Ξ李彤华 唐春海 赵明特 李致宗
(广西南宁震宇爆破高新技术开发总公司 南宁 530023)〔摘要〕 爆破理论的研究历史，经历了三个不同的发展阶段，各阶段均有其代表性理论。文章介绍和分析了各爆破理论的要点及其优缺点以及最新进展情况，对工程爆破实践起着重要的指导意义。
〔关健词〕 冲击波 爆破气体膨胀压 拉伸破坏 裂隙岩体 动载荷 计算机模拟 架桥机
1 前 言
爆破理论作为一门学科。是随着、材的发明和应用，爆破量测技术的进步以及相邻学科的发展而发展起来的，并在不同的发展阶段形成不同的爆破理论，对爆破工程起着重要的指导作用。
2 爆破理论的发展阶段
爆破理论的研究经历了三个阶段：早期发展阶段；爆破理论的确立和发展阶段；现代爆破理论的最新发展阶段。
2.1 早期发展阶段
从用于爆破作业起，人们就有了计算量的方法，也就出现了早期爆破理论。早期发展阶段比较著名的理论有：量与岩石破碎体积成比例理论,C.W.利文斯顿爆破漏斗理论和流体力学理论。2.1.1 量与岩石破碎体积成比例理论 该理论首先给出了集中药包标准抛掷漏斗的装药量计算公式:
Q =q.W 3(1)
式中: Q -标准抛掷爆破的装药量，单位:kg ;q -破碎单位体积岩石的消耗量，单位:kg/m 3;
W -最小抵抗线，单位:m 。
当装药深度不变，改变装药量的大小，破碎半径及破碎顶角的数值也要变化。因此，根据几何相似原理得出非标准抛掷漏斗的装药量计算公式可写成:
Q =f (n ).q.W
3(2)
第10卷第2期 1997年6月 广 西 地 质Guangxi G eology Vol 110 No 12J un 1 1997
Ξ本文于1997年1月20日收到。
式中: n -爆破作用指数,
关于f (n )的具体计算，有许多经验公式，应用较多的是:
f (n )=0.4+0.6n
3(3)
Γ.Ν.波克罗夫斯基认为，当增加装药深度时，不仅被破碎介质体积增加，而且消耗于抬高每立方米介质体积的能量也一定增加。据此，在实践基础上提出了下式:
土质：当W >20m 时,Q =(0.4+0.6n 3).q.W 3W
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(4) 矿岩：当W >15m 时,Q =(0.4+0.6n 3).q.W 3W
15(5) 综上所述，量与岩石破碎体积成比例理论虽然计算了爆破时的参数(装药量)，但是说明。但是由于这种理论及计算公式比较简单，具实践经验意义，所以至今仍在生产中得到广泛应用。
2.1.2 C.W.利文斯顿爆破漏斗理论
C.W.利文斯顿爆破漏斗理论的基础是大量的爆破漏斗试验和能量平衡准则，说明了能量传递给周围岩石及空气的方式。
试验表明：在岩体中爆炸时，传递给岩石的能量取决于岩石性质、性质、药包重量和药包埋深等因素。当岩石性质一定时，爆破能量的多少取决于重量和埋藏深度。在地下深处埋藏的药包，爆炸后其能量几乎全部被岩石吸收。当岩石吸收的能量达到饱和状态时，岩石表面开始产生位移、隆起、破坏以及抛掷。在此基础上,C.W.利文斯顿建立了图1 单位药量爆破体积(V /Q )和深度比(Δ)曲线图 爆破漏斗的最佳药量和最佳埋深公式:
L j =Δ0E (Q 0)
海洋幼虫1/3(6) 式中: L j —最佳埋深,m ;
Ej —弹性变形系数;
Q 0—最佳药包重量,kg ;
Δ0—最佳深度比。
关于爆破漏斗的形状,C.W.利文斯顿采用单
位药量的爆破体积和深度比曲线来表示(图1)。
漏斗体积V 与药包埋深L y 的关系是:L y 由大变
小时,V 由小变大直至最佳深度L j 时,V 最大。以L j 为转折点，以后L y 逐渐变小,V 也相应变小，即曲线是中间高两头低的形状。用V /Q -Δ曲线表征爆破漏斗的形状，充分体现了爆炸传递经岩石的能量既与的性质有关又与岩石特性有关，更能反映爆破能量传递的实质，更科学化。然而该理论仅对爆破结果进行了定量的描述而没有涉及岩石的爆破过程，爆破机理，因此仍属实用爆破学范畴。
2.1.3 流体动力学理论
依据数学相似原理，原苏联学者O.E.弗拉索夫于1945年提出了流体动力学理论。流体动力学理论是假设在坚硬介质中，爆炸作用具有瞬时性以及爆破介质具有不可压缩性，把介质视为理想流体。因此，爆炸作用可视为爆炸气体以动能形式将爆炸能量瞬间传给介质。
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经过假设以后认为：爆炸在岩石介质中产生的速度势分布与电解液电位分布都遵循着相同的数学规律———拉普拉斯方程:
52φ5x 2+52φ5y 2+52φ5z 2
=C (7) 求解的结果可获得反映爆炸能量分布规律以及应力分布特性的势速(
φ)的分布特点及其大小。通过水电动态相似模拟法可以方便地求出岩石破碎块度分布。
综观早期爆破理论，虽然三种代表性的理论各有特点，但共同点是没有涉及到爆破过程的物理实质，只是一些经验(试验)计算公式。
2.2 爆破理论的确立和发展阶段
2.2.1 冲击波拉伸破坏理论
20世纪60年代初，日本学者日野熊雄提出了冲击波拉伸破坏理论。这种理论从爆炸动力学观点出发，认为药包爆炸时在岩体中激起的冲击波(压应力波)自药包中心向外传到自由面后在自由面上反射后变
成的拉应力波，是造成岩石破坏的主要原因。岩石抗拉强度很低，大大小于其抗压强度，同时，由于自由面处的岩石处于双向应力状态，其抗拉强度比多向应力状态时要低。如果反射拉应力波形成的拉应力超过岩石的抗拉强度，岩石便发生拉断破坏，使得岩石从自由面向药包方向层层拉断(俗称片落)，见图2所示。
图2 反射拉应力波的破坏作用1-反射拉应力波;2-压应力波
该理论虽然能解释实际工程中出现的一些现象，如
爆破时自由面处确实常发现片裂、剥落等现象，但限于
当时的技术条件，该理论对许多问题不能完全解释。例
如:①中冲击波所携带的能量(动能)仅占总能
量的5%～15%，而爆炸气体膨胀能占总能量50%以
上，单靠冲击波这样小的能量要将岩石完全破碎是令人
难以置信的。②应力波从炮孔传到自由面，再从自由面
反射回炮孔的全部时间历程不超过几毫秒。根据N.U.
特鲁达的资料，自由面岩石开始移动的时间为上述时间
的15～30倍。这充分说明在这样短的时间内，冲击波
不可能将岩石全部破碎。
2.2.2 爆炸气体膨胀压破坏理论
该理论的基本观点是：爆炸气体膨胀压是引起岩石破坏的主要原因。在岩石内部，由爆炸反应生成的气体膨胀压力引起岩石的拉伸破坏。
该理论的代表人物为瑞典学者U.兰格福斯。U.兰格福斯认为，爆炸后产生的冲击波，在炮孔周围岩石中产生初始裂隙(径向裂隙)，但范围很小。当爆炸气体作用在孔壁时，膨胀的高压气体钻入由冲击波引起的径向裂隙中将裂隙胀开，并在裂隙尖端形成切向拉伸应力。这种应力促使裂隙继续延伸，直到自由面，将岩石破碎。
U.兰格福斯正确地阐述了爆炸气体在岩石破碎中的作用，它使初始裂隙进一步扩大和延伸。但该论点也存在一些问题:①从用裸露药包破碎大块来看，岩石破碎主要依靠冲击波的动压作用，爆炸的膨胀气
体并没有对大块破碎起什么作用。这充分说明岩石破碎不能单独由爆炸气体来完成。②爆炸膨胀气体的准静态压力Ps 只有冲击波波阵面压力Pd 的
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1/2～1/4。单独由这样低的准静态压力能否在岩石中引起初始破裂是令人怀疑的。
2.2.3 冲击波和爆炸气体综合作用理论
该理论认为岩石破坏首先是爆炸冲击波在炮口周围的岩石中产生裂隙破坏，其后是爆炸气体进一步扩展了裂隙。在破碎岩石上冲击波和爆炸气体共同作用。较具代表性并为国内外众多学者接受的是加拿大学者L.C.朗(Long )1972年提出来的爆破过程经历的三个阶段：第一阶段为爆炸后冲击波径向压
缩阶段。起爆后冲击波以每秒3000～5000m 的速度在岩石中引起切向拉应力，由此产生的径向裂隙向自由面方向发展。冲击波由炮孔向外扩展到径向裂隙出现需1～2ms (如图3).第二阶段为冲击波反射引起的自由面岩石片落。当冲击波达到自由面后反射为拉伸波。如果这种拉伸应力足够大则可导致自由面岩石
产生“片落”
(如图4)。第三阶段为爆炸气体的膨胀。岩石受到爆炸气体超高压力的影响，在拉伸应力和气楔的双重作用下径向初始裂隙迅速扩大(如图5)。当炮孔前方的岩石被分离推出时，岩石内产生的高应力卸载如同被压缩的弹簧突然松开一样，产生高应力的卸载效应，在岩体内引起极大的拉伸应力，继续了第二阶段的破击过程。
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图3 爆破过程径向 图4 爆破过程冲击波反 图5 爆破过程爆炸气体
压缩阶段示意图 射阶段示意图 膨胀阶段示意图
综上所述，爆破理论的确定和发展阶段是在冲击波拉伸破坏理论和爆炸气体膨胀压破坏理论的基础上提出来的，是冲击波和爆炸气体综合作用理论。但就岩石破坏的力学作用而言，这两种破坏作用的形式均属拉伸破坏。
一炮三检
2.3 现代爆破理论最新进展阶段
2.3.1 裂隙岩体的爆破理论
现代爆破理论的最新发展阶段起始于20世纪80年代，标志之一是有裂隙介质爆破机理的产生。当今岩体力学已从以材料力学为基础的连续介质岩体力学发展为以工程地质为基础的非连续介质岩体力学。
裂隙岩体的破碎规律可以概括为:①裂隙岩体的破碎主要是应力波作用的结果。应力波不只是使岩石在自由面产生片落，而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙，或者促进原生裂隙进一步扩大。这一过程是在气体膨胀压作用之前即已完成。②与均匀介质爆炸相比，裂隙岩体的爆炸气体膨胀压对岩石破碎作用很小，只是当应力波将岩石破碎成块以后，起到促使岩石碎块分离的作用。③由于裂隙的发展速度有限，载荷的速率对裂隙的成长有很大的作用。缓慢的载荷作用有利于裂隙的贯通和形成较长的裂隙。而高应变率载荷容易产生较多的裂隙，却抑制了裂隙的贯通，只产生短裂隙。
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2.3.2 岩石动裁特征及其对爆破效果的影响
工业爆炸时，爆轰波波阵面上的压力为5～6GPa ，质点速度5000～5500m/s ，载荷作用时间仅十几至几十微秒。岩石在如此高温瞬时加载条件下，明显地表现出不同于静载的力学性质，即应变率特征。因此研究高应变率条件下岩石动载特征对于研究爆破法破碎岩石理论有重要意义。
我国学者于亚伦教授采用三轴SHPB 装置(冲击速度40m/s ，最大围压值为100MPa )对多种岩石、矿石进行了高速冲击试验，在此基础上提出了岩石动抗压强度、动弹性模量、应变率、围压条件下的岩石对爆破效果的影响。主要有:①岩石动载特性高于静载特性。岩石承受动载比承受静载更难于变形，欲使岩石在动载条件下发生破坏，所需外载荷更大。②冲击速度增加，岩石吸收能增大，破碎效果获得改善。③动弹性模量与动抗压强度成正比。④孔隙率与抗压强度增大量成反比。对于孔隙率小的岩石，愈在高压下愈难压缩，因此容易产生脆性破坏，爆破时消耗量少一些；反之，爆破时消耗的量相对多一些。⑤岩石破坏强度随围压的增大而增大。围压继续升高，岩石可以从脆性变为韧性，甚至硬化，增大爆破难度。
2.3.3 计算机模拟爆破
计算机模拟爆破技术的发展，代表着90年代爆破技术的最高水平。计算机模拟爆破是以计算机为运算工具，采用模拟的方法，求得爆破过程或系统的模拟解。计算机模拟爆破欲达到的目标有4个方面:(1)裂纹的产生和扩展;(2)预测爆破块度的组成和爆堆形态;(3)爆破效果的评价与参数的优化;(4)模拟和再现爆破过程。
随着爆破技术的发展，计算机模拟爆破作为爆破领域的新技术、新方法已愈来愈引起人们的重视。近十几年来，计算机模拟爆破研究已取得很大成绩。一些卓有成效的爆破模型已经建立，正在生产中发挥着重要的作用。
3 结 语
随着的应用，爆破量测技术的进步以及相邻学科的发展，爆破理论的研究也不断引向深入。逐步由经验总结向科学理论发展，呈现一派蓬勃发展的新气象。现代爆破理论最新进展阶段，代表了当代爆破技术发展的最新水平。这一阶段爆破理论的研究，更加实用化、计算机化和科学化，我国学者在这一阶段的研究中也取得了丰硕的成果，做出了有益的贡献，并将继读为我国的现代化建设发挥积极作用。
参考文献
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作者简介
李彤华,1969年9月生,1994年7月毕业于成都理工学院地质专业，毕业后主要从事工程爆破工作，现任广西南宁震宇爆破高新技术开发总公司助理工程师。1995年9月到北京科技大学攻读硕士研究生, 1997年7月毕业。
通讯地址: 南宁市建政路1号
邮 编: 530023
电 话: (0771)5623080-2281
MODERN B LASTING THEOR Y AN D ITS NEW AD VANCES
Li Tonghua,T ang Chunhai,Zhao Mingte&Li Zhizong
声呐(N anni ng Zhenyu Blasti ng High-New Technology Development Corporation of Guangxi,N anni ng530023)
Received January20,1997;Revised version accepted March20
Abstract
The study history of the blasting theory is divided into three different stages,each having its own representative theory.In the paper,the authors introduce and analyse the key points, advantages and disadvantages of the blasting theory in different stages and its new advances. All these are of important guide to engineering blasting practice.
K ey Words:blast wave,expansive pressure of blasting gas,tensible damage,fissured body,dynamic load,computer modelling
豫公网安备41160202000603
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