吳介毅

(銅陵有色金屬集團控股有限公司， 安徽銅陵 244001)

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巖體中傳爆點振效應破巖機理探討

吳介毅

(銅陵有色金屬集團控股有限公司， 安徽銅陵 244001)

巖體爆破機理研究工作開展的十分艱難，現(xiàn)有的主要理論均不能全面徹底地解釋巖體爆破中的現(xiàn)象、描述巖體的破碎過程。而幾乎所有的理論都是從巖體出發(fā)來展開研究，忽略了對炸藥作用的研究?？偨Y(jié)前人在巖體爆破破碎機理研究上的學說、論斷、論點，結(jié)合爆破實踐，以炸藥作用為出發(fā)點，提出傳爆點振效應破巖機理，且按照作用源劃為三類破巖模式。并嘗試用該理論來解釋巖體爆破中的各種現(xiàn)象，更加有效、充分、客觀地揭示巖體爆破破碎機理的物理實質(zhì)。

巖體； 點振效應； 破巖機理； 破巖模式； 作用源

1　引言

近百年來，巖體爆破破碎機理研究工作開展得十分艱難，究其原因，除了爆炸本身的高溫、高壓、高速特性外，其作用的對象的復雜多變也是一個重要原因。各種常規(guī)的實驗觀測手段無法發(fā)揮有效作用，現(xiàn)有的理論大多以實踐經(jīng)驗為基礎，通過不斷的猜想總結(jié)而來。因此，巖體爆破破碎機理依然是困擾科研工作者的一大難題，巖石爆破破碎原因也只能停留在若干假說的基礎上。許許多多的理論相繼出現(xiàn)，這正說明在通曉爆破破碎的物理過程方面仍有很大差距。眾多的學說與研究遠遠跟不上當今工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展。眾所周知，工業(yè)生產(chǎn)要求解決巖石在爆炸能的作用下怎樣發(fā)生破碎，了解巖石破碎時的特征、裂隙的分布和傳播規(guī)律，從而為正確進行爆破設計、合理地配制和選用炸藥及人為地控制爆破作用和提高爆炸能量利用率提供科學依據(jù)。

2　主要巖體爆破破碎機理

巖體爆破破碎機理的研究有數(shù)百年之久，形成了眾多的理論。最早出現(xiàn)的理論是Daw氏的剪切破壞理論，以后相繼出現(xiàn)了沖擊波反射拉伸破壞理論、爆炸氣體膨脹壓拉伸破壞理論、流體動力學理論、功能平衡理論以及能量理論等。

2.1沖擊波反射拉伸破壞理論

沖擊波反射拉伸破壞理論興起于上世紀50年代，該理論認為巖石的破碎主要是由沖擊波引起的。當炸藥在炮孔中爆轟時，產(chǎn)生強烈的沖擊波，并作用于周圍的巖石，其在巖石中引起強烈的應力波。當應力波強度超過了巖石的動抗壓強度就會引起周圍巖石的粉碎。當壓縮應力波通過粉碎帶以后，其強度會有所下降，直到不能引起巖石的破碎。此后壓縮應力波會繼續(xù)在巖體中傳播，當它到達自由面時，會反射拉伸應力波，由于巖石的抗拉強度遠低于抗壓強度，此時巖石將以“片裂”的方式發(fā)生破壞。

2.2爆炸氣體膨脹壓拉伸破壞理論

該理論認為爆炸氣體膨脹壓是引起巖石破碎的主要原因。在其機理的解釋上主要存在兩種觀點：其一，認為當爆炸發(fā)生后，高壓氣體鉆入由沖擊波引起的徑向裂隙中，并在裂隙稍上形成拉伸應力場直到自由面，而引起巖石的破碎。其二，認為高壓氣體將巖石壓縮到必需的應變量，并將巖石加速到能夠發(fā)生破碎的最后階段，當氣體壓力急劇降低后，由卸載而引起的引力解除會使巖石發(fā)生破碎。

2.3沖擊波和爆炸氣體膨脹相結(jié)合拉伸破壞理論

該破壞理論認為，巖石破碎是沖擊波和氣體膨脹共同作用的結(jié)果〔1-3〕。沖擊波作用在炮孔壁上形成初始的徑向裂隙和反射波在促使徑向裂隙延伸以及決定延伸方向方面起重要作用，而氣體膨脹壓在脹開徑向裂隙，促使徑向裂隙延伸以及最終決定裂隙破壞范圍方面起重要作用。

沖擊波和氣體膨脹都起作用，這里引出了學者的一類主張，根據(jù)巖石的波阻抗將巖石分為三類：波阻抗大的堅硬巖石主要是由沖擊波破碎的，波阻抗小的軟巖主要是爆炸氣體膨脹壓破碎的，而中等波阻抗的巖石則為沖擊波和氣體膨脹共同破碎的。

3　傳爆點振效應破巖機理

3.1傳爆點振效應理論

巖體爆破機理研究工作開展的十分艱難，上述主要理論均不能全面徹底地解釋巖體爆破中的現(xiàn)象、描述巖體的破碎過程。除了爆炸本身是一個高溫、高壓、高速和變化的復雜過程，破壞對象又具有多樣性、多變性和不透明性的特點。幾乎所有的理論都是從巖體出發(fā)展開研究〔4-9〕，而忽略了對炸藥作用的研究，楊年華〔10〕對條形藥包破巖規(guī)律開展了實驗研究，得到了關于條形藥包破巖規(guī)律方面的新認識；汪傳松〔11〕提出應根據(jù)不同形式爆破的特點去分析其致破應力及其變化規(guī)律。巖體爆破現(xiàn)象可以看作一種“力學現(xiàn)象”的變化過程。但不能看作一般力學的變化過程，既不能用靜力學，也不能用一般動力學解釋巖石破壞過程，該過程是在極短時間內(nèi)，炸藥能量在巖石中釋放、傳遞和做功的過程。本文提出炸藥傳爆點振效應理論，并嘗試利用該理論解釋巖體爆破破碎現(xiàn)象和過程。

參考陶頌霖〔12〕對爆轟傳播觀點與近代學者提出的爆轟結(jié)構(gòu)，并結(jié)合對礦山生產(chǎn)爆破實踐的認識，提出礦用工業(yè)炸藥傳爆機理模式理論。認為傳爆是由反應單元通過循環(huán)出現(xiàn)，彼此承前啟后，連鎖相接而獲得。每一個反應體就是一個短時點振源。

單元體中反應區(qū)內(nèi)的化學反應即是爆轟沖擊波對巖體產(chǎn)生強烈應力波的源頭。膨脹域的膨脹過程即是對巖體及爆生產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)生膨脹的源頭。

單質(zhì)炸藥中，反應單元體的藥粒一旦參與反應，往往僅為一次性反應，無滯后反應產(chǎn)生，此時單元體內(nèi)的反應區(qū)中炸藥能量由于相對集中且瞬時釋放，故爆轟壓力峰值很高。此時，爆轟壓力一般要大于其炮孔壓力，膨脹域與爆生產(chǎn)物區(qū)融為一體。

混合炸藥中，由于各混合物的理化性質(zhì)相異，單元體中的反應區(qū)存在多次反應(至少兩次)，而許多有效反應滯留到膨脹域內(nèi)，甚至在爆生產(chǎn)物區(qū)內(nèi)進行，故膨脹域內(nèi)滯后反應嚴重，膨脹域內(nèi)的滯留物所含的能量再次被釋放而成為一個個作用源，可大大提高爆生產(chǎn)物區(qū)的壓力。此時炮孔壓力峰值極高，一般情況下，有炮孔壓力高于其爆轟壓力的可能。以上所述，均系爆破破碎巖石的作用源頭，如果用微觀角度觀察，每個作用源頭稱之為“點振域”。點振域發(fā)出沖擊，產(chǎn)生沖擊應力波造成巖石的破壞，就是筆者提出的見解，稱之為“傳爆點振效應理論”。

3.2破巖模式分類

巖石破壞的過程即是炸藥能量在巖石中傳遞和做功的過程，這個過程不是雜亂無章、隨意性很強的一種變化，而是在爆轟波沖擊作用和爆生氣體壓力作用下，按照一定規(guī)律進行的。盡管巖石種類不同，且同種巖石也存在差異，巖石的本身對破巖機理起著不可忽視的影響，但大量爆破實踐證明，最基本的破巖模式，仍是由沖擊波做功和爆生氣體膨脹做功兩大作用衍生出來的。下面對各類破巖模式進行定義及分類，并嘗試用點振效應理論作出解釋。規(guī)定：

巖體在爆轟波沖擊作用下被激發(fā)，而產(chǎn)生一系列破巖模式叫A系列破巖模式。其中：

(1)巖體同時受兩個或兩個以上沖擊波作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫隨機同時復式破巖型(全稱為A類隨機同時復式破巖型)。

(2)巖體在短時差內(nèi)受兩個或兩個以上沖擊波作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫短時差復式破巖型(全稱為A類短時差復式破巖型)。

(3)巖體在長時差內(nèi)受兩個或兩個以上沖擊波作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫長時差復式破巖型(全稱為A類長時差復式破巖型)。

(4)巖體只受一個沖擊波作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫單式破巖型(全稱為A類單式破巖型)。

巖體在爆生氣體膨脹壓力作用下被激發(fā)，而產(chǎn)生一系列破巖模式叫B系列破巖模式。其中：

(1)巖體同時受兩個或兩個以上膨脹壓作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫隨機同時復式破巖型(全稱為B類隨機同時復式破巖型)。

(2)巖體在微差延時內(nèi)受兩個或兩個以上膨脹壓作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫微差復式破巖型(全稱為B類微差復式破巖型)。

(3)巖體在秒差延時內(nèi)受兩個或兩個以上膨脹壓作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫秒差復式破巖型(全稱為B類秒差復式破巖型)。

(4)巖體只受一個膨脹壓作用源而產(chǎn)生破裂的破巖模式叫單式破巖型(全稱為B類單式破巖型)。

巖體由任意一種及一種以上復式破巖型，或任意兩種及兩種以上的單式破巖型，或復式、單式聯(lián)合破巖型等進行組合爆破破碎的破巖模式叫復合型破巖模式。

3.3破巖模式中若干破碎機理

3.3.1A系列破巖模式中代表性的巖石破碎機理

柱狀藥包破巖中，反應單元體作用源發(fā)出的沖擊應力波疊加機理模式。柱狀藥包爆轟過程，可視為某一量值的“短時點振源”沿藥包軸線上做點振作用的過程?？梢源_定，點振源所發(fā)出的沖擊應力波不因其本身的位移而很快消除，其有一個暫留過程，因而它們之間有機會疊加，形成疊加應力場，強化巖石內(nèi)部應力狀況，這就為炮孔附近內(nèi)、外圈的裂紋形成與發(fā)育營造了條件。

(1) 拉伸波裂片機理模式

柱狀藥包軸線方向上，每瞬時內(nèi)，若干點振源(反應單元體作用源)發(fā)出的沖擊應力波傳到臨空面，根據(jù)光學物像對稱原理，可以擬成相對應的若干虛波源，可以看成由眾多有序的虛波源從自由面向炮孔方向發(fā)出拉伸波及剪切波，眾多有序的拉伸與剪切波相互疊加，強化臨空面巖石應力狀況，形成巖石疊加拉伸場與疊加剪切場。雖然有關兩種類型波，相對能量的大小取決于點振源發(fā)出應力波入射角，但破裂一般是由反射的疊加拉伸場引起的，巖石的抗拉強度既小于抗壓強度，也小于抗剪強度，況且拉伸波的傳播速度大于剪切波的速度，可見疊加拉伸場的形成要超前于疊加剪切場。疊加拉伸場的作用從現(xiàn)狀來看，主要有：

①疊加拉伸場與巖體內(nèi)壓縮應力場形成合成場，其場拉伸力大于巖石的抗拉強度，那么就會從自由面向炮孔方向產(chǎn)生片裂。

②如果合成場的場拉力低于巖石的極限抗拉強度，一旦壓縮應力場完全通過自由面，合成場轉(zhuǎn)為完全疊加拉伸場，此刻的場拉伸力大過巖石的抗拉強度，那么也會從自由面向炮孔方向產(chǎn)生片裂。

③疊加拉伸場，可以同徑向裂隙尖端處的應力場互相疊加而促使徑向裂隙大大向前延伸，當場拉力與裂隙成90°，極有利于裂隙延伸，當角度介于0° ～90°，情況要次之，當角度為0°時，對延伸極不利，產(chǎn)生相反效果。

(2) 環(huán)向拉伸力場破巖機理模式

每一瞬時內(nèi)，若干點振源各自發(fā)出的沖擊應力波在巖石中產(chǎn)生的應力由于暫留與疊加作用，巖石發(fā)生徑向擴張，一旦此作用離去，原來受強應力作用的巖石，由于應力的突然釋放，會引起巖石質(zhì)點反徑向位移，而產(chǎn)生徑向拉伸應力，如果此應力超過巖石的動抗拉強度，便會在徑向裂紋間的巖石產(chǎn)生切向微觀裂紋。

(3) 環(huán)形剪切破巖機理模式

在每一瞬時內(nèi)，若干點振源發(fā)出的沖擊應力波在巖石中產(chǎn)生的應力，由于暫留與疊加作用，對其造成徑向壓縮，巖石質(zhì)點作徑向移動，產(chǎn)生一切向拉伸，形成環(huán)向拉伸應力圈。若在此環(huán)形圈中的環(huán)向拉伸應力大大超過巖石的動抗拉強度，會形成許多微觀的徑向裂紋，當切向拉伸應力隨著場作用的減弱而降到低于巖石的抗拉強度時，便會停止新裂紋的產(chǎn)生。

(4) 剪切破巖機理模式

在每一瞬時內(nèi)，若干點振源發(fā)出的沖擊應力波在巖石中產(chǎn)生的應力由于暫留與疊加作用，對巖層造成徑向壓縮，巖石質(zhì)點徑向移動產(chǎn)生切向拉伸，這些徑向應力與切向應力均能組成相對應的合力，其對巖石有力矩作用，造成巖石的剪切破壞。

(5) 沖擊應力波引發(fā)的誘導機理模式

藥包形狀不同，爆轟沖擊應力分布不同，圓柱狀藥包的爆轟壓力是軸對稱，球狀藥包為球?qū)ΨQ。起爆后，爆轟沖擊應力波按軸對稱或球?qū)ΨQ全方位傳播，形成全方位應力場，隨后，由于巖體在靠近臨空面這一側(cè)出現(xiàn)拉伸場，原全方位傳播應力場失去平衡，應力傳播重新調(diào)整局面，此刻，應力負荷集中到炮孔與臨空面這一側(cè)進行延伸與發(fā)育，對爆炸氣體的投擲方向和最終裂隙破壞范圍起了決定性作用。

3.3.2B系列破巖模式中代表性的巖石破碎機理

(1)剪切作用機理模式

當藥包傳爆完成后，炮孔內(nèi)的氣體形成準靜壓力，對巖層存在推力作用，爆源周圍的巖層存在不同的阻力，阻力小的巖石質(zhì)點移動快，阻力大的移動速度慢，質(zhì)點與質(zhì)點做相對位移，造成巖石內(nèi)部之間的剪切應力，當這種剪切應力超過巖石的極限抗剪強度時，巖石便發(fā)生破壞。

(2)氣體準靜態(tài)力場疊加作用機理模式

當爆轟結(jié)束，爆生氣體壓力圍繞炮孔會引起一個準靜力場，其大小取決于爆生氣體壓力值，對同段多孔隨機同時起爆來說，它們在某一時刻，若干準靜壓力場能有機會相互疊加，使巖體處在一個強壓應力狀態(tài)下，發(fā)生破碎。

(3)爆生氣體擴張機理模式

當爆轟波沖擊作用出現(xiàn)，巖石中“反應單元體”沿軸線“位移”，炮孔周圍微觀裂紋圈得以形成或正在形成，滯后“位移”的膨脹域及相繼之后爆生產(chǎn)物區(qū)所形成的爆生氣體，隨之擠入這些微觀裂紋圈中，將微觀裂紋迅速地脹開并擴展，可達到肉眼可見程度的宏觀裂隙。

(4)巖石內(nèi)片裂作用機理

氣體膨脹壓力強烈壓縮巖石會發(fā)生徑向擴張，一旦氣體膨脹壓力消耗以后，原來受壓縮的巖石由于壓力突然釋放會引起巖石質(zhì)點做反徑向移動而產(chǎn)生徑向拉伸應力，如果這種應力超過巖石的動抗拉強度，便會在徑向裂隙間楔形巖石中產(chǎn)生切向片裂。

(5)爆生氣體準靜壓力場失衡機理

深孔鉆巖硐室開挖用群孔同段起爆，因應力波傳播速度遠遠超過巖石裂紋形成的速度，而爆生氣體在裂紋形成時或形成后，才起尖劈作用。當巖石形成裂隙之后離開母體之前，爆生氣體壓力轉(zhuǎn)向爆生氣體準靜壓力場的片刻，由于臨空面的存在，沖向大氣，發(fā)生失衡。即將中心部位拋出，而后因負壓和持續(xù)的爆破振動作用，將周圍部位滯后拋出。

(6)鼓包作用機理

巖石破碎的最后階段中，如露天深孔爆破巖石的實際破碎作用進行得比較緩慢，經(jīng)爆生氣體尖劈作用，炮孔前面的巖塊阻力己小于炮孔壓力。此刻，在爆炸氣體的超高壓影響下，出現(xiàn)拋擲現(xiàn)象，巖塊以某一變化著的速度上升，巖塊雖已破碎，但仍保持連續(xù)的整體運動，其外形輪廓類似鐘形(叫做鼓包)，緊接著是鼓包破裂，巖體分散成塊狀并持續(xù)運動，最后落到地面。

3.3.3復合型破巖模式中代表性的巖石破碎機理

在工業(yè)產(chǎn)生中，人們遵循巖體爆破破碎規(guī)律，將各種類型破巖模式進行組合，應用在爆破工程中。

現(xiàn)將“多排同段爆破法”作一剖析，以達到對復合破巖機理作用的了解。

多排同段爆破法是一種富有特點的延時爆破，其實質(zhì)是將排間延時爆破中一排炮孔的破巖作用模式擴大到幾排炮孔。其破巖機理是隨機同時起爆與同段雷管間的短時延時起爆爆破作用的復合。短時延時起爆作用在整個破巖作用中居主導地位，隨機同時起爆的破巖作用居次要地位，短時延時起爆的破巖作用特點表現(xiàn)為：

(1)炮孔在其連線方向極易促成爆破裂紋的充分擴展，但在炮孔壁，其他作用方向上的初始裂紋擴展趨勢較小，相鄰炮孔同時起爆的破巖作用不利于巖石的充分破碎。

(2)對于致密完整的堅固巖石，爆破裂紋擴展速度較快。短時延時爆破作用的形成對巖石破碎有利，同時起爆的能量集中釋放效應有利于巖石孔間貫通，裂紋的形成。對于要求充分破碎塊度的巖石爆破，爆破自由面的作用比炸藥能量集中釋放作用更有利。

(3)多排同段爆破技術與逐排延時爆破比較，據(jù)模擬實驗測定：其振動峰值要大2 ～3倍，振動延時長29倍，主振相頻率要集中。在炸藥能量利用方面，該技術的能量利用率高，特別是爆炸氣體能量利用率較高。

4　結(jié)論

(1)炸藥傳爆是由“反應單元”，即許多科學家公認的“爆轟結(jié)構(gòu)”，有規(guī)律的依次反應，彼此承前啟后，連鎖相接而獲得。單元體中的反應區(qū)與爆轟波是相輔相成的關系，爆轟波是反應區(qū)的激發(fā)源，反應區(qū)由于激發(fā)源的作用，在區(qū)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)反應，這個連續(xù)反應最終形成新的激發(fā)源，即爆轟波。如此周而復始地進行，完成傳爆過程。每一個反應單元體就是一個短時點振源，單元體中的反應區(qū)內(nèi)的化學反應即是爆轟沖擊波對巖體產(chǎn)生強烈應力波的源頭，膨脹域的膨脹過程特別是滯后反應是對巖體及爆生產(chǎn)物區(qū)產(chǎn)生膨脹壓的源頭，以此提出“傳爆點振效應”，運用此理論使研究問題明朗化、具體化、可分解落實到微觀上。

(2)按作用源將巖體爆破破碎機理劃為A系列模式、B系列模式和復合型系列模式，不僅使爆破機理的劃分條理化、系統(tǒng)化，而且克服了長期以來人們只研究巖體本身這個內(nèi)在因素，而勿略了“作用源頭”這個外在因素，其意義就在于更加有效、充分、客觀地揭示巖體爆破破碎機理的物理實質(zhì)。

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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

吳介毅(1943-)，男，高級工程師，主要從事巖體爆破、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