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岩石爆破破坏机理的四种理论
2011-08-04
对四种岩石爆破破坏机理的理论进行了论述,并对这四种理论进行了评价,指出了它们的适用性,目的是使读 者对岩石爆破破坏机理理论有个系统的了解。
总 第 123 期 006 年 第 7 期 西 部 探 矿 工 程 series No. 123 WEST - CHINA EXPLORA TION EN GINEERIN G J uly. 2006   2 文 章 编 号 :1004 — 5716 (2006) 07 — 0181 — 02 中 图 分 类 号 : TD23511文 献 标 识 码 :B 分 爆 破 工 程 分 岩 石 爆 破 破 坏 机 理 的 四 种 理 论 赵 新 涛 ,程 贵 海 ( 广 西 大 学 资 源 与 环 境 学 院 ,广 西 南 宁 530004) 摘 要 :对 四 种 岩 石 爆 破 破 坏 机 理 的 理 论 进 行 了 论 述 ,并 对 这 四 种 理 论 进 行 了 评 价 ,指 出 了 它 们 的 适 用 性 ,目 的 是 使 读 者 对 岩 石 爆 破 破 坏 机 理 理 论 有 个 系 统 的 了 解 。 关 键 词 :岩 石 破 坏 ;破 坏 机 理 ;应 力 波 [ 4 ] 。   炸 药 爆 炸 是 一 个 高 温 、高 压 和 高 速 的 瞬 态 过 程 ,被 爆 岩 石 性 着 自 由 面 延 伸 [ 2 ] 质 和 爆 破 条 件 也 复 杂 多 变 ,且 岩 石 爆 破 破 碎 过 程 是 一 个 极 为 1. 3 应 力 波 和 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 联 合 作 用 理 论 该 理 论 认 为 ,爆 破 时 岩 石 的 破 坏 是 应 力 波 和 爆 生 气 体 共 同 作 用 的 结 果 ,它 们 相 辅 相 成 ,各 自 在 岩 石 破 坏 过 程 的 不 同 阶 段 起 重 要 作 用 。 迅 速 的 过 程 ,因 此 给 研 究 岩 石 爆 破 破 坏 机 理 带 来 了 极 大 的 困 难 , 迄 今 为 止 ,还 没 有 一 套 完 整 而 准 确 的 岩 石 爆 破 破 坏 理 论 。 但 随 着 长 期 的 生 产 实 践 和 动 态 测 试 技 术 的 发 展 以 及 借 助 爆 破 模 拟 实 验 ,使 人 们 对 该 过 程 认 识 和 了 解 越 来 越 深 ,提 出 了 一 些 爆 破 破 坏 理 论 。 应 力 波 的 作 用 :炸 药 爆 炸 后 ,爆 能 迅 速 释 放 并 猛 烈 冲 击 炮 孔 p 壁 ,当 爆 轰 速 度 D 大 于 孔 壁 岩 石 中 纵 波 传 播 速 度 V 时 ,则 在 岩 1 1 岩 石 爆 破 破 坏 机 理 的 理 论 石 中 形 成 冲 击 波 ,当 D 小 于 则 在 孔 壁 上 形 成 应 力 脉 冲 ,冲 击 V p . 1 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 破 坏 理 论 波 、应 力 脉 冲 很 快 就 衰 减 为 应 力 波 。 冲 击 波 具 有 极 高 的 压 力 ,此 压 力 远 大 于 岩 石 的 动 抗 压 强 度 ,因 此 在 药 包 近 区 造 成 岩 石 的 “ 压 碎 ” ,在“ 压 碎 ”区 之 外 冲 击 波 衰 减 为 应 力 波 ,应 力 波 促 使 岩 石 质 点 朝 远 离 爆 心 的 方 向 做 径 向 运 动 ,因 此 在 岩 石 质 点 之 间 产 生 拉 应 力 ,此 拉 应 力 大 于 岩 石 的 动 抗 压 强 度 ,于 是 便 造 成 径 向 裂 纹 。 裂 纹 产 生 与 延 伸 取 决 于 裂 纹 尖 部 的 应 力 强 度 因 子 K 和 介 质 断 裂 韧 该 理 论 认 为 ,岩 石 爆 破 破 坏 主 要 是 由 炮 孔 内 炸 药 爆 炸 生 成 [ 1 ] 的 气 体 的 压 力 作 用 造 成 的 。 药 包 爆 炸 后 ,爆 生 气 体 产 物 迅 速 膨 胀 ,由 于 炮 孔 空 间 有 限 ,气 体 就 以 极 高 压 力 作 用 于 炮 孔 壁 岩 层 ,从 而 在 岩 石 中 产 生 极 高 压 应 力 场 。 岩 石 质 点 受 到 压 应 力 便 产 生 径 向 位 移 ,而 径 向 位 移 又 产 生 径 向 压 应 力 和 切 向 拉 应 力 。 如 果 岩 石 的 抗 拉 强 度 低 于 切 向 拉 应 力 ,就 会 产 生 径 向 裂 隙 。 当 药 包 附 近 存 在 自 由 面 时 ,岩 石 位 移 的 阻 力 在 最 小 抵 抗 线 方 向 最 小 且 岩 石 位 移 速 度 最 大 ,而 在 其 它 方 向 上 阻 力 就 大 一 些 位 移 速 度 就 小 一 些 。 在 阻 力 不 等 的 不 同 方 向 上 不 同 的 质 点 位 移 速 度 必 定 会 引 起 剪 应 力 ,如 果 剪 应 力 超 过 该 处 岩 石 的 抗 剪 强 度 ,岩 石 就 会 发 生 剪 切 破 坏 。 当 上 述 破 坏 发 生 后 ,如 果 爆 生 气 体 还 具 有 足 够 大 的 压 力 ,则 爆 炸 气 体 将 推 动 破 碎 岩 块 作 径 向 抛 掷 运 动 。 性 KIC之 间 的 关 系 , K< KIC裂 纹 不 能 延 伸 , K > KIC 裂 纹 可 延 伸 , K µ KIC裂 纹 可 分 叉 。 裂 纹 起 始 点 常 在 介 质 中 的 微 裂 隙 处 ,然 后 才 与 孔 壁 贯 通 的 。 在 应 力 波 的 动 压 作 用 之 下 除 了 造 成 径 向 裂 纹 之 外 还 造 成 环 状 裂 纹 ,即 “: 卸 载 裂 纹 ”。 形 成 原 因 是 :炸 药 爆 炸 后 产 生 的 冲 击 波 冲 击 孔 壁 岩 层 ,在 岩 石 内 储 存 了 大 量 “ 弹 性 能 ” ,当 冲 击 过 后 ,炮 孔 内 爆 生 气 体 的 压 力 和 温 度 大 为 降 低 ,这 时 岩 石 便 向 爆 心 回 弹 ,同 时 储 存 在 岩 石 中 的 “ 弹 性 能 ”也 将 释 放 出 来 ,由 此 造 成 朝 向 爆 心 的 径 向 拉 应 力 ,此 拉 应 力 导 致 孔 壁 外 围 岩 层 中 同 心 圆 状 的 环 形 裂 纹 的 形 成 。 不 管 是 径 向 裂 纹 还 是 环 形 裂 纹 都 是 由 于 应 力 波 的“ 动 压 ”作 用 使 岩 石 产 生 大 于 动 抗 拉 强 度 的 拉 应 力 ,即 “ 拉 伸 式 ”破 坏 。 炸 药 爆 炸 的 能 量 中 ,动 能 仅 占 5 %~ 15 % ,而 爆 生 气 体 含 有 绝 大 部 分 的 能 量 ,岩 石 发 生 破 裂 和 破 碎 所 需 时 间 小 于 爆 炸 气 体 作 用 于 岩 石 的 时 间 。 因 此 这 种 理 论 认 为 ,岩 石 的 破 碎 主 要 是 由 爆 炸 气 体 膨 胀 压 力 造 成 的 。 1 . 2 反 射 拉 伸 应 力 波 破 坏 理 论 爆 生 气 体 的 作 用 :炸 药 起 爆 后 ,大 约 有 50 %的 爆 能 留 在 爆 生 气 体 之 中 ,爆 生 气 体 以 较 低 的 压 力 (相 对 于 冲 击 波 、应 力 波 而 言 ) 作 用 在 已“ 震 裂 ”的 岩 石 上 。 被“ 动 压 ” (冲 击 波 、应 力 波 对 岩 石 的 作 用 ) 震 裂 的 岩 石 ,其 中 的 裂 纹 并 没 有 完 全 贯 通 而 形 成 破 碎 岩 块 。 爆 生 气 体 压 力 虽 然 较 低 ,但 其 作 用 时 间 较 长 ,它 可 渗 入 径 向 、环 形 等 裂 纹 中 ,使 其 尖 部 的 应 力 强 度 因 子 增 大 而 使 其 向 前 延 伸 ,最 终 使 各 裂 纹 相 互 贯 通 而 形 成 破 碎 的 岩 块 ,能 量 较 大 时 可 将 岩 块 抛 日 本 学 者 日 野 智 雄 ( K. Hino) 曾 做 了 大 量 实 验 ,并 早 在 1956 [ 3 ] 年 就 提 出 了 有 名 的“ 反 射 波 片 落 破 岩 论 ” 。 该 理 论 认 为 ,岩 石 的 破 坏 主 要 是 由 自 由 面 上 应 力 波 反 射 转 变 成 的 拉 伸 应 力 波 造 成 [ 的 1 ] 。 炸 药 爆 炸 后 ,爆 轰 波 传 播 到 炮 孔 壁 岩 层 ,在 岩 石 层 内 引 起 一 股 压 应 力 波 ,压 应 力 波 传 到 自 由 面 时 便 发 射 回 来 形 成 拉 伸 应 力 波 。 这 股 反 射 拉 伸 波 会 在 岩 石 自 由 面 引 起 拉 应 力 ,如 果 拉 应 力 超 过 该 处 岩 石 抗 拉 强 度 ,岩 石 就 会 因 拉 伸 而 破 坏 。 [ 4 ] 掷 出 去 。 英 国 学 者 卡 特 尔 ( H. K. Kutter) 较 早 地 论 述 了 爆 生 气 反 射 拉 伸 应 力 波 除 了 形 成 片 落 裂 纹 外 ,还 有 另 外 一 个 重 要 作 用 ,就 是 在 负 载 中 形 成 拉 伸 应 力 场 ,使 原 来 外 行 的 径 向 裂 纹 向 体 的 这 种 作 用 ,他 还 指 出 了 爆 生 气 体 可 在 负 载 岩 石 内 部 形 成 “ 准 [ 5 ] [6 ] 静 压 力 场 ” ,哈 根 将 这 种 作 用 称 为 爆 生 气 体 的“ 气 楔 作 用 ” 。 J uly. 2006 No. 7 西 部 探 矿 工 程   1 82 冲 击 波 、应 力 波 对 岩 石 的 作 用 称 为 “ 动 压 作 用 ” ,爆 生 气 体 对 忽 略 爆 生 气 体 的 破 坏 作 用 。 近 年 来 的 研 究 表 明 ,炸 药 爆 炸 能 的 50 %左 右 包 含 在 爆 生 气 体 中 ,冲 击 波 、应 力 波 使 岩 石 产 生 裂 纹 后 , 紧 接 着 爆 生 气 体 就 会 将 裂 纹 发 展 、扩 大 ,最 终 使 岩 石 破 碎 。 因 此 这 种 理 论 也 是 只 强 调 某 一 方 面 ,是 片 面 的 。 岩 石 的 作 用 称 为“ 气 楔 作 用 ”或“ 准 静 压 作 用 ”。 由 于 冲 击 波 、应 力 波 的 压 力 极 高 速 度 极 快 ,因 此 动 压 作 用 时 间 非 常 短 。 爆 生 气 体 的 压 力 及 速 度 相 对 冲 击 波 、应 力 波 来 说 要 低 的 多 ,而 且 爆 生 气 体 经 历 的 路 径 较 复 杂 、路 程 较 长 ,因 此 爆 生 气 体 作 用 时 间 长 一 些 。 因 为 爆 生 气 体 压 力 低 、速 度 小 、作 用 时 间 长 、因 此 才 把 它 的 作 用 称 为 应 力 波 和 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 联 合 作 用 理 论 注 重 爆 生 气 体 压 力 和 应 力 波 共 同 作 用 的 效 果 ,指 出 应 力 波 的 作 用 是 “ 动 压 ” 作 用 ,爆 生 气 体 的 作 用 是 “ 静 压 ”作 用 。 动 压 作 用 使 岩 石 受 到 损 伤 ,将 岩 石 震 裂 ,使 其 内 部 产 生 裂 纹 ;静 压 作 用 使 岩 石 内 部 的 裂 纹 继 续 发 展 、贯 通 ,最 终 导 致 岩 石 破 碎 。 岩 石 爆 破 过 程 分 为 两 个 阶 段 :“ 动 压 ”阶 段 和 “ 静 压 ”阶 段 ,这 两 个 阶 段 在 时 间 上 具 有 明 显 的 先 后 性 ,两 者 相 辅 相 成 共 同 构 成 岩 石 爆 破 破 坏 的 过 程 。 此 理 论 对 岩 石 爆 破 破 坏 机 理 的 解 释 较 为 符 合 实 际 情 “ 准 静 态 作 用 ”。 从 爆 破 破 岩 的 动 力 来 源 而 论 ,可 将 该 理 论 称 为 动 静 压 二 源 论 ” ,动 压 作 用 先 将 岩 石 震 裂 ,然 后 静 压 作 用 将 岩 石 “ 破 碎 并 抛 掷 出 去 ,二 者 是 有 先 后 顺 序 的 ,由 此 可 将 岩 石 爆 破 破 坏 分 为 两 个 阶 段 ,即 “: 动 压 阶 段 ”和“ 静 压 阶 段 ” ,这 两 种 作 用 相 辅 相 成 共 同 构 成 岩 石 爆 破 破 坏 的 过 程 。 通 过 长 期 对 露 天 台 阶 式 爆 破 进 行 高 速 摄 影 可 知 ,在 一 般 情 况 下 (负 载 值 6~ 8m) ,炸 药 爆 炸 后 台 阶 坡 面 涨 裂 、抛 掷 的 时 间 大 况 ,因 此 被 大 多 数 学 者 接 受 。 [ 4 ] 约 在 20~ 30ms 之 后 。 由 上 述 可 知 ,动 压 作 用 时 间 非 常 短 一 般 岩 体 爆 破 的 损 伤 力 学 理 论 是 近 阶 段 随 着 损 伤 力 学 的 发 展 而 不 超 过 5~ 6ms ,而 剩 下 的 15~ 25ms 则 是 爆 生 气 体 的 静 压 作 用 时 间 。 这 说 明 岩 石 破 坏 过 程 是 由 这 两 个 阶 段 构 成 的 且 两 个 阶 段 在 时 间 上 具 有 明 显 的 先 后 性 。 出 现 的 ,它 用 于 解 释 含 有 原 生 地 质 结 构 面 岩 体 的 破 坏 问 题 。 岩 体 基 本 上 都 含 有 原 生 地 质 结 构 面 ,且 通 过 大 量 的 调 查 统 计 发 现 岩 体 在 爆 破 破 坏 过 程 中 80 %以 上 的 破 裂 面 是 沿 各 种 地 质 结 构 面 开 展 的 。 在 实 际 爆 破 工 程 中 遇 到 的 基 本 上 是 岩 体 的 爆 破 ,因 此 该 理 论 适 用 面 较 广 。 [ 2] 1 . 4 岩 体 爆 破 的 损 伤 力 学 理 论 上 述 三 种 理 论 主 要 针 对 岩 石 (岩 块 ) 而 言 ,对 岩 体 来 说 就 显 得 十 分 不 合 适 。 岩 体 与 岩 石 在 力 学 性 质 上 有 着 明 显 的 区 别 :岩 体 由 岩 石 和 结 构 面 组 成 ,在 大 多 数 情 况 下 ,结 构 面 的 力 学 强 度 与 岩 石 相 比 要 小 得 多 ,因 此 岩 体 的 力 学 强 度 由 结 构 面 的 力 学 强 度 所 决 定 ,岩 体 的 力 学 性 质 通 过 结 构 面 的 力 学 性 质 来 表 征 ,岩 体 的 力 学 强 度 小 于 岩 石 的 力 学 强 度 。 评 价 结 论 :爆 生 气 体 膨 胀 压 力 破 坏 理 论 和 反 射 拉 伸 应 力 波 破 坏 理 论 各 强 调 某 一 方 面 ,而 忽 略 另 一 方 面 ,因 此 理 论 具 有 片 面 性 ;应 力 波 和 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 联 合 作 用 理 论 注 重 爆 生 气 体 压 力 和 应 力 波 共 同 作 用 的 效 果 ,较 为 符 合 实 际 情 况 ,因 而 被 大 多 数 学 者 接 受 ;岩 体 爆 破 的 损 伤 力 学 理 论 是 针 对 岩 体 爆 破 破 坏 提 出 的 ,适 用 性 较 强 。 通 过 大 量 的 调 查 统 计 发 现 ,岩 体 爆 破 过 程 中 80 %以 上 的 破 裂 面 是 沿 岩 体 各 种 原 生 结 构 面 (节 理 、裂 隙 、层 理 等 ) 产 生 ,岩 体 破 裂 问 题 难 以 从 岩 石 力 学 角 度 进 行 分 析 ,应 该 采 用 损 伤 力 学 方 法 来 分 析 岩 体 沿 结 构 面 破 坏 的 机 理 。 3 结 束 语 (1) 叙 述 了 4 种 岩 石 爆 破 破 坏 理 论 ,既 :气 压 论 、波 动 论 、气 压 与 波 动 联 合 论 、损 伤 论 ,这 四 种 理 论 各 代 表 一 种 基 本 观 点 ,反 映 了 人 们 对 岩 石 爆 破 破 坏 机 理 认 识 的 循 序 渐 进 性 和 岩 石 爆 破 破 坏 过 程 的 复 杂 性 。 岩 体 爆 破 损 伤 力 学 的 观 点 视 岩 体 中 的 裂 隙 为 初 始 损 伤 ,各 种 结 构 面 和 微 缺 陷 为 潜 在 的 损 伤 发 展 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 时 ,岩 体 产 生 破 坏 。 ( 2) 由 应 力 波 和 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 联 合 作 用 理 论 可 知 岩 石 破 坏 是“ 拉 伸 式 ”破 坏 ,由 岩 体 爆 破 的 损 伤 力 学 理 论 可 知 岩 体 破 坏 是“ 损 伤 式 ”破 坏 。 岩 体 由 于 成 岩 过 程 的 复 杂 性 以 及 成 岩 以 后 的 变 动 ,不 可 避 免 地 存 在 着 初 始 损 伤 ,冲 击 载 荷 作 用 于 含 有 初 始 损 伤 的 脆 性 岩 石 ,将 产 生 两 种 效 应 :一 是 材 料 刚 度 的 劣 化 ,二 是 应 力 波 能 量 的 耗 散 。 这 反 映 了 初 始 损 伤 是 影 响 岩 石 动 态 损 伤 和 破 坏 的 重 要 因 素 , 同 时 岩 石 中 的 不 连 续 界 面 ,作 为 一 种“ 能 量 屏 障 ”使 得 裂 纹 扩 展 终 止 于 此 ,只 有 当 更 多 的 能 量 提 供 给 介 质 时 才 有 可 能 产 生 新 的 裂 纹 。 岩 石 的 动 态 损 伤 及 其 演 化 是 一 个 能 量 耗 散 过 程 ,不 同 冲 击 载 荷 下 岩 石 的 损 伤 程 度 反 映 了 断 裂 时 损 伤 能 量 耗 散 的 大 小 。 ( 3) 对 4 种 理 论 做 了 简 要 的 评 价 ,指 出 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 破 坏 理 论 和 反 射 拉 伸 应 力 波 破 坏 理 论 具 有 片 面 性 ,应 力 波 和 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 联 合 作 用 理 论 较 为 符 合 实 际 情 况 ,岩 体 爆 破 的 损 伤 力 学 理 论 适 用 性 较 强 。 参 考 文 献 : [1]   陶 颂 霖 . 凿 岩 爆 破 [ M]. 北 京 :冶 金 工 业 出 版 社 , 1992 :119~ 120. [2]   陈 建 平 ,高 文 学 . 爆 破 工 程 地 质 学 [ M ]. 北 京 :科 学 出 版 社 , 2005 : 217~ 218. 2 四 种 理 论 的 评 价 [ 3]   K. Hino : Fragmentation of Rock Through Blasting & Shock wave Theory of Blasting. Quarterly Colorado School of Mines 1956. No. 3 4]   潘 井 澜 . 爆 破 破 岩 机 理 的 探 讨 [J ]. 爆 破 ,1994 ,(4) :1~ 6. 5 ] H. K. Kutter &C. Fairhurst : On the Fracture Process in Blasting. Int.J . of Rk Mech. & Min. Sci. 1971. 5 爆 生 气 体 膨 胀 压 力 破 坏 理 论 只 强 调 爆 生 气 体 压 力 对 岩 石 的 破 坏 作 用 ,而 忽 略 冲 击 波 对 岩 石 破 坏 的 作 用 ,这 与 事 实 是 有 出 入 的 。 例 如 用 一 药 包 固 定 在 岩 石 表 面 起 爆 ,就 可 以 将 岩 石 破 坏 的 事 实 。 由 于 药 包 的 爆 生 气 体 膨 胀 不 受 限 制 ,所 以 爆 生 气 体 几 乎 全 部 散 向 四 周 空 间 ,对 岩 石 的 破 坏 作 用 可 以 忽 略 ,此 时 用 这 种 理 论 来 解 释 此 事 实 就 显 得 无 能 为 力 ,因 此 这 种 理 论 是 片 面 的 。 [ [ [ 6]   T. N. Hagan : Rock Breakage by Exploslve Nat. Symp. on Rock Fragmentation. 1973 ,2. 反 射 拉 伸 应 力 波 破 坏 理 论 强 调 反 射 应 力 波 的 破 坏 作 用 ,而
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