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文檔簡介
第四節巖石爆破基本原理§4.1爆破破碎原理學習目的:1、了解爆炸荷載(能量)作用下巖體的變形與破壞規律,分析爆破破碎的基本原理,指導爆破設計與施工。2、便于實現低能耗、高效率、安全可靠破碎巖體的目的,并有效地控制爆破產生的各種危害。
巖石爆破理論是研究炸藥爆炸與爆破對象(目標)相互作用規律的理論。巖石爆破破碎機理研究的主要內容:(1)炸藥爆炸釋放的能量是通過何種形式作用在巖石上;(2)巖石在這種能量作用下處于什么樣的應力狀態;(3)巖石在這種應力狀態中怎么發生破壞、變形和運動的。(4)影響巖石破壞的因素。(5)炸藥裝藥量和爆破效果關系。巖石爆破破碎機理研究存在的主要困難:(1)炸藥爆炸荷載復雜性
高速、高溫、高壓、高能量密度荷載(2)巖體本身的復雜性
不均質性,各向異性,非連續,非線性(3)爆破施工工藝多樣性
在總結生產實踐經驗的基礎上,借助于高速攝影,模擬試驗和數值分析對爆破過程中在巖石內發生的應力、應變、破裂、飛散等現象的觀測,人們已經逐步掌握了巖石爆破破碎的基本規律,提出了一些爆破破壞理論或假說。炸藥在巖石中爆破的破壞模式主要的五種破壞模式12徑向裂隙作用;3卸載引起的巖石內部環狀裂隙作用;5爆炸氣體擴展應力波所產生的裂隙。4反射拉伸引起的“片落”和引起徑向裂隙的延伸;炮孔周圍巖石的壓碎作用;即爆轟氣體膨脹推力作用理論(靜作用理論)氣體膨脹推力巖石徑向位移地表距離不等相鄰巖石質點移動速度不等位移阻力不等相鄰巖石產生切向拉應力巖石破壞一、爆炸作用的基本原理爆轟氣體破壞作用的觀點徑向壓應力徑向裂隙沖擊波引起應力波反射破壞理論
巖石的破壞主要是由自由面上應力波反射轉變成的拉應力波造成的。巖石破壞當炸藥在巖石中爆轟時,猛烈沖擊周圍的巖石,在巖石中引起強烈的爆炸應力波,它的強度大大超過了巖石的動抗壓強度,引起周圍巖石的粉碎性破壞。當爆炸應力波通過粉碎圈以后,它的強度己下降到不能直接引起巖石的壓縮破壞,但壓縮應力波派生的切向拉應力,可在巖石中產生徑向裂紋。當壓縮應力波達到自由面時,反射成為拉伸波,拉伸波仍足以將巖石拉斷,產生層裂(片落)。主要依據(1)沖擊波波陣面的壓力比爆炸氣體產物的膨脹壓力大得多;(2)巖石的抗拉強度比抗壓強度低得多,在自由面處確實常常發現片裂、剝落現象。(3)根據應力波理論:壓縮應力波在自由面處反射成為拉伸應力波。
爆炸氣體膨脹壓力和應力波共同作用
爆破時巖石的破壞是爆炸氣體和應力波共同作用的結果,它們各自在巖石破壞過程的不同階段起重要作用。
炸藥爆炸后在巖石中產生爆炸沖擊波,使炮孔周圍附近的巖石被“粉碎”;由于消耗大量的能量,沖擊波衰減為應力波,在粉碎區之外造成徑向裂隙,反射應力波使這些裂紋進一步擴展;爆炸氣體產物膨脹,產生“氣楔作用”使開始發生的裂隙擴大、貫通形成巖塊,當爆生氣體的壓力足夠大時,爆轟氣體將推動破碎巖塊作徑向拋擲運動,使巖石脫離母巖產生拋擲,直到能量消耗完。
說明1:對于不同性質的巖石和炸藥,應力波與爆生氣體的作用程度是不同的。(1)在堅硬巖石、高猛度炸藥、偶合裝藥或裝藥不偶合系數較小的條件下,應力波的破壞作用是主要的;(2)在松軟巖石、低猛度炸藥、裝藥不偶合系數較大的條件下,爆生氣體的破壞作用是主要的。說明2:當僅考慮巖石性質時,則有:高阻抗巖石(ρc=15~25MPa/s):巖石破壞以應力波為主。中阻抗巖石(ρc=5~15MPa/s):巖石破壞為應力波和爆生氣體壓力共同作用的結果。低阻抗巖石(ρc<5MPa/s):巖石破壞以爆生氣體為主。二、爆破作用過程1.應力波的動態作用過程特點:波峰應力值高,傳播速度快,作用時間短。2.爆轟氣體的似靜壓作用過程特點:壓力較低,作用時間較長.
炮孔壓力—時間曲線
t1-藥包爆轟反應完成時間t2-爆轟氣體產物作用時間圖
3.爆破時巖體內的應力狀態(集中藥包)(1)應力波在巖體中的傳播規律①(3~7)r:沖擊波作用區;特點:沖擊波強度極大,波峰應力值高,巖石產生塑性變形或粉碎,消耗大部分能量,沖擊波急劇衰減。應力衰減與距離三次方成正比。爆炸應力波及其作用范圍r—藥包半徑tH—介質狀態變化的時間ts—介質狀態恢復到靜止狀態的時間
②(8~150)r:應力波作用區;特點:沖擊波
壓應力波,波陣面上的狀態參數變化比較平緩;波速等于巖石中的聲速。由于壓應力波的作用,巖石處于非彈性狀態,可導致巖石的破壞或殘余變形。應力衰減與距離二次方成正比。爆炸應力波及其作用范圍r—藥包半徑tH—介質狀態變化的時間ts—介質狀態恢復到靜止狀態的時間
③>150r:彈性振動區;特點:應力波
地震波。地震波只能引起巖石質點的彈性振動,而不能使巖石產生破壞;應力衰減與距離呈線性關系。爆炸應力波及其作用范圍r—藥包半徑tH—介質狀態變化的時間ts—介質狀態恢復到靜止狀態的時間
(2)應力波在巖體中引起的應力狀態某點應力狀態:直達縱波、直達橫波,縱波反射生成的反射縱波和反射橫波,橫波反射生成的反射縱波和反射橫波等的動應力疊加而成。波到達A點的應力分析自由面附近巖體中各點的主應力σ1和σ2的方向如下左圖所示。由于巖石抗拉強度很小,在拉應力的作用下容易產生裂隙,所以爆破裂隙受σ2的控制,是圍繞最小抵抗線為對稱軸分布的喇叭形,如下右圖所示。(3)爆轟氣體壓力下巖體的應力狀態爆轟氣體引起的σ1常為壓應力,而σ2不常為拉應力,隨著至最小抵抗線的距離超過某一極限值后,變為壓應力。§4.2單個藥包及成組藥包的爆破作用一、單個藥包爆破的內部作用(無限均勻巖石介質中的爆破作用)1.定義藥包爆炸后,只在巖石內部產生破壞和變形,而地表(自由面)不出現明顯破壞,這種作用稱為爆破的內部作用。概念要點:巖石內部有破壞,地表未破壞。基本假定:①藥包是球形的;②藥包放在無限介質中;
③介質是均勻的各向同性。2.巖石的破壞特征①藥室被擴大,形成一個空腔;②產生了徑向、環向裂隙,以及剪切裂隙;③距藥包較遠處,巖石完好無損。爆破的內部作用徑向裂隙環向裂隙空腔巖石完好無損3.巖石破壞的原因①藥室擴大為空腔的原因
巖石被壓縮,形成一個空腔。
沖擊強度大于巖石動抗壓強度
藥室巖壁受到強烈沖擊
爆轟波(沖擊波)+高溫高壓爆生氣體炸藥爆炸原因:爆轟波(沖擊波)和高壓爆轟氣體對藥室巖壁產生了強烈沖擊(壓縮)。②產生徑向裂隙的原因
藥室巖壁受到強烈沖擊
爆轟波(沖擊波)+高壓爆轟氣體炸藥爆炸
空腔
在巖石中形成壓應力波(徑向壓應力)
切向拉應力σθ
巖石開裂
徑向裂隙原因:徑向壓應力(壓縮)引起切向拉應力(拉伸)。下
巖石受到徑向壓縮
產生徑向位移③產生環向裂隙的原因徑向壓應力
巖石受到徑向壓縮
巖石儲存部分彈性變形能
解除壓應力
彈性變形能釋放,引起巖石質點向心運動
產生徑向位移(外內,拉應變)
徑向拉應力原因:彈性變形能釋放(卸載波)產生了徑向拉應力。
徑向裂隙
巖石開裂
環向裂隙下④產生剪切裂隙的原因在徑向裂隙和環向裂隙形成的同時,巖石還受到徑向應力和切向應力的的共同作用,進而產生剪切裂隙。如圖所示。4.巖石的分區根據巖石的破壞特征,由內向外,可將巖石大致分為三個區:①壓縮區形成的空腔稱為壓縮區。
下壓縮區炸藥包返回R1=(2~7)R0c.壓縮區范圍很小,其半徑由于壓縮區處于堅固巖石的約束條件下,而在三軸壓縮情況下巖石的動抗壓強度增大,且大多數巖石的可壓縮性很差,所以壓縮范圍很小。說明:a.壓縮區又稱為粉碎區;b.壓縮區消耗了大部分爆炸能量。②破裂區產生徑向、環向裂隙的巖石范圍,稱為破裂區。
:由于壓縮或粉碎巖石消耗了大量能量,巖石中的沖擊波衰減成壓應力波。在應力波的作用下,巖石在徑向產生壓應力和壓縮變形,而切向方向將產生拉應力和拉伸變形。由于巖石的抗拉強度僅為其抗壓強度的十分之一到五十分之一,當切向拉應力大于巖石的抗拉強度時,該處巖石被拉斷,形成與粉碎區貫通的徑向裂隙。環向裂隙:壓縮應力波通過壓縮區外層巖石時,巖石受到強烈的壓縮而儲蓄了一部分彈性變形能;隨著徑向裂隙的形成,作用在巖石上的壓力迅速下降,藥室周圍的巖石隨即釋放出壓縮過程中積蓄的彈性變形能,形成與壓應力波作用方向相反的拉應力,使巖石質點產生反方向的徑向運動。當徑向拉應力大于巖石的抗拉強度時,該處巖石被拉斷,形成環向裂隙。
下徑向裂隙環向裂隙徑向裂隙返回炸藥包壓縮區破壞區③震動區:破裂區以外的巖石范圍,稱為震動區。特點:巖石不會發生破壞,但會發生彈性變形。爆炸應力波衰減為地震波。巖石完好無損在學習爆破的內部作用時,應注意以下幾點:①拉力破巖。②爆破過程中,當裂隙與空腔貫通后,爆生氣體會迅速膨脹,產生“氣楔作用”,使原有裂隙繼續向前擴展和進一步張開。出現(貫穿)裂隙、形成爆坑、出現飛石。(1)最小抵抗線W(2)爆破漏斗底圓半徑r
(3)爆破作用半徑R
二、單個藥包爆破的外部作用1.爆破作用指數n爆破漏斗底圓半徑r與最小抵抗線W的比值,即爆破作用指數值的變化,直接影響到爆破漏斗的形狀、巖石的破碎程度和拋擲效果。常用它對爆破進行分類。2.標準拋擲爆破漏斗n=1r=Wθ=90°標準拋擲爆破后,藥室至自由面間的巖石不但充分破碎,而且有較多的巖塊被拋出坑外。在確定不同種類巖石的單位炸藥消耗量時,或者比較不同炸藥的爆炸性能時,往往用標準爆破漏斗體積作為判別的依據。3.加強拋擲爆破漏斗
加強拋擲爆破后,藥室至自由面間的巖石不但全部破碎,而且大部分的巖塊被拋出一定距離。n>1
r>Wθ>90°n>3時,爆炸能量消耗在拋擲上,增加藥量,破壞范圍增大不明顯,故已無實際意義了。加強拋擲爆破漏斗的n取值:1<n<3,露天拋擲大爆破或定向拋擲爆破常用此形式,一般取n=1.2~2.54.松動爆破漏斗松動爆破可細分為加強松動爆破(0.75<n<1)、標準松動爆破(n=0.75)和減弱松動爆破(0<n<0.75)n=0.75時,為標準松動爆破。爆破后巖石被破壞、松動,有明顯的膨脹移動而形成鼓包,巖石不拋出坑外,不形成可見的爆破漏斗。
n<0.75時,出現不連續破壞,不形成爆破漏斗
0.3<n<
0.75r<Wθ<90°0.75<n<1,藥室至自由面間的巖石全部破碎,還把一小部分破碎巖塊拋擲出去。井巷掘進爆破常用這種形式。三、成組藥包的爆破作用原理(成組藥包爆破時巖石破壞的特征)1.單排藥包齊發爆破原理(單排成組藥包齊發爆破時巖石破壞特征)a.相鄰炮孔連心線上應力加強,產生裂縫(隙);b.連心線中點兩側出現應力降低區,易出現大塊。(1)相鄰炮孔連心線產生裂縫(隙)的原因(機理)即相鄰炮孔爆破成縫機理。①應力波理論:形成裂縫是應力波疊加的結果。
爆炸應力波相遇
應力疊加
σ壓引起的σ拉得到加強,合成為σ合
炮孔相距較近,σ合>巖石動抗拉強度
產生裂隙(縫),兩炮孔聯通。該理論認為:最大拉應力出現在連心線中點,故裂隙首先出現在連心線中點,再向孔壁發展。②應力波與爆生氣體綜合作用理論認為:a.應力波作用時間極短暫,但爆生氣體在炮孔中能維持較長時間的高壓狀態(產生準靜態壓力)。b.準靜態壓力
炮孔連心線各點上產生切向拉應力。該理論論認為:炮孔連心線與孔壁的交點處切向拉應力最大,故裂隙(縫)首先出現在炮孔壁,再向連線中點發展,最后貫通。生產實踐證明:拉伸裂隙是從炮孔向外發展的。(2)連心線中點兩側出現應力降低區。降低區:應力波作用線正交處;產生原因分析如下:+原因:相鄰藥包爆炸引起的壓應力和拉應力相互抵消。應力降低區對爆破效果的影響:易產生大塊。消除應力降低區影響的措施:大孔距小抵抗線技術。即
①適當增大炮孔間距。②減小抵抗線。原因:使應力降低區落在巖石之外的空氣中,在巖石中避免出現應力相互抵消作用,減少大塊的產生,從而改善爆破效果。2.多排藥包齊發爆破原理(1)爆炸應力波相互疊加,造成應力極高的狀態;(2)第1排炮孔有2個自由面,爆破條件好;后排炮孔僅1個自由面,受到較大夾制作用,影響爆破效果。綜合以上分析,多排成組藥包齊發爆破效果不佳,實際很少應用,一般被微差爆破所代替。1.體積公式計算原理
在一定的炸藥和巖石條件下,裝藥量與爆破巖石(漏斗)的體積成正比。2.拋擲爆破裝藥量計算的通用公式(球狀藥包)3.松動爆破(球狀藥包)炸藥單耗k的確定方法①查表法:查表、參考定額或有關資料的數據;②類比法:參考相似工程取值;③爆破漏斗試驗法:通過標準拋擲爆破漏斗試驗求算;④試爆法。Q=kV四、裝藥量計算方法查表和定額;各種巖石單位炸藥消耗量(硝銨類炸藥)1.堵塞的影響堵塞的作用:(1)改善爆轟條件,保證炸藥充分反應,防止不完全爆轟,使炸藥爆炸釋放出最大能量和減少有毒氣體量;(2)阻止高溫、高壓的爆轟氣體過早地泄漏到大氣中,延長爆轟氣體作用時間,提高爆炸能量的利用率;
(3)防止因灼熱固體顆粒(如雷管殼碎片等)從炮孔中飛出而引起瓦斯爆炸。(4)水炮泥能消焰、降溫、滅塵和減少有毒氣體。五、影響爆破效果的幾個因素2.裝藥結構對爆破效果的影響(1)裝藥結構分類①從軸向分:連續裝藥、間隔裝藥(分段裝藥)②從徑向分:耦合裝藥、不耦合裝藥1—炸藥;2—炮眼壁;3—藥卷(a)耦合裝藥;(b)、(c)不耦合裝藥(2)耦合裝藥對爆破效果的影響①耦合裝藥時,爆炸能的傳遞效率與波阻抗有關:波阻抗相匹配,則傳遞效率高。②孔壁產生較大的峰值壓力,在巖石中引起較大應變值.③沖擊壓力過高,在巖體中激起沖擊波,產生壓碎圈,使炮孔附近的巖石過度破碎,消耗了大量能量,從而影響壓碎圈以外巖石的破碎效果。(3)不耦合裝藥對爆破效果的影響①爆炸能作用過程沖擊波間隙空氣炮孔壁藥包和孔壁之間存在空氣間隙,藥包爆轟的沖擊波效應就要削弱很多,這一規律被利用在控制爆破上。②不耦合系數KdKd
=孔徑÷藥徑③炮孔壓力與不耦合系數Kd的關系如下圖所示。實驗表明藥包爆炸直接作用在孔壁上的動壓力隨著不耦合系數的增加而降低PP1P2t1t2t211-偶合裝藥;2-不偶合裝藥
裝藥結構的改變會引起炸藥爆炸性能的改變,從而影響爆炸能量有效利用率。空氣間隙可以起緩沖作用,使爆炸壓力較平緩的作用在孔壁上,避免過渡破壞區的形成,使更多的能量用于巖石的破裂,從而提高能量利用率。由以上分析得出:①可以通過采用不耦合裝藥來控制炸藥爆炸能量及其作用過程,降低爆炸沖擊波的峰值壓力(或動壓應力),避免在炮孔周圍產生壓碎區,減弱對原巖體的破壞作用。
②合理的不耦合系數應使作用在炮孔壁上的壓應力小于孔壁巖石的抗壓強度,而在炮孔連心線上產生的切向拉應力大于巖石的抗拉強度。3.起爆位置的影響(1)正向起爆
即起爆藥包靠近炮孔口的裝藥端,炸藥起爆后,爆轟波從孔口向孔底傳播。(2)反向起爆
即將起爆藥包布置在孔底裝藥端,炸藥起爆后,爆轟波從孔底向孔口傳播。
反向起爆應力波的動壓和爆轟氣體靜壓作用時間長。爆炸應力波疊加效果好堵塞效果好。直到爆轟結束時,堵塞物才受到爆炸氣體作用而開始運動。底部炸藥的爆速爆轟壓力最大,有利于克服巖石的夾制作用。正向起爆應力波的動壓和爆轟氣體靜壓作用時間長。爆炸應力波疊加效果差堵塞效果差。藥包起爆后,堵塞物立即受到爆炸氣體壓縮作用而開始運動孔口自由面反射拉伸波有可能造成孔口部分巖石破裂,使爆炸氣體較早逸散
自由面的作用規納起來有三點:
①反射應力波。當爆炸應力波遇到自由面時發生反射,壓縮應力波變為拉伸波,引起巖石的片落和徑向裂隙的延伸。
②改變巖石的應力狀態及強度極限。在無限介質中,巖石處于三向應力狀態,而自由面附近的巖石則處于單向或雙向應力狀態。故自由面附近的巖石強度接近巖石單軸抗拉或抗壓強度,比在無限介質中承受爆破作用時相應的強度減少幾倍甚至幾十倍。
③自由面是最小抵抗線方向,應力波抵達自由面后,在自由面附近的介質因阻力減少而加速,隨后而到的爆炸氣體,進一步向自由方向運動,形成鼓包,最后破碎、拋擲。4.自由面對爆破效果的影響(1)自由面越大越多,越有利于爆破的破壞作用。自由面多
爆破受到的夾制性小
易爆破
炸藥單耗低。(2)自由面的位置對爆破作用有較大影響相同裝藥條件下,炮孔中的裝藥在自由面的投影面積越大,越有利于應力波的反射,就越有利于巖石的破壞。5.最小抵抗線對爆破效果的影響從裝藥中心至自由面的最短距離。
——最小抵抗線原理:由于最小抵抗線方向距離最小,爆破時巖石在這個方向的阻力最小。所以,巖石破碎和拋擲的主導方向是最小抵抗線方向。——在爆破工程中,可以人為地創造自由面,以控制爆破作用。最小抵抗線示意圖最小抵抗線原理實際應用:(1)最小抵抗線方向是巖石破碎和拋擲的主導方向,施工中需要巖石向哪里拋擲,設計就應當讓W指向哪,這就實現了定向爆破的基本原理。(2)最小抵抗線的方向是最宜產生飛石的方向,爆破時應避免W正對著需要保護的目標。(3)在有多個自由面的情況下,裝藥中心若至各自由面的距離相等或基本相等時,則各方向均為最小抵抗線。自由面越多,爆破效果越好,也越省炸藥。(4)最小抵抗線的反方向是爆破地震最嚴重的方向,爆破時,近處有怕震的建筑及設施時,應注意正確選擇W方向。(5)
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