岩石爆破理论

5.1岩石爆破破坏基本理论

炸药爆炸引起岩石 破坏，这是一个高能转化释放、传递作功的过程。在这个过程中，岩石受力情况极其复杂，而历时又极为短暂，因此要正确地解释岩石爆破破碎机理，就极为困难，人们已作了多年的努力，仍没有一个确切全面的唯一的解释，而是各执一词。

但将多类解释的基本观点与理论依据归类，可概括为三大假说： 5.1.1 爆生气体膨胀作用理论

这种理论是从静力学的观点出发，认为：岩石的破碎主要是由爆炸气体产物的膨胀压力引起。 (1) 炸药爆炸时，产生高压膨胀气体，在周围介质中形成压应力场。

炸药爆炸生成大量气体产物，在爆热的作用下，处于高温高压的状态，而急剧膨胀，这些膨胀气体以极高的压力作用于周围介质，而形成压应力场。

(2) 气体膨胀推力使质点产生径向位移，而产生径向压应力，其衍生拉应力，产生径向裂隙。 很高的压应力场，势必使周围岩石质点发生径向移动，这种位移又产生径向压应力，形成径向压应力的传递；质点在受径向压应力时，将产生径向压缩变形，而在切向伴随有拉伸变形生产，这个拉伸应变就是径向压应力所衍生的切向拉应力所产生。当岩石的抗拉强度低于此切向拉应力时，就将产生径向裂隙；岩石的抗拉强度远远地小于抗压强度（常为其1/10～1/15），所以拉伸破坏极易发生，而形成径向裂隙。

(3) 质点移动所受阻力不等，引起剪切应力，而导致径向剪切破坏。

质点位移受到周围介质的阻碍，阻力不平衡在介质中就会引起剪切应力，若药包附近有自由面时，质点位移的阻力在最小抵抗线方向最小，其质点位移速度最高，偏离最小抵抗线方向阻力增大，质点位移速度降低，这样在阻力不等的不同方向上，不等的质点位移速度，必然产生质点间的相对运动而产生剪切应力。在剪切应力超过岩石抗剪强度的地方，将发生径向剪切破坏。

(4) 当介质破裂，爆炸气体尚有较高的压力时，则推动破裂块体沿径向朝外运动，形成飞散。 上述破坏发生将消耗大量的爆炸能，如果爆炸气体还有足够大的压力，则将推动破碎岩块作径向外抛运动，若压力不够就可能仅是松动爆破破坏，而没有抛散，甚至只是内部爆破。

用这种理论来解释破岩原因，可简化为：

衍生切向拉应力径向裂隙→外抛 气体推动→压应力场→径向位移阻力不等剪切应力径向剪切破坏速度不一5.2.2 爆炸应力波反射拉伸作用理论

这种理论是从爆轰动力学观点出发，认为：爆破时岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射，转变成的拉应力波所造成。

当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压与高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度己大大下降到不能直接引起岩石的破碎［见图5-2(a) p143］。当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波强度己很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。这种破裂方式亦称“片落”［见图5-2(b) p143］。随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗范围内的岩石完全拉裂为止。因此岩石破碎的主要部分

是入射波与反射波作用的结果，爆生气体的作用只限于岩石的辅助破碎与破裂岩石的抛掷。

该理论的试验基础是岩石杆件的爆破试验（亦称为霍普金森杆件试验）与板件爆破试验。杆件爆破试验是用长条岩石杆件，在一端安置炸药爆炸，则靠炸药一端的岩石被炸碎，而另一端岩石也被拉断成许多块，杆件中间部分没有明显破坏，如图5-3（p143）所示。板件爆破试验是在松香平板模型的中心钻一小孔，插入雷管引爆，除平板中心形成与类似同心圆的破碎区外，在平板的边缘部分形成了由自由面向中心发展的拉裂区，如图5-4（p143）所示。这些试验说明了拉伸波对岩石的破坏作用。这种理论也称为动作用理论。

5.2.3 爆生气体与应力波共同作用理论

该理论认为，实际爆破中，爆生气体膨胀与爆炸应力波都对岩石破坏起作用，是其共同作用的结果。 而哪一种作用是主要作用，应根据不同的情况来确定。经验表明：对松软的塑性土壤，波阻抗很低，应力波衰减很大，这类岩土的破坏主要靠爆生气体的膨胀作用。而对致密坚硬的高波阻抗岩石，应主要靠爆炸应力波的作用，才能获得较好的爆破效果。

即这种理论认为：岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展。爆生气体膨胀的准静态能量，是破碎岩石的主要能源。因此，岩石的爆破破坏与岩石特性与装药条件等因素有关，即不同岩性选用炸药不同，应使其波阻抗相互匹配。为此将岩石与炸药按波阻抗值分为三类：

第一类，高阻抗岩石。其波阻抗为15～25 MPa.s/m，其破坏主要取决于应力波，包括入射波与反射波，应选用高波阻抗、高猛度、高爆速炸药。

第二类，中阻抗岩石。其波阻抗为5～15 MPa.s/m。这类岩石的破坏，主要是入射应力波与爆生气体综合作用的结果，选用中等炸药。

第三类，低阻抗岩石。其波阻抗小于5 MPa.s/m。这类岩石的破坏，以爆生气体形成的破坏为主。选用低波阻抗、低爆速、低猛度、高爆力炸药。

5.2单个药包爆破作用

5.2.1内部作用

爆破作用只发生在岩体的内部，未能达到自由面，这种作用叫做爆破的内部作用；或者说，爆破后地表不会出现明显破坏，亦称为装药在无限介质中的爆破作用。此时，岩石的破坏特征随距药包中心距离的变化而明显不同，在耦合装药条件下可分为三个不同特征区域（p144图5.6）：1、粉碎区（压缩区）；2、裂隙区（破裂区）；3、震动区。

（1） 粉碎区（压缩区）

炸药爆炸产生的强冲击波与高压气体对药包周围的岩石产生着强烈的作用，其强度远远超过了岩石的动抗压强度，使与药包接触岩石产生压缩破坏，并将岩石压得粉碎，直至作用强度小于岩石的动抗压强度为止，故此区域称为粉碎区。同时强烈压缩形成岩移、压缩成空洞，即形成比原装药空间大的一个空腔。在靠药包几毫米～几十毫米内的岩石甚至可能被熔化，而呈塑性流态。故此区域又称为压缩区。压缩区厚度不大，一般不超过药包半径的两倍。

此区以抗压强度定界。其半径Rc可用（5-1）式(P145)进行估算，式中爆后空腔半径Rb可以用（5-2）式进行估算。

Rc(0.2scp2c)Rb (5-1)

12式中:Rc——粉碎区半径(m)；Rb——爆破后形成的空腔半径,m)；σc——岩石的单轴抗压强度（Pa）；ρs——岩石密度(kg/m)；cp——岩石纵波速度(m/s)。

爆破后形成的空腔半径由下式计算:

3

Rb4pm/0rb (5-2)

式中：rb——炮孔半径（mm）；pm——炸药的平均爆压 (Pa) ，pm=ρsD2/8；D——炸药爆速，m/s；σ0——多向应力条件下的岩石强度（Pa），

0cscpc

虽然粉碎区的范围不大，但由于岩石遭到强烈粉碎，能量消耗却很大，又使岩石过度粉碎加大矿石损失，因此爆破岩石时应尽量避免形成压碎区。

（2） 裂隙区（破裂区）

岩石在受冲击波压缩作用后，压力迅速衰减，冲击波衰减为压缩应力波，虽然不足再将岩石压碎，却可使粉碎区外层岩石受到强烈径向压缩而产生径向位移。由此而衍生的切向

拉伸应力，使岩石产生径向破坏，而形成径向裂隙（p146，图5-7、8）。

随着压缩应力波的进一步扩展与径向裂隙的产生，动压力急剧下降。这样，压缩应力波所到之处岩石先受到径向压缩作用，虽然没将岩石压碎，却在岩石中储有了相当的压缩变形能或称弹性变形能；而冲击波通过，应力解除后，岩石能量快速释放，岩石变形回弹，形成卸载波，即产生径向卸载拉伸应力，使岩石形成环状裂隙（p146，图5-7、8）。

爆炸气体对岩石也有同样的破坏作用，但其气楔作用更能使爆生气体象尖劈一样渗入裂隙，将压缩应力波形成的初始裂隙进一步扩大、延伸。因此，在压缩应力波与爆炸气体的共同作用下，压缩区外围岩石径向裂隙与环状裂隙的交错生成、割裂成块，故亦称破裂区。

此区以抗拉强度定界，其计算方法有两种：

1）按应力波作用计算。径向裂隙是由切向拉应力引起的，当岩石中的切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，产生径向裂隙，其半径Rc可用（5-3）式估算

pRp(2)rb （5-3）

t式中： Rp——破裂区半径（m）；ψ——侧应力系数，只依赖于泊松比的系数，Ψ=μ（1-μ），μ泊松比；p2——炮孔壁初始压力峰值（Pa）；σt——岩石的抗拉强度（Pa）； α——应力波衰减系数；rb——炮孔半径（mm）。

2）按爆生气体准静压作用计算。封闭在炮孔内的爆生气体以准静压的形式作用于炮孔壁，其应力状态类似于均匀内压的厚壁筒。根据弹性力学的厚壁圆筒理论及岩石中的抗拉强度准则，有Rp=pjσt12rb（54）式中pj为作用于炮孔壁的准静态压力，视装药条件分别计算，当采用柱状不耦合装药时，有pj=18ρsD2rcrb6（55）式中rc为装药半径(m)。

一般来说，岩体内最初形成的裂隙是由应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙起气楔作用，并在静压作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩大。

(P146)。与（5-4）式进行

（3） 震动区

爆炸能量经压缩区与裂隙区的消耗与衰减，已余下多，在继续传播中已不能造成岩石的破坏，而只能引起岩体的弹性震动。在这个区域内能量以地震波的形式传播，传播距离很远，直至其能量完全被岩石所吸收。其范围可用（5-6）式估算。 5.2.2外部作用

就是爆破后，地表有明显破坏，亦称为爆破在有限介质中的作用。爆炸作用通达地表，自由面的存在使其爆破作用过程分为了两个阶段：（1）应力波朝离开装药的各个方向传播，这时自由面还未起作用，其岩石破坏规律与爆破内部作用相同，即形成三个作用圈（压碎、裂隙、震动）；（2）应力波到达自由面，压缩波反射成拉伸波，并与入射波叠加在岩体中形成复杂应力状态。

（1） 反射拉伸波引起自由面附近岩石的片落

压缩应力波传播到自由面，一部分或全部反射回来成为同传播方向正好相反的拉伸应力波，当拉伸应力波的峰值压力大于岩石的抗拉强度时，可使脆性岩石拉裂造成表面岩石与岩体分离，形成片落（软岩则隆起），这种效应叫霍普金森（Hopkinson）效应。片落的过程如图5-9所示。

1

（2） 反射拉伸波引起径向裂隙的延伸

入射压应力波在自由面反射形成拉伸波，其强度若不足以引起岩石的片落，也将加强岩石裂隙的发展。入射时应力场是以同心圆向四周扩散，反射时也在反射点形成反射拉伸同心圆应力场。因此，各质点受拉伸应力作用方向为同心圆弧的法线方向，这个方向势必与原应力波入射所产生的裂隙形成一定的角度。

（1）θ＝90°，即径向裂隙与拉伸波传体方向成90°角时，裂隙所受拉伸应力最大，拉伸延伸效果最好。

（2）θ＜90°，存在一个sinθ方向的拉伸分力，促使径向裂隙的扩展与延伸，或造成一条分支裂隙。

(3) θ＝0 ，即在最小抵抗线方向的径向裂隙与反射波方向重合，反射应力波会在切向上引起压缩应力，使得垂直自由面方向的径向裂隙不但不会张开，反而会重新闭合。

当药包爆炸产生外部作用时，除了将岩石破坏以外，还会将部分破碎了的岩石向外抛掷，因此在地表形成一个爆破坑，呈漏斗状，通常叫做爆破漏斗。 5.2.4爆破漏斗

（1） 爆破漏斗几何参数

见图5-15（P.150）。① 自由面；② 最小抵抗线W，在此方向岩石抵抗破坏的能力最小，因此是爆破作用与岩石移动的主导方向；③ 爆破漏斗半径r；④ 爆破作用半径R，也称破裂半径；⑤ 爆破漏斗深度H；⑥ 爆破漏斗的可见深度h；⑦

爆破漏斗张开角θ。

此外，在爆破工程中，还有一个经常使用的指数，称为爆破作用指数n。它是爆破漏斗半径与最小抵抗线的比值，即n=rW（5

7）

(2) 爆破作用指数与爆破强弱的分类

对于等量炸药在一定埋深范围内，埋置深度越小，其爆破作用越强，所形成的爆破坑越大；若最小抵抗线不变，即埋深不变，爆破作用越强所形成的漏斗底圆半径越大。为了反应这种爆破作用的强弱，引入了爆破作用指数n的概念。表示为，爆破作用指数是爆破漏斗底圆半径r与最小抵抗线W的比值：

nr w根据爆破作用指数n的不同，即根据爆破作用强弱的不同，将各种爆破归为下列类型：

①标准抛掷爆破，n=1，θ=90°，所形成的漏斗称为标准抛掷爆破漏斗，药包为标准抛掷爆破药包。 ②加强抛掷爆破，n＞1，θ＞90°，所形成的漏斗称为加强抛掷爆破漏斗，药包加强抛掷爆破药包。当n＞3时，爆破漏斗的破坏范围不再随n值的增加而明显增大。所以，爆破工程中加强抛掷爆破作用指数范围为1＜n＜3；一般情况下，取n=1.2～2.5。

③减弱抛掷爆破，0.75＜n＜1，θ＜90°，所形成的漏斗称为减弱抛掷爆破漏斗，药包减弱抛掷爆破药包。

④ 松动爆破，0＜n＜0.75，这时只有岩石的破裂、破碎，没有外抛，从外表看没有明显的漏斗形成。又可细分为标准松动爆破、加强与减弱松动爆破，爆破时所用的药量最小。

5.4成组药包爆破时岩石破坏特征

前面论述了单药包爆破时岩石破碎机理的几个方面的问题。然而在实际爆破工程中极少采用单药包爆破，往往要靠使用成组药包爆破来达到预期的目的。成组药包爆破的应力分布变化情况与岩石破坏过程要比单药包爆破时复杂得多，研究成组药包的爆破作用机理对于合理选择爆破参数有重要的指导意义。

5.4.1单排成组药包齐发爆破

高速摄影纪录表明，多个药包齐发爆破时：

①最初应力波以同心球状向外传播；②各应力波相遇，产生相互叠加，出现复杂应力状况；③应力

重新分布，在炮眼连心线上应力得到加强，而连心线中部两侧附近出现应力降低区。

其原因：（1）根据应力波破坏理论，当两个药包的爆炸应力波波阵面相遇时，将发生应力叠加。沿炮眼连心线上的两压应力σ压方向相反，所产生的力学效应完全一致，而形成相互与的叠加，尤其波阵面切线方向上的衍生拉应力σ拉合成为σ合，而增强了炮眼连心线上的拉应力作用，即应力得到了加强，如图示。

（2）炸药爆炸，爆生气体在孔内形成的准静态压力作用时间较长，并产生切向伴生拉应力，由于炮孔连线方向受阻最小、应力集中最大，产生的切向伴生拉应力在炮孔壁炮孔连线方向上最大（见图5-21），因此裂隙将由孔口开始向炮孔连线发展，若炮眼相距较近，合应力较大，超过岩石的抗拉强度，则沿炮眼连心线将产生径向裂隙，使两炮孔沿中心连线断裂。

应力降低区的形成：应力降低区发生在，两药包的辐射状应力波作用线互成直角的相交处，此处应力波叠加发生压缩与拉伸应力的相互抵消，而产生应力降低。如图示（图5-22，P.153），1#药包对单元体A，沿径向作用压应力，切线方向出现衍生拉应力；2#药包同样如此。因此1#、2#药包同时起爆，使得岩石单元体A所受到的由1#药包爆轰引起的压（拉）应力，正好与2#药包所引起的拉（压）应力相抵消或削弱，应力相互的减叠加，使总应力变小，而形成应力降低区。

可见，适当减小最小抵抗线或增大孔距，使应力降低区处在破碎岩石之外的空中，有利于减少大块的产生。此外，相邻两排炮眼的V形布置，起到应力补充作用，比矩形布置有利于减少大块产生。

那么最小抵抗线与孔距应如何配置？通常取决于装药密集（临近）系数，也称炮孔密集（临近）系数m，其定义为：炮孔间距a与最小抵抗线W的比值，即：

m=a / W （5-8）

根据工程实践，取得以下结论：

1） 当m≥2，即a≥2W时，两装药各自形成单独的爆破漏斗[图5-23(a)]。

2） 2＞m＞1时，两装药形成一个爆破漏斗，但往往两装药之间底部破碎不充分[图5-23（b）]。 3） 当m=0.8～1时，两装药形成一个爆破漏斗，且漏斗底部平坦，漏斗体积最大[图5-23（c）]。 4）当m＜0.8时，两装药距离较近，大部分能量用于抛掷岩石，漏斗体积反而减小[图5-23（d）]。

5.4.2多排成组药包齐发爆破

应力情况更为复杂，岩体受力的实际效应是多重应力叠加的结果。这种多重应力叠加，一方面造成极高的应力状态，有利于改善爆破碎效果；同时由于是多排的齐发爆破，只有第一排具有两具自由面，因此后排爆破受到很大的钳制作用，而会恶化爆破效果。所以，多排齐发爆破得不到实际使用，但采用微差爆破技术改变了自由面情况，使多排爆破享有单排爆破的条件，不仅进一步改善了爆破效果，还极大的提高了爆破效率。

5.5 能量平衡原理与装药量计算

5.5.4 装药量计算

爆破破碎岩石需用炸药。炸药太少，不足以将岩石破碎；太大，又造成浪费与增大危险。因此，药量计算成为爆破技术中极为重要的问题。目前，这个问题的解决不是很完满，至今仍主要是从实践得到大致范围，再用理论推导来解释、提炼上升为数学公式，再返回实践去检验与完善，因此得到的多是经验公式与一些试验回归方程，即仍主要处在摸索的阶段。

我们从最早的思维来看药量计算的设计思想：要将一定体积的岩石从岩体上爆破下来，并达到所要求的破碎度。因此，首先应将岩块从岩体中分离出来，其次将其破碎到要求的破碎度，所以，爆破能需要往分离与破碎这两个方向分配。

根据这个思路我们以岩石爆破的基本单元爆破漏斗的形成为例，推导药量计算公式： 设：所需总药量为Q，应为两个分量之与：Q＝Q1+Q2。

①将漏斗块体从岩体中分离出来形成爆破漏斗，显然所需药量同漏斗的表面积成正比：

Q1C1'rr2w2

②将漏斗块体破碎，所需药量与块体体积成正比：

1Q2C2r2w

3式中：C1、C2为单位破坏能系数。

为了简化问题，当爆破作用指数n＝1时，r＝w，则：

''Q1C1'w2w＝C1W2

1Q2C2w3＝C2W3

3可见：Q1与表征漏斗表面积的W2，成正比；Q2与表征漏斗体积的W3，成正比（W3——近似等于n＝1时的爆破漏斗体积）。

故： Q＝C1W2 +C2W3 = 表面分量 + 体积分量 （5-9）

实际上，爆破还常常要将岩石抛移一定距离。在其他条件不变得情况下，抛移距离与埋置深度，即跟w有关，w↑（↓），抛移↓（↑）。可见炸药的抛移分量是w的函数，按上式指数递增，设想为C3W4，即：

Q＝C1W2 +C2W3+ C3W4 = 表面（分离）分量 + 体积（破碎）分量 + 抛移分量 （5-10） 在一般岩土工程爆破中，岩块破碎所消耗的爆破能，远大于岩块分离与抛移所消耗能量，即岩体爆破破坏能耗以破碎分量为主，即近似地认为爆破药量同爆破的岩石体积成正比：Q≈C2W3，得到爆破药量计算的“体积公式”。

事实上，将C2的考虑大一点，即包含分离、抛移分量常数在里面，则可以认为在一定的炸药与岩石条件下，爆落的土石方体积同所用的装量药成正比，即：

Q标＝KW3

式中：Q标－实现标准n＝1时的装药量；K－n＝1时的单位岩体用药量；W－最小抵抗线。

n 的增大或减小，在其他条件不变的情况下，受药量的支配；或作用指数的改变对应着药量的改变，所以对应其他情况下爆破的药量计算，按下列公式进行：

Q＝f(n)KW3 [f(n)－爆破作用指数函数]

显然：f(n)＞1，加强抛掷；f(n)＜1，减弱抛掷；f(n)＝1，标准抛掷。 具体确定f(n) 的方法很多，其中较常用：

f(n)＝0.4+0.6n3 → Q＝（0.4+0.6n3）KW3

此式可作抛掷爆破药量计算的通式，尤其用于加强抛掷爆破药量计算，更为接近实际。 对于松动爆破，经验公式：

Q松＝（0.33－0.55）kw3

更为适用。

上述是以爆破漏斗为例进行的分析，对其他爆破情况也有类似的关系：

（1）对一定岩石，破碎每立方米所需平均装药量是一个定值，称单位炸药消耗量q。 （2）爆破用药量与破碎岩石的体积所成正比：

Q＝q·V

这是目前应用最多，最基本的药量计算公式，尤其在矿山是岩体破碎为主，主要使用该公式。在其他工程爆破中，这也是药量计算的基本指导公式。

5.5.5单位岩石炸药消耗量

对特定岩石进行爆破时，爆破每单位体积的岩石与所需要的炸药量是一个定值，这个定植称为单位岩石炸药消耗量，通常用q来表示。其确定主要有以下几个途径：

1） 查表。可从各种经验数据表格中查出。但此时多以2号岩石炸药为标准或参照，若使用其他炸药，则应乘以炸药换算系数e（见表5-1，p163.）。

2） 工程类比法。参照条件相近工程的单位用药量系数确定q值。

3） 试验法。做爆破漏斗试验确定。选择与爆区地质条件相近的平坦地形，一般取最小抵抗线W=1～3 m，集中药包进行实际爆破。爆后根据最小抵抗线W、装药量Q以及爆后实测的爆破漏斗底圆半径r，计算n值并由式（5-39）计算q值。试验应进行3次以上，并根据各次的试验结果选取接近标准抛掷爆破漏斗的装药量。试验是繁复的，但对于一些重大的工程是必不可少的。

目前，工程上常以2号岩石炸药作为标准炸药，规定2号岩石炸药的e=1，并以其做功能力320 mL或猛度12 mm作为标准，其他炸药品种根据以下两式：

eb = 320/所换算炸药的做功能力值；

或 em=12/所换算炸药的猛度值求算e值。

也可按上述两式的平均值求算e值，即e=（eb+em）/2，常用炸药的换算系数e值见表5-1中（p163）。

5.6 影响爆破作用的主要因素

5.6.1 炸药性能的影响

影响爆破作用的主要炸药性能参数：炸药密度ρ、爆速D、炸药波阻抗ρc、爆轰压力PH、爆炸压力ρ、爆炸气体体积V、及爆炸能量利用率η等。

这里着重讲三个因素： （1）爆轰压力PH的影响

我们知道，PH↑→冲击波压力值↑，以应力波形式传播的爆轰能量↑；在岩石中应力↑，破坏应变↑，就越有利于改善破碎效果。这对高波阻抗岩尤为明显，但太高会造过粉碎，浪费爆炸能，而恶化破碎效果；尤其对低波阻抗岩石PH太高，无益于对岩石的破碎。

（2）爆炸压力P的影响

P的作用时间远远地大于PH的作用时间，这使在应力波作用下所形成的裂隙，能较长时间地受爆生气体的尖楔作用，而得到大大地扩展与延伸，对于低波阻抗岩石这形式的破坏甚至居于主要地位。

（3）炸药爆炸能量利用率η的影响

炸药为爆破破碎岩石提高能源，显然提高炸药能量利用率，能更有效地破碎岩石，改善爆破效果。

为此，首先应清楚爆破过程中炸药爆炸能量的分配情况。

若不考虑炸药的热化学损失，其能量主要分配在以下方面：

①形成压缩区。即在药包周围附近区域岩石产生强烈的压缩变形与粉碎破坏；

②分离、破碎岩体。克服岩石内聚力与摩接力，将岩石的岩体中分离出来，破碎成碎块； ③推移，抛掷破碎岩块。

④产地震效应、空气冲击波及响声效应等。

对于一般工程爆破或矿山爆破而言，第②项是我们的目的，而其他能耗都是在作无用功，因此提高η就是要增大用于破碎岩体的能耗②的比率，而降低其他项①、③、④的比率。 5.6.2自由面对爆破作用的影响

岩石与空气的交界面就是自由面，也是最典型的自由面，除此之外岩石与液体的交界面，岩石与松散介质的交界面，以及二种不同性质岩石的交界面等等都可以视为自由面。自由面是产生应力波反射拉伸的条件，反射拉伸波有利于岩石的破碎；同时，自由面是岩石破坏阻力减小面，岩石爆破更易在自由面方向发生破裂、破碎与移动；此外，自由面在存在改变了岩石应力状态及强度极限。在无限介质中，岩石处于三向应力状态，而自由面附近的岩石则处于单向或双向应力状态。故自由面附近的岩石强度，比远离自由面岩石的强度减少几倍甚至十几倍。因此，一定在程度范围自由面越大、越多，岩石的夹制作用越小，爆破效果越好。一般，装药量计算公式是以单自由面来考虑的，因此现场装药量计算，还应考虑自由面数量的影响。

炸药消耗量与自由面数目的关系：

自由面数目 相对单位药耗量

5.6.3 炸药与岩石匹配关系对爆破作用的影响 5.6.3.1 波阻抗匹配

炸药的波阻抗值越接近岩石的波阻抗值，爆炸能的传播效率越高，在岩石中引起的应变值或破坏效应也越大。因此，为了改善爆破效果，必须根据岩石的波阻抗来选用炸药品种，使它们各自的波阻抗能够很好地相互匹配。

（2）空气间隙装药

就是在装药中，在炸药与孔壁间预留有空气间隙。常用的有两种结构： 1）炮孔轴向留空气间隙

1 1 2 4/5 3 3/5 4 1/2 5 2/5 6 1/4 这种装药结构简单，炮孔长度上药量分布相对均匀，爆破块度减小与均匀，炸药单耗减小，多用于深孔崩矿。

2）沿药包周边留环状间隙

这种装药比较均匀地降低炮孔壁上所受的峰值压力，有助于保护孔壁不受径向裂隙的破坏，这种结构多用于预裂爆破，光面爆破等控制爆破中。

空气间隙为什么能改善爆破效果？其作用机理？（见图7-19，P.136） 1）孔壁冲击应力峰值降低

孔内留有环状间隙称为不耦合装药，炸药爆炸能直接作用在空气上，再由空气传播给岩石。使作用在孔壁上的冲击波应力峰值严重衰减，也即孔壁所受冲击压力大幅降低，从而减少了药包周围附近区域岩石的塑性变形与过粉碎，也即降低了压缩区或粉碎区的以耗。

2）爆破作用时间延长

一方面冲击波峰值压力的降低，使其能量转化为应力波能量，延长了应力波作用时间；另一方面爆炸压力峰值的衰减又转化为貯存在空气间隙中的能量，使空气间隙起着一种弹簧的作用，爆轰结束后，受压空气将大量貯存能量释放出来，增强破岩能力与延长了作功时间，即增强了破坏区的作用能力。当两段装药间有空气柱时，装药爆炸时，首先在空气柱内激起相向空气冲击波，并在空习气柱中心发生碰换，使压力增高，同时产生反射冲击波向相反方向传播，其后又发生反射与碰撞，炮孔内空气冲击波往返传播，发生多次碰换，增加了冲击压力与激起应力波的作用时间。

3）爆炸能在空间分布更为合理

空气间隙装，改善了空间的药量分布使药量在空间分布相对更为均匀合理，从而提高了爆炸能的有效利用率。

（3）药包的几何形状

药包的几何形状用药包长度L与药包直径d的比值表示，药包长度大于直径4～6倍(L/d=4～6)属于长条药包、柱状药包或直列装药，否则属于集中药包、集团装药，甚至可视为球状药包。

球状药包的爆轰波作用方向与爆轰气体产物作用方向一致，都是从爆轰中心向四周传播的，这有利于改善岩石的破效果，降低单位炸药耗量。

（4）不耦合装药

用不偶合系数来表征，所谓不偶系数，是指炮孔直径与药包直径的比值，它反映了药包在炮孔中与炮孔壁的接触情况，其值≥1，最小值＝1，表示炮孔直径与药包直径相等，药包完全填满整个炮孔断面，

这时药包的爆轰可以直接作用在岩石上去，而不经过药包与孔壁间通常存在的空气间隙。这样就使能量传播时的无效损耗得以避免；相反，不偶合系数增大，药包直径＜炮孔直径，药包爆炸应力波从空气再到岩石将发生衰减，爆炸压力也将随不偶合系数的增大而降低，直接的破岩能力降低。 7.5.3 爆破方法对爆破作用的影响

（1）堵塞影响

祼露药包爆破时，爆轰气体速迅扩散，此时岩石的破碎主要是爆轰波作用破碎了紧贴炸药的那部分岩石，因此要利用爆轰气体的破坏作用，需有良好的堵塞，堵塞材料一般采用炮泥，其作用是：

1）阻止爆炸气体过早地从炮孔内排出，使更多的热量转化为机械能，以提高炸药的有效破碎能； 2）保证炸药充分反应，使之放出最大热量与减少有害气体的生成量；

3）阻止炽热颗粒从孔内飞出，降低爆炸气体的温度与空气冲击波的能量，这对煤矿防止煤尘与互斯爆破极为重要。

总之，良好的堵塞，能提高爆破作用改善爆破效果。一般说来，填塞长度l’应随最小抵抗线W与炮孔直径d的增大而增大。填塞的卸载时间应大于爆炸气体在整个装药全长上的作用时间。一般堵塞长度为最小抵抗线长度的0.8～1.2倍。

（3）起爆顺序的影响

成组药包爆破时，每个药包的最小抵抗线W都是计算或预估的，设计药包药量应与之相适应。起爆顺序设计要考虑：先起爆的药包，为后续起爆的创造新的自由面；否则这先后顺序一旦搞错，或有事故发生，使应爆未爆，就会使后续爆破的实际W↑，而导致爆破效果恶化，产生严重的大块、“后冲”，甚至“冲天炮”之类的事故。

（4）起爆药包位置的影响

起爆药包放在什么位置，决定药包爆轰波传播方向与应力波以及岩石破裂发展的方向。通常根据起爆药包放在孔口与孔底分为正向起爆与反向起爆。

1）正向起爆：将起爆药包放在孔口第1或第2个药卷处，雷管聚能穴朝向孔底。这种起爆方式装药方便，施工安全，节省导线。

2）反向起爆：起爆药包放置在孔底，雷管聚能穴朝向孔口。这种方法的特点：

1、爆轰波传播方向与岩石朝向自由面运动的方向一致，因而有利于反射拉伸波破碎岩石；

2、起爆药包在孔底，距自由面较远，爆炸气体不会立即从孔口冲出，而延长了作用时间，有利于

提高爆破效果；

3、起爆点破岩效力最强，有利于消除根底——炮兜，增大炮孔利用率。 所以，一般说来反向起爆优于正向起爆。