科普-巖石爆破

巖石爆破是利用炸藥的爆炸作用對巖石施加荷載，使巖石破壞的力學過程。

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。對此，有三種不同的巖石爆破破碎作用觀點：

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

(2)爆炸應力波反射拉伸理論。爆炸在巖石中爆轟時，所產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生切向拉應力，導致徑向裂隙和環(huán)狀裂隙向自由面方向發(fā)展，當達到自由面時，壓縮應力波從自由面反射成拉伸應力波，克服巖石的抗拉伸強度，將巖石拉斷，巖石發(fā)生片落。隨著反射波繼續(xù)傳播，將爆破漏斗范圍內巖石全部拉斷。巖石破碎是入射波和反射波共同作用的結果，爆炸氣體用作僅作為巖石輔助破碎和拋擲。

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

巖石爆破破碎機理炸藥爆炸破碎巖石的能量以兩種形式釋放出來：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果還是爆炸氣體作用的結果，由于認識和掌握資料的不同，便出現(xiàn)了不同的結果。

由于炸藥的爆炸反應是一個高溫、高壓、高速的瞬態(tài)過程，巖體性質和爆破條件復雜多變，再加上巖體爆破是一個歷時極短和危險|生極大的過程，因此，給直接觀測和研究巖體的破壞過程造成了極大的困難，而單純從經典力學的基本原理出發(fā)解決爆破理論問題也受到很多條件的限制。迄今為止，人們對巖體爆破作用過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，隨著長期爆破實踐經驗的積累和現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，借助于先進的動態(tài)測試技術手段(如高速攝影、電子儀器等)以及爆破模擬試驗，對巖體爆破作用原理的研究也取得了一定的進展，得到了一些有關巖石爆破破碎機理的研究成果，并在此基礎上提出了多種巖石爆破破碎機理假說和計算公式。這些假說在一定程度上揭示了巖體的某些破壞特征和規(guī)律，對爆破工程實踐具有一定的指導意義和實用價值。

目前，關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。

爆炸氣體產物膨脹壓力破壞理論該理論從靜力學的觀點出發(fā)，認為炸藥爆炸后，產生大量的高溫、高壓氣體，這種氣體膨脹時所產生的推力作用在藥包周圍的巖壁上，引起巖石質點的徑向位移。由于作用力不等而引起不同的徑向位移，導致在巖石中形成剪切應力。當這種剪切應力超過巖石的極限抗剪強度時，就會引起巖石的破裂。當爆轟氣體的膨脹推力足夠大時，還會引起自由面附近的巖石隆起、裂開，并沿著徑向方向推出。

該理論只強調爆生氣體壓力的作用而忽視應力波對巖石破碎作用的影響，這與實際情況有所出入。事實上，當用外敷藥包炸大塊孤石時，仍能使巖石產生破碎。此時，由于爆生氣體的膨脹幾乎不受限制，故其對巖石所起的作用可以忽略。這時若用爆生氣體壓力作用破壞理論來解釋巖石發(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力學的觀點出發(fā)，認為炸藥在巖體中爆炸時產生的強烈沖擊波作用下，沖擊和壓縮周圍的巖體，造成巖體的局部粉碎。經過粉碎區(qū)之后，壓縮應力波繼續(xù)向外傳播，但是其強度已下降到不能直接引起巖石的破碎。當壓縮應力波傳播到自由面時，壓縮應力波從自由面反射成拉伸應力波，由于巖石的抗拉強度大大低于抗壓強度，如果反射拉伸波的強度超過巖石的動態(tài)抗拉強度，巖石將從自由面開始向爆源方向產生層層拉斷破壞。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，直到將漏斗范圍內的巖石完全拉裂為止。

該理論雖然能解釋實際工程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象(如爆破時在自由面處經常發(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，國內外許多學者的研究表明，爆生氣體對巖石破壞所產生的作用是相當顯著的，炸藥的潛能大部分都包含在爆生氣體中。而且，當爆源距自由面的距離很大時，應力波傳播到自由面時已衰減很多，反射拉伸應力波不再足以使巖石發(fā)生片落，因此，這時用巖石破壞是從自由面向爆源發(fā)展的理論來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已被世人所公認。

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破碎巖石的兩種能源——沖擊波和爆炸氣體膨脹能的不同認識而提出來的，各有一定的理論基礎和試驗數據，但又都有一定的不足之處。一方面是由于爆炸過程的瞬時性、復雜性和模糊性造成的，另一方面也受當時的技術水平和測試手段的限制。在這種條件下，綜合兩派的論點并結合他們的研究成果，便提出了沖擊波和爆炸氣體壓力綜合作用理論。

這種理論的觀點認為，巖石的破碎是由沖擊波和爆炸氣體壓力綜合作用的結果，即兩種作用形式在爆破的不同階段和針對不同巖石所起的作用不同。爆炸沖擊波(應力波)作用使巖石產生裂隙，并將原始損傷裂隙進一步擴展；隨后，爆炸高壓氣體擠入這些裂隙，借助于“氣刃效應”使裂隙進一步延伸和擴大，并形成巖塊脫離巖體。此外，爆炸沖擊波對堅硬、致密的高阻抗巖石作用更大，而爆炸氣體膨脹壓力對低阻抗的軟弱巖石的破碎效果更佳。

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

本詞條內容貢獻者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學

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