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岩石爆破理论
3.10.2
爆破的主要目标是破碎岩体和岩石位移。影响爆破的变量有:
岩体性质
炸药特性
爆破结构，炮眼朝向自由面的角度
原始裂缝
许多地质因素影响爆破作业。虽然爆破工无法控制，但可以在可控的变量上设置数值，这样就可以安全地实现所需的岩石破碎度和位移量。
炸药的选择不可低估。但是，岩体的特性比炸药的特性更能有效地控制岩体的破坏和振动。
与岩石和炸药性质不同，爆炸的结构和起爆包括一系列可以由操作员控制的变量。需要清楚地认识到爆破优化的重要性。炸药被引爆后，是不可能控制的。因此，爆破工在规划爆破时必须格外小心。为了成功地完成爆破任务，必须对爆破要求、方法和材料有良好的判断。
爆破主要通过三个阶段破坏岩体。首先，由爆轰产生的冲击波以3000米/秒- 6000米/秒的(爆轰)速度通过岩体，具体数值主要取决于岩石地质条件。这个速度等于0.15 – 0.3米每毫秒。岩石受到压缩而受力(图3.10 -20)。冲击波不会破坏岩石，但会压碎炮眼壁，并产生微小的节理，这些节理有助于第二阶段岩石的破坏和切割。
从自由面反射后，冲击波使岩石暴露在拉伸力下。冲击波从岩石的台阶面或节理处反射。实验表明，反射后的冲击波速度为500m /s - 2000m /s或0.5-2.0米每毫秒。拉伸力导致小的原始裂纹，通常是径向裂纹，从孔的中心延伸出去(图3.10 -21)。
爆炸会产生大量的高压气体。通过快速释放的热量，膨胀的气体扩散到原始裂缝中(图3.10 -22)。裂纹扩展，岩石的自由面向前移动，初级裂纹处压力下降，张力增加。原始裂缝扩展到表面，这促进了岩石的完全破碎。这样一来，岩体便彻底碎裂了。
试验中所拍摄的高速照片显示了爆破过程中装药、比装药与岩石移动速度之间的关系。台阶爆破通常设计速度为10 - 30米/秒，换句话说，30- 100毫米每秒。
图3.10.-22。气体膨胀。
图3.10.-20。岩石压缩
图3.10.-21。自由面冲击波的反射。
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下式给出了破碎岩体的移动速度与岩石硬度、装药距离和孔中每米装料量的关系:
3.10。3 .爆破及环境一般
I0.39 V0 = (K / V1.17)
其中v0 =岩体位移速度(m/s)
K=岩石硬度常数(软岩= 15，硬岩= 33)V=装药距离(m)
I=每米装药量(kg/m)
影响爆破环境的因素有三个(图3.10-24)
空气冲击波
地面振动
飞石
炮眼内的爆炸反应非常快，当炮眼体积扩大到原体积的10倍左右时，视为爆炸影响结束。时间为5毫秒。
图3.20-23展示了炮眼的膨胀与时间的关系。
1.岩石破碎过程中的激波引发。炮眼扩大到原来的两倍的体积(2V0)。在径向裂纹开始张开之前，炮眼保持这个体积较长时间(0.1-0.4ms)。
2.除了天然裂缝外，新的裂缝主要是由炮眼周围的应力场与自由面上反射出的激波与拉应力相互作用而形成的。反应产物从炮眼(体积现在是原来的四倍)扩展到裂缝中。岩体开始破裂
图3.10.-24。影响爆破环境的三个因素
3.气体进一步膨胀，使岩体加速破裂。
空气冲击波
空气冲击波是在空气中传播的压缩波。空气中的压缩波通常是由无侧限炸药的直接作用或受爆炸载荷作用的有侧限材料的炸药间接作用产生的。
空气冲击波非常重要，因为在许多情况下，爆破区附近的人感觉不到震动，但经常抱怨，因为爆炸的威力太大，他们以为自己能感觉到。
声波传播的能量与地震能量基本相同。空气的弹性特性是气压、温度和湿度的函数，取决于场地的高度、爆破当天主要风的形式。低湿度、地面风较轻和场地的高气压会使空气冲击波感觉更强烈。晴朗或部分多云的天气，温暖的温度和快速变化可以消减声波。
空气冲击波是一种压力波，它在空气中由起爆药辐射出来。
图3.10.-23。炮眼相对于时间的膨胀。
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压力强度取决于装药的多少及限制装药的结构方式。当一个压力波经过一个给定的位置时，空气的压力迅速上升到一个高于周围大气压力的值。然后，在经过一系列的振动回到大气压力之前，它会相对缓慢地下降到低于大气压力(图3.10 -25)。最大压力称为峰值空气超压。
图3.10.-25。空气冲击波的压力/时间曲线
较低的、听不见的冲击波频率比较快，而较高的、可听的频率衰减得更慢，并在更大的距离上造成过压。低频有时会对结构造成直接的破坏，但通常会引起更高频率的振动，如窗户、门、陶器等的振动。在这种情况下，如果不监测爆炸，就不可能确定进行的的是地面振动还是空气冲击波。
空气超压是以压力为单位来测量的。通常使用压力单位毫巴(mbar)。分贝(dB)和千帕(kPa)用作测量单位(图3.10 -26)。分贝单位表示为:
dB = 20 log(P/Po)
其中P为测量压力，Po为参考压力0.00002 Pa。知道药重Q (kg)和
图3.10.-26。关系kPa / dB。
距离装药R (m)，可据此估算超压:
P = 700bull;Q/R (mbar);1/31bar = 100kpa
这适用于TNT。对于民用爆炸类炸药，乳剂和ANFO，在公式中使用时，装药重量要减少25%。
这个比例适用于无侧限装药。冲击装药(泥浆封堵)、爆破索干线、炸药焊接电力线和未堵塞的预裂孔等在由于线路密布造成问题无限制的装药。
爆炸对建筑物和其他建筑物的影响取决于气压脉冲击中目标时的振幅和持续时间，以及建筑物的暴露区域是面对爆炸还是与爆炸方向平行。
结构对空气冲击波的反应不同，取决于冲击波的持续时间(频率组成)。例如，在中等距离，一个玻璃窗口可以承受峰值压力和波的正动量，但可能由于负动量而破裂。防爆室的墙通常必须设计成能承受正动量(或平衡静态超压)，而不是冲击前压力(正超压)。正超压不那么重要，因为它只持续很短的时间;正超压载荷下的变形没有足够的时间达到破坏应变。随着爆炸力和最大应变的产生，结构继续移动，破坏的风险达到顶峰。
在钻孔内炸药的密闭性是极其重要的。如果不完全装药部分很小，则压力增大。良好的封泥和圆形覆盖物在很大程度上减少了压力。如果岩石中含有丰富的断层，压力波可以穿透局部的岩石，而岩石是分阶段爆破松动的。当一个特定的圆造成一个强大的空气冲击波打破窗户时，就会发生这种情况。为了计算岩石爆破时的压力，必须遵循封闭系数。
在普通台阶爆破和管沟爆破中，该系数约为150或更多，这意味着常规炸药的上述比值中的装药值应降低150倍。这个数字也包括普通炸药。普通爆破岩石的比例为:
P = 700 (Q/150)1/3/R mbar;1bar = 100kpa
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地面震动
地震波
最常见的爆破破坏是由地面震动引起的。当炸药在炮眼内爆炸时，会在岩石中产生强烈的应力波运动。
工程地震学和爆破地震学中通常观察到三种地震波:压缩(P)、剪切(S)和瑞利面波。前两种是体波，它沿着表面传播或进入次表面，通过反射或折射返回到表面。第三种波只在表面上传播，而且传播得越深，就会迅速消亡。
每种类型的波以不同的速度传播。通过改变参数值表明，P波的传播速度最高。S波的传播速度大约是P波传播速度的一半。
图3.10.-27。决定波动的基本项。
预防破坏标准
破坏极限。
图3.10.-28。
确定频率(f)、加速度(a)、振荡之间关系的列线图
速度(v)和振幅(A)。
由以下公式(图3.10.-27。):
v =粒子速度(mm/秒)
f =频率(周期/秒)A =位移，单位mm
振动加速度可以从计算公式:= 4sup1;足总22
a = g，9.8米每秒的平方2
A =位移，单位为mm
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为了给建筑物设计切合实际的限制值，必须有爆破和测量振动的经验。限制条件，例如低粒子速度限值，会大大增加挖掘成本。因此，在爆破工程开始前和前期规划阶段，进行场地检查和风险分析是很重要的。根据这些结果，可以判断建筑物和地基对振动的敏感性。影响允许振动值的因素很多。其中最重要的是:
-建筑材料的抗振性
-建筑物的一般情况
-振动的持续时间和特性
-敏感振动设备的存在
——基础
-地基状况
-波在岩石、土壤和建筑材料中的传播特性
更换成本/最高的维修成本
图3.10.-29。波长对损伤风险的影响。
高速地震波前缘产生的波长比频率相同但速度较低的波长，如图3.10 -29所示。如果波长较短，由于建筑物的末端受到另一种运动的影响，建筑物被撕裂所造成的损坏的危险要大得多。表面波也会产生类似的效果。
地面和岩石的特定频率主要取决于其均匀性、坚固性和爆炸与建筑物之间的距离。
由于较高的振动速度具有较长的波长，在较低的速度c (m/s)(较短的波长)的岩石中振动v (mm/s)可能增加损害的危险。
如果建筑物建在比岩石软的材料上，则经验值必须约除以2或3(表3.10 -3b)。
当距离较大时，主导频率较小，所以距离较大时，振动速度峰值的容许值一定程度上会较低。
芬兰的峰值振动速度极限值(v)与瑞典和挪威的标准非常相似，可以据此计算:
v = Fkbull;v1
Fk：结构系数。
v1：对于建立在不同材料/垂直分量上的结构和建筑物，峰值振动速度是距离(R)的函数。
表3.10.-3a。显示了对几种结构和建筑物的七类分类。养护混凝土的结构系数见表3.10 -3a。并根据过去的经验以及测试。根据经验，电缆和管道以及岩体的Fk值是确定的。
表3.10.-3b。给出了基于不同材料的结构和建筑物的峰值振动速度(v1)关于距离(R)的函数，基于距离越大，主导频率越低而制定。建议的峰值振动速度，低频对于结构而言比高频更危险。
表3.10.-3a。结构系数Fk (v = Fkbull;v1，其中v1 = Fd (v0)
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结构分类 (结构状况良好) |
结构系数颗 |
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1.桥梁、桥墩等重型结构。 |
2.00 * |
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2.混凝土和钢结构建筑，岩洞喷混凝土 |
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强化 |
1.50 * |
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3.砖混结构的办公和商业建筑。 |
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混凝土或石基上的木结构房屋 |
1.20 * |
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4.没有轻质混凝土的砖混结构住宅， |
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石灰石砖等。没有喷射混凝土的岩洞 |
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强化。养护混凝土gt; 7天*。电缆等。 |
1.00 * |
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5.轻混凝土结构的建筑。 |
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混凝土养护3-7天*。 |
0.75 * |
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6.非常敏感的建筑物，如博物馆、教堂、 |
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