黄志强 （桂林工学院，广西，桂林541004） 【摘 要】岩体的软弱层面会影响到爆破破碎效果，如何确定岩石材料的缺陷在爆破破碎中的影响因子是研究岩石破碎机理的关键。通过对当前岩石爆破破碎的研究现状进行综合分析、评述，讨论了岩石爆破破碎机理研究的要点以及今后的研究重点，为后续相关研究指出了方向。 【关键词】岩石破碎；爆破机理；损伤 【中图分类号】TD231.1 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2007)12-0086-02 岩石爆破的破碎效应是影响交通土建、水利、矿山等工程效益的重要指标，它影响到生产过程中的铲装、运输和粗碎等工序的效率和成本，也影响到道路、堤坝等基础工程的渗透性、沉降性和稳定性。因此，岩石爆破破碎理论的研究一直是岩石动力学和岩石爆破研究领域的一个热点问题，研究并揭示爆破作用下岩石破碎机理对促进爆破理论和相关技术的发展、提高工程质量和效益具有十分重要的理论和实际意义。 （一）当前研究成果 岩体由于其材料的特殊性，内部具有较多的节理、裂隙、层理等不连续层面，这些不连续面对爆破破碎效果会产生严重的影响，主要体现在应力集中、应力波反射增强、能量耗散、高压爆生气体外逸等。因此在岩石爆破设计、施工中如何处理岩石中的不连续面对爆破效果的影响，是当前研究岩石爆破破碎机理的主要问题。 国内外学者进行的大量研究指出：裂隙岩石的破碎是由爆炸冲击波与爆生气体共同作用的结果，但与均匀介质材料爆破相比，岩体的破碎主要是爆炸应力波作用的结果，裂隙岩体的爆炸气体膨胀压力较小，只是当应力波将岩石破碎成块以后，起到促使碎块分离的作用；应力波在裂隙岩体的传播过程中，在裂隙之间传播的扰动将会产生新的破裂；由于裂隙的发展速度有限，爆炸载荷的速率对裂隙的成长有较大的作用，而高应变率载荷容易产生较多的裂隙。 在此基础之上，当前的相关研究主要在两方面展开，一是追求普遍适用于各种爆破计算和分析、旨在建立相关计算模型的理论研究；一是结合一定工程实践，适用于一定范围的具体工程设计和参数优化的实验研究。在理论研究方面，从岩石破碎研究的发展历程来看，可将其分为弹性理论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段和分形损伤理论4个阶段。 1.弹性理论阶段 弹性力学模型将岩石视为各向同性的均质、连续的弹性体，岩石在爆炸荷载作用下的破坏是因其内部最大应力超过岩石应力极限引起的。在破碎之前，岩石处于弹性状态。这种理论以弹性力学及有限元方法为基础，运用现代计算机技术可方便的简化工程问题、建立力学模型并加以分析计算。由于这种理论模型不考虑岩石的材料缺陷，其理论基础与实际情况有一定的差距。 2.断裂理论阶段 断裂力学模型认为岩石中的裂纹扩展及断裂破坏是影响岩石爆破破碎效果的主要因素。与弹性模型不同的是该类模型将岩石视为含有微裂纹的脆性材料，岩石的破化过程就是其内部裂纹产生、扩展和断裂的过程。但断裂力学模型仍将裂纹周围看作是均匀的连续介质，因而其仅适用于宏观裂纹形成之后的断裂阶段，对材料开始劣化到宏观裂纹形成之间的力学行为和物理过程并未进行分析描述，其适用范围只限于宏观裂纹已形成的有层理或沉积类岩石。 3.损伤理论阶段 1980年美国Sandia国家实验室的Kipp和Grady开始进行岩石爆破损伤模型的研究，他们认为岩石中存在着大量随机分布的原生裂纹，在爆破作用下部分原生裂纹将被激活并发生扩展，激活的裂纹数服从指数分布。他们运用损伤因子D表示这些岩石裂纹开裂及损伤程度。经过 Seamen、Grady、Kipp、Kus 等人的努力，最后，由 Throne 进一步完善建立了一个能 【收稿日期】2007-10-29 【作者简介】桂林工学院青年扶持基金项目，桂工院科［2007］4号 【作者简介】黄志强（1977－），男，四川武胜人，桂林工学院讲师，主要从事工程力学相关科研工作。 岩石爆破破碎机理研究
岩石爆破技术的现状与发展 要：结合笔者对爆破技术的研究，对近几年来国内外较为先进的岩石爆破技术的理论及控制爆破技术方面进行简要的介绍，随着岩石爆破技术的不断发展，爆破工程机械化程度的提高，人们对工程爆破作业有害效应更加的专注。岩石爆破技术的发展对爆破施工发挥起到了重要的作用。 关键词：岩石爆破技术；爆破理论；现状；发展 在破岩的过程中采用最为普遍也是效果最好的手段就是爆破。岩石爆破技术的发展不仅仅取决机械设备、测量工具等硬件设备的发展，而且还需要依托爆破理论学、岩石力学等方面的理论成果。随着岩石爆破技术的不断发展以及爆破力学的不断深入，以及测量设备的不断改进、计算机技术在爆破中的普及应用，推动了我国爆破技术向着机械化、智能化方面发展，其只要体现在下面几个方面：一是岩石爆破中使用的各种机械设备逐渐的完善，爆破施工的机械化水平快速发展；二是在对岩石等相关材质的分析上广泛的采用了全新的扫描技术和分析处理技术，根据分析出的岩石的性质来选择与之相符的爆破方案；三是爆破的规模在不断的扩大，爆破的工艺也在不断的更新；四是在爆破的过程中更多的考虑到了环境保护，采用各种控制爆破技术，尽可能的降低岩石爆破对环境及生态造成的影响。五是在岩石爆破过程中开始普遍的应用计算机进行辅助爆破，或者进行计算机模拟爆破，特别是将计算机与GPS 定位系统结合之后发展了数字钻爆系统。这些方面的特点都对我国岩石爆破技术的发展起到深远的影响。
1 岩石爆破理论 所谓的岩石爆破就是利用炸药在爆炸的过程中产生的能量来破碎岩石的方法。岩石爆破理论可以系统的分为两个部分来进行概述：一是岩体中的爆破应力波，岩土在炸药爆炸的过程中，岩体会收到冲击和扰动，而在岩体中传播的波，在波的影响下岩体的内在状态会随之发生变化，因此我们将在固定中传播的扰动波称之为应力波；二是岩石爆破破碎机理，爆破机理的研究是一个较为复杂的课题，由于岩石爆破是也在一个高压、高温、高速的三高环境下发生的，在现有的科技条件下是无法进行测试的，而岩石的状态又是不定的，目前也找不到一个合适的状态方程来对岩石的变化进行科学合理的描述，因此，对岩石爆破作用机理的研究还仅仅停留在定性的阶段，现在实际采用的都是多年积累的经验，并没有科学的根据。虽然这个两种不通的机理，但是在实际的爆破过程中这两者都发挥着作用，只是在不通岩石材质下两者发挥的作用程度不一样。 岩石得以破坏是因为在爆破的过程中产生的应力超过了岩石本身多能够承受的最大限度，岩石的破坏与爆炸时产生的能量大小和岩石的力学特性有着紧密的联系。也就是说，要想对岩石进行破坏，在假定装药的型号、形式及自由面相同的条件下，药包装药的多少只要是由岩石的力学特性决定的。在岩石爆破技术的研究过程中，岩石的力学特性与爆破破碎的关系一直都是研究的一个重点。在一定程度上岩石的力学特性决定了这次岩石爆破的难易程度，它主要表现在岩石的抗压、抗拉、抗剪等方面。炸药的单耗与岩石的这些特性是成正比关系的，对于大多
南华大学-岩石的爆破破碎机理 第七章岩石的爆破破碎机理 概论 爆破是目前采矿工程中和其他基础工程中应用最广泛最频繁的一种破碎岩石的有效手段。为了更有效的利用炸药爆炸释放的能量达到一定的工程目的，研究炸药包爆炸作用下岩石的破碎机理是一项重要的科研课题。 炸药爆轰过程属于超动态动力学问题，从药包起爆到岩石破碎，只有几十微秒。 岩石的爆破机理研究是在生产实践的基础上，借助于高速摄影，模拟试验，数值分析对爆破过程中在岩石内发生的应力、应变、破裂、飞散等现象的观测基础上总结而成的。 （讲课时间5分钟） 第一节岩石爆破破坏的几种假说 一、爆炸气体产物膨胀压力破坏理论（讲课时间10分钟） 岩石主要由于装药空间内爆炸气体产物的压力作用而破坏。 炸药爆炸—气体产物（高温，高压）—在岩中产生应力场—引起应力场内质点的径向位移—径向压应力—切向拉应力—岩石产生径向裂纹；如果存在自由面，岩石位移的阻力在自由面方向上最小，岩石质点速度在自由面方向上最大，位移阻力各方向上的不等形成剪切应力导致岩石剪切破坏；爆炸气体剩余压力对岩块产生进一步的抛掷。 这种理论认为： 1、炸药的能量中动能仅为5%~15%，大部分能量在爆炸气体产物中； 2、岩石发生破裂和破碎所需时间小于爆炸气体施载于岩石的时间。 二、冲击波引起应力波反射破坏理论（讲课时间5分钟） 岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。 爆炸冲击波在自由面反射为拉伸波，岩石的抗拉强度低，岩石易受拉破坏。这种理论主要依据： 1、岩体的破碎是由自由面开始而逐渐向爆心发展的； 2、冲击波的压力比气体膨胀压力大得多。
图7-1 反射拉伸破坏 三、爆炸气体膨胀压力和冲击波所引起的应力波共同作用理论 （难点）（讲课时间10分钟） 爆破时岩石的破坏是爆炸气体和冲击波共同作用的结果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段起重要作用。 爆轰波衰减成应力波造成岩石“压碎”，压碎区以外造成径向裂隙。气体产生“气楔作用”使裂隙进一步延伸和张开，直到能量消耗完。尽管炸药的能量中动能仅为5%~15%，但岩石开始的破裂阶段是非常重要的。 爆炸气体产物膨胀的准静态能量是破碎岩石的主要能源，炸药作功能力同它的爆热和爆容有关。冲击波作用重要性同岩石的特性有关。岩石波阻抗较高时，要求有较高的应力波峰值，此时冲击波的作用更为重要。岩石按波阻抗值分为三类： 1、岩石波阻抗为10X105~25X105（g/cm2·s）； 2、岩石波阻抗为5X105~10X105（g/cm2·s）； 3、岩石波阻抗为2X105~5X105（g/cm2·s）。 不同条件下和不同目的情况下的爆破，可以通过控制炸药的应力波峰值和爆炸生成气 体的作用时间来达到预期目的
2. 工程爆破基本理论 爆破理论就是研究炸药爆炸与爆破对象（目标）相互作用规律的有关理论。对于内部爆破（装药置于爆破对象内部），例如岩土爆破，就是研究炸药在岩土介质中爆炸后的能量利用及其分配，也就是研究炸药爆炸产生的冲击波、应力波、地震波在岩土中的传播和由此引起的介质破坏规律，以及在高温高压爆生气体作用下介质的进一步破坏及其运动规律；对于外部爆破（装药与爆破对象之间有一定距离），例如军事上采用的接触或非接触构件爆破，就是研究炸药爆炸后产生的冲击波在传播过程中与目标的相互作用以及由此引起的爆破目标的破坏及其运动规律。它是一个复杂而特殊的研究系统。要阐明爆炸的历程、机理和规律，应包括以下研究内容： ⑴、爆破的介质在什么作用力下破坏的；破坏的规律及其影响因素； ⑵、爆破介质的特性，包括目标（岩土）的结构、构造特征、动态力学性质及其对 爆破效果的影响； ⑶、爆炸能量在介质中传递速率； ⑷、介质的动态断裂特性与破坏规律； ⑸、介质破碎的块度及碎块分布、抛掷和堆积规律； ⑹、空气冲击波与爆破地震波的传播规律、个别爆破碎块的飞散距离；以及由冲击波、地震波、个别飞石、爆体的落地震动等引起的爆破危害效应及其控制技术。 以岩石爆破为例，目前大量实验室和现场试验证明，岩体的爆破破碎有以下规律：（1）、应力波不仅使岩石的自由面产生片落，而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙，或者促使原生裂隙进一步扩大，在应力波传播过程中，岩体破碎的特点是：原生裂隙的触发、裂隙生长、裂隙贯通、岩体破裂或破碎；（2）、加载速率对裂隙的成长有很大作用：作用缓慢的荷载有利于裂隙的贯通和形成较长的裂隙，而高速率的载荷容易产生较多裂隙，但却拟制了裂隙的贯通，只产生短裂隙；（3）、爆破高压气体对裂隙岩体的破碎作用很小，但它有应力波不可 替代的作用：可以使由应力波破裂了的岩体进一步破碎和分离；（4）、岩体的结构面（岩体弱面的统称，包括节理、裂隙、层理等各种界面）控制着岩体的破碎，它们远大于爆破作用力直接对岩体的破坏。 同其它学科对事物的认识规律一样，对爆破理论的研究也是由浅入深的。不同学者先后提出了各种各样的假说或理论，例如，最初提出了克服岩石重力和摩擦力的破坏假说，以后又相继提出了自由面与最小抵抗线原理，爆破流体力学理论，最大压应力、剪应力、拉应力强度理论，冲击波、应力波作用理论，反射波拉伸作用理论，爆生气体膨胀推力作用理论，爆生气体准静楔压作用理论，应力波与爆生气体共同作用理论，能量强度理论，功能平衡理论，利文斯顿（Livingston）爆破漏斗理论和爆破断裂力学等等理论。这些理论观点各异，有些相互矛盾，有些互相渗透，有些不够全面，存在片面性，而且大部分视爆体为连续均匀的介质，与实际情况尚有一定差距。 目前，在爆破界比较倾向一致的是“爆炸冲击波、应力波与爆生气体共同作用”理论，
第24卷 增1 岩石力学与工程学报 V ol.24 Supp.1 2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，2005 收稿日期：2005–05–11；修回日期：2005–06–21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374063，50439030)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705) 作者简介：李俊如(1965–)，女，硕士，1987年毕业于重庆大学矿山工程物理专业，现任副研究员，主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail ：jrli@whrsm. https://www.doczj.com/doc/6716520254.html, 。 核电站基岩爆破开挖损伤区研究 李俊如1，夏 祥1，李海波1，王晓炜2，周青春1 (1. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2. 中广核工程有限公司，广东 深圳 518124) 摘要：根据岭澳核电站二期工程基岩爆破现场进行的4组声波试验，并基于爆前爆后声波波速变化率确定的损伤门槛值得到了各次爆破岩体的损伤范围。研究结果表明，周围岩体在爆孔的装药区段深度范围内，损伤程度最大，而近地面和爆孔底部以下的岩体损伤则较小；距爆区越近，岩体损伤变量越大，爆孔底部以下的损伤深度也越大；爆破作用下岩体的损伤深度要小于水平方向的损伤范围，其比例大约为1∶3；岩体的损伤范围随单孔药量增大的趋势明显。 关键词：岩石力学；损伤范围；核电站；声波测试； 基岩爆破 中图分类号：TU 459+.3 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增1–4674–05 STUDY ON BLAST-INDUCED BEDROCK DAMAGE EXTENSION FOR A NUCLEAR POWER STATION PROJECT LI Jun-ru 1，XIA Xiang 1，LI Hai-bo 1，WANG Xiao-wei 2，ZHOU Qing-chun 1 (1. Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan 430071，China ； 2. China Guangdong Nuclear Power Station Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen 518124，China ) Abstract ：Four groups of sonic wave tests have been performed in the bedrock blasting excavation at the Ling ′ao nuclear power station project of Guangdong Province ，China. The changes of sonic wave speed before and after the detonation are obtained. Based on the relationship of sonic wave changing ratio and the critical damage parameter ，the damage extention of each blast and sonic wave test is determined. It is found that surrounding rock in the depth of charging section is the most seriously damaged. In the area adjacent to the ground and beneath the bottom of the charge hole ，the rock is less damaged under blasting. The damage parameters and depth under the bottom of charge holes increase clearly with the decreasing distance from the donation. It has also been observed that the horizontal damage distance of rock under explosion is approximate 3 times of the damage depth. The blast-induced damage extention distinctly increases with the single charge weight. Key words ：rock mechanics ；damage extension ；nuclear power station ；sonic wave testing ；rock blasting 1 引 言 广东岭澳核电站厂址位于深圳市东南45 km ，位于大亚湾核电站东北方向1～2 km 的沿海地带，设计总装机容量为360×104 千瓦，分两期进行，其中一期(1# ，2# )两台机组已先后于2002年和2003年 投入使用。即将营建的二期工程3#，4#两台机组， 将布置在一期1#，2#机组以东约340 m 处，场平标高7.00 m PRD 。根据现场地质勘察报告，二期工程场区基岩未发现断裂，主要由长英角岩、堇青石角岩和钠长石化细粒斑状花岗岩、细粒花岗岩构成，原岩是晚泥盆世春湾组碎屑岩。根据设计要求，需要对基岩爆破开挖，而爆破会对下卧基岩造成一定
现代爆破理论2006年6月16日
前言 随着爆破技术和相邻学科的发展，爆破理论的研究也有了长足的进步。特别是岩体结构力学、岩石动力学和计算机模拟爆破技术的发展，使爆破理论的研究更实用化，更系统化了。 当今岩体力学已从以材料力学为基础的连续介质岩体力学发展为以工程地质为基础的非连续介质岩体力学。岩体结构面特征对爆破的影响日益引起人们的重视。 岩石动力学作为爆炸力学、冲击力学与爆破工程相结合的一门边缘学科，它的产生和发展无疑对岩石爆破破碎原理的研究是一种推动力量。 计算机模拟爆破技术的发展，不仅可以预算出最优的爆破效果，而且可以在计算机上再现岩石爆破的动态过程，从而大大减少现场试验所消耗的人力、物力，并能准确地查明各种因素对爆破效果的影响。它代表着90年代爆破技术的最高水平，也是爆破技术由工艺过渡到科学的重要标志之一。但是，从总体上看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研究和生产实际仍有不小的差距。再加上爆破过程的瞬时性和岩石性质的模糊性、不确定性、致使爆破理论众说纷法，争论不止。美国矿业局W．L．福尔内（Faurney）等人认为：“岩石破碎的过程仍然没有阐明，在公开文献中尚有许多混乱和相互矛盾的论点……”南非的C．V．B．坎宁安（Cunninghan）在论及岩石爆破过程中动压与静压哪个占主导地位时谈到“60年代以来，一直为人们所争论，毫无疑问，今后仍将争论一段时间”。南非矿业研究会高级工程师J．R布里克曼（Brinkman）在1987年召开的第二届爆破破岩国际会议（2nd International Symposium on Rock Fragmentation byBlasting）上谈到：“岩石爆破破碎机理目前仍存在着相互矛盾的观点”。 在爆破理论迅速发展又众说纷云、相互矛盾的情况下，从发展的角度去研究不同时期各派爆破理论的主要论点、依据，从中找出发展趋势，无论是对于爆破理论本身的研究还是指导工程实践都有着重要意义。 爆破理论的传统内容包括，岩石是在什么作用力下破碎的；破碎的规律以及其影响因素。随着人们对爆破现象认识的逐步加深，对于爆破理论的研究内容和范围也相应扩大。 1958年日本召开的岩石爆破机理讨论会上，东京大学的山口梅太郎认为，爆破机理的研究范围应该包括： （1）力学的爆破机理： 理论的研究； 爆破时的各种测定； 现场爆破效果的总结。 （2）关于炸药的研究： 广义的炸药破坏力的研究； 药室内压力的研究。 （3）对作为爆炸对象的岩石性质的研究： 岩石物理性质的研究； 作为岩体的岩石性质的研究。 实践证明，这些观点已被很多人接受。前苏联学者A．H．哈努卡耶夫（Ханукаев）认为，爆破法破碎岩石的过程就是岩石爆破的物理过程。要使更多的炸药能量用于破碎岩石，就必须使炸药的爆轰性能与岩石的性质相匹配。因此，炸药的研究和岩石性质的研究构成了爆破机理研究的重要组成部分。我国著名学者杨善元教授认为，爆破是一种动态的力学过程，用“岩石爆破动力学”来概括岩石爆破的理论基础比较合适，其内容应该包括：（1）波动物理学； （2）爆炸力学（包括热流体力学与冲击波理论，热化学与爆轰理论）；
岩石爆破施工方案 （1）爆破方案选择 根据本露天矿采剥工艺，结合采装设备对岩石破碎块度、疏散度的要求，考虑到岩石的软硬程度，确定本矿山岩石层破碎方式为台阶松动爆破。 煤层顶板岩层厚度（即穿孔工作面到煤层的高度）若不足一个标准台阶高度，可采用小台阶爆破法处理，做到“分爆分采”，减少废石混入和降低贫化。 部分爆破区的炮孔穿透含水层，水孔装药应使用乳化炸药。 掘沟工程可根据掘沟高度即掘沟宽度单独进行爆破设计。（2）标准台阶孔网参数设计（爆破对象为一般难爆岩石，达到爆破松动的效果，采用“经验法”设计） 矿山生产标准台阶高度10m，本矿爆破岩石厚度3-8m，本设计采用爆破最大用药量,用8m计算，使用的穿孔设备时KY120型履带式露天潜孔钻机，穿孔直径d=120mm。 根据矿区岩层可爆性分析，结合类似矿山的爆破经验，炸药单耗 kg。施工过程中可根据不同爆破区的岩石硬度、初步确定为q=0.40 3 m 可爆性、岩石结构、层理发育程度的因素进行适当的调整，以期达到最佳爆破经济效果。 1）、孔径?=110mm; 2）、台阶高度H=8.0m 3）、炮孔超深取h=1.5m
4）、炮孔深度L=H+h=9.5m 5）、填塞长度ho=3.0m 6）、单孔装药量Q=qabW kg 7）、实际单孔单耗q=0.43m 8）、布孔方式：穿凿竖直孔，一般采用梅花形布孔方式。 a=5m b=5m Q后排=Q前排（1.1≈1.2） 9）、总孔数n=50 10）、药量数Q总=50×60=3.0T 在采剥过程中由于开采的需要，有时采取低台阶爆破法，孔网及装药参数计算方法同上，即在保证爆破质量的前提下算出不同的孔网、装药参数，经设计计算得出不同条件下的参数如下表。 表1：经过计算调整后的低台阶爆破穿、爆参数成果表
爆破技术的发展现状及发展趋势 采矿10-1高宇 10010 2 摘要: 随着爆破技术和相邻学科的发展, 爆破理论的研究也有了长足的进步。特别是岩体结构力学、岩石动力学和计算机模拟爆破技术的发展, 使爆破理论的研究更实用化, 更系统化了。 关键字: 爆破技术爆破理论 引言: 当今岩体力学已从以材料力学为基础的连续介质岩体力学发展为以工程地质为基础的非连续介质岩体力学。岩体结构面特征对爆破的影响日益引起人们的重视。 岩石动力学作为爆炸力学、冲击力学与爆破工程相结合的一门边缘学科, 它的产生和发展无疑对岩石爆破破碎原理的研究是一种推动力量。 计算机模拟爆破技术的发展, 不但能够预算出最优的爆破效果, 而且能够在计算机上再现岩石爆破的动态过程, 从而大大减少现场试验所消耗的人力、物力, 并能准确地查明各种因素对爆破效果的影响。它代表着90年代爆破技术的最高水平, 也是爆破技术由工艺过渡到科学的重要标志之一。可是, 从总体上看, 爆破理论的发展依然滞后爆破技术的要求, 理论研究和生产实际仍有不小的差距。再加上爆破过程的瞬时性和岩石性质的模糊性、不确定性、致使爆破理论众说纷法, 争论不止。美国矿业局W．L．福尔内( Faurney) 等人认为: ”岩石破碎的过程依然没有阐明, 在公开文献中尚有许多混乱和相互矛盾的论点……”南非的C．V．B．坎宁安( Cunninghan) 在论及岩石爆破过程中动压与静压哪个占主导地位时谈到”60年代以来, 一直为人们所争论, 毫无疑问, 今后仍将争论一段时间”。南非矿业研究会高级工程师J．R布里克曼( Brinkman) 在 1987年召开的第二届爆破破岩国际会议( 2nd International Symposium on Rock Fragmentation byBlasting) 上谈到: ”岩石爆破破碎机理当前仍存在着相互矛盾的观点”。
岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39 一、岩石爆破破碎的主因 破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。 1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔） 当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。这种破裂方式亦称“片落”。随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗内的岩石完全拉裂为止。因此岩石破碎的主要部分是入射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。 2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等） 从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。它在很大程度上忽视了冲击波的作用。 3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等）这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。此外，爆炸冲击波对高阻抗的致密、坚硬岩石作用更大，而爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软弱岩石的破碎效果更佳。 二、炸药在岩石中的爆破作用的范围 1、炸药的内部作用 假设岩石为均匀介质，当炸药置于无限均质岩石中爆炸时，在岩石中将形成以炸药为中心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎区、裂隙区及弹性振动区。 （1）粉碎区（压缩区） 炸药爆炸后，爆轰波和高温、高压爆炸气体迅速膨胀形成的冲击波作用在孔壁上，都将在岩石中激起冲击波或应力波，其压力高达几万MPa、温度高达30000以上，远远超过岩石的动态抗压强度，致使炮孔周围岩石呈塑性状态，在几到几十毫米的范围内岩石熔融。尔后随着温度的急剧下降，将岩石粉碎成微细的颗粒，把原来的炮孔扩大成空腔，称为粉碎区。如果所处岩石为塑性岩石（黏土质岩石、凝灰岩、绿泥岩等），则近区岩石被压缩成致密的、坚固的硬壳空腔，
武汉大学 博士学位论文 岩体爆破理论模型与应用研究 研究生姓名： 指导教师姓名、职称：教授 学科专业名称：岩土工程
研究方向：工程爆破 2005年4月日
Theory Model of Rock Mass Blasting and Its Application Ph.D.Candidate: Yao Jinjie Mentor: Prof.Zhu Yiwen April,2005
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摘要 本文对岩体爆破的理论模型及其应用进行了研究。在回顾岩体爆破理论模型研究发展的历史和成就的基础上，建立了一种新的爆破损伤统计演化理论模型、建立了爆破参数设计的神经网络模型、建立了损伤岩体控制爆破的计算模型、建立了爆破器材优化的理论模型，理论模型用于生产实践取得了初步成果。 人类进行岩石爆破的历史已经有二百多年，岩体爆破是目前岩土工程中对岩石开挖所采用的最有效的主要方法，岩石爆破技术在国民经济建设的很多领域得到了广泛应用；在目前迅速发展的国民经济建设中，爆破工程的应用程度范围越来越广泛，在水利水电、矿山、交通等各个行业的应用带来了巨大的社会效益和经济效益；长期以来，岩体爆破的理论模型研究一直是岩体爆破和岩石动力学研究领域的的一个热点课题，并且日益受到工程爆破学术界和工程应用部门的关注，岩体爆破理论模型的研究具有非常重要的理论和实践意义。 回顾岩石爆破的理论的发展历程，先后经过了经验理论、弹性理论、断裂理论和损伤理论几个阶段的发展。经验理论阶段比较著名的理论有炸药量与岩石破碎体积成比例理论、L.W.利文斯顿的爆破漏斗理论、冲击波拉伸破坏理论等；在上世纪70～80年代出现的Harries模型和Favreau模型是具有代表性的弹性爆破理论模型，他们都将岩石视为均质弹性体处理；随着断裂力学的发展和岩石断裂理论研究的深入，岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也渗入了爆破理论研究领域，断裂理论爆破模型主要有BCM模型和NAG－FRAG模型；美国Sandia国家实验室从上世纪80年代初就开展了岩石爆破损伤模型的研究，Kipp和Grady提出了最初的损伤模型，杨军等在分形岩石力学研究的背景下，提出了一种岩石爆破分形损伤的理论模型。 岩体具有复杂的地质构造结构，岩体中普遍存在的结构面形成了岩体的初始损伤。损伤力学中对损伤参量的定义是指损伤面积与有效面积之比，已有的岩石爆破损伤模型对损伤参量的定义分为两种，一种是表示为(体积)弹性模量的降低，一种是表示为已经破裂的结构面面积与潜在的节理面结构面面积之比。 本文将岩体的损伤与岩体爆破之后的块体总表面积联系起来，引入爆堆块体的总表面积S∑，把S∑作为有效面积，损伤量W的定义仍然表示为损伤面积与有
高等岩石力学作业简述岩石构造与性质对爆破的影响
简述岩石构造与性质对爆破的影响 【摘要】本文主要阐述了岩石的裂隙性和岩石的坚固性对岩石爆破影响，并提出 相关的分析。 1、岩石分类 岩石是一种或几种矿物组成的天然集合体［1~2］，其种类很多，但按其成因，可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。另外，第四纪以来，由于风化作用、流水作用、风的作用等各种地质作用的结果，形成了各种堆积物，这些堆积物尚未硬结成岩，一般统称为松散沉积物。 2、与爆破相关的岩石性质 岩石介质对爆破作用的抵抗能力与其性质有关，对三种不同性质的岩石而言，一般的说岩浆岩可爆性较差（对爆破作用的抵抗能力最强），沉积岩和变质 岩的可爆性较好。岩石的基本性质从根本上说决定于其生成条件、矿物成分、结构构造状态和后期地质的营造作用。用来定量评价岩石的物理力学性质的参数有100多个，但与爆破有关的主要参数，一般来说有10个［3~4］，如：密度、堆积密度、孔隙率、岩石的波阻抗、岩石的风化程度、岩石的抗冻性、岩石的变形特征、岩石的强度特征、弹性模量、泊松比［5~8］。 （1）密度 密度指岩土的颗粒质量与所占体积之比。一般常见岩石的密度在 3 1400~3000kg/m之间。 （2）堆积密度 堆积密度指包括孔隙和水分在内的岩土总质量与总体积之比，也称单位体积岩石质量。密度与堆积密度相关，密度大的岩石其堆积密度也大。随着堆积密度的增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力也增强，破碎岩石和移动岩石所耗费的能量也增加。（3）孔隙率 岩石的孔隙率n是指岩石中孔隙率体积与岩石的总体积之比，也称孔隙度。常见岩石的孔隙率一般在0.1%~30%之间。随着孔隙率的增加，岩石中冲击波和 应力波的传播速度降低
岩石爆破理论模型 摘要：岩石爆破模型的研究是爆破理论和技术发展的关键，通过研究爆破过程 及其参数的变化规律可揭示爆破作用的本质，为完善和发展爆破理论及技术提供基础。 关键词：岩石爆破模型;弹性;断裂;损伤 1、岩石爆破机理 在岩石爆破机理研究中，一般认为造成岩石破坏的原因是冲击波和爆炸生成气体膨胀压力共同作用的结果；但是关于爆炸冲击波和爆炸生成气体准静态压力哪个起主要作用，目前仍存在着两种不同的观点。一种观点认为冲击波的作用只表现在对形成初始径向裂纹起先导作用，而大量破碎岩石则是依靠爆炸生成气体膨胀压力作用。另一种观点则认为爆破过程中哪种载荷起主要作用要取决于岩石的阻抗波，即高波阻抗岩石应力波起主要作用，低波阻抗岩石爆炸生成气体起主要作用；对于均质岩体以应力波作用为主；对于整体性不好、节理裂隙发育的岩体，以爆炸生成气体作用为主。 爆生气体膨胀作用炸药爆炸生成高温高压气体,膨胀做功引起岩石破坏。爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移,由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样,质点位移所受的阻力就不同,最小抵抗线方向阻力最小,岩石质点位移速度最高。正是由于相邻岩石质点移动速度不同,造成了岩石中的剪切应力,一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度,岩石即发生剪切破坏。破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出,形成一倒锥形的爆破漏斗坑。 按理论基础可将爆破模型分为以下几类:以弹性理论处理爆破问题的弹性力学模型;以断裂理论特别是线弹性断裂力学为基础的断裂力学模型;以研究损伤演化特别是细观损伤演化为框架的损伤力学模型;以及将岩石由损伤累积而导致的破坏视为一种逾渗转变的逾渗模型。 2、弹性力学模型 2、1 G.Harries模型 G.Harries模型是建立在弹性应变波基础上的高度简化的二维模型,将岩石视为均质连续的弹性介质。假设岩石为以炮孔轴线为中心的厚壁圆筒,爆炸应力波使与炮孔轴线垂直的平面内质点产生径向位移,当径向位移派生出的切向应变值超过岩石的动态极限抗拉应变T时,岩石中形成径向裂隙。径向裂隙数由下式决定: N=εθ/T 式中 N为径向裂隙条数;εθ为作用于炮孔上的最大切向拉应变。采用MonteCarlo方法确定爆破裂纹分割的块度。该模型首次解决了物理模型使用的局限性和难以定量的问题,但由于没有考虑天然节理裂隙对应力波传播和破碎块度的影响,所以不可避免地影响计算结果的准确性和可靠性。 2、2 R.F.Favreau模型 R.F.Favreau模型是在爆炸应力波理论基础上建立的三维弹性模型,以岩石动态抗拉强度为破坏判据。该模型不仅充分考虑了爆炸应力波和爆生气体综合作
高等岩石力学作业 简述岩石构造与性质对爆破的影响
简述岩石构造与性质对爆破的影响 【摘要】本文主要阐述了岩石的裂隙性和岩石的坚固性对岩石爆破影响，并提出相关的分析。 1、岩石分类 岩石是一种或几种矿物组成的天然集合体[1~2]，其种类很多，但按其成因，可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。另外，第四纪以来，由于风化作用、流水作用、风的作用等各种地质作用的结果，形成了各种堆积物，这些堆积物尚未硬结成岩，一般统称为松散沉积物。 2、与爆破相关的岩石性质 岩石介质对爆破作用的抵抗能力与其性质有关，对三种不同性质的岩石而言，一般的说岩浆岩可爆性较差（对爆破作用的抵抗能力最强），沉积岩和变质岩的可爆性较好。岩石的基本性质从根本上说决定于其生成条件、矿物成分、结构构造状态和后期地质的营造作用。用来定量评价岩石的物理力学性质的参数有100多个，但与爆破有关的主要参数，一般来说有10个[3~4]，如：密度、堆积密度、孔隙率、岩石的波阻抗、岩石的风化程度、岩石的抗冻性、岩石的变形特征、岩石的强度特征、弹性模量、泊松比[5~8]。 （1）密度 密度指岩土的颗粒质量与所占体积之比。一般常见岩石的密度在1400~3000kg/3m之间。 （2）堆积密度 堆积密度指包括孔隙和水分在的岩土总质量与总体积之比，也称单位体积岩
石质量。密度与堆积密度相关，密度大的岩石其堆积密度也大。随着堆积密度的增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力也增强，破碎岩石和移动岩石所耗费的能量也增加。 （3）孔隙率 岩石的孔隙率n是指岩石中孔隙率体积与岩石的总体积之比，也称孔隙度。常见岩石的孔隙率一般在0.1%~30%之间。随着孔隙率的增加，岩石中冲击波和应力波的传播速度降低。 （4）岩石的波阻抗 岩石的波阻抗指岩石中纵波波速（C）与岩石密度（ ）的乘积。岩石的这一性质与炸药爆炸后传给岩石的总能量及这一能量传递给岩石的效率有直接关系。它反映了岩石对动量传递的抵抗能力，波阻抗大的岩石往往比较难以爆破。（5）岩石的风化程度 岩石的风化程度指岩石在地质力和外力的作用下发生破坏疏松的程度。（6）岩石的抗冻性 岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。岩石的抗冻性是指岩样在±25℃的温度区间，反复降温、冻结、升温、溶解，其抗压强度有所下降。 （7）岩石的变形特征 岩石的变形特征有：弹性、塑性、脆性 （8）岩石的强度特征 岩石的强度特征：单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度
第20卷 第3期爆炸与冲击Vol.20,No.3 2000年7月EXPLOSION AND SHOC K WAVE S Jul.,2000 文章编号:1001-1455(2000)03-0247-06 岩石爆破损伤断裂的细观机理 杨小林1,王树仁2 (1.焦作工学院,河南焦作 454100; 2.中国矿业大学北京校区,北京 100083) 摘要:基于现有岩石爆破机理和岩石细观损伤力学,认为岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸 应力波的初期动态损伤演化阶段和后期爆生气体作用下的准静态损伤演化阶段,并分别建立了这 两个阶段的损伤模型和断裂准则,阐述了岩石爆破损伤断裂的细观理论。 关键词:岩石爆破;应力波;爆生气体;损伤机理 中图分类号:TD235 1+1 文献标识码:A 1 引 言 以往采用的经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;而采用细观力学方法则是深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程的有效手段。 岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸应力波动作用和爆生气体准静态作用两个阶段,由于岩石对动态和静态加载的响应差别较大,因此其损伤断裂机理也有所不同;而且爆生气体对岩石的损伤断裂作用在爆破近区和中远区又不相同。在爆破近区气体可能要渗入岩石内部裂纹中,裂纹的扩展以气体驱动下的模式扩展;而在爆破中远区的微裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力作用下发生的。现有的岩石爆破损伤模型[1~2]只考虑了应力波作用下的岩石内部由于微裂纹扩展所造成的损伤问题,显然不能全面合理地反映岩石爆破损伤断裂的实际情况。在现有岩石爆破损伤模型和岩石细观损伤力学的基础上,我们探讨了岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下损伤断裂的基本理论。 2 岩石爆破损伤断裂过程 岩石爆破损伤断裂的细观机理是以岩石爆破机理和岩石细观损伤力学为理论基础的。岩石爆破理论包含两部分内容:一是爆炸应力波的动作用机理;二是爆生气体的准静态作用机理。尽管基于二者之一发展了不同的岩石爆破机理,但目前已基本上得到共识,认为岩石的爆破破坏是二者共同作用的结果,只是在不同的岩石和装药条件下,二者的作用程度不同。 根据岩石爆破理论[3],炸药在无限大的岩体中爆炸时,在岩石内部将产生爆炸冲击波作用下的粉碎区(近区)、爆炸应力波和爆生气体作用下的裂隙区(中区)以及爆炸振动波的弹性振动区(远区)。由于在爆破近区,岩石被强烈压缩破碎,且作用范围小,而爆破远区是弹性振动 收稿日期:1999-08-18;修回日期:1999-12-31 作者简介:杨小林(1963 ),博士,副教授。
岩石爆破技术的现状与发展 结合笔者对爆破技术的研究，对近几年来国内外较为先进的岩石爆破技术的理论及控制爆破技术方面进行简要的介绍，随着岩石爆破技術的不断发展，爆破工程机械化程度的提高，人们对工程爆破作业有害效应更加的专注。岩石爆破技术的发展对爆破施工发挥起到了重要的作用。 标签：岩石爆破技术；爆破理论；现状；发展 在破岩的过程中采用最为普遍也是效果最好的手段就是爆破。岩石爆破技术的发展不仅仅取决机械设备、测量工具等硬件设备的发展，而且还需要依托爆破理论学、岩石力学等方面的理论成果。随着岩石爆破技术的不断发展以及爆破力学的不断深入，以及测量设备的不断改进、计算机技术在爆破中的普及应用，推动了我国爆破技术向着机械化、智能化方面发展，其只要体现在下面几个方面：一是岩石爆破中使用的各种机械设备逐渐的完善，爆破施工的机械化水平快速发展；二是在对岩石等相关材质的分析上广泛的采用了全新的扫描技术和分析处理技术，根据分析出的岩石的性质来选择与之相符的爆破方案；三是爆破的规模在不断的扩大，爆破的工艺也在不断的更新；四是在爆破的过程中更多的考虑到了环境保护，采用各种控制爆破技术，尽可能的降低岩石爆破对环境及生态造成的影响。五是在岩石爆破过程中开始普遍的应用计算机进行辅助爆破，或者进行计算机模拟爆破，特别是将计算机与GPS定位系统结合之后发展了数字钻爆系统。这些方面的特点都对我国岩石爆破技术的发展起到深远的影响。 1 岩石爆破理论 所谓的岩石爆破就是利用炸药在爆炸的过程中产生的能量来破碎岩石的方法。岩石爆破理论可以系统的分为两个部分来进行概述：一是岩体中的爆破应力波，岩土在炸药爆炸的过程中，岩体会收到冲击和扰动，而在岩体中传播的波，在波的影响下岩体的内在状态会随之发生变化，因此我们将在固定中传播的扰动波称之为应力波；二是岩石爆破破碎机理，爆破机理的研究是一个较为复杂的课题，由于岩石爆破是也在一个高压、高温、高速的三高环境下发生的，在现有的科技条件下是无法进行测试的，而岩石的状态又是不定的，目前也找不到一个合适的状态方程来对岩石的变化进行科学合理的描述，因此，对岩石爆破作用机理的研究还仅仅停留在定性的阶段，现在实际采用的都是多年积累的经验，并没有科学的根据。虽然这个两种不通的机理，但是在实际的爆破过程中这两者都发挥着作用，只是在不通岩石材质下两者发挥的作用程度不一样。 岩石得以破坏是因为在爆破的过程中产生的应力超过了岩石本身多能够承受的最大限度，岩石的破坏与爆炸时产生的能量大小和岩石的力学特性有着紧密的联系。也就是说，要想对岩石进行破坏，在假定装药的型号、形式及自由面相同的条件下，药包装药的多少只要是由岩石的力学特性决定的。在岩石爆破技术的研究过程中，岩石的力学特性与爆破破碎的关系一直都是研究的一个重点。在一定程度上岩石的力学特性决定了这次岩石爆破的难易程度，它主要表现在岩石