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1、摘 要本课题共分为八章，系统的阐述了影响巷道快速掘进的主要因素掏槽爆破技术。本课题首先阐述了巷道掘进的现状及存在的问题、巷道快速掘进的理论发展、影响巷道快速掘进的主要因素及本课题研究方案；然后是掏槽爆破理论，球形药包与柱状药包的爆破作用机理对比，掏槽爆破的排渣理论，包括岩渣的受力、运动规律、运动物理模型；掏槽种类的选择；巷道爆破掘进的其它理论包括空孔作用，空气柱间隔装药爆破技术，装药结构和起爆顺序；最新技术理论分段延期爆破理论和岩石损伤理论；最后为工程实例。关键词： 岩石爆破；破碎区；排渣；掏槽种类；炮眼深度；炮眼数目；炮眼布置；装药量；堵塞长度；空孔作用；间隔装药；起爆顺序；装药结构；延期爆
2、破；岩石损伤ABSTRACTThis topic is divided into ten chapters , and illustrates cutting blasting technology which is the master influence factors of blasting technique of quick tunneling in rock drift . This topic firstly expounds the roadway excavation status and existing problems , and the development of
3、theory of roadway, the main factors of roadway and the research plan . Then cut blasting theory , contrast of the theory of Spherical medicine package and columnar medicine package , the blasting effect mechanism of cut blasting theory, including rock into slag mechanical motion rule, slag, physical
4、 model . Cutting type selection . Roadway excavation blasting theory include other function, air column spacing charging blasting technology, charge structure and initiation order, The latest theory - section delay blasting theory and rock damage theory . For the engineering example.Key words： rock
5、blasting ; crushing zone ; cast slag ; cutting type ; depth of borehole ; number of borehole ; arranging boreholes ; underwater ; jam length ; action of empty hole ; interval propellant ;initiation order ; charging structure ; delay blasting ; Rock damage目录第一章 绪论-11.1巷道掘进的现状及存在的问题-11.2巷道快速掘进理论的发展-21
6、.3影响巷道爆破效果的主要因素-51.4 研究方案-8第二章 掏槽腔内岩体破碎机理-102.1岩石爆破破碎理论-102.2掏槽区细观损伤岩体的破坏-112.3装药爆破的内部作用及破碎区的划分-142.4装药爆破的外部作用-232.5球形与柱状药包爆破作用机理分析与对比-25第三章 直眼掏槽腔内爆破排渣理论-293.1直眼掏槽腔内爆破碎屑受力-293.2直眼掏槽腔内岩石碎块与爆轰气体运动规律-333.3直眼掏槽腔形成的物理力学模型-35第四章 掏槽方式的选择-424.1掏槽种类-424.2掏槽形式选择应考虑的因素-504.3直眼、斜眼及混合掏槽优缺点比较-52第五章 煤矿掘进爆破参数的选择-55
7、5.1炮眼深度的确定-555.2 炮眼数目的确定-595.3炮眼布置参数的确定-645.4装药量的计算-725.5掏槽眼堵塞长度的确定-74第六章 煤矿掘进爆破中的其它技术-816.1 空孔作用-816.2 空气柱间隔装药爆破技术-856.3 装药结构-896.4 起爆顺序-91第七章 最新技术与理论-96 7.1直眼分段掏槽技术-967.2 岩石损伤理论的研究-98第八章 工程实例-108参考文献-115附录1 专题 一次爆破成井技术-117附录2 Blasting in Colleries-127致谢-136第一章 绪论岩巷掘进在煤矿建设和生产中,占有重要的位置。在新井建设中,岩巷掘进工程
8、量一般约占总工程量的40%50%,施工工期占35%50%；在生产矿井中占总工程量的25%左右。因此，如何提高巷道掘进速度，缩短煤矿建设施工工期，一直受到众多学者的关注。本节主要介绍巷道掘进的现状及存在的问题，巷道快速掘进理论的发展和影响巷道快速掘进的因素以及本课题的研究方案，为后续章节的研究奠定基础。1.1巷道掘进的现状及存在的问题我国国有重点煤矿每年岩巷掘进进尺约为12501550,掘进工作面个数为14001700个(不包括开拓掘进)。但岩巷掘进平均月进度较低,装载机械化程度也仅达84%,平均工效为0.125。大多数局(矿)掘进速度低于煤炭工业矿井设计规范规定的指标。 岩巷掘进速度慢、工效低
9、，影响了煤炭生产接续,使新建井工期加长。为了完成必要的掘进进尺,需要增加掘进工作面的个数,从而使占用的设备和人员增多,经济效益差。岩巷掘进与辅助运输一样逐渐成为煤炭生产或建设中的一个最薄弱环节,严重影响了煤矿生产和建设的发展。笔者认为影响岩巷掘进速度慢的主要因素是：（1）机械化装备水平低；（2）设备性能、产品质量上存在不足；（3）设备选型和配套不合理；（4）作业线与现场的施工条件不相适应；（5）施工工艺、工作面布置及劳动组织形式选择中存在问题；（6）设备的维修保养、更换不及时,备件供应不足；（7）管理制度不够健全；（8）后配套工作不够重视；（9）工作环境恶劣,操作人员素质差。另外，我国岩巷掘进
10、爆破的特点是巷道宽度小,自由面少,岩石所受夹制作用强。而现场施工仍普遍存在少打眼、乱打眼、多装药、乱放炮的现象,造成的后果是炮眼利用率低,岩石碎块抛掷远,爆堆不集中,周边超挖量大,成型质量差,围岩松动破坏严重,在松软岩层中周边很难留下半边眼痕。超欠挖将带来许多不利的后果，如：（1）超欠挖使火工材料用量及费用加大,出渣运输量和费用增加,出渣工序时间延长,生产管理成本大幅上升；超欠挖造成工期的拖延,会增加工程参建各方的管理费用；超挖空间还需用临时支护或衬砌混凝土回填；在超欠挖严重的情况下，对巷道的稳定性也会产生一定的影响。（2）底部周边孔一次爆不到底,特别是遇到地下涌水时给装载机装渣运输带来了很大
11、麻烦,严重影响了施工进度；同时给底部欠挖爆破处理工作带来了难度,平均进尺两个循环补爆一次,无形中增加了施工循环时间,延长了工期；欠挖则要清除，从而造成人工、材料的超额消耗，并且处理欠挖更易形成更大的超挖，这对隧道工程的成本影响很大。（3）超挖也给后续作业，如喷锚网支护、隧道防排水和二次衬砌等作业造成一定的困难；超挖引起多装运洞碴,增加回填量,给支护、防排水、二衬等后续作业造成困难；以上问题严重影响了巷道掘进的速度,降低了巷道的稳定性和安全性。据相关资料统计,我国全煤炭行业岩巷掘进的平均月进尺仅为60左右。特别是对于810的较为坚硬岩石,其炮眼利用率一般在60%80%。因此,如何提高爆破效率、改
12、善爆破效果、增加进尺、保证成型,仍是岩巷掘进爆破工作中应解决的主要课题。为此,笔者力图对掏槽形式的选择、掏槽爆破的作用机理等技术问题进行分析探讨,以期提出一些有益的参考。1.2巷道快速掘进理论的发展1.2.1岩体破碎的损伤研究岩体的破碎过成目前仍然是一个世界性难题。很多人进行过研究，也提出了许多理论和观点。有人从损伤的角度研究，也有人从能量（比能）的观点探讨；还有人从分形的变化探索破坏的规律。自70年代以来，材料的动态损伤和破坏作为一种新型的研究方法受到众多学者的关注。他们采用连续介质损伤、细观损伤和统计微损伤的方法进行了研究；很多人运用能量方法研究，较早的有破碎比能法，而近来的研究有：张奇用
13、数值方法给出爆破能量利用率，Kou S Q,Rustan A探讨了岩石爆破中爆炸能向岩体破碎能、抛掷能的转化，颜事龙则得到了爆炸过程中能量消耗的分布，另外还有吴德义、Fogelson D E等人在爆炸能量分布的实验研究方面工作。在爆炸能量控制方面，孙建鼎提出了合理利用爆炸能量的若干措施，宗琦给出了爆炸能量的传递系数；分形方法也有很多人采用。它主要应用于岩体的破碎过程和块度。1.2.2直眼掏槽爆破理论研究的现状及进展关于直眼掏槽爆破的理论与试验研究,国内外许多学者进行了大量卓有成效的研究。陈寿如结合生产实际,分析指出了直眼掏槽施工中存在的问题。一是孔距偏大,爆破后孔底崩不下来,形成“冲天炮”；二
14、是孔距过小,在炮孔底部形成新堆积的爆炸挤死而形成的“再生岩”；三是将相邻炮孔的装药“挤实”,造成炸药密度过大而拒爆。宗琦、傅菊根对立井深孔爆破直眼掏槽技术进行了研究,提出了两阶槽孔同深直眼掏槽和分段直眼掏槽方法。唐建华、宗琦对筒形直眼掏槽产生大块的机理进行了理论分析,认为在岩石和装药条件一定的情况下,大块的形成是爆炸应力波相互作用和孔间贯通裂隙导致爆炸能量过早逸散的结果。刘积铭在采石场对第一、二阶段槽孔同深和不同深条件下的爆破特性进行了研究。王从银对直眼掏槽的破岩机理进行了分析研究,并根据其机理,对掏槽参数进行了理论计算。魏善斌、李心明根据爆破立方根相似定律和模型试验原理,从理论上初步探讨了利
15、用实验室的小型单孔垂直单自由面爆破漏斗模型试验,求算直眼掏槽炮孔装药量的方法。王华指出影响空孔直眼掏槽效果的技术革新之一是采用和推广非电传爆管起爆系统。在掏槽时,如果有时间允许岩石移开,而使每个爆破孔有两个自由面的掏槽是最理想的。张奇、博士学位论文第一章绪论杨永琦、程肖锦、单仁亮等将无空孔分阶分段直眼掏槽爆破应用于平巷掘进,并获得成功。张奇、杨永琦通过模拟试验,讨论了同深和不同深分阶分段直眼掏槽、单孔爆破漏斗特性以及远距离小空孔在掏槽爆破中的作用等问题。比较了不同孔距和装药量条件下,多孔爆破漏斗特性以及多孔爆破与单孔爆破的漏斗特性,并指出槽腔底部介质破坏是保证掏槽效果的基本条件。对直眼掏槽参数
16、,直眼掏槽爆破机理若干问题,直眼掏槽微差时间,直眼掏槽效果影响因素等进行了系统研究,建立了空孔直眼掏槽微差起爆时间的力学模型。唐建华对孔内分段直眼掏槽爆破参数进行了研究。戴俊,杨永琦通过对三角柱直眼掏槽爆破进行试验研究,认为爆破槽腔的形成过程可分为两个阶段,即岩石破坏阶段和破碎岩石抛出阶段，并按岩石压缩破坏与剪切破坏的力学准则,得出了三角柱直眼掏槽炮眼间距与装药数的关系式。戴俊研究了直眼掏槽炮眼合理封堵炮泥长度和后续炮眼起爆延迟时间问题。通过分析槽腔内岩石的破碎过程,未装药段岩石的抛掷运动和固气两相流的喷出,得出掏槽炮眼合理封堵炮泥长度上、下限的计算公式、装药长度与炮眼抛碴效率之间的关系式及后
17、续炮眼起爆延迟时间的计算公式。逢焕东、林从谋、刘同松等对槽腔内的两相流进行了研究,认为槽腔内岩碴的运动是气一固两相流动,根据颗粒的受力情况,建立了水平掏槽两相流基本方程,并进行了数值求解。以上的系列研究成果,对认识直眼掏槽爆破机理,进一步系统研究直眼掏槽技术有重要的指导意义。直眼掏槽分为有空孔和无空孔两大类含空孔的掏槽爆破有以下特征空孔作为被爆岩石的第二个自由面,易于卸减岩石夹制作用力。离首爆孔最近的空孔附近岩石首先产生裂隙,空孔壁上产生反射波与入射波的叠加作用,促使裂纹的进一步扩展。切向拉应力大于岩石的动态抗拉强度,使首爆孔与空孔间的介质完全破碎和并产生抛掷。空孔体积也作为破碎石碴膨胀的补偿
18、空间。因此,从理论层面上来说,空孔对提高掏槽效率有很大意义的,但在很多情况下,多个小直径空孔的掏槽方式经常遇到掏槽效果不理想甚至失败。分析其原因,主要是空孔直眼掏槽对钻孔精度要求高,一般钻孔设备和操作人员的素质,满足不了多个小直径空孔掏槽时对钻孔精度的要求。系统地对空孔直径,槽孔与空孔距离,钻孔偏斜率,槽腔碎石抛出率等问题进行研究,对完善空孔直眼掏槽理论,推动大直径空孔直眼掏槽技术的发展与应用具有重大意义。1.2.3掏槽形式的优化早期掏槽的类型很多，包括楔形掏槽（即型掏槽），锥形掏槽和扇形掏槽。这些掏槽方式应用虽多，但始终未形成一套完善的理论和方法。其原因一是斜孔掏槽角受巷道宽度的限制，二是直
19、眼掏槽设计简单，但钻眼偏差难以控制。进尺增大时，偏差更大。当钻孔偏差一定值之后，掏槽必然失败。这也是直眼掏槽的缺点，它限制了这种方法的进一步推广和应用。1.3影响爆破效果的主要因素根据笔者查阅各方资料以及理论分析，影响岩巷掘进爆破效率的主要因素有：掏槽方式及其装药量、炮眼深度、周边眼光爆参数、起爆时差和炮眼利用率等。1.3.1掏槽方式的影响 掏槽爆破是岩巷掘进施工中的关键，决定了整个爆破质量和掘进效果。掏槽爆破时，破碎岩石的条件十分困难，如何提高掏槽爆破的成功率和效率，是提高岩巷掘进速度和爆破效率的主要因素，而掏槽效果的好坏又主要取决于掏槽方式及其参数。因此，根据围岩地质情况和掘进面大小选择合
20、理的掏槽方式及其参数，是很重要的。掏槽方式分为斜眼掏槽和直眼掏槽。理论分析和实践表明，斜眼掏槽（主要是楔形掏槽）适用于以下的浅眼，虽然其炮眼利用率较高，但由于其循环进尺较小和容易崩坏棚子，增加了辅助工序时间，掘进速度和效率反而降低。面对目前多数煤矿对岩巷的快速掘进要求，应采用中深孔爆破广泛采用的直眼掏槽方式。宜采用五星掏槽、三角柱掏槽或螺旋掏槽，它们的炮眼利用率均可达 92以上。1.3.2装药量 装药量是影响直眼掏槽效果的主要因素， 药量的确定取决于岩石的物理力学性质、炸药品种、岩石所处状态以及布孔参数。那种认为装药量越多，爆破效果越好，炮眼利用率也越高的想法是一种误解。事实上， 根据爆破漏斗
21、理论，当炮眼深度一定时，装药量大于临界值，爆破漏斗体积和深度随装药量增大而增大；当装药量增大到漏斗体积和深度达到最大值时，若继续增大药量，漏斗体积反而减小，甚至会造成整个掏槽的失败（ 即所谓破碎岩石的再生）。如某矿岩巷掘进中，掏槽眼深为，其它炮眼深为，掏槽眼装 5 卷 长的岩石炸药，崩落眼装 3卷同样的炸药。爆破后槽腔内的岩石仅出现裂隙，而崩落眼的爆破效果却较好。因此，在确定掏槽眼装药量时必须适当。根据笔者多年的实践经验，对于中硬岩石（610），掏槽眼装药量系数取0.450.6。1.3.3炮眼深度的影响 炮眼深度是井巷快速掘进的基本技术参数， 它对整个钻爆工作及其技术经济效果有决定性的作用，
22、合理确定炮眼深度对于加快掘进速度和提高掘进效率是很重要的。笔者认为，岩巷掘进中必须推广中深孔爆破（23），虽然由于各种因素导致目前在个别煤矿难以推行（主要原因是掏槽成功率较低），但是，无论是技术方面，还是施工方面，目前均不存在问题，关键是人们还没有认识到它的重要性以及所带来的经济效益。1.3.4周边眼参数的合理确定岩巷掘进中能否实现理想的光面爆破效果， 周边眼参数的合理确定也是很关键的。光爆参数主要有炮眼间距和最小抵抗线。（一） 炮眼间距的确定 控制爆破中岩石破裂过程有三种不同的理论解释：（1）应力波波峰干扰理论（动作用理论）；（2）爆生气体的膨胀作用理论（静作用理论）；（3）应力波与爆生气体
23、综合作用理论。对于不同的装药结构、不同的岩石和炸药性能，上述三种理论各有其合理性。在具体确定炮眼间距时， 应以理论公式作为指导， 根据实践经验来确定。很多文献列出了国内常用地下工程、煤矿巷道及铁路隧道的光爆参数，可供参考。（二）最小抵抗线的确定 光面爆破中周边眼最小抵抗线 的大小直接影响光爆的效果。过大，光爆层岩石将得不到适当的破碎，甚至不能使其沿炮眼底部切割下来；过小，在反射波作用下，围岩内产生较多裂隙，影响围岩稳定，造成超挖和巷道壁面不平整。（三）起爆时差的影响 起爆时差对光面爆破质量及效果有无影响，目前尚无争议。某些来自生产现场的人提出，起爆时差对光面爆破效果没有影响，原因是目前在技术上
24、很难做到同时起爆，而现场实践表明，不考虑时差大小，掘进中也可取得光爆的效果。中国矿业大学北京研究生部利用动光弹对同时起爆、长时差起爆和短时差起爆三种情况，进行了试验观察分析，得到了如下结论：（1）同时起爆和短时差起爆均能取得良好的光爆效果，而长时差起爆效果较差；（2）在实际生产中，绝对的同时起爆难以做到，多数是处于短时差起爆；（3）通过改进现有雷管精度，缩短起爆时差有利于提高光爆效果。 除了上述列举的三个主要方面的因素外，影响岩巷掘进爆破效率的因素还有：爆破施工工艺、钻眼质量、起爆方式等。但笔者认为影响岩巷掘进爆破效率的最主要的因素是掏槽技术的优化。下面将对有关掏槽技术及理论方面的知识进行详细
25、的论述。1.4 研究方案（一）研究意义本课题主要针对巷道掘进中存在的爆破技术问题，力求从理论上对爆破原理和爆破参数的合理选择进行分析，提出合理的爆破参数或对设计中使用的爆破参数进行验证，以期指导爆破施工，提高爆破效果，从而提高巷道掘进速度。（二）创新点 （1）利用两相流动理论对掏槽腔内岩体的破碎、岩屑受力及排渣过程进行分析，为掏槽眼参数的合理确定奠定了理论基础；（2）通过对各种掏槽方式进行分析、比较，为设计中掏槽方式的选则，提供了依据；（3）通过比较现存的各种炮眼参数的确定方法，结合工程实例、实验研究以及笔者多年的实践经验，确定出最优掏槽参数；（三）关键技术问题（1）掏槽腔内岩石的破碎机理；（
26、2）掏槽腔内岩屑的受力、运动规律及物理模型；（3）爆破参数选取的各种方法。（四）研究方法 本项目主要从理论方面研究巷道爆破掘进技术，提出合理的爆破破岩理论，为爆破参数的优化提供依据。通过比较现存的各种炮眼参数的确定方法，结合工程实例、实验研究以及笔者多年的实践经验，确定出最优掏槽参数；（五）研究思路 分析现状，找出问题分析掏槽腔内岩体爆破破坏机理掏槽腔内岩屑受力及运动规律比较各种掏槽形式，确定掏槽方式各种爆破参数的确定及优化工程实例（六）主要内容 （1）两相流动理论分析掏槽腔内岩屑运动规律；（2）应力波与空气压力场共同作用下，掏槽腔内岩体的破坏、破碎区的划分及其半径的计算；（3）经验公式和每米
27、巷道掘进时间与炮孔深度关系曲线确定炮眼深度并用巷道掘支作业方式进行调整；（4）豪柔公式、按装药量计算、根据炸药单耗、根据炮眼密集系数确定光面层厚度；（5）冲击压力作用、阿贝尔的余容状态方程、能量平衡观点计算光面爆破装药密度；（6）分析掏槽腔内岩石充分破碎时间及岩屑的顺利抛出，确定堵塞长度；（7）空孔对反射拉伸波的作用分析空孔作用并根据补偿空间及破裂区理论确定掏槽眼间距包括应力波作用公式和经验公式；（8）空气柱间隔装药技术对气压及应力波的影响，分析其作用机理； 第二章 掏槽腔内岩体破碎机理及排渣过程 掏槽爆破是巷道掘进的主要组成部分，掏槽爆破的效果直接影响到巷道掘进速度，而掏槽爆破的效果的效果主
28、要由掏槽参数决定。因此，如何优化掏槽参数，以提高掏槽效果，显得尤为重要。为了优化掏槽参数，必须了解掏槽腔内岩石的破碎及运输规律。本节主要从理论上分析掏槽眼的形成过程，为掏槽参数的优化提供依据。2.1岩石爆破破碎理论关于岩石爆破破碎的原因有多种理论和学说，比较流行的有爆破气体压力作用学说、应力波作用学说以及应力波和爆破气体压力共同作用学说。2.1.1爆破气体压力作用学说爆破气体压力作用学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是由于爆破气体的膨胀压力引起的。这种学说忽视了岩体中冲击波和应力波的破坏作用，其基本观点如下：药包爆炸时，产生大量的高温高压气体，这些爆炸气体产物迅速膨胀并以极高的压力作用于
29、药包周围的岩壁上，形成压应力场。当岩石的抗拉强度低于压应力在切向衍生的拉应力时，将产生径向裂隙。作用于岩壁上的压力引起岩石质点的径向位移，由于作用力的不等引起径向位移的不等，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的抗剪强度时，岩石就会产生剪切破坏。当爆轰气体的压力足够大时，爆轰气体将推动破碎岩块做径向抛掷运动。2.1.2应力波作用学说应力波作用学说以爆炸动力学为基础，认为应力波是引起岩石破碎的主要原因。这种学说忽视了爆轰气体的破坏作用，其基本观点如下：爆轰波冲击和压缩着压缩着药包周围的岩壁，在岩岩壁中激发形成冲击波并很快衰减为引力波。此应力波在周围岩体内形成裂隙的同时向前传播，当应力
30、波传到自由面时，产生反射拉应力波。当拉应力波的强度超过自由面处岩石的动态抗拉强度时，从自由面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，直至拉伸波的强度低于岩石的动态抗拉强度时停止。 应力波作用学说只考虑了拉应力波在自由面的反射作用，不仅忽视了爆轰气体的作用，而且也忽视了压应力的作用，对拉应力和压应力的环向作用也未予考虑。实际上爆破漏斗主要以由里向外的爆破作用为主。2.1.3爆破气体压力和应力波此学说认为岩体的破坏是爆破气体压力和应力波的反射拉伸作用共同造成的结果。应力波首先使岩体产生裂隙，然后爆破气体使裂隙进一步发展将岩石破坏并使之飞散。但是由于炸药性能、装药结构和岩石物理力学性质不同，岩体内产生的应力
31、状态有显著的差别。特别是岩石的波阻抗（即岩石密度与声速的积）影响较大。所以有按岩石的波阻抗值将岩石分为高、中和低三级。波阻抗高即坚固完整的岩石，爆破时应力波起主要作用；波阻抗低如粘土类岩石，因应力波在其中的传播性能较差，衰减快，而爆轰气体作用时间长，所以在此类岩体中爆轰气体起主导作用；介于上述二者之间的中等波阻抗值的岩体，则由爆轰气体压力和应力波二者共同作用破坏。2.2掏槽区细观损伤岩体的破坏损伤可分为微观损伤、细观损伤，以及宏观损伤。根据掏槽爆破的几何尺寸，可用细观损伤加以研究。认为岩体中的损伤整体上呈现混沌，无序和分形。这样，掏槽区岩体可抽象理解为一个损伤场。在掏槽时，岩体空间各点的损伤随
32、空间位置、温度和时间而变化，因此可写成 （2-2-1）不考虑陶槽区岩体本身，陶槽区由于损伤场的存在，因而区内个空间质点的破坏阀值是不同的。所以陶槽区也是一个应力阀值场，这个应力阀值场可写成， （2-2-2）式中，是无损伤岩体的破坏强度，表示不同空间坐标下对应于不同损伤所引起的应力强度损失。由（2-2-2）可定义出陶槽区岩体达到破坏形成新表面时所需的能量阀值： （2-2-3）陶槽区岩体的破坏是爆炸能量场与破坏能量场耦合的结果。将爆炸能量场分为应力场、爆生气体与热能三部分，爆炸能量场可表示为 （2-2-4）式中，表示应力波所携带能量，是爆生气体膨胀做功能量，装药爆炸后产生的热能，分别表示空间坐标，
33、爆生气体压强、温度、体积和时间。假定爆破掏槽有个炮孔，且不同炮孔存在起爆时间微差，那么则应考虑能量的叠加，（2-2-4）应改写为：（2-2-5）式中，是时间函数，表征陶槽区装药爆炸产生的能量场随时间的变化。是第个掏槽装药孔与第一个孔的起爆时间差，假定各掏槽装药孔起爆后所经历的爆破能量场历程相同。于是掏槽区岩体的破坏条件是 （2-2-6）（2-2-6）式同时考虑了应力波、爆生气体与热能的作用。只要三者联合作用的能量和大于破坏能量阀值，岩石则发生破裂：岩石的破碎不单纯依赖于应力波或爆生气体的单纯作用。热能虽然不直接对岩体产生破坏，但它对岩体的强度具有劣化作用；降低岩体强度，使之更加容易变形。由于损
34、伤具有的随机分布、无序、分形性质，所以它在空间分布上表现为连续和非连续的统一。以上讨论的是非连续损伤（独立损伤单元）的情况。下面讨论具有分叉结构（自相似结构）的损伤。这种不同量测尺度下的自相似，在岩体破坏过程中的力学表现行为用下式描述： （2-2-7）同（2-2-3）式相似，具有自相似损伤结构达到破坏时的能量阀值是 （2-2-8）(2-2-8)的物理意义是：当陶槽区的破坏能量场满足（2-2-6）式，则裂纹将沿着国有的损伤方向的各个分叉开裂下去，直到为止。在一定外界条件下，岩体内部成核微裂纹的长大和发展一般有如下特征：1、通常条件下微裂纹的长大需要一个临界条件。例如，仅当作用的外力（或力矩）超过
35、某一阀值时，微裂纹才有可能不断长大。2、一般地，低温或高应力条件下，塑性流动受到限制，岩体内部主要呈现以微裂纹扩展形式的脆性损伤和破坏。反之，在高温或低应变率条件下，由于空穴扩散和塑性变形的增加，则呈现以微孔洞长大形式的韧性损伤和破坏。3、岩体内部微缺陷长大的同时，通常还伴随新的微缺陷成核，较大尺寸的微缺陷之间也会互相连接和贯通。材料内部微缺陷的成核、长大，一般是同时进行并互相耦合、互相影响的过程。4、岩体内可能同时存在多种缺陷：微孔洞、微裂纹以及微缺陷之间形成的剪切带等 岩石属于脆性材料，其中微缺陷的汇合导致材料中宏观裂纹的形成，而最终造成材料的断裂或破碎。例如在岩体的爆破过程中，裂纹的成长
36、和相互作用将会形成与基岩脱离的碎块，由于形成碎块的区域已不能承受荷载，邻近区域便要承受更大的应力，这反过来又会加剧未破碎区域中裂纹的成核和长大。以上过程的不断发展，便导致了岩体的完全破碎。实际岩体内部微缺陷（或损伤）呈现一种混沌状态，即没有规律、混乱、无序的状态，确定某一点是否存在损伤十分困难，只能通过实验或统计学角度加以分析。并且此种损伤具有自相似结构。如果从宏观到细观、再到微观的分析，损伤是具有分形特征的。整个岩体即是自相似分形损伤的集合。2.3装药爆破的内部作用及破碎区的划分为了分析岩体的爆破破碎机理，通常假定岩石是均匀介质，并将装药简化为在一个自由面条件下的球形药包。球形药包的爆破作用
37、原理是其他形状药包爆破作用原理的基础。2.3.1爆破的内部作用当药包在岩体中的埋置深度很大，或药包的质量很小时，炸药的爆炸作用就达不到自由面，这种情况下的爆破作用叫做爆破的内部作用，相当于单个药包在无限介质中的爆破作用。岩石的爆破特征随离药包中心距离的变化而发生明显的变化。根据岩石的破坏特征，可将耦合装药条件下受爆炸影响的岩石分为三个区域。（1）粉碎区当封闭在岩体中的药包爆炸时，爆轰压力在数微妙内急剧增高到数万兆帕，并在药包周围的岩石中激发起冲击波，其强度远远超过岩石的动态抗压强度。在冲击波的作用下，对于坚硬岩石，在此范围内受到粉碎性破坏，形成粉碎区；对于松软岩石（如页岩、土壤等），则被压缩形
38、成空腔，空腔表面形成比较坚实的压实层，这种情况下的粉碎区又称为压缩区。一些学者的理论研究表明：对于球形装药，粉碎区半径一般是药包半径的1.281.75倍；对于柱形装药，粉碎区半径一般是药包半径的1.653.05倍。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。因此，爆破岩石时应尽量避免粉碎区。（2）破碎区在粉碎区形成的同时，岩石中的冲击波衰减成压应力波。在应立波的作用下，岩石在径向产生压应力和压缩变形，而切向将产生拉应力和拉伸变形。由于岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的1/101/50，当切向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断，形成与粉碎区贯通的径向裂隙随着径向裂隙的形成，
39、作用在岩石上的压力迅速下降，药包周围的岩石随即释放出在压缩过程中积蓄的弹性变形能，形成与压应力波作用方向相反的拉应力，使岩石质点产生方向的径向运动。当径向拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石即被拉断，形成环向裂隙在径向裂隙和环向裂隙的形成过程中，由于径向应力和切向应力的作用，还形成与径向成一定角度的间隙切裂隙。应立波的作用在岩石中首先形成了初始裂隙，接着爆轰气体的膨胀、挤压和气楔作用使初始裂隙进一步延伸和扩展。当应立波的强度与爆轰气体的压力衰减到一定程度后，岩石中裂隙的扩展趋于停止。在应立波和爆轰气体的共同作用下，随着径向裂隙、环向裂隙和切向裂隙的形成、扩展和贯通，在紧靠破碎区处就形成了一个裂
40、隙发育的区域，称为破裂区。（3）震动区在破裂区外围的岩体中，应力波和爆轰气体的能量已不足以对岩石造成破坏，应立波的能量只能引起该区域内岩石质点发生弹性振动，这个区域称为震动区。在震动区，由于地震波的作用，有可能引起地面或地下建筑物的破裂、倒塌，或导致路堑边坡滑坡，隧道冒顶、片帮等灾害。2.3.2破碎区与粉碎区半径的计算2.3.2.1冲击波作用形成的粉碎区在槽孔周围岩石中产生的冲击波波阵面上，介质状态参数应满足质量守恒、动量守恒： （2-3-1） （2-3-2）式中，岩石中冲击波波速，； 波阵面上的质点速度，； 波阵面上岩石的密度，； 岩石的密度，； 波阵面压力，；岩石中冲击波波速和波阵面上岩石质点的移动速度之间存在如下关系： （2-3-3）式中，由试验确定的与岩石性质有关的冲击波常数，的单位为。2号铵梯岩石炸药在几种岩石中的冲击波常数值见下表。表2-3-1 2号铵梯岩石炸药在几种岩石中的冲击波常数值岩石类别花岗岩36001.00玄武岩26001.60辉长岩35001.32大理岩400
