响等来来评评价爆破的技价爆破的技术术效果。效果。5.影响工程爆破的主要因素影响工程爆破的主要因素 影响爆破作用的因素很多，归

50、纳起来主要有：炸药性能（含岩石与炸药的相关因素）炸药性能（含岩石与炸药的相关因素）；岩石特性；岩石特性；装药结构；装药结构；爆破参数；爆破参数；爆破工艺。爆破工艺。5.影响工程爆破的主要因素影响工程爆破的主要因素l5.2爆破器材对工程爆破的影响爆破器材对工程爆破的影响l工业炸药的性能和质量对爆破效果和安全有直接的工业炸药的性能和质量对爆破效果和安全有直接的影响。影响。l对爆破效果有影响的炸药性能参数主要有：炸药爆对爆破效果有影响的炸药性能参数主要有：炸药爆速、爆炸气体生成量及装药密度等。现在一般认为：速、爆炸气体生成量及装药密度等。现在一般认为：岩石爆破破坏是在冲击波和爆炸气体膨胀压力共同岩石