岩体中传爆点振效应破岩机理探讨

吴介毅

(铜陵有色金属集团控股有限公司， 安徽铜陵 244001)



岩体中传爆点振效应破岩机理探讨

吴介毅

(铜陵有色金属集团控股有限公司， 安徽铜陵 244001)

岩体爆破机理研究工作开展的十分艰难，现有的主要理论均不能全面彻底地解释岩体爆破中的现象、描述岩体的破碎过程。而几乎所有的理论都是从岩体出发来展开研究，忽略了对炸药作用的研究。总结前人在岩体爆破破碎机理研究上的学说、论断、论点，结合爆破实践，以炸药作用为出发点，提出传爆点振效应破岩机理，且按照作用源划为三类破岩模式。并尝试用该理论来解释岩体爆破中的各种现象，更加有效、充分、客观地揭示岩体爆破破碎机理的物理实质。

岩体； 点振效应； 破岩机理； 破岩模式； 作用源

1　引言

近百年来，岩体爆破破碎机理研究工作开展得十分艰难，究其原因，除了爆炸本身的高温、高压、高速特性外，其作用的对象的复杂多变也是一个重要原因。各种常规的实验观测手段无法发挥有效作用，现有的理论大多以实践经验为基础，通过不断的猜想总结而来。因此，岩体爆破破碎机理依然是困扰科研工作者的一大难题，岩石爆破破碎原因也只能停留在若干假说的基础上。许许多多的理论相继出现，这正说明在通晓爆破破碎的物理过程方面仍有很大差距。众多的学说与研究远远跟不上当今工业生产的飞速发展。众所周知，工业生产要求解决岩石在爆炸能的作用下怎样发生破碎，了解岩石破碎时的特征、裂隙的分布和传播规律，从而为正确进行爆破设计、合理地配制和选用炸药及人为地控制爆破作用和提高爆炸能量利用率提供科学依据。

2　主要岩体爆破破碎机理

岩体爆破破碎机理的研究有数百年之久，形成了众多的理论。最早出现的理论是Daw氏的剪切破坏理论，以后相继出现了冲击波反射拉伸破坏理论、爆炸气体膨胀压拉伸破坏理论、流体动力学理论、功能平衡理论以及能量理论等。

2.1冲击波反射拉伸破坏理论

冲击波反射拉伸破坏理论兴起于上世纪50年代，该理论认为岩石的破碎主要是由冲击波引起的。当炸药在炮孔中爆轰时，产生强烈的冲击波，并作用于周围的岩石，其在岩石中引起强烈的应力波。当应力波强度超过了岩石的动抗压强度就会引起周围岩石的粉碎。当压缩应力波通过粉碎带以后，其强度会有所下降，直到不能引起岩石的破碎。此后压缩应力波会继续在岩体中传播，当它到达自由面时，会反射拉伸应力波，由于岩石的抗拉强度远低于抗压强度，此时岩石将以“片裂”的方式发生破坏。

2.2爆炸气体膨胀压拉伸破坏理论

该理论认为爆炸气体膨胀压是引起岩石破碎的主要原因。在其机理的解释上主要存在两种观点：其一，认为当爆炸发生后，高压气体钻入由冲击波引起的径向裂隙中，并在裂隙稍上形成拉伸应力场直到自由面，而引起岩石的破碎。其二，认为高压气体将岩石压缩到必需的应变量，并将岩石加速到能够发生破碎的最后阶段，当气体压力急剧降低后，由卸载而引起的引力解除会使岩石发生破碎。

2.3冲击波和爆炸气体膨胀相结合拉伸破坏理论

该破坏理论认为，岩石破碎是冲击波和气体膨胀共同作用的结果〔1-3〕。冲击波作用在炮孔壁上形成初始的径向裂隙和反射波在促使径向裂隙延伸以及决定延伸方向方面起重要作用，而气体膨胀压在胀开径向裂隙，促使径向裂隙延伸以及最终决定裂隙破坏范围方面起重要作用。

冲击波和气体膨胀都起作用，这里引出了学者的一类主张，根据岩石的波阻抗将岩石分为三类：波阻抗大的坚硬岩石主要是由冲击波破碎的，波阻抗小的软岩主要是爆炸气体膨胀压破碎的，而中等波阻抗的岩石则为冲击波和气体膨胀共同破碎的。

3　传爆点振效应破岩机理

3.1传爆点振效应理论

岩体爆破机理研究工作开展的十分艰难，上述主要理论均不能全面彻底地解释岩体爆破中的现象、描述岩体的破碎过程。除了爆炸本身是一个高温、高压、高速和变化的复杂过程，破坏对象又具有多样性、多变性和不透明性的特点。几乎所有的理论都是从岩体出发展开研究〔4-9〕，而忽略了对炸药作用的研究，杨年华〔10〕对条形药包破岩规律开展了实验研究，得到了关于条形药包破岩规律方面的新认识；汪传松〔11〕提出应根据不同形式爆破的特点去分析其致破应力及其变化规律。岩体爆破现象可以看作一种“力学现象”的变化过程。但不能看作一般力学的变化过程，既不能用静力学，也不能用一般动力学解释岩石破坏过程，该过程是在极短时间内，炸药能量在岩石中释放、传递和做功的过程。本文提出炸药传爆点振效应理论，并尝试利用该理论解释岩体爆破破碎现象和过程。

参考陶颂霖〔12〕对爆轰传播观点与近代学者提出的爆轰结构，并结合对矿山生产爆破实践的认识，提出矿用工业炸药传爆机理模式理论。认为传爆是由反应单元通过循环出现，彼此承前启后，连锁相接而获得。每一个反应体就是一个短时点振源。

单元体中反应区内的化学反应即是爆轰冲击波对岩体产生强烈应力波的源头。膨胀域的膨胀过程即是对岩体及爆生产物区产生膨胀的源头。

单质炸药中，反应单元体的药粒一旦参与反应，往往仅为一次性反应，无滞后反应产生，此时单元体内的反应区中炸药能量由于相对集中且瞬时释放，故爆轰压力峰值很高。此时，爆轰压力一般要大于其炮孔压力，膨胀域与爆生产物区融为一体。

混合炸药中，由于各混合物的理化性质相异，单元体中的反应区存在多次反应(至少两次)，而许多有效反应滞留到膨胀域内，甚至在爆生产物区内进行，故膨胀域内滞后反应严重，膨胀域内的滞留物所含的能量再次被释放而成为一个个作用源，可大大提高爆生产物区的压力。此时炮孔压力峰值极高，一般情况下，有炮孔压力高于其爆轰压力的可能。以上所述，均系爆破破碎岩石的作用源头，如果用微观角度观察，每个作用源头称之为“点振域”。点振域发出冲击，产生冲击应力波造成岩石的破坏，就是笔者提出的见解，称之为“传爆点振效应理论”。

3.2破岩模式分类

岩石破坏的过程即是炸药能量在岩石中传递和做功的过程，这个过程不是杂乱无章、随意性很强的一种变化，而是在爆轰波冲击作用和爆生气体压力作用下，按照一定规律进行的。尽管岩石种类不同，且同种岩石也存在差异，岩石的本身对破岩机理起着不可忽视的影响，但大量爆破实践证明，最基本的破岩模式，仍是由冲击波做功和爆生气体膨胀做功两大作用衍生出来的。下面对各类破岩模式进行定义及分类，并尝试用点振效应理论作出解释。规定：

岩体在爆轰波冲击作用下被激发，而产生一系列破岩模式叫A系列破岩模式。其中：

(1)岩体同时受两个或两个以上冲击波作用源而产生破裂的破岩模式叫随机同时复式破岩型(全称为A类随机同时复式破岩型)。

(2)岩体在短时差内受两个或两个以上冲击波作用源而产生破裂的破岩模式叫短时差复式破岩型(全称为A类短时差复式破岩型)。

(3)岩体在长时差内受两个或两个以上冲击波作用源而产生破裂的破岩模式叫长时差复式破岩型(全称为A类长时差复式破岩型)。

(4)岩体只受一个冲击波作用源而产生破裂的破岩模式叫单式破岩型(全称为A类单式破岩型)。

岩体在爆生气体膨胀压力作用下被激发，而产生一系列破岩模式叫B系列破岩模式。其中：

(1)岩体同时受两个或两个以上膨胀压作用源而产生破裂的破岩模式叫随机同时复式破岩型(全称为B类随机同时复式破岩型)。

(2)岩体在微差延时内受两个或两个以上膨胀压作用源而产生破裂的破岩模式叫微差复式破岩型(全称为B类微差复式破岩型)。

(3)岩体在秒差延时内受两个或两个以上膨胀压作用源而产生破裂的破岩模式叫秒差复式破岩型(全称为B类秒差复式破岩型)。

(4)岩体只受一个膨胀压作用源而产生破裂的破岩模式叫单式破岩型(全称为B类单式破岩型)。

岩体由任意一种及一种以上复式破岩型，或任意两种及两种以上的单式破岩型，或复式、单式联合破岩型等进行组合爆破破碎的破岩模式叫复合型破岩模式。

3.3破岩模式中若干破碎机理

3.3.1A系列破岩模式中代表性的岩石破碎机理

柱状药包破岩中，反应单元体作用源发出的冲击应力波叠加机理模式。柱状药包爆轰过程，可视为某一量值的“短时点振源”沿药包轴线上做点振作用的过程。可以确定，点振源所发出的冲击应力波不因其本身的位移而很快消除，其有一个暂留过程，因而它们之间有机会叠加，形成叠加应力场，强化岩石内部应力状况，这就为炮孔附近内、外圈的裂纹形成与发育营造了条件。

(1) 拉伸波裂片机理模式

柱状药包轴线方向上，每瞬时内，若干点振源(反应单元体作用源)发出的冲击应力波传到临空面，根据光学物像对称原理，可以拟成相对应的若干虚波源，可以看成由众多有序的虚波源从自由面向炮孔方向发出拉伸波及剪切波，众多有序的拉伸与剪切波相互叠加，强化临空面岩石应力状况，形成岩石叠加拉伸场与叠加剪切场。虽然有关两种类型波，相对能量的大小取决于点振源发出应力波入射角，但破裂一般是由反射的叠加拉伸场引起的，岩石的抗拉强度既小于抗压强度，也小于抗剪强度，况且拉伸波的传播速度大于剪切波的速度，可见叠加拉伸场的形成要超前于叠加剪切场。叠加拉伸场的作用从现状来看，主要有：

①叠加拉伸场与岩体内压缩应力场形成合成场，其场拉伸力大于岩石的抗拉强度，那么就会从自由面向炮孔方向产生片裂。

②如果合成场的场拉力低于岩石的极限抗拉强度，一旦压缩应力场完全通过自由面，合成场转为完全叠加拉伸场，此刻的场拉伸力大过岩石的抗拉强度，那么也会从自由面向炮孔方向产生片裂。

③叠加拉伸场，可以同径向裂隙尖端处的应力场互相叠加而促使径向裂隙大大向前延伸，当场拉力与裂隙成90°，极有利于裂隙延伸，当角度介于0° ～90°，情况要次之，当角度为0°时，对延伸极不利，产生相反效果。

(2) 环向拉伸力场破岩机理模式

每一瞬时内，若干点振源各自发出的冲击应力波在岩石中产生的应力由于暂留与叠加作用，岩石发生径向扩张，一旦此作用离去，原来受强应力作用的岩石，由于应力的突然释放，会引起岩石质点反径向位移，而产生径向拉伸应力，如果此应力超过岩石的动抗拉强度，便会在径向裂纹间的岩石产生切向微观裂纹。

(3) 环形剪切破岩机理模式

在每一瞬时内，若干点振源发出的冲击应力波在岩石中产生的应力，由于暂留与叠加作用，对其造成径向压缩，岩石质点作径向移动，产生一切向拉伸，形成环向拉伸应力圈。若在此环形圈中的环向拉伸应力大大超过岩石的动抗拉强度，会形成许多微观的径向裂纹，当切向拉伸应力随着场作用的减弱而降到低于岩石的抗拉强度时，便会停止新裂纹的产生。

(4) 剪切破岩机理模式

在每一瞬时内，若干点振源发出的冲击应力波在岩石中产生的应力由于暂留与叠加作用，对岩层造成径向压缩，岩石质点径向移动产生切向拉伸，这些径向应力与切向应力均能组成相对应的合力，其对岩石有力矩作用，造成岩石的剪切破坏。

(5) 冲击应力波引发的诱导机理模式

药包形状不同，爆轰冲击应力分布不同，圆柱状药包的爆轰压力是轴对称，球状药包为球对称。起爆后，爆轰冲击应力波按轴对称或球对称全方位传播，形成全方位应力场，随后，由于岩体在靠近临空面这一侧出现拉伸场，原全方位传播应力场失去平衡，应力传播重新调整局面，此刻，应力负荷集中到炮孔与临空面这一侧进行延伸与发育，对爆炸气体的投掷方向和最终裂隙破坏范围起了决定性作用。

3.3.2B系列破岩模式中代表性的岩石破碎机理

(1)剪切作用机理模式

当药包传爆完成后，炮孔内的气体形成准静压力，对岩层存在推力作用，爆源周围的岩层存在不同的阻力，阻力小的岩石质点移动快，阻力大的移动速度慢，质点与质点做相对位移，造成岩石内部之间的剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时，岩石便发生破坏。

(2)气体准静态力场叠加作用机理模式

当爆轰结束，爆生气体压力围绕炮孔会引起一个准静力场，其大小取决于爆生气体压力值，对同段多孔随机同时起爆来说，它们在某一时刻，若干准静压力场能有机会相互叠加，使岩体处在一个强压应力状态下，发生破碎。

(3)爆生气体扩张机理模式

当爆轰波冲击作用出现，岩石中“反应单元体”沿轴线“位移”，炮孔周围微观裂纹圈得以形成或正在形成，滞后“位移”的膨胀域及相继之后爆生产物区所形成的爆生气体，随之挤入这些微观裂纹圈中，将微观裂纹迅速地胀开并扩展，可达到肉眼可见程度的宏观裂隙。

(4)岩石内片裂作用机理

气体膨胀压力强烈压缩岩石会发生径向扩张，一旦气体膨胀压力消耗以后，原来受压缩的岩石由于压力突然释放会引起岩石质点做反径向移动而产生径向拉伸应力，如果这种应力超过岩石的动抗拉强度，便会在径向裂隙间楔形岩石中产生切向片裂。

(5)爆生气体准静压力场失衡机理

深孔钻岩硐室开挖用群孔同段起爆，因应力波传播速度远远超过岩石裂纹形成的速度，而爆生气体在裂纹形成时或形成后，才起尖劈作用。当岩石形成裂隙之后离开母体之前，爆生气体压力转向爆生气体准静压力场的片刻，由于临空面的存在，冲向大气，发生失衡。即将中心部位抛出，而后因负压和持续的爆破振动作用，将周围部位滞后抛出。

(6)鼓包作用机理

岩石破碎的最后阶段中，如露天深孔爆破岩石的实际破碎作用进行得比较缓慢，经爆生气体尖劈作用，炮孔前面的岩块阻力己小于炮孔压力。此刻，在爆炸气体的超高压影响下，出现抛掷现象，岩块以某一变化着的速度上升，岩块虽已破碎，但仍保持连续的整体运动，其外形轮廓类似钟形(叫做鼓包)，紧接着是鼓包破裂，岩体分散成块状并持续运动，最后落到地面。

3.3.3复合型破岩模式中代表性的岩石破碎机理

在工业产生中，人们遵循岩体爆破破碎规律，将各种类型破岩模式进行组合，应用在爆破工程中。

现将“多排同段爆破法”作一剖析，以达到对复合破岩机理作用的了解。

多排同段爆破法是一种富有特点的延时爆破，其实质是将排间延时爆破中一排炮孔的破岩作用模式扩大到几排炮孔。其破岩机理是随机同时起爆与同段雷管间的短时延时起爆爆破作用的复合。短时延时起爆作用在整个破岩作用中居主导地位，随机同时起爆的破岩作用居次要地位，短时延时起爆的破岩作用特点表现为：

(1)炮孔在其连线方向极易促成爆破裂纹的充分扩展，但在炮孔壁，其他作用方向上的初始裂纹扩展趋势较小，相邻炮孔同时起爆的破岩作用不利于岩石的充分破碎。

(2)对于致密完整的坚固岩石，爆破裂纹扩展速度较快。短时延时爆破作用的形成对岩石破碎有利，同时起爆的能量集中释放效应有利于岩石孔间贯通，裂纹的形成。对于要求充分破碎块度的岩石爆破，爆破自由面的作用比炸药能量集中释放作用更有利。

(3)多排同段爆破技术与逐排延时爆破比较，据模拟实验测定：其振动峰值要大2 ～3倍，振动延时长29倍，主振相频率要集中。在炸药能量利用方面，该技术的能量利用率高，特别是爆炸气体能量利用率较高。

4　结论

(1)炸药传爆是由“反应单元”，即许多科学家公认的“爆轰结构”，有规律的依次反应，彼此承前启后，连锁相接而获得。单元体中的反应区与爆轰波是相辅相成的关系，爆轰波是反应区的激发源，反应区由于激发源的作用，在区内产生连续反应，这个连续反应最终形成新的激发源，即爆轰波。如此周而复始地进行，完成传爆过程。每一个反应单元体就是一个短时点振源，单元体中的反应区内的化学反应即是爆轰冲击波对岩体产生强烈应力波的源头，膨胀域的膨胀过程特别是滞后反应是对岩体及爆生产物区产生膨胀压的源头，以此提出“传爆点振效应”，运用此理论使研究问题明朗化、具体化、可分解落实到微观上。

(2)按作用源将岩体爆破破碎机理划为A系列模式、B系列模式和复合型系列模式，不仅使爆破机理的划分条理化、系统化，而且克服了长期以来人们只研究岩体本身这个内在因素，而勿略了“作用源头”这个外在因素，其意义就在于更加有效、充分、客观地揭示岩体爆破破碎机理的物理实质。

〔1〕 吴立,屠厚泽. 岩体爆破破碎的微观机理[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程),1998,25(5):49-51.

WU Li,TU Hou-ze. Microcosmic mechanism of rock fragmentation by blasting[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),1998,25(5):49-51.

〔2〕 黄志强. 岩石爆破破碎机理研究[J]. 大众科技,2007,9(6):89-90.

HUANG Zhi-qiang. Study on mechanism of rock fragmentation by blasting[J]. Popular Science & Technology,2007,9(6):89-90.

〔3〕 孔祥松,刘响钟,周纪军,等. 岩石工程爆破破碎的机理研究[J]. 矿业研究与开发,2013,33(4):118-121.

KONG Xiang-song,LIU Xiang-zhong,ZHOU Ji-jun,et al. Study on fragmentation mechanism for rock blasting engineering[J]. Mining Research and Development,2013,33(4):118-121.

〔4〕 钟冬望. 岩体爆破破碎损伤机理探讨[J]. 武汉冶金科技大学学报,1998,21(4):387-390.

ZHONG Dong-wang. Study on damage mechnism of rock blasting fragmentation[J]. Journal of Wuhan Yejin University of Science and Technology,1998,21(4):387-390.

〔5〕 郭文章,王树仁,刘殿书,等. 节理岩体爆破损伤演化机理探讨[J]. 工程爆破,1998,4(2):8-11.

GUO Wen-zhang,WANG Shu-ren,LIU Dian-shu,et al. Study on mechanism of damage evolution in jointed rock mass in blasting[J]. Engineering Blasting,1998,4(2):8-11.

〔6〕 卢海湘. 爆炸冲击波作用下岩体破碎机理的研究[J]. 湖南有色金属,2002,18(3):1-3.

LU Hai-xiang. A study on rock crush mechanism by explosive stress wave[J]. Hunan Nonferrous Metals,2002,18(3):1-3.

〔7〕 朱泽云,黄苹苹,李葆珍. 岩体性质和爆破效果的关系[J]. 工程爆破,1997,3(2):6-12.

ZHU Ze-yun,HUANG Ping-ping,LI Bao-zhen. A relationship of rock behaviour with blast effect[J]. Engineering Blasting,1997,3(2):6-12.

〔8〕 王成,恽寿榕,黄风雷,等. 软弱垫层爆破机理研究[J]. 工程爆破,1999,5(1):15-17.

WANG Cheng,YUN Shou-rong,HUANG Feng-lei,et al. Study on blasting mechanism of soft mat layer[J]. Engineering Blasting,1999,5(1):15-17.

〔9〕 刘茂新,张义平,聂祥进,等. 炸药性能与岩石匹配的试验研究[J]. 工程爆破,2016,22(1):24-29.

LIU Mao-xin,ZHANG Yi-ping,NIE Xiang-jin,et al. Experimental study on matching between explosive performance and rock[J]. Engineering Blasting,2016,22(1):24-29.

〔10〕 杨年华. 条形药包爆破破岩规律的试验研究[J]. 工程爆破,1995,1(1):20-25.

YANG Nian-hua. Experiment study on laws of fragmentation in rock blasting with linear charge[J]. Engineering Blasting,1995,1(1):20-25.

〔11〕 汪传松. 岩石爆破破坏原因研究的立足点剖析[J]. 三峡大学学报(自然科学版),2001,23(2):120-123,168.

WANG Chuan-song. Analysis on foothold of resear-ching into causes of rock fragmentation in blasting simple[J]. Journal of China Three Gorges University(Natural Sciences),2001,23(2):120-123,168.

〔12〕 陶颂霖,王胜. 爆破时岩石裂纹扩展规律的研究[J]. 中南矿冶学院学报,1990,16(1):16-22.

TAO Song-lin,WANG Sheng. A study on crack developing by blasting[J]. Journal of Central South University,1990,16(1):16-22.

Rock fragmentation mechanism of point vibration effect by blasting

WU Jie-yi

(Tongling Nonferrous Metals Group Holdings Co., Ltd., Tongling 244001, Anhui, China)

The study of mechanism of rock blasting fragmentation is very difficult. The exiting mechanisms can not explain the fragmentation phenomena or describe the fragmentation process comprehensively or thoroughly. Almost all of the exiting mechanisms were obtained by studying the rocks, few mechanisms were obtained by studying the effects of explosive. Previous researchers′ theories and judgments on rock fragmentation mechanism by blasting were summarized. Combining with blasting practice and taking the effects of explosive as starting point, the point vibration effect mechanism was proposed to try to explain the phenomena in rock fragmentation by blasting. The theory was divided into three kinds of rock fragmentation model according to contributing source. It was more effective, sufficient and objective to reveal the essence of rock fragmentation by blasting.

Rock； Point vibration effect； Rock fragmentation mechanism； Rock fragmentation model； Contributing source

1006-7051(2016)04-0028-05

2016-04-19

吴介毅(1943-)，男，高级工程师，主要从事岩体爆破、工程爆破管理等方向的研究。E-mail： 1057369891@qq.com

TD235.1

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.006