[科普中国]-岩石爆破

岩石爆破是利用炸药的爆炸作用对岩石施加荷载，使岩石破坏的力学过程。

岩石爆破破坏基本理论炸药能量破碎岩石，以爆炸冲击波和爆炸气体两种方式释放出来。对此，有三种不同的岩石爆破破碎作用观点：

(1)爆炸气体膨胀作用理论。炸药爆炸导致的岩石破坏主要为高温高压气体产物膨胀做功所致。爆破生成的气体膨胀引起岩石质点的径向位移，最小抵抗线方向位移速度最高。由于相邻岩石质点移动速度差异，产生剪切应力和剪切破坏，在爆破产生的气体膨胀推动下，沿径向抛出，产成爆破漏斗。

(2)爆炸应力波反射拉伸理论。爆炸在岩石中爆轰时，所产生的高温高压冲击波，粉碎炮孔周围的岩石。爆炸冲击波在岩石中产生切向拉应力，导致径向裂隙和环状裂隙向自由面方向发展，当达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，克服岩石的抗拉伸强度，将岩石拉断，岩石发生片落。随着反射波继续传播，将爆破漏斗范围内岩石全部拉断。岩石破碎是入射波和反射波共同作用的结果，爆炸气体用作仅作为岩石辅助破碎和抛掷。

(3)爆生气体和应力波综合作用理论。爆炸气体膨胀和爆炸应力波的综合作用，加强了岩石破碎效果。反射拉伸波增加径向裂隙和环状裂隙的扩展，但作用时问短暂。爆破产生的气体膨胀促进裂隙发展，作用时间长，岩石最初裂隙的形成是由冲击波(应力波)造成的，而后爆破生成气体扩展裂隙，炸药在岩石中爆炸的动作用和静作用完成爆破破碎过程。1

岩石爆破破碎机理炸药爆炸破碎岩石的能量以两种形式释放出来：一种是冲击波，一种是爆炸气体。但是，岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。

由于炸药的爆炸反应是一个高温、高压、高速的瞬态过程，岩体性质和爆破条件复杂多变，再加上岩体爆破是一个历时极短和危险|生极大的过程，因此，给直接观测和研究岩体的破坏过程造成了极大的困难，而单纯从经典力学的基本原理出发解决爆破理论问题也受到很多条件的限制。迄今为止，人们对岩体爆破作用过程仍然了解得不透彻，尚不能形成一套完整而系统的爆破理论。

尽管如此，随着长期爆破实践经验的积累和现代科学技术的发展，借助于先进的动态测试技术手段(如高速摄影、电子仪器等)以及爆破模拟试验，对岩体爆破作用原理的研究也取得了一定的进展，得到了一些有关岩石爆破破碎机理的研究成果，并在此基础上提出了多种岩石爆破破碎机理假说和计算公式。这些假说在一定程度上揭示了岩体的某些破坏特征和规律，对爆破工程实践具有一定的指导意义和实用价值。

目前，关于岩石在炸药爆炸作用下发生破坏的原因，主要有以下3种假说。

爆炸气体产物膨胀压力破坏理论该理论从静力学的观点出发，认为炸药爆炸后，产生大量的高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移。由于作用力不等而引起不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时，就会引起岩石的破裂。当爆轰气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、裂开，并沿着径向方向推出。

该理论只强调爆生气体压力的作用而忽视应力波对岩石破碎作用的影响，这与实际情况有所出入。事实上，当用外敷药包炸大块孤石时，仍能使岩石产生破碎。此时，由于爆生气体的膨胀几乎不受限制，故其对岩石所起的作用可以忽略。这时若用爆生气体压力作用破坏理论来解释岩石发生破坏的原因是不太合理的。因此，该理论是不全面的。

冲击波反射拉伸破坏理论该理论从爆炸动力学的观点出发，认为炸药在岩体中爆炸时产生的强烈冲击波作用下，冲击和压缩周围的岩体，造成岩体的局部粉碎。经过粉碎区之后，压缩应力波继续向外传播，但是其强度已下降到不能直接引起岩石的破碎。当压缩应力波传播到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，由于岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，如果反射拉伸波的强度超过岩石的动态抗拉强度，岩石将从自由面开始向爆源方向产生层层拉断破坏。这种破裂方式亦称“片落”。随着反射波向爆源方向的传播，片落继续发生，直到将漏斗范围内的岩石完全拉裂为止。

该理论虽然能解释实际工程中出现的一些现象(如爆破时在自由面处经常发现片裂、剥落等现象)，但它同爆生气体压力作用破坏理论一样，也具有一定的片面性。近年来，国内外许多学者的研究表明，爆生气体对岩石破坏所产生的作用是相当显著的，炸药的潜能大部分都包含在爆生气体中。而且，当爆源距自由面的距离很大时，应力波传播到自由面时已衰减很多，反射拉伸应力波不再足以使岩石发生片落，因此，这时用岩石破坏是从自由面向爆源发展的理论来解释也显得不太合理。

尽管这种理论还有许多不尽如人意的地方，但仍不失为岩石爆破理论的重要组成部分。在自由面附近岩石是被拉伸破坏的这一点已被世人所公认。

冲击波和爆炸气体压力综合作用理论冲击波反射拉伸破坏理论和爆炸气体膨胀压力破坏理论是基于对破碎岩石的两种能源——冲击波和爆炸气体膨胀能的不同认识而提出来的，各有一定的理论基础和试验数据，但又都有一定的不足之处。一方面是由于爆炸过程的瞬时性、复杂性和模糊性造成的，另一方面也受当时的技术水平和测试手段的限制。在这种条件下，综合两派的论点并结合他们的研究成果，便提出了冲击波和爆炸气体压力综合作用理论。

这种理论的观点认为，岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体压力综合作用的结果，即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同。爆炸冲击波(应力波)作用使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后，爆炸高压气体挤入这些裂隙，借助于“气刃效应”使裂隙进一步延伸和扩大，并形成岩块脱离岩体。此外，爆炸冲击波对坚硬、致密的高阻抗岩石作用更大，而爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软弱岩石的破碎效果更佳。

爆破工程实践证明，这种理论对岩石爆破破坏所做的解释较为符合实际情况，因而被大多数人所接受。2

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学