4 爆破地质

图 锯齿波在自由面反射的情况 图 波倾斜入射

(2) 应力波倾斜入射

入射波不管是纵波还是横波，倾斜入射经交界面反射后，都要再度产生纵波和横波，即有两种反射波：反射纵波和反射横波。

这时入射波与反射波的传播方向之间有以下关系：

Sin?Sin??cPcS?Sin??cPcSSin?

因此，入射纵波引起的应力?i和反射纵波及反射横波引起的应力?r及?r之间，有如下关系：

??r?R0?itg??tg??tg? ， 其中: R??02??[(R?1)ctg2?]?tg??tg2??tg?0i?rR0, 应力波倾斜反射系数。

若入射波是横波，则有：

??r?R0?i???r?[(R0?1)ctg2?]?i

4.2.6 岩石的动力学特性

在动载荷作用下岩石的力学性质变化很大，表现为动力学强度比静力学强度增大很多，变形模量也明显增大。岩石在冲击凿岩或炸药爆炸作用下，承受的是一种载荷持续时间极短、加载速率极高的冲击型典型动态载荷。

爆炸冲击载荷对岩石的加载作用与静载相比，有以下特点：

① 所形成的应力场（应力分布及大小）与岩石性质有关；静载则与岩石性质无关。

② 冲击加载是瞬时性的，一般为毫秒级；静载则通常超过10 s。因此，静力加载时应力可分布在较深、较大范围，变形和裂纹的发展也较充分；爆炸载荷以波的形式传播，加载过程瞬间即逝。

9

③ 爆炸载荷在传播过程中，具有的波动特性，从变形到破坏都是一个获得能量到释放能量的过程。在爆炸冲击动载作用下，破坏岩石要消耗较多的能量。

4.2.7 岩石的强度特征

使岩石发生破坏，无论是脆性，还是塑性破坏，都需对岩石施加一定的载荷值，即外力。而无论对岩石施加何种载荷，岩石的破坏主要可归为三类：

1、断裂破坏：断裂面垂直于主拉应力； 2、剪坏破坏：剪切面倾斜于主应力方向； 3、复杂破坏：同时具有断裂和剪坏破坏的特征。

因此，无论岩石产生的应力状态如何，破坏主要是由拉应力或剪应力引起的，真正压坏的情况极少，即使是在压力作用发生的破坏，主要也是由于衍生的局部拉应力或剪应力，所产生拉伸或剪切变形而引起的。

岩石破坏是在一定量载荷强度作用下才发生的，因而岩石具有承受外力作用不破坏的性能，岩石的这种抵抗外力破坏的能力，称为岩石的强度，用R来表示，即：

R = P/A（Pa） 即岩石在破坏时，单位面积上所受的力。

根据岩力所受应力状态，其强度有抗拉、抗剪、抗压强度之分，又有静载和动载之别。施载性质的不同，强度性质不同。 4.2.7.1 静载强度性质

基本性质：

1、 多数情况下，岩石表现为脆性破坏；

2、 同一种岩石，其强度并非常数，常常有一个波动范围（即岩石强度不是一个常数）； 3、 受力状态不同，其强度极限不同，其一般规律为：

1）受力向数： 三向抗压 > 两向抗压 > 单向抗压；

2）受力性质： 抗压强度 > 抗剪 > 抗拉，且：抗剪强度=（1/8~1/12）抗压强度，抗拉=

（1/10~1/50）抗压强度。

因此，岩石在多项应力的共同作用下，其强度极限更大，破坏所需的能量大，即岩石不易破坏；此外，岩石更易在拉、剪应力的作用下破坏。所以，在凿岩、爆破中，应尽力创造使岩石易于破坏的应力状态，以提高破岩效率。 4.2.7.2 动载强度性质

岩石在动载桌椅下的变形过程与静载有本质的区别：岩石受静载达到强度极限前，载荷解除后，岩石立即恢复到原来的静止状态；而在动载下，即使载荷解除岩石质点仍有一个持续运动——震动

10

过程才能恢复到静止状态。因此，岩石的动载强度与加载速度有关，且加载速度↑，强度也相应↑。一般说来动载强度Rd大于静载强度Rj，它们间有如下关系：

Rd?KtgV?Rj

式中：K——比例系数； V——加载速度。

但经研究表明：加载速度只影响抗压强度，对抗拉影响较小，这也表明，动载下拉应力波坏仍是岩石破坏的主要原因。

岩石的动载强度可用下列一些综合指标来表示或描述。 4.2.7.3 岩石的动态弹性常数

（1）动弹性模量Ed ：

三维时： Ed??cp22(1??d)(1?2?d)1??d2

二维时： Ed??cp(1??d) 三维时： Ed??cp （2）动剪切模量Gd

2 Gd??cs

2（3）动泊松比?d

?d?4.2.7.4冲击强度参数

动应力强度?d

?d?Ed????cp?vp/cp??cpvp

由于静载连续作用时间长（10S以上），应力作用充分，使变形和裂隙发展也较充分，因此破坏单位岩石所消耗的能量小；而冲击加载是瞬时性的（ms级）应力作用不充分，有时变形和裂隙来不及形成载荷已经消失，因此破坏单位岩石所消耗的能量大。

破坏单位岩石所消耗的能量称为比能。有动、静之分，一般静载比能是动载比能的55%~63%。 对大多数岩石而言，在复杂应力状态下，若其中有一个主应力为拉应力，则其破坏形式主要决定于此拉应力和岩石的抗拉强度，且后者不受应力状态的影响。

2cp?2cs2p222(c?c)2s

11

由于岩体内存在节理和裂隙等结构面，所以：岩体强度 < 试件（岩石）强度，若岩体完整性系数为Kc，抗压强度大约下降Kc2倍。

4.3 浅眼冲击式凿岩

实施爆破的第一步是钻眼，给予放置炸药的空间。对钻孔深度<5m的孔眼称为浅眼或炮眼，而>5m的则称为深孔。钻眼时，只对岩石进行局部破碎，并需及时清除破碎下来的碎屑（岩粉），以便不断露出新岩面供破碎，逐层破碎直至形成具有一定直径和深度的炮孔。破岩和排粉的方法越完美，钻眼的效率就越高，钻眼效率很大程度上决定着工程爆破的进度和效益。 4.3.1 冲击式凿岩机

目前，岩石爆破钻眼主要采用机械方法，即利用机械力的作用，在岩石内产生应力使之破碎的方法。具体实施主要采用各种钻眼机械和钻具，根据采用的机具和破岩机理，其破岩方式分为：（1）冲击式、（2）回转式、（3）冲击—回转式、（4）回转—冲击式。 4.3.1.1 凿岩机的分类

一般非煤矿山和普通工程爆破浅孔凿岩主要采用风动冲击式凿岩机，即以压气为驱动动力。其主要分类：

（1）按安设与推进方式分

1、手持式：Y24、Y26、Y30。基本特点：重量轻，手持操作，可钻各种方向的较小直径、较浅深度的炮眼。主要用于凿下向炮眼。方向任意，孔径约40mm左右，孔深<3m，岩性软、中、硬。

2、气腿式：7655、Y23、YT24、YTP26。 重量一般24~30kg，主机安设在气腿上，靠气腿推力钻进。可钻水平或倾斜炮眼（倾斜向下或微倾斜向上），孔径约40mm左右，孔深<5m，岩性软、中、硬。

3、上向式：YSP45。重量一般40kg左右，气腿与主机在同一纵轴线上，联成一体，用于打天井掘进等向上炮眼，与水平线60o~90o。直径40~50mm，孔深 <5m，软、中、硬岩。

4、导轨式：YGP35、YG-40、YG80、YGZ-90。重量一般31~95kg，安装在供凿岩机往复运动的滑动导轨上；导轨设在柱架或台车上，可钻水平和各方向的较深炮眼，水平倾斜，40~80mm，4~20m硬，坚硬。

12