科普 | 巖石爆破

巖石爆破是利用炸藥的爆炸作用對(duì)巖石施加荷載，使巖石破壞的力學(xué)過(guò)程。

巖石爆破破壞基本理論炸藥能量破碎巖石，以爆炸沖擊波和爆炸氣體兩種方式釋放出來(lái)。對(duì)此，有三種不同的巖石爆破破碎作用觀點(diǎn)：

(1)爆炸氣體膨脹作用理論。炸藥爆炸導(dǎo)致的巖石破壞主要為高溫高壓氣體產(chǎn)物膨脹做功所致。爆破生成的氣體膨脹引起巖石質(zhì)點(diǎn)的徑向位移，最小抵抗線方向位移速度最高。由于相鄰巖石質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)速度差異，產(chǎn)生剪切應(yīng)力和剪切破壞，在爆破產(chǎn)生的氣體膨脹推動(dòng)下，沿徑向拋出，產(chǎn)成爆破漏斗。

(2)爆炸應(yīng)力波反射拉伸理論。爆炸在巖石中爆轟時(shí)，所產(chǎn)生的高溫高壓沖擊波，粉碎炮孔周圍的巖石。爆炸沖擊波在巖石中產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，導(dǎo)致徑向裂隙和環(huán)狀裂隙向自由面方向發(fā)展，當(dāng)達(dá)到自由面時(shí)，壓縮應(yīng)力波從自由面反射成拉伸應(yīng)力波，克服巖石的抗拉伸強(qiáng)度，將巖石拉斷，巖石發(fā)生片落。隨著反射波繼續(xù)傳播，將爆破漏斗范圍內(nèi)巖石全部拉斷。巖石破碎是入射波和反射波共同作用的結(jié)果，爆炸氣體用作僅作為巖石輔助破碎和拋擲。

(3)爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論。爆炸氣體膨脹和爆炸應(yīng)力波的綜合作用，加強(qiáng)了巖石破碎效果。反射拉伸波增加徑向裂隙和環(huán)狀裂隙的擴(kuò)展，但作用時(shí)間短暫。爆破產(chǎn)生的氣體膨脹促進(jìn)裂隙發(fā)展，作用時(shí)間長(zhǎng)，巖石最初裂隙的形成是由沖擊波(應(yīng)力波)造成的，而后爆破生成氣體擴(kuò)展裂隙，炸藥在巖石中爆炸的動(dòng)作用和靜作用完成爆破破碎過(guò)程。

巖石爆破破碎機(jī)理炸藥爆炸破碎巖石的能量以兩種形式釋放出來(lái)：一種是沖擊波，一種是爆炸氣體。但是，巖石破碎的主要原因究竟是沖擊波作用的結(jié)果還是爆炸氣體作用的結(jié)果，由于認(rèn)識(shí)和掌握資料的不同，便出現(xiàn)了不同的結(jié)果。

由于炸藥的爆炸反應(yīng)是一個(gè)高溫、高壓、高速的瞬態(tài)過(guò)程，巖體性質(zhì)和爆破條件復(fù)雜多變，再加上巖體爆破是一個(gè)歷時(shí)極短和危險(xiǎn)|生極大的過(guò)程，因此，給直接觀測(cè)和研究巖體的破壞過(guò)程造成了極大的困難，而單純從經(jīng)典力學(xué)的基本原理出發(fā)解決爆破理論問(wèn)題也受到很多條件的限制。迄今為止，人們對(duì)巖體爆破作用過(guò)程仍然了解得不透徹，尚不能形成一套完整而系統(tǒng)的爆破理論。

盡管如此，隨著長(zhǎng)期爆破實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，借助于先進(jìn)的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)手段(如高速攝影、電子儀器等)以及爆破模擬試驗(yàn)，對(duì)巖體爆破作用原理的研究也取得了一定的進(jìn)展，得到了一些有關(guān)巖石爆破破碎機(jī)理的研究成果，并在此基礎(chǔ)上提出了多種巖石爆破破碎機(jī)理假說(shuō)和計(jì)算公式。這些假說(shuō)在一定程度上揭示了巖體的某些破壞特征和規(guī)律，對(duì)爆破工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

目前，關(guān)于巖石在炸藥爆炸作用下發(fā)生破壞的原因，主要有以下3種假說(shuō)。

爆炸氣體產(chǎn)物膨脹壓力破壞理論該理論從靜力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為炸藥爆炸后，產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體，這種氣體膨脹時(shí)所產(chǎn)生的推力作用在藥包周圍的巖壁上，引起巖石質(zhì)點(diǎn)的徑向位移。由于作用力不等而引起不同的徑向位移，導(dǎo)致在巖石中形成剪切應(yīng)力。當(dāng)這種剪切應(yīng)力超過(guò)巖石的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起巖石的破裂。當(dāng)爆轟氣體的膨脹推力足夠大時(shí)，還會(huì)引起自由面附近的巖石隆起、裂開(kāi)，并沿著徑向方向推出。

該理論只強(qiáng)調(diào)爆生氣體壓力的作用而忽視應(yīng)力波對(duì)巖石破碎作用的影響，這與實(shí)際情況有所出入。事實(shí)上，當(dāng)用外敷藥包炸大塊孤石時(shí)，仍能使巖石產(chǎn)生破碎。此時(shí)，由于爆生氣體的膨脹幾乎不受限制，故其對(duì)巖石所起的作用可以忽略。這時(shí)若用爆生氣體壓力作用破壞理論來(lái)解釋巖石發(fā)生破壞的原因是不太合理的。因此，該理論是不全面的。

沖擊波反射拉伸破壞理論該理論從爆炸動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為炸藥在巖體中爆炸時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波作用下，沖擊和壓縮周圍的巖體，造成巖體的局部粉碎。經(jīng)過(guò)粉碎區(qū)之后，壓縮應(yīng)力波繼續(xù)向外傳播，但是其強(qiáng)度已下降到不能直接引起巖石的破碎。當(dāng)壓縮應(yīng)力波傳播到自由面時(shí)，壓縮應(yīng)力波從自由面反射成拉伸應(yīng)力波，由于巖石的抗拉強(qiáng)度大大低于抗壓強(qiáng)度，如果反射拉伸波的強(qiáng)度超過(guò)巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，巖石將從自由面開(kāi)始向爆源方向產(chǎn)生層層拉斷破壞。這種破裂方式亦稱“片落”。隨著反射波向爆源方向的傳播，片落繼續(xù)發(fā)生，直到將漏斗范圍內(nèi)的巖石完全拉裂為止。

該理論雖然能解釋實(shí)際工程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象(如爆破時(shí)在自由面處經(jīng)常發(fā)現(xiàn)片裂、剝落等現(xiàn)象)，但它同爆生氣體壓力作用破壞理論一樣，也具有一定的片面性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究表明，爆生氣體對(duì)巖石破壞所產(chǎn)生的作用是相當(dāng)顯著的，炸藥的潛能大部分都包含在爆生氣體中。而且，當(dāng)爆源距自由面的距離很大時(shí)，應(yīng)力波傳播到自由面時(shí)已衰減很多，反射拉伸應(yīng)力波不再足以使巖石發(fā)生片落，因此，這時(shí)用巖石破壞是從自由面向爆源發(fā)展的理論來(lái)解釋也顯得不太合理。

盡管這種理論還有許多不盡如人意的地方，但仍不失為巖石爆破理論的重要組成部分。在自由面附近巖石是被拉伸破壞的這一點(diǎn)已被世人所公認(rèn)。

沖擊波和爆炸氣體壓力綜合作用理論沖擊波反射拉伸破壞理論和爆炸氣體膨脹壓力破壞理論是基于對(duì)破碎巖石的兩種能源——沖擊波和爆炸氣體膨脹能的不同認(rèn)識(shí)而提出來(lái)的，各有一定的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但又都有一定的不足之處。一方面是由于爆炸過(guò)程的瞬時(shí)性、復(fù)雜性和模糊性造成的，另一方面也受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和測(cè)試手段的限制。在這種條件下，綜合兩派的論點(diǎn)并結(jié)合他們的研究成果，便提出了沖擊波和爆炸氣體壓力綜合作用理論。

這種理論的觀點(diǎn)認(rèn)為，巖石的破碎是由沖擊波和爆炸氣體壓力綜合作用的結(jié)果，即兩種作用形式在爆破的不同階段和針對(duì)不同巖石所起的作用不同。爆炸沖擊波(應(yīng)力波)作用使巖石產(chǎn)生裂隙，并將原始損傷裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展；隨后，爆炸高壓氣體擠入這些裂隙，借助于“氣刃效應(yīng)”使裂隙進(jìn)一步延伸和擴(kuò)大，并形成巖塊脫離巖體。此外，爆炸沖擊波對(duì)堅(jiān)硬、致密的高阻抗巖石作用更大，而爆炸氣體膨脹壓力對(duì)低阻抗的軟弱巖石的破碎效果更佳。

爆破工程實(shí)踐證明，這種理論對(duì)巖石爆破破壞所做的解釋較為符合實(shí)際情況，因而被大多數(shù)人所接受。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

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