爆破基础知识1.doc

1 爆炸和炸药的基本知识1 基本概念1 1 爆炸及其分类 何谓爆炸：爆炸是某一物质系统瞬间释放出巨大能量的物理和化学变化的过程，在这个过 程中产生大量的高压、高温气体，伴随有冲击波、热、光声、电磁等效应。 爆炸分类：（1）物理爆炸：系统物质形态发生变化而物质组成和性质不发生变化的爆炸现象，如锅炉爆炸等（2）化学爆炸：系统物质形态、物质组成和性质都发生变化的爆炸现象，如炸药爆炸，这是本章的重点。 （3）核爆炸：原子弹、氢弹，都是利用化学元素U235的裂变和氘、氚、锂等聚变发生的爆炸现象12 产生化学爆炸的条件：（1） 变化过程必须是放热反应，这是发生爆炸的首要条件，但不是说放热反应就能发生爆炸。 ZnC2O4=Zn+2CO2205.4kj (吸热反应,不能发生爆炸) CuC2O4=Cu+2CO2+23.86kj (小量的热,不足以发生爆炸) AgC2O4=2Ag+2CO2+55.2kj (放出大量的热,有产生爆炸的条件)(2) 变化过程必须是高速的,也就是要求释放能量快,即单位时间内传播的能量大，这是发生爆炸的重要条件。如煤的放热反应，每kg释放能量为8960kj，而TNT炸药的爆炸反应，每kg释放能量4187k，而1kg煤的放热反应时间需要半小时，TNT炸药的爆炸反应只需要10-6秒。因此，虽然发热量煤是TNT的两倍，但单位时间内放出的能量TNT却是煤的几千万倍。（3） 变化过程必须释放出大量的气体，这是发生爆炸的必要条件。如铝热剂反应： 2Al+Fe2O3=AlO3+2Fe+8290kj 这是高放热反应，但没有气体发生，也不是爆炸反应。 以上三个是主要条件，缺一不可，否则就不能发生爆炸反应。 13 炸药及其分类131按炸药组成分类：（1） 单质炸药：由C、H、O、N四大元素组成的单一结构的化学物质。如TNT、黑索金等（2） 混合炸药：由二种以上成分结构组成的机械混合物。如硝铵炸药、铵油炸药等。132 按用途分类：（1） 起爆药：敏感度很高的炸药，如雷汞、迭氮化铅等。（2） 炸药：敏感度低、需要较大的起爆能量才能爆炸。如TNT、硝铵炸药、硝化甘油等。（3） 发射药：即火药，用于枪、炮、火箭等作推进剂（4） 烟火剂：氯酸钾等氧化剂与可燃剂组成的混合物，如照明弹、信号弹等。14 炸药化学变化的形式：（1） 热分解：在常温下发生分解作用，温度越高，分解越快。这会影响炸药的储存尤其在高温、封闭条件下，分解加剧会导致自燃而爆炸。（2） 燃烧：大多数炸药在一定条件下，能够稳定地燃烧而不发生爆炸。这里主要是取决于环境条件，外界的压力和温度升高，会导致炸药燃烧速度增大，达到一定的压力和温度，燃烧会转变为爆炸。（3） 爆炸：比燃烧有高得多的反应速度。（4） 爆轰：炸药内部发生稳定的爆炸反应，爆炸传播速度是一定的爆炸。2 炸药的起爆与敏感度21 炸药的起爆 炸药发生爆炸反应，需要给予一定的能量，由外界施加给炸药使之发生爆炸的能量，称为起爆能。 起爆能的方式有三种：（1） 热能：导火索（2） 机械能：撞击、摩擦（3） 爆炸能：雷管、导爆索等22 炸药起爆的理论221 热能起爆理论 前苏联学者谢苗诺夫认为爆炸是系统内部温度渐增、导致热能累积的结果。这种理论适合于气体爆炸。222 灼热核理论（或称热点学说） 这种学说，大意是炸药局部受到摩擦或撞击而达到了使炸药某点爆炸的温度，然后由点到面迅速传播到全部。这个局部的点称为灼热核，核径有10-310-5cm。灼热核形成 有两种原因： 一是绝热压缩炸药内部存在的微小气泡，形成灼热核； 二是炸药受到机械作用，使颗粒间产生摩擦，形成灼热核。223 爆炸冲击能起爆理论 利用一种炸药产生的冲击波使另一种炸药发生爆炸，这种方法通常是用雷管、导爆索或起爆药包来实现的。一般起爆药的爆轰速度都要大于被爆炸药的爆轰速度，这样才能 达到炸药的临界起爆压力值，发生爆炸。23 炸药的敏感度 表示炸药在外界能量作用下，发生爆炸反应的难易程度出称为炸药的敏感度。有以三种：231 热感度：用爆发点和火焰感度来表示。（1） 热感度：指加热炸药到开始爆炸的最小温度。如常用炸药的爆发点： 2#岩石硝铵炸药 186230 雷汞 175180 黑索金 230 TNT 290295（2） 火焰感度：指炸药在明火作用下发生爆炸的能力，一般炸药如TNT、硝铵炸药等在不密闭状态下，用火点燃只会燃烧而不产生爆炸，但是对火焰敏感的黑索金和起爆药会发生爆炸。232 机械感度（1） 撞击感度：指炸药在撞击作用下发生爆炸的难易程度。用落锤仪测定的几种炸药 撞击感度如下 2#岩石硝铵炸药 20% 特屈儿 5060% 黑索金 7075 % TNT 48%（2） 摩擦感度：指炸药对摩擦作用发生爆炸的难易程度，用摩擦摆测定的几种炸药摩擦感度如下 乳化炸药 0% 特屈儿 24% 黑索金 90% TNT 0233 爆轰感度：指炸药对爆炸冲击波作用发生爆炸的难易程度，用雷汞为起爆药起爆 几种单质炸药的极限起爆药量为： 特屈儿 0.19g 黑索金 0.19g TNT 0.24g24 影响炸药敏感度的因素241 内在影响因素：键能、分子结构和成分、生成热、热效应、热容量242 外界影响因素：炸药的物理状态与结晶形态、装药密度、温度、惰性介质3 炸药的传爆31 波的基本概念 波是物质系统受到外界干扰后状态发生变化的的传播，简单地说，波就是扰动的传播。受到扰动的介质与未受扰动的介质之间有一个界面，称为波阵面，波阵面的传播速度，称为波速。这里要注意，波速与介质的运动速度是不同的。 Y X 图2.1 波的形成示意311 强扰动与弱扰动 P P a 弱扰动 b.强扰动 图2 .2 强扰动与弱扰动312压缩波与稀疏波 P P p p 0 X 0 X a. 压缩波 b. 稀疏波 图2.3 压缩波与稀疏波 313 冲击波 冲击波是在介质中以超声速度传播的强扰动、压缩波，在它波阵面的前后状态参数（压力P、密度、温度T等）发生突变。 P，T，u D P0，0，T0 ，u0 图2.4 冲击波波阵面的前后状态参数 冲击波阵面上的参数关系可用质量、动量、能量守恒定律推导得出： u- u0 =（P1-P0）（V0-V1）1/2 D- u0 =（P1-P0）/（V0-V1）1/2 e1-e0=1/2（P1+P0）（V0-V1）32 炸药的爆轰321 爆轰波：在炸药内部以稳定速度传播的冲击波。用D表示爆轰波波速。 P1 P2 P3 P0 4 3 2 1 0 冲击波压缩区（10, 10-5cm）化学反应区（21,0.12.5cm）气体膨胀区32）气体产物静止区（43） 图 2.4 炸药爆轰示意322 爆轰波参数： 按照上述冲击波阵面上的参数关系（质量、动量、能量守恒定律）推导得出： P2=0 D2/（K+1） D=2（K2-1）QV1/2 U2=D/（K+1） T2=2K T0 / （K+1） 2=（K+1）0/K33 稳定爆轰的条件对于一般炸药形成稳定爆轰要求爆炸初速度 V2C（声速） 34 影响稳定爆轰的因素：（1） 装药直径： D 稳定爆轰区d临 d极 d图 2.5 装药直径影响稳定爆轰几种炸药的临界直径： 2#岩石硝铵炸药 1820mm 黑索金 11.5 mm TNT 810mm 极限直径是临界直径的813倍。（2）装药密度； 稳定 爆轰 不稳定 爆炸 区 爆炸区 区 佳 图 2.6 装药密度影响稳定爆轰 几种炸药的最佳装药密度：铵油炸药 0.851.05g/ml 乳化炸药 1.051.30g/ml4 炸药的氧平衡41 氧平衡的概念 炸药由C、H、O、N四大元素组成，C、H元素是可燃元素，O是助燃元素。炸药发生爆炸反应生成CO2和水H20。氧平衡就是衡量所含的氧元素与C、H化合是否却好平衡，这有三种情况：（1） 零氧平衡：即炸药中所含O元素正好将C、H元素完全氧化。（2） 正氧平衡：指炸药中所含O元素将C、H元素完全氧化后还有富裕。（3） 负氧平衡；指炸药中所含O元素不足以将C、H元素完全氧化。42 爆炸产物中的有毒气体 炸药爆炸由于环境等很多因素的影响，即使配制得氧平衡很好的炸药爆炸后也会由于反应不完全而产生一些对人类有害的气体，如CO和NxOy，含硫炸药还可能有H4S和SO2。这在地下爆破和峒室爆破中特别要注意。5 炸药的热化学参数5 1爆热：指1ml炸药爆炸所产生的热量。常用炸药的爆热： 2#岩石硝铵炸药 3638kj/kg 黑索金 5820 kj/kg TNT 4187 kj/kg52 爆温：指炸药爆炸所释放的热量将爆炸产物加热达到的最高温度。一般单质炸药为30005000C；矿用炸药为20002500C53 爆压：指炸药在密闭容器中爆炸对边壁所产生的压力。常用阿贝尔爆炸气体状态方程计算： P=F/(1) 式中：炸药密度，kg/L F 炸药力，为nRT乘积 1 kg炸药的余容，即爆炸产物的范德华不可压缩体积 54 爆生气体：指1 kg炸药爆炸生成的气体体积（在标准大气压情况下）6 炸药的爆炸性能6.1 炸药的威力：一般用来衡量炸药作功的能力，与爆热、比容、绝热指数有关，后者越 大，威力越大，但炸药真正用于做有效功的能量极小，一般只有总能量的57%。 炸药的威力一般用爆力来表示，爆温、爆热、气体越多，爆力越大。测定方法有两种：（1） 铅柱扩孔法： 2#岩石硝铵炸药 320ml 黑索金 490ml TNT 285ml（2） 爆破漏斗法：同样炸药和地质条件，在相同埋深时，比较其爆破漏斗的大小。漏斗体积 V=d3h/12 d h 可见 漏斗 W图 2.7 爆破漏斗体积 松动漏斗 药包 62 炸药的猛度：指炸药爆炸对周围介质破碎的能力，它取决于爆速 的大小，爆速越高，猛度越大。用铅柱压缩法测定，几种炸药的猛度如下：炸药名称密度（g/ml）铅柱压缩值（mm）2#岩石硝铵炸药091.01214TNT11.21618.7乳化炸药1.11.25151963 爆速：这是指炸药的传播速度。这个参数反映了炸药作功和破碎的能力，实际上一般用它来衡量炸药的威力和猛度。爆速越大，威力、猛度越大。所以，爆速是反映炸药爆炸性质相当重要的参数。测定方法如下：（1） 直接测时法：a 道特里什法：即导爆索法b 光线示波器法c 计时器测定法：爆速测定仪（2）高速摄影法64炸药的殉爆：这是衡量炸药对爆炸冲击波感应的能力。一定条件下的某种炸药爆炸，对在一定距离上的另一种炸药能否使其产生爆炸，这种能力称为殉爆。而能使其爆炸的最小距离就作为其殉爆能力的度量。显然，炸药殉爆的能力与炸药的品种、数量、密度、装药直径、放置方法等好多因素有关。65聚能效应：在药包底部作成象雷管一样的空穴，会使爆炸能量集中到空穴所对的方向，使该方向上具有更大的破坏作用，这种现象称为聚能效应。6 岩石爆破作用基础61概述62 何谓爆破：利用炸药爆炸释放的能量对周围介质做功，在做有效功的同时，又有部分能量在空气冲击波、地震波、飞石和噪声等有害效应上。这个过程通常称为爆破。63 岩石爆破作用研究的问题：63.1 提高炸药爆炸能量利用率：当前在岩石中炸药爆破的有效能量只有总能量的5-7%，而提高能量利用率才能加强爆破效果，这个课题需要从炸药爆炸的机理、岩石爆破破坏的变形过程、控制爆破有害效应等方面去研究。63.2 爆破机理的已经研究是一个复杂的课题，由于炸药爆炸是一个高压、高温、高速的变化过程，目前尚无相应的测试 手段；而岩石的状态又是千变万化，目前尚无合适的状态方程能描述岩石动态变化过程；因此，爆破作用机理的研究，目前还停留在定性阶段，实际爆破上大都是经验公式。64 已有爆破破坏作用理论64.1 爆炸气体膨胀压力破坏作用理论这种理论是从静力学观点出发，把岩石爆破看成是锅炉爆炸一样，是爆生气体的膨胀力超过岩石本身的强度而使岩石破裂。这种理论适用于土壤、软岩。 图 6.1 爆炸气体膨胀破坏作用生成爆破漏斗示意64.2 爆炸冲击波反射拉伸破坏理论 这种理论是用波动力学观点来观察爆炸过程，首先是霍尔金逊金属杆试验，而后的混凝土爆破飞片试验；这些爆破飞片是爆生气体理论所不能解释的。只能用爆炸冲击波反射拉伸破坏来予以说明。一般用在脆性岩石。64.364.4 爆炸冲击波反射拉伸破坏和爆生气体共同破坏理论把以上两种理论综合起来比较好的解释了岩石爆破的破坏现象。是当前所公认的。62 岩体中的应力波（1） 何谓应力波：岩体中炸药爆炸时，岩体介质受到冲击扰动，而在岩体中传播的波，在波的阵面前后，岩体应力状态发生变化，因此把在固体中传播的扰动波，统称为应力波。（2） 应力波的种类按照应力波的传播途径和变形特点可分为两大类：一体积波：包括两种波 纵波（压缩波）：波的传播与质点运动方向一致，产生压缩或拉伸变形。 横波（剪切波）：波的传播与质点运动方向相垂直，产生剪切变形。二表面波：包括两种波： 瑞利波：在岩体中传播的纵波、横波传到岩体与空气界面时，在界面上生成一种沿着界面传播的波 ，这种波在爆破产生的地震效应上十分重要。 勒夫波：在某种介质中传播的纵波、横波传到另一种介质时，在两种介质的界面上形成沿着界面传播的波。（3） 应力波参数：用三大定律推导出波阵面上的关系：纵波： =CpVp横波： = CsVs 式中：纵波速度 Cp=E（1-）/（1+）（1-2）1/2 横波速度 Cs=E/2（1+）1/2（4） 应力波的传播炸药在岩体中爆炸后，作用在岩壁的首先是爆炸冲击波，使岩体压碎破裂，冲击波强度减弱，锐变为压缩波，使岩体继续发生变形，波的强度进一步减弱，变为弹性波，岩体不再受到破坏，只发生震动。其传播过程如图说明。波的传播压力可用以下公式估算： Pr=Pm（ro/r）n式中：r-爆源至测点的距离ro-炸药包半径Pr-测点压力Pm峰值压力n-衰减系数 n=2/（1-） “+”指冲击波 “-”-指压缩波63 岩体内部的爆破破坏作用 炸药包埋在地下很深处爆炸，爆炸后在地表没有出现明显的破坏迹象，把这种药包称为内部作用药包。这时岩体内部的破坏情况可分为以下区域：1 爆炸空腔：炸药爆炸后，爆生气体沿着裂缝外渗，在药包位置形成扩大的空腔，对于土壤空腔半径要比药包半径大很多。2 压碎区（压缩区）：爆炸空腔外，岩壁受到爆炸冲击波的高压作用，岩石被压成粉末状，而土壤则被烤压成一个硬壳。对于岩石压碎区半径：如花岗岩、石英岩等 Rp=（1.1-2.5）ro对于土壤,如粘土 Rp=（11.313.1）ro 黄土 Rp=（7.07.6）ro3 破裂区（破坏区）：爆炸冲击波在通过压碎区后，锐变为压缩波，但其强度仍然超过岩体的抗压强度和抗拉强度，使岩体质点径向扩张产生拉伸和剪切破坏，出现纵横交错的裂缝，而爆炸气体的渗入，加剧了裂缝的扩展。4 震动区（弹性区）：压缩波这时已锐变为弹性波，岩体只产生弹性变形，地面有震感。 图6.5 爆破内部作用 64 在地表附近岩体内爆炸破坏作用炸药埋在地表下深度由浅入深爆炸时，将形成不同形状的漏斗坑(1) 爆破漏斗的形成（图6.1说明）。 （2）爆破漏斗的几何要素（见上图） a 最小抵抗线W：指炸药包中心到最近地面的最短距离 b爆破作用指数：n=r/w，这个参数相当重要它反映了爆破漏斗形状和大小的变化，是计算药量的主要参数。（3）爆破作用的分类：a 标准抛掷爆破：r=w，n=1，=90b 抛掷爆破： rw，n1 ，90c 减弱抛掷爆破：rw，90 ， 0.75 n1d 松动爆破： rw，90 ， n0.75，这时地面不再出现爆破漏斗。65 集中药包的药量计算（1）药量计算推导原则：a 装药量Q与爆破破碎体积V成比例，即QVb 几何相似律：若在相同介质中，用同一种炸药不同药量，爆破生成的漏斗形状相同，那么就存在以下关系： Q1/w13= Q2/w23c 能量相似律：介质的临界破坏能量E1（包括克服表面力与体积变形所做功）与炸药比能E2之比为常数：E1/E2=const（1） 标准抛掷爆破药量计算：应用原则（a）QV，即有 Q=KV 对于标准抛掷爆破有 n=1，r=w V=rw/3w Q=Kw（2） 抛掷爆破药量计算：图示药包Q0、埋深w，爆破生成标准抛掷爆破漏斗A1B1C1；另一药包Q、埋深w1，爆破生成标准抛掷爆破漏斗A2B2C2；这时应用几何相似原理有 Q0 / w= Q/ w1 Q= Q0 （w1/ w）若将药包Q移动到药包Q0的位置，则爆破生成的漏斗就是抛掷爆破漏斗AOB，Q0=K w， Q=K w（w1/ w），而（w1/ w）可以看成是爆炸作用指数n的有关函数f（n），由试验方法取得。我国应用前苏联鲍列斯科夫的公式： Q=K wf（n）= K w（0.4+0.6n）其使用条件为： 0.75n.0 1mw25m（4）松动爆破药量计算： Q=（0.33） K w 或 用列斯公式 Q=（4n+3）K w/7以上公式中：K为标准抛掷爆破药量系数（查表）（5）工程爆破药量计算的普遍公式： 瑞典学者兰格福尔斯在“现代岩石爆破技术”一书中提出了一个公式：Q= K2w+ K3 w+ K4w4（1） （2） （3）公式中第（1）项是克服岩体表面张力所做的功；第（2）项是用于体积变形所消耗的能量；第（3）项是克服重力势能所消耗的能量。当w1m时，第（1）项能量大于10%，不能忽略，而第（3）项极小，可以忽略；而w15m时，第（3 ）项则大于10%，不能忽略；在1mw25m时，第（1）项和第（3 ）项的能量不超过10%。因此这时炸药主要消耗在岩体体积变形上，所以上述推导的公式是只取了第（3 ）项。对于w1m时的情况，是拆除爆破中要遇到的；在大抵抗线时要做一修正： w25m Q=K wf（n）= K w（0.4+0.6n）w/251/2 w40m Q=0.125 w3.4 在Langefors公式中：K2 =0.07; K3 =0.35; K4 =0.004 66 条形药包爆破药量计算（1）延长药包的概念：药包的形状按照药包 长度L其直径d之比来确定，若4，称为集中药包；若20 或LW，则称为延长药包。在420时，是过度药包。对于延长药包包括柱状药包和条形药包，前者应用于钻孔爆破；后者用于峒室爆破。（2）延长药包与集中药包的比较：a 比较两者的波阵面，集中药包传播的是球面波，延长药包传播的是柱面波。前者比后者衰减快。b 集中药包爆破爆堆分散，大块率高；延长药包爆集中，块度均匀；c 集中药包爆炸初压高，对底板和边坡的损伤较大；延长药包由于采用不藕合装药，延长了作用时间，降低了爆炸的初压，使破碎作用较均匀，因此减缓了对边坡的损伤，有利于边坡的稳定。d 集中药包除了打导峒还要筑药室；延长药包可以用导峒做为药室，所以减少了导峒开挖量，节省了成本。(3) 药量计算公式：与集中药包相同，将垂直于条形药包轴线的三角形横断面作为计算基点，可得标准抛掷药包药量计算公式 q=Q/L=K w2 同样可得抛掷爆破药量计算公式 q=K w2（w12/ w2）= K w2fc（n） 这里 fc（n）=（w12/ w2），是平方关系而不是立方关系，因此 fc（n）f(n)。条形药包药量计算公式可采用前苏联鲍列斯科夫的公式： q=K wfc（n）= K w（0.4+0.6n）Q=qL = K wL（0.4+0.6n）还可以用波克罗夫斯基公式 fc（n）= （1+n）/4n（3） 布药原则：a 药包长度一般要使L2w为宜；b 地形较平坦，沿药包轴线最小抵抗线的变化幅度在7%以内，采用较为合适。c 条形药包的间距：相邻排药包之间 a=（0.50.8） w；同排药包端部之间距离 a端=（0.30.8）w 其中w=（w1+w2）/2，w1，w2为 相邻药包的最小抵抗线； d 药包层间距：b=（0.81.0）w，w=（w1+w2）/2，w1，w2为 上下层药包的最小抵抗线；e 其他参数：压缩圈半径 Ry=0.56(q/)1/2 -压缩系数(查表);-装药密度(T/m);q-单位长度的装药量(T/m)不逸出半径 R(1.3-1.4)w(1+n) 1/2其他参数参考集中药包来选择。 f 端部效应：试验证明，延长药包端部由于夹制作用很大，并不成半圆形，而是成锐角形，为此，要克服端部效应，目前采取了以下方法：一是缩小同排药包间距；二是在药包端部增加一个松动药包的药量 Q*=0.33Kw,按端部最小抵抗线加权平均方法处理分布在两端: Q1= w1 Q*/ w1 + w2 Q2= w2Q*/ w1 + w2 67 影响工程爆破的主要因素（1） 炸药性能与结构：炸药性能包括爆速、密度、爆生气体的影JI响。一般用炸药的声阻抗与岩石的声阻抗相匹配，硬岩的声阻抗大，用的炸药的声阻抗也要大；软岩的的声阻抗小，炸药的声阻抗也要小，这样的爆破效果较好。 装药结构包括药包形状、装药方式、起爆位置等。装药方式有： 间隔装药包括空气和填塞两种间隔装药如下图 环向空气间隔装药也称为不耦合装药。起爆位置：分为正向、反向、双向三种起爆方式如图（2） 工程地质的影响（略）（3） 自由面的影响：自由面越多，爆破夹制作用越小，所需的炸药消耗量就小。一般有如下关系：自由面数目123456炸药消耗（%）10085-8065-6055-5045-3530-20 （5）爆破设计、施工工艺的影响：设计参数（W、n）、网路、微差时间、装药、填塞等都会对爆破效果产生很大影响。68 利文斯顿爆破漏斗理论 这是在改革开放以后引入的西方爆破理论，是由美国某矿业学校教授利文斯顿提出的，他从试验爆破漏斗得到炸药量Q与爆破破碎体积V之间的关系如图示曲线（用相对值表示为 V/Qw/Le的曲线）： 其中：Le临界深度，是将药包埋在内部作用药包位置时的埋深，对一定炸药和介质，可求得为 Le=E（Q）1/3 。对于西方国家主要追求的是效益，利文斯顿从爆破漏斗试验中要得到的是在炸药量一定条件下，炸药在什么埋深（wj）能得到最大的破碎体积Vmax，因此只要从试验求得如图示的Le、（E）和 最佳深度比j，就可以得到 最佳深度 wj=Lej=j E（Q）1/3试验得到结果；脆性岩石 j0.6；软朔性岩石j0.9-1.0。