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◎专题评述◎ 岩石爆破中爆炸能量分布规律的研究现状 25 岩石爆破中爆炸能量分布规律的研究现状 曹 祺 颜事龙 韩 早 安徽理工大学，安徽省淮南市，232001 摘 要 根据岩石爆破中破岩机理的发展状况，分类概括了爆炸能量分布规律的研究现状，指出存在的问题，提出 了进一步发展的方向和前景。 关键字 岩石爆破 爆炸能量分布 发展现状 中图分类号 TD 235.1 文献标识码 A Status and Development of Explosive Distribution in Rock Blasting Cao Qi Yan Shilong Han Zao Anhui University of Science Technology, Huainan Anhui, 232001 Abstract This paper summarizes the status and development of explosive energy distribution in rock blasting according to rock blasting mechanism. Furthermore, it also puts forward some problems and the direction of further development. Key words rock blasting；explosive energy distribution；development 1 引言 炸药爆炸反应是一个高温、高压和高速的瞬态过程，被爆岩体性质和爆破条件的复杂多变，且岩体 爆破破坏过程又是一个历时极为短暂的过程，因此给直接观测和研究岩体破坏机制造成了极大的困难。 迄今为止，人们对岩体爆破作用过程仍然了解的不够透彻，尚不能形成一套完整而系统的爆破理论，而 要彻底弄清楚爆破机理，必须对爆破能量的分配规律和计算获得定性和定量的解。尽管如此，随着长期 的实践经验积累和现代科学技术的发展， 借助先进的动态测试技术以及爆破模拟试验， 对岩体爆破作用 原理研究取得一定的进展， 提出了多种岩体爆破机理的观点， 这些理论在一定程度上使人们认识到岩石 爆破中爆炸能量分布的规律，见图１，也指导人们不断地改进和完善。 2 岩石爆破能量分布理论研究现状 2.1 利文斯顿爆破漏斗理论 Livigston C W在各种岩石、不同炸药量、不同埋深的爆破漏斗实验的基础上，论证了炸药能量分配 给药包周围岩石以及地表外空气的方式，提出了以能量平衡为准则的爆破漏斗理论[1]。他认为炸药在岩 体内爆炸时传给岩石能量的多少和速度的快慢，取决于岩石的性质、炸药性能、药包重量、炸药埋深和 起爆方式等因素。 爆破漏斗是爆破冲击波能量及爆破鼓包能共同作用的结果。 能量平衡理论是最早关于 能量消耗分布的理论， 定性地说明了爆炸能量的分布方向。 在此基础上， 国内外爆破工作者对不同炸药、 不同药量、不同装药形状、不同岩石和不同埋深等各种条件进行了大量对比实验，用大量爆破漏斗特征 曲线进一步确定了爆破漏斗理论的科学性和实用性，目前仍在不断的进行改进和完善之中。 2.2 不同岩体爆破机理下的能量分布理论 2.2.1 应力波反射拉伸破坏观点 从爆炸动力学观点出发， 认为岩体的破碎主要是压缩应力波和反射拉伸波共同作用的结果， 爆轰气 体的作用只限于岩体的辅助破碎和破裂岩体的抛掷。根据这种观点，BMMC 程序计算出台阶爆破应力 波能量的三维分布，并以岩石破碎单位表面能为纽带，得到均质连续台阶岩体的爆破块度分布。 2.2.2 爆轰气体膨胀压力作用破坏观点 从静力学观点出发，认为药包爆炸后，产生大量的高温、高压气体。这种气体膨胀所产生的压力作 26 煤 矿 爆 破 2007 年第 4 期总第 79 期 用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等而引起岩体不同阶段径向位移，导 致在岩体中形成剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的动态抗剪强度时就会导致岩体破裂。故Langfors U认为[2]，冲击波所含的能量是爆炸能量中十分微小的一部分，爆炸能量绝大多数储存在爆轰后产生的 高温高压的气体中，Stuart和Mchugh的模型试验也证明了这一点[3]。 势能炸药化学能 自由能 不释放的能量 起爆能 爆轰波能量 冲击波能量 应力波能量 过渡区 消耗能量 切向分量能量 径向分量能量 地震波能量 反射波能量 径向裂 隙消耗 径向裂 隙延伸 片落消 耗能量 爆生气体能量 传入岩石 的热能 爆生气体热能 飞石的热能 原岩石 内热能 爆生气体 的总动能 飞石动能 飞石残 余动能 声能 气体残 余热能 残余爆生 气体动能 PgPm PgPk 补充破碎 消耗能量 张开裂 隙消耗 能量 自重下 落破碎 切向裂 隙消耗 扩腔消 耗能量 图 1 爆破能量分布模型 Pg孔壁爆生气体压力；Pk爆生气体最终压力；Pm孔壁静力系强度 2.2.3 应力波与爆轰气体共同作用的破坏观点 这种观点认为岩体的破裂是冲击波和爆轰气体压力共同作用的结果， 即两种作用形式在爆破的不同 阶段和针对不同类型的岩石所起的作用不同。 爆炸冲击波能使岩石产生裂隙， 并将原始损伤裂隙进一步 扩展，随后爆轰气体的尖劈作用使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，并脱离母体。这种观点已得到广大学 者的认同，并在理论和实验研究方面取得了一定的成果。 J.R.布里克曼利用套管分离爆炸冲击波和爆生气体来分析研究爆炸能量的分配情况[4]， 得出的结论 冲击波能量占爆炸总能量的 10～20，爆生气体膨胀能量占爆炸总能量的 50～60，而其余 20～ 30 的爆炸能量损失掉而变成无用能量。 颜事龙利用岩石试块水下爆炸模型，用水作为传压介质，测得透射到水中的爆炸应力波的压力、能 量参数，推算出岩体介质中爆炸应力波及其能量的衰减规律[5]，所得结论与上述结果相一致。笔者在前 人的基础上，采用球形岩石试块水下爆炸模型，充分利用球形试块边界应力波无折射的现象，更进一步 ◎专题评述◎ 岩石爆破中爆炸能量分布规律的研究现状 27 的得出集中装药在岩石爆破中的能量分布。 吴亮通过计算分析柱状装药埋深在临界深度以下的岩石中爆破，得出冲击波能量占总能量的 40， 剩余爆生气体能量中用于扩腔和扩展主要裂纹的能量占总能量的 23，剩余大约 37的能量中有小部 分能量用于新增裂纹数目，而大部分能量损失掉了[6]。 2.2.4 岩体爆破的损伤力学观点 岩体爆破损伤力学的观点认为岩体中的裂隙为初始损伤，各种结构弱面和微缺陷为潜在的损伤源， 通过定义损伤变量、 建立岩体动态本构关系和炸药爆轰状态方程， 确定岩体爆破过程中的损伤演化方程， 认为岩体破裂是损伤积累所致，当岩体损伤变量达到某一临界值（阈值）时，岩体产生破坏。这种观点 是目前研究的热点，促进了许多新技术、新方法应用到爆破机理的研究中去。杨军用分形理论和损伤材 料爆破过程光弹性试验研究[7]，引入分形维数和损伤能量耗散率的关系，建立了岩石动态本构关系，为 进一步的计算机数值模拟提供了理论基础。 2.3 爆破岩体结构控制原理 爆破岩体结构控制原理揭示了岩体结构特征对爆破能量的作用、 岩体变形破坏和爆破效果的控制规 律。这种观点从工程实际出发，充分考虑岩石中存在的结构面对冲击波的能量和爆生气体分布的影响。 在北京密云上游柏平路进行全路基抛坍大爆时[8]，山坡岩体为花岗岩夹黑云母片岩的混合岩，最终造成 鼓包整体泄漏的现象，导致爆破失败。如此大规模爆破能量沿结构面释放的现象，充分表明了结构面对 爆破鼓包发育、爆生气体能量分配的作用。王鸿渠在他 1994 年出版的遗作多边界石方爆破工程一 书中也提到了岩石性质和结构面对凿岩爆破的爆破冲击波能量的传播以及单位耗药量K值的影响。故进 一步深入研究地质边界条件对爆破作用的影响还是有重要的现实意义。 3 存在的问题 虽然现阶段爆破能量分布研究工作取得了一定成绩，但进展缓慢，主要存在以下的几点问题。 （1）影响岩石中爆炸能量分布因素有很多，其中一些因素很难测量。爆炸能量存在于岩体爆破的整 个过程， 其中利于新的表面能生成、 石块的抛掷能以及远区爆炸能量的分布都无法用实验技术准确测得。 （2）现有的损伤理论模型还需完善。损伤理论虽然已被大多数人所接受，但还存在对损伤参量的描 述未完全统一和忽视了损伤过程中能量耗散的问题。 由于岩石中含有的损伤一方面降低了岩体刚度， 另 一方面增加了岩体吸收能量的能力， 所以损伤的存在和发展有即促进破碎又阻碍破碎的二重性， 需要综 合考虑，做进一步的探讨。 （3）缺乏系统定量地研究。现在的研究工作多集中在局部，很少把冲击波能量和爆轰气体能量作一 个整体考虑，去定量的计算两者的能量分布。 （4）地质结构特征复杂。在爆破设计方法中，只是简单的考虑岩石的等级的影响，将地质因素对爆 破能量分布的影响采用相应的地质系数来进行修正，这是不妥的。微地形和岩体结构这两大特征，对爆 破能量的分布起着控制作用，必须通过实地测量，不能用任何系数来代替。 4 发展和总结 近几年随着计算机技术的迅猛发展，非线性理论的渗透，超动态测量技术的应用，使岩石中爆炸能 量的分布的研究有了新的发展。 （1）指明了新的理论发展方向。损伤理论的引进为岩石爆破研究提供了新的思维方法，代表着爆破 理论的最新研究水平和发展方向， 从理论上给爆破本构关系的研究带来很多便利条件， 但目前的发展状 况和工程实际的需要还有一定的距离，今后还要解决岩石材料损伤参数的确定和实验技术。 （2）数值计算和数值模拟的进一步发展。随着计算机技术的飞速发展，数值计算在爆破理论与技术 研究领域的应用取得了令人瞩目的进展。 目前利用解析法解决爆破问题一般只能考虑很简单的问题， 缺 28 煤 矿 爆 破 2007 年第 4 期总第 79 期 乏实用性，用实验方法局限于具体实验条件又缺乏普遍性，只有用数值计算方法能够比较深刻、细致、 全面地解决爆破过程的计算和分析问题。 （3）新测试技术和方法的应用。在爆破理论的研究中，一些新技术与其它学科不断渗透，为岩石爆 破能量分布的研究提供了新思路、新方法。超声波测试、声射法、动光弹法等超动态测量技术的不断完 善，为实验室法测量岩石爆破中能量分布提供了现实依据。 （4）提高炸药爆炸能量的利用率。从炸药和岩石的阻抗匹配理论到全过程匹配理论，再到能量匹配 理论，人们不断尝试用装药量、装药位置和装药结构的不同来提高炸药能量的利用率，并取得了一定的 成果。而现实工程中，由于岩石结构面的存在，对爆破工作中提高爆炸能量的利用率并控制其分布提出 了崭新的课题。 参考文献 1 王文龙．钻眼爆破[M]．北京煤炭工业出版社，1984 2 刘文轩．断裂控制爆破开采石材机理的研究[J]．爆炸与冲击，1993，139（2） 3 Dey P R. Controlled blasting to minimize overbreak with boreholes underground. Proceeding of the 8th conference on explosives and blasting technique [A]. 1985 4 J.R. 布里克曼．分离冲击波与气体膨胀作用机理．第二届爆破破岩国际会议论文集，长江科学院水利水电爆破 咨询服务部[A]．1990 5 颜事龙．集中药包与条形药包爆破能理分布的研究[E]．铁道部科学研究院，1994 6 吴亮．岩石中柱状装药爆炸能量分布[J]．岩土力学，2006，5 7 杨军．岩石爆破理论模型及数值计算[M]．科学出版社，1999 8 陈建平，高文军．爆破工程地质学[M]．科学出版社，2005，1 煤科总院爆破技术研究所新近取得四项国家专利授权 本刊讯本刊讯 煤科总院爆破技术研究所作为民用爆破器材与爆破技术专业研究机构， 近年来十分重视提高自 主创新能力、实施知识产权战略，日前取得国家发明专利和实用新型专利授权各 2 项，分别为乳化炸药生 产工艺方法及设备（ZL200410014438.1）；耐压型乳化炸药（ZL200410041824.X）；小药卷整列码垛捆扎装 置（ZL200620075379.3）；爆破网路检测仪（ZL200620075881.4）。 “乳化炸药生产工艺方法及设备”的发明特征在于通过对现有冷却敏化工艺的改进，采用雾化方式将 冷却和敏化工序混合进行。该工艺通过冷却塔实现，冷却塔顶部中央设有向下的敏化剂喷雾器，基质冷却喷 枪上向设于集料器中央，出料口设于塔的底部。该发明的冷却和敏化操作同时进行对炸药基质微观结构破坏 小，保证了产品质量。该方法可实现连续自动化操作，工艺简便易行，符合生产实际。 “耐压型乳化炸药”发明的特点是乳化炸药的配方中采用复合乳化剂、增加乳化剂含量、采用新型化 学发泡剂敏化技术等技术途径提高乳化炸药的耐压性能， 所述复合乳化剂由失水山梨糖醇单油酸酯和聚异丁 烯丁二酰亚胺组成。使用该发明耐压型乳化炸药，可实现在保持现有矿用爆破器材质量不变的前提下达到有 效增强煤矿异常爆破控制能力的目的。该发明的耐压型乳化炸药的爆炸性能符合 GB18095-2000 标准，其煤 矿许用乳化炸药抗压性能为其受压钝化临界值的 1.5 倍以上。 “小药卷整列码垛捆扎装置” 实用新型专利技术已在该单位开发的工业炸药全自动包装系统中获得应用。 “爆破网路检测仪”实用新型专利技术已形成正式产品并投放市场。