第一部分爆破作用基本原理第一章炸藥爆炸與爆破工程1.1炸藥爆炸的基本要素炸藥在能作用下可能發生3種基本形式的化學反應，即熱分解、燃燒和爆炸。熱分解：炸藥在常溫下或受熱作用時，會發生緩慢的分解并放出熱量，這就是熱分解。炸藥熱分解的速度隨溫度的升高而加快。所以在貯存炸藥時要注意通風，保持常溫，防止炸藥因溫度過高導致分解加快而引起爆炸事故。燃燒：炸藥在火焰或熱作用下可能引起燃燒。燃燒的速度一般比較慢，但當燃燒生成的氣體或熱量不能及時排出時，可能導致爆炸。因此，當遇到炸藥燃燒時，切不可采用砂土覆蓋去滅火。1.1炸藥爆炸的基本要素爆炸：當炸藥受到足夠大的外能作用時，會發生猛烈的化學反應，引起炸藥爆炸。爆炸反應傳播速度保持在穩定值時的化學反應稱為爆轟。這時炸藥的能量釋放最充分、最集中。上述三種反應形式不是相互獨立的，在一定的條件下，可以相互轉化。如當炸藥失火時，應設法控制溫升和熱能積聚，以免轉化為爆炸，造成事故。使用炸藥時，要給予足夠的外能，防止出現不穩定爆炸，造成爆燃和息爆事故。1.1炸藥爆炸的基本要素炸藥爆炸是化學爆炸的一種。化學爆炸與物理爆炸（如鍋爐爆炸、輪胎爆炸等）的共同點是：在發生爆炸處，周圍的壓力突躍升高，因而在空氣中同時拌有聲響效應。它們不同點是：物理爆炸在爆炸前后，物質的性質及化學成分沒有改變；而化學爆炸，如炸藥、瓦斯、煤塵、鞭炮等的爆炸，在爆炸前后物質的性質及化學成分發生改變。1.1炸藥爆炸的基本要素炸藥爆炸具有以下３個基本要素：１）化學反應過程大量放熱。放熱是炸藥爆炸得以自動高速進行的必要條件，也是炸藥爆炸對外力作功的動力。一般常用工業炸藥爆炸時，每１ｋｇ放出的熱量大于３０００ｋＪ。２）化學反應速度極快。這是區別于一般化學反應的顯著特點。一般工業炸藥爆炸的反應速度大于３０００ｍ／ｓ。３）化學反應過程生成大量氣體。炸藥爆炸所產生的氣體產物，是爆炸作功的媒介。工業炸藥爆炸時生成氣體量在１ｍ３／ｋｇ左右。１.２爆破工程的主要特征我們知道，炸藥是一種蘊藏著巨大能量的物質，１ｋｇ球形藥包爆炸時，所釋放的能量有數百萬焦耳。利用炸藥的爆炸能量對介質作功，可以完成預定工程目標的作業。爆破工程，作為人類改造自然的有力工具，有以下４點主要特征：１）具有特定的工程對象和目標要求。任何一個爆破工程項目，都有確定的爆破對象和范圍，以及對爆破效果（質量）、安全、工期及主要技術經濟指標等的要求。１.２爆破工程的主要特征２）均應進行工程設計和施工作業。任何一個爆破工程項目，都應在調研、勘測以及可行性研究的基礎上進行技術設計和施工組織設計，施工作業應嚴格依據設計文件實施。３）藥包爆炸過程及所產生的效應必須是可控的。這是炸藥作為能源用于工程的基本要求，不僅要做到嚴格按照設計要求的方式、時序實現對藥包起爆，并保證準爆，而且應做到有效地控制爆破產生的有害效應，保證環境的安全。４）項目密切結合工程實際，爆破效果通過實踐評價檢驗。任何一個爆破工程項目，都有各自不同的客觀環境和施工條件，無論是爆破設計，還是施工都必須密切結合工程實際，針對性地選擇方案、參數、技術和安全措施，才能取得良好的爆破效果。1.3單個藥包在介質中的爆破作用爆破破碎機理:當埋置在距地面很深處的藥包爆炸時，在地面沒有顯現出爆破作用，這時藥包的爆破作用只局限在地面以下，稱為爆破的內部作用。通常按巖石破壞的特征，可將爆破作用范圍內的巖石劃分為3個圈：即壓縮圈、破裂圈和振動圈。在壓縮圈內，由于巖石直接受到藥包爆炸的巨大壓力和高溫作用，如果巖石是可塑的，就會遭受壓縮而形成空腔；如果巖石是脆性的，就會遭受到粉碎。壓縮圈的范圍很小，其半徑一般不超過藥包半徑的2~3倍。1.3單個藥包在介質中的爆破作用破裂圈圍繞在壓縮圈以外的一圈巖石，雖然受到的爆炸作用力較壓縮圈中的巖石小很多，但巖石受到結構性破壞，生成縱橫交錯的裂隙，巖體被割裂成塊，此范圍叫做破裂圈。破裂圈的范圍大約為藥包半徑的8~10倍。振動圈在破裂圈以外的范圍內，爆破作用力已衰減到不能使巖石的結構產生破壞，而只能引起巖石顆粒產生彈性振動，這一圈叫做振動圈。振動圈的范圍很大，直到爆破作用力完全被巖土所吸收時為止。1.3單個藥包在介質中的爆破作用臨空面：通常是指被爆巖石與空氣的交界面，即對爆破作用能發生影響并在爆破時能使巖石移動的那個巖面為臨空面（亦稱自由面）。臨空面的存在是爆破工程破巖所必須具備的條件，沒有臨空面就談不上破碎巖石的效果。臨空面條件不同，對爆破的作用和爆破的效果也不一樣，臨空面越多，爆破破巖越容易，爆破效果也越好。當巖石性質、炸藥品種相同時，隨著臨空面的增多，爆破單位體積的巖石所耗用的炸藥量（簡稱炸藥單耗）將明顯降低。1.3單個藥包在介質中的爆破作用最小抵抗線（W）：爆破工程中，通常將藥包中心到最近自由面的距離，稱為最小抵抗線。最小抵抗線是爆破工程設計中的重要參數，由于它代表了爆破時巖石阻力最小的方向，所以在此方向上巖石運動速度最高，爆作用最集中。因此，最小抵抗線是爆破作用的主導方向，也是拋擲作用的主導方向。爆破漏斗：將球形藥包埋置在一個水平臨空面下的巖體中爆破時，如果埋置深度合適，則爆破后將會在巖體中由藥包中心到臨空面形成一個倒圓錐體的爆破坑，這個坑就叫做爆破漏斗。1.3單個藥包在介質中的爆破作用爆破漏斗要素：1）爆破漏斗半徑r，表示在臨空面上爆破破壞范圍的大小；2）最小抵抗線W，在臨空面為水平的情況下，它就是藥包的埋置深度；3）漏斗破裂半徑R，爆破漏斗的側邊線長，表示爆破作用在巖體中的破壞范圍；4）漏斗可見半徑P，藥包爆破后，一部分巖塊被拋擲到漏斗以外，一部分又回落到漏斗內，形成一個可見漏斗。從臨空面到漏斗內巖塊堆積表面的最大深度，叫做漏斗可見深度。5）漏斗張開角θ，即爆破漏斗的錐角，它表示漏斗的張開程度。1.3單個藥包在介質中的爆破作用爆破作用指數n：在巖石性質和爆破條件一定，當裝藥量不變而改變藥包的埋置深度，或藥包埋置深度固定不變而改變裝藥量時，都可發現爆破漏斗的尺寸和爆破作用性質發生變化。這種變化可用爆破漏斗半徑r與最小抵抗線W的比值來表征，此比值為爆破作用指數，用n表示，即n=r/W。當n發生變化時，爆破的作用性質，爆破漏斗的大小，巖塊的拋擲量和拋擲距離都將發生變化。所以，根據n不同，可將爆破作用性質和爆破漏斗進行分類：即標準拋擲爆破、加強拋擲爆破、加強松動爆破、松動爆破。1.3單個藥包在介質中的爆破作用標準拋擲爆破漏斗：當爆破作用指數n=1時，藥包爆破后即可形成標準拋擲爆破漏斗坑，即漏斗半徑r等于最小抵抗線W，漏斗張開角等于90°，此時，漏斗中的巖石不僅全部被破碎，而且有相當數量的巖塊被拋擲到漏斗外，出現了明顯的漏斗坑。形成這種標準拋擲爆破漏斗的爆破作用，稱為標準拋擲爆破。加強拋擲爆破漏斗：當1＜n＜3時，藥包爆破后，所形成的漏斗半徑r大于最小抵抗線W，漏斗張開角也大于90°，漏斗中的大部分巖塊將被拋擲到漏斗以外，這種漏斗稱為加強拋擲爆破漏斗，其爆破作用叫作加強拋擲爆破。1.3單個藥包在介質中的爆破作用減弱拋擲（或稱加強松動）爆破漏斗：當0.75＜n＜1時，藥包爆破所形成的漏斗半徑r小于抵抗線W，漏斗張開角θ也小于90°，漏斗范圍的巖石遭受到破壞，而且有少部分巖塊被拋擲到漏斗外，出現深度不大的漏斗坑。這種漏斗稱為減弱拋擲漏斗或加強松動爆破漏斗。其爆破作用叫作減弱拋擲爆破或加強松動爆破。松動爆破漏斗：當爆破作用指數在0.4~0.75范圍內時，藥包爆破后基本上沒有拋擲作用，地表上只見到鼓包現象，面看不到爆破漏斗坑，漏斗范圍內的巖石破碎，這種漏斗稱為松動爆破漏斗，其爆破作用叫作松動爆破。1.3單個藥包在介質中的爆破作用由上述可見，爆破作用指數n表征著爆破作用的性質，因此在爆破工程中，可通過選擇適宜的n值來控制爆破作用的性質，從而達到預期的爆破目的。例如在開山筑壩、礦山露天剝離、開挖路塹和移山平地等爆破工程中，可采用爆破作用指數n＞1的加強拋擲爆破，以便盡可能將破碎后的巖塊拋擲到一定的距離以外，減少搬運工作量。在一定范圍內n值愈大，拋擲方量愈多，拋擲距離也愈遠。加強松動和松動爆破由于裝藥量較小，爆堆比較集中，幾乎不產生飛散物，因此在爆破工程中，使用比較廣泛。對城鎮復雜環境爆破，為防止爆破飛散物及其他危害，常采用n=0.4~0.75的松動爆破。1.3單個藥包在介質中的爆破作用裝藥量計算：裝藥量是爆破工程中一個最重要的參量。裝藥量確定的正確與否直接關系到爆破效果和經濟效益。一般來說，裝藥量的確定與爆落巖石體積、巖性、臨空面狀況及其他爆破條件等各種因素有關，長期以來人們一直沿用著在生產實踐中總結出來的經驗公式——體積公式。它的基本原理為：裝藥量的大小應與被爆破的巖石體積成正比。公式為：Q=K×V1.3單個藥包在介質中的爆破作用試驗證明，在巖石性質、炸藥品種和藥包埋置深度均相同的情況下，改變裝藥量Q的大小即可獲得爆破作用指數不同的爆破漏斗。此外，爆破單位體積炸藥消耗量隨著爆破作用指數的不同而變化。因此，裝藥量可視為爆破作用指數n的函數。故各種不爆破作用的裝藥量的計算通式可表示為：Q=K標W3f（n），其中f（n）=0.4+0.6n3稱為爆破作用指數；K為單位用藥量系數或稱單耗等。K值在某種意義代表巖石的可爆性，與巖石的物理力學性質、巖層結構、節理、風化程度等有關。可通過爆破試驗或經驗確定。1.3單個藥包在介質中的爆破作用在爆破工程應用中，常常根據實際情況采用合理的藥包形狀以達到不同的工程目的。藥包形狀主要分為以下4類：即集中藥包、條形（延長）藥包、平面藥包和特定形狀藥包。集中藥包：這種藥包在理論上應是球體，在工程實際中通常把藥包做成正方體或長方體，長方體的最長邊不超過最短邊的4倍。在實際應用中藥室（方形）法、藥壺法的藥包屬集中藥包。1.3單個藥包在介質中的爆破作用條形藥包；根據施工條件將藥包做成長條形，可以是圓柱狀也可以方柱狀。通常人們把藥包長度大于最短邊或其換算直徑4倍時的藥包，稱為條形藥包。在實際應用中，炮孔法、中深孔法和硐室爆破中的條形藥包都屬條形（延長）藥包。平面藥包：理想的平面藥包一般理解為藥包的長度和寬度比厚度要大得多，利用藥包爆炸產生的的平面壓縮波對介質作功，能顯著地提高爆炸作用能量的定向性和密集性。爆炸復合、硬化、壓實以及水下大面積炸礁等，可以看做是平面藥包在實際中的應用。1.3單個藥包在介質中的爆破作用特定形狀藥包：將炸藥做成特定的藥包，用以達到特定的爆破作用。應用最廣泛的是聚能爆破法，把藥包外殼的一端加工成圓錐形或拋物面形的凹穴，使爆轟波按圓錐或拋物線形凹穴的表面聚集在它的焦點或軸線上，形成高速射流，擊穿與它接觸的介質的某一特定部位。這種藥包在軍事上用做破甲彈以穿透坦克的外殼或其他軍事目標，在工程上用來切割金屬板材、大塊的二次破碎以及在凍土中穿孔等。１.４成組藥包在介質中的爆破作用在實際爆破工程中，一般很少采用單個藥包爆破，常常要多個藥包爆破才能達到預期的工程目的，研究成組藥包的爆破作用原理，對合理確定爆破參數具有重要意義。當兩個或兩個以上藥包同時爆破時，在最初幾微秒時間內，應力波以同心球狀各自從起爆點向外傳播，經過一定時間后，相鄰兩藥包爆破引起的應力波相遇，并產生相互迭加，其結果在波陣面的切線方向上的拉伸應力增大，則形成應力增高現象，從面使沿炮孔聯線上的巖石首先產生徑向裂隙。炮孔距離愈近，這種裂隙就愈多，但是不能認為炮孔愈近，爆破效果就愈好，因為炮孔聯線上產生裂隙后，爆轟氣體很快沿裂隙逸散，而使其他方向上的徑向裂隙得不到足夠的發展，從而降低了巖石的破碎程度；當炮孔距太大時，因應力隨孔距增大面減小，巖石得不到充分的破碎，在兩孔間可能會留下巖柱。１.４成組藥包在介質中的爆破作用在一定的界面多個藥包按適當的間距排列，在爆破時就可以按界面產生爆破裂縫，而對界面兩側的介質很小損傷，預裂爆破、光面爆破技術就是基于這一爆破作用原理發展起來的。當藥包周圍一定范圍內存在空孔時，空孔將產生應力集中現象，即由于藥包爆破產生的應力波遇到空孔時，在空孔兩邊引起動拉應力集中，如該值大于介質的動抗拉極限強度，在空孔的徑向將產生裂縫，當兩孔的距離大于孔徑的３倍時，空孔就不易產生裂紋。空孔的導向作用，常應用于預裂爆破和光面切割爆破的拐角部位，由于介質的不均勻性可能引起的應力集中現象，在爆破工程設計中即應當重視，也可以加以利用。１.４成組藥包在介質中的爆破作用在臺階爆破中（梯段爆破），多排成組齊發爆破產生的應力波相互作用情況比單排時更加復雜，在前后排各炮孔所構成的四邊形中的巖石，受到四個炮孔藥包爆破引起的應力波的相互迭加作用，造成了極高的應力狀態，并且延長了應力波的作用時間，因而使破碎效果大為改善。然而在另一方面，多排成組藥包齊發爆破時，只有第一排炮孔爆破具有兩個臨空面的優越條件，而后排炮孔爆破無平行炮孔方向的自由面可利用，爆破后所受的夾制作用大，爆破能量消耗大，因此在實際工程中很少采用多排成組炮孔的齊發爆破。在多排成組炮孔爆破時，前后排炮孔采用微差起爆技術，將會獲得較好的爆破效果，對降低爆破振動也十分有利。１.４成組藥包在介質中的爆破作用孔網參數與藥包起爆時序：爆破工程設計的核心內容，