爆破产生能量的来源

1、炸药爆炸的三个基本要素 

(1)化学反应过程大量放热,放热是炸药爆炸对外作功的动力。一般常用工业炸药爆炸时,每 1kg 放出的热量大于 3,000KJ(焦耳)一般为 3,000~4,000KJ/每公斤。

(2)化学反应速度非常快,这是区别于一般化学反应的显著特点。一般能在 10-6~10-7秒内完成化学反应。例如:炸药卷在炮眼内起爆后,90ms 左右岩层就开始移动。一般工业炸药爆炸的反应速度大于 3,000m/s。

(3)化学反应过程生成大量气体。炸药爆炸所产生的气体,是爆炸作功的媒介。工业炸药爆炸生成的气体量在 1m3/kg 左右。另外,工业炸药的爆温一般在 2,000~2,500℃;压力猛增到几万至几十万大气压,高温高压的气体向四周膨胀作功。

2、爆破工程的主要特征 

爆炸——工业炸药引爆后,发生化学反应,即爆炸。

爆破(工程爆破)——利用炸药的爆炸能量对介质作功,以完成预定工程目标的施工作业。

爆破工程四个主要特征:

(1)具有特定的工程对象和目标。任何一项爆破工程,都应有确定的爆破对象和范围以及对爆破效果、安全、工期及主要技术经济指标的要求。

(2)均应进行工程设计和施工作业。

(3)药包或药卷爆炸过程及所产生的效应必须是可控的。按设计要求的方式、时序实现对炸药起爆,并确保准爆,而且应做到有效地控制有害效应和保证环境的安全。

(4)爆破效果通过实践作出评价检验。任何一个爆破工程项目,都有各自不同的客观环境和施工条件,无论是爆破设计,还是施工都必须结合工程实际,针对地选择方案、参数、技术和安全措施,才能取得良好的爆破效果。

3、爆破作用的基本原理 

3.1 爆破破岩理论简介

炸药在爆破对象内爆炸,形成对周围介质的作用称为爆破作用。在药包或药卷爆破作用下,爆破对象的破碎过程是非常复杂的。至今,有工业炸药以来,人们对于岩石爆破破坏机理仍了解得非常不够,只能通过理想和试验现象来解释。

由于药包爆炸时产生的主要能量为高温高压爆轰气体和冲击波,因此人们在实验分析的基础上提出了三种爆破作用破坏理论。

(1)爆轰气体压力作用破坏理论

炸药爆炸作用的能量绝大部分(85%)包含在爆轰气体中,于是该理论认为,岩石破碎是由于高温高压爆轰气体膨胀作功的结果。在高温高压爆轰气体的作用下,介质质点做径向移动,由此形成剪切应力。当剪切应力超过介质强度时,岩石被破坏。若爆轰气体的压力足够,就会将已破坏的岩石抛掷出去。

(2)应力波反射作用破坏理论

​根据爆炸动力学原理该理论认为,炸药爆炸激发的压应力波在介质自由面上反射后形成拉应力波,由于岩石的抗拉强度很低,拉应力波的拉应力往往大于岩石的抗拉强度,于是岩石被拉断。

(3)应力波与爆轰气体的综合作用破坏理论

基于实际工程中出现的一些现象,该理论认为上述两种理论都是片面的,应力波与爆轰气体只能是共同存在,密切相关和互相加强。它们分别在不同阶段、不同条件下发挥各自不同的重要作用破坏岩石。炸药爆炸对介质的破坏,首先是爆炸应力波的作用,然后是爆轰气体的准静态压力作用。

以上三种理论都只是“科学假设”,但对工程爆破设计与施工人员理论工程爆破是有帮助的。

4、爆破的内部作用与爆破的外部作用 

4.1 爆破的内部作用

当药包埋置在地表以下很深处爆炸时,药包的爆破作用只局限于在地表以下,在地表没有显现出爆破痕迹,这种条件下的爆破作用叫做内部作用。从观测到的岩石破坏特征,可将内部作用爆破范围内的岩石分为三圈,见附录所示。

(1)粉碎圈

在药包周围粉碎圈内,岩石直接受到药包爆炸的巨大压力和高温作用,如果岩石是可塑性的(为软岩和硬土),就会被压缩而形成空腔;如果岩石是弹脆性的,就会被粉碎。在此圈内,由于岩石遭受到压缩或粉碎性破坏,能量消耗很大,爆破作用力急剧减少,其半径一般不超过药包的半径的 4~7 倍。

(2)破裂圈

围绕在压缩粉碎圈以外的一圈岩石,虽然受到的爆炸作用力较压缩粉碎圈中的岩石小得多,但岩石受到结构性破坏,生成纵横交错的裂隙,岩体被割裂成块,此范围叫做破裂圈。破裂圈的范围大约为药包半径的 120~150 倍。

(3)振动圈

在破裂圈以外的范围内,爆破作用力已衰减到不能使岩石的结构产生破坏,而只能引起岩石产生弹性振动。这一圈叫做振动圈,振动圈的范围很大,直到爆破作用力完全被岩土所吸收为止。

以上三圈是客观存在的,并非“假说”,在工程实践中都可以观察到,但其范围根据不同炸药、不同岩石和其它客观条件,有所不同。

4.2 爆破的外部作用

当药包埋置深度不大,接近地表时,药包除了使岩石破裂和振动外,被破裂的岩块由于碎胀而在地表隆起,或被抛离地表形成一个爆破坑——爆破漏斗。爆破作用已显现在地表,这种情况叫做爆破的外部作用。绝大多数工程爆破都是属于这种爆破作用。

4.3 关于爆破外部作用的术语

(1)自由面(临空面)

自由面又叫临空面,通常是指被爆岩石与空气的交界面,也是对爆破作用能产生影响并能使爆后岩石发生移动的岩面。自由面的数目、自由面的大小、自由面与炮孔的夹角以及自由面的相对位置等,都对爆破作用产生不同程度的影响。自由面越多,爆破破岩越容易,爆破效果也越好,当岩石性质、炸药品种相同时,随着自由面的增多,炸药单耗(kg/m3)将明显降低。

一般来说,随着自由面积的增加,岩石爆破的夹制作用将变小,这有利于岩石的爆破,当其它条件不变时,炮孔与自由面的夹角愈小,爆破效果也愈好。炮孔方向垂直于自由面时,爆破效果最差;炮孔方向与自由面平行时,爆破效果最好。另外,能否利用岩石的自重下落亦对爆破效果有影响。

(2)最小抵抗线

工程爆破中,通常把药包中心线或重心到最近的自由面的最短距离称为最小抵抗线。用W 表示。

最小抵抗线是爆破时岩石阻力最小的方向,所以在此方向上岩石运动速度最高,爆破作用最集中。

因此,最小抵抗线是爆破作用的主导方向,也是岩石移动的主导方向。在露天深孔爆破与洞室爆破时,尤其要注意弄清楚最小抵抗线。

(3)爆破漏斗

当单个药包在岩体中的埋置深度不大时,爆破的外部作用,其特点是在自由面上形成一个倒圆锥形爆坑,称为爆破漏斗,如附录示意所示。

①标准抛掷爆破漏斗:当 r=w,即 n=r/w=1 时,爆破漏斗为标准抛掷爆破漏斗,漏斗张开角θ=900。而形成这一标准抛掷爆破漏斗的药包,叫做标准抛掷爆破药包。

②加强抛掷爆破漏斗:当 r>w,即 n>1 时,爆破漏斗为加强抛掷爆破漏斗,漏斗的张开角θ>900。而形成加强抛掷爆破漏斗的药包,叫做加强抛掷爆破药包。

③减弱抛掷爆破漏斗:当 0.75<n<1 时,爆破漏斗为减弱抛掷爆破漏斗,漏斗的张开角θ<900。而形成减弱抛掷爆破漏斗的药包,叫做减弱抛掷爆破药包。

减弱抛掷爆破漏斗又叫做加强松动爆破漏斗。

④松动爆破漏斗:当 o<n<0.75 时,爆破漏斗为松动爆破漏斗。这时,爆破漏斗内的岩石只产生破裂、破碎而没有向外抛掷现象。从外表看,没有明显的可见漏斗。

爆破漏斗半径——指形成倒锥形爆破漏斗的底圆半径,用 r 表示。

爆破漏斗破裂半径——指药包中心到爆破漏斗底圆圆周上的任一点的距离,用 R 表示。

爆破漏斗深度——指爆破漏斗顶点至自由面的最短距离,用 H 表示。

爆破漏斗可见深度——指爆破漏斗中碴堆表面最低点到自由面的最短距离,用 P 表示。

爆破漏斗张开角——指爆破漏斗的顶角θ。

爆炮作用指数——指爆破漏斗底圆半径 r 与最小抵抗线 W 的比值,用 n 表示,n=r/w。

h 值在洞室爆破中是一个极重要的参数,直接影响到爆破漏斗的大小、岩石的破碎度和抛掷效果等。也是洞室爆破计算公式中的重要参数。

(4)爆破漏斗分类

根据爆破作用指数 n 值的不同,将爆破漏斗分为以上四种。

相对于以上爆破漏斗,在洞室爆破中,可根据工程需要设计成松动爆破、加强松动爆破、抛掷爆破。

【摘自李桧祥“隧道爆破设计与施工”(简读本),版权属于原作者,仅仅分享,如有不妥,告知删除】

© 版权声明

相关文章