第一節  爆破作用原理

 

　　一、巖體爆破破壞機理

 

　　爆破是當前破碎巖石的主要手段。對于巖石等脆性介質爆破破壞機理，有許多假設，按其基本觀點，歸納起來有爆轟氣體膨脹壓力作用破壞論、應力波及反射拉伸破壞論、沖擊波和爆轟氣體膨脹壓力共同作用破壞論三種。

　　1．爆轟氣體膨脹壓力作用破壞論

　　該理論認為炸藥爆炸所引起脆性介質(巖石)的破壞，使其產生大量高溫高壓氣體，它所產生的推力，作用在藥包周圍的巖壁上，引起巖石質點的徑向位移，由于作用力的不等引起的徑向位移，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破裂，當爆轟氣體的膨脹推力足夠大時，會引起自由面附近的巖石隆起，鼓開并沿徑向推出。這種觀點完全否認沖擊波的動作用，這是不符合實際的。

　　2．應力波反射拉伸破壞論

　　該理論認為藥包爆炸時，強大的沖擊波沖擊和壓縮周圍巖石，在巖石中激發成強烈的壓縮應力波，當傳到自由面反射變成拉伸應力波，其強度超過巖石的極限抗拉強度時，從自由面開始向爆源方向產生拉伸片裂破壞作用。這種理論只從爆轟的動力學觀點出發，而忽視了爆生氣體膨脹做功的靜作用，因而也具有片面性。

　　3．沖擊波和爆轟氣體膨脹壓力共同作用破壞論

　　該理論認為爆破時，巖石的破壞是沖擊波和爆轟氣體膨脹壓力共同作用的結果。但在解釋巖石破碎的原因是誰起主導作用時仍存在不同的觀點，一種認為沖擊波在破碎巖石時不起主要作用，它只是在形成初始徑向裂隙時起了先鋒作用，但在大量破碎巖石時則主要依靠爆轟氣體膨脹壓力的推力作用和尖劈作用。另一種觀點則認為爆破時巖石破碎誰起主要作用要取決于巖石的性質，即取決于巖石的波阻抗。對于高波阻抗的巖石，即致密堅韌的整體性巖石，它對爆炸應力波的傳播性能好，波速大。對于低波阻松軟而具有塑性的巖石，爆炸應力波傳播的性能較差，波速較低，爆破時巖石的破壞主要依靠爆轟氣體的膨脹壓力；對于中等波阻抗的中等堅硬巖石，應力波和爆轟氣體膨脹壓力同樣起重要作用。

 

　　二、爆破作用圈形成機理

 

　　爆破作用只發生在介質內部的現象稱為爆破的內部作用。根據介質的破壞特征，單個藥包破壞的內部作用可在爆源周圍形成壓碎區、破裂區、震動區，如圖4—1所示的三個區。

 

 

圖4—1  爆破內部作用示意圖

1—原來的裝藥空腔；2—壓碎區；3—破裂區；4—彈性震動區

 

　　1．壓碎區

　　藥包爆炸時，直接與藥包接觸的巖石，在極短的時間內，爆轟壓力迅速上升到幾萬甚至幾十萬大氣壓，并在此瞬間急劇沖擊藥包周圍的巖石，對于大多數脆性的堅硬巖石，則被壓碎。對于可壓縮性較大的巖石，則被壓縮成壓縮空洞，并在空洞表層形成堅實的壓實層。因此，壓碎區又叫壓縮區。壓碎區的半徑很小，但由于介質遭到強烈粉碎，產生塑性變形或剪切破壞，消耗能量很大。因此，為了充分利用炸藥能量，應盡量控制或減小壓碎區的形成。

　　2．破裂區(破壞區)

　　壓碎區形成后，沖擊波通過壓碎區，繼續向外層巖石傳播，沖擊波衰減為應力波，其強度已低于巖石的抗壓強度，所以不再產生壓碎破壞，但仍可使壓縮區外層的巖石遭到強烈的徑向壓縮，使巖石的質點產生徑向位移和徑向擴張及切向拉伸應變。如果這種拉伸應變超過了巖石的動抗拉強度，外圍的巖石層就會產生徑向裂隙。當切向拉應力小到低于巖石的動抗拉強度時，裂隙便停止向前發展。

　　另外，在沖擊波擴大藥室時，壓力下降了的爆轟氣體也同時作用在藥室四周的巖石上，在藥室四周的巖石中形成一個準靜應力場。在應力波造成徑向裂隙的期間或以后，爆轟氣體開始膨脹并擠入這些裂隙中，導致徑向裂隙向前延伸。只有當應力波和爆轟氣體衰減到一定程度后才停止裂隙擴展；這樣隨著徑向裂隙、環向裂隙和剪切裂隙的形成、擴展、貫通、縱橫交錯、內密外疏、內寬外細的裂隙網，將介質分割成大小不等的碎塊，形成了破裂區，該區的半徑比壓碎區大。

　　3．震動區(彈性震動區)

　　在破裂區以外的巖體中，炸藥爆炸后產生的能量已消耗很多，應力波引起的應力狀態和爆轟氣體壓力建立起的準靜應力場均不足以使巖石破壞，只能引起巖石質點作彈性振動，直到彈性振動波的能量被巖石完全吸收為止，這個區域叫彈性震動區或地震區。