[发明专利]一种测定柱状药包在岩石内部爆破作用区域的方法

说明书

本发明公开了一种测定柱状药包在岩石内部爆破作用区域的方法。它包括如下步骤：根据测定柱状药包在岩石内部爆炸前后的如下岩石和炸药的特征数据：炮孔半径、岩石抗压强度、岩石抗拉强度、岩石密度、炸药密度、炸药爆速、纵波波速、岩石泊松比，将上述的特征数据带入式Ⅰ‑1、式Ⅰ‑2、式Ⅰ‑3中，计算即可得到柱状药包在岩石内部爆破作用区域，即扩大腔半径、压碎区域半径和破裂区半径，分别记为r₁，r₂，r₃。本发明通过单个柱状药包在岩石内部作用区域的模型，能得到岩体破坏特征的扩大空腔、压碎区域、破裂区域。

技术领域

本发明涉及一种测定柱状药包在岩石内部爆破作用区域的方法，属于安全科学技术领域或冲击动力学领域。

背景技术

目前，在岩土工程爆破中应用比较广泛的装药形式为柱状药包，但学者们多数通过爆轰理论分析用球形药包理论解释柱状药包应力参数计算的问题，而没有根据柱状药包本身的特征进行分析计算。当药包在无限岩石介质中爆炸时，它在岩体中激起的冲击波强度随着传播距离的增加而迅速衰减，因此，它对岩体施加的作用也随之发生变化。如果将爆破后的岩体剖开，药包的内部作用依岩体的破坏特征，大致可分为如图1所示的三个区域：

(1)扩大空腔

这个区域是直接与药包接触的岩石区域，当密闭在装药空间中的药包爆炸时，爆轰压力在数微秒内就迅速上升到几万甚至几十万个大气压，一般可达5000-10000MPa，并在此瞬间急剧冲击药包周围的岩石，在岩石中激发出冲击波，其强度远远超过了最坚硬岩石的动抗压强度。装药空间的岩壁受到强烈压缩而使装药空间扩大，形成扩大空腔。

(2)压碎区

此时空腔岩壁由于压缩而形成一圈破碎带，这个扩大的空腔和破碎带统称为压碎区。对于大多数岩石来说，破碎带的岩石多被压碎成粉末，因此，压碎区又叫粉碎区。由于压碎区的岩石处于三轴受力状态，而在三轴受力状态下岩石的动抗压强度增大，压碎岩石时要消耗大量的爆炸能量，所以压碎区的范围较小，其半径一般不超过药室半径的二倍。

(3)破裂区

当冲击波通过压碎区后，继续向外层岩石中传播。由于炸药包的爆炸能量大部分消耗于岩石的压碎区，同时随着应力波传播范围的不断扩大，使得岩石单位面积摊到的能量密度下降，因此，传播到压碎区外围岩石中的应力波已经低于岩石动抗压强度，而不能再直接引起岩石的压碎破坏。但是，它可使压碎区外层的岩石遭到强烈的径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，导致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变。如果这种切向拉伸应变所引起的拉伸应力值高于此处岩石动抗拉强度，那么在外围的岩石层中便会产生径向裂隙。

爆炸压应力波通过压碎区外层岩石时，由于此处的岩石受到强烈的压缩而储蓄了一部分弹性变形能；当压应力波过后，这部分能量就会释放出来引起岩石质点的向心运动而产生切向拉伸应力。如果这个拉伸应力值高于岩石动抗压强度，就会在岩石中产生环状裂隙。

当然，爆轰气体产物的高压同样也会在岩石中引起压应力，但是由于高压气体作用于岩石的时间较长，可将这种加压视为一种静态或准静态的加载过程。这种准静态加载过程，同样也能使破裂区岩石产生径向裂隙和环状裂隙。因此，裂隙区的岩石在爆轰波和爆轰气体共同作用下，就形成相互交错的径向裂隙和环状裂隙，将此区域内的岩石分割成大大小小的碎块。我们把产生了径向裂隙和环状裂隙的区域叫做破裂区(4)震动区

在破裂区外围的岩体中，炸药包爆炸能量经过压碎区和破裂区的消耗和衰减，剩余的能量不能再造成破裂区域外围岩体的破坏，而只能引起它的质点产生弹性震动，直到该部分能量全部被岩体所吸收为止，因此，把这个区域叫做震动区。

柱状药包在岩石介质内部破坏区域的研究可以为岩石破碎机理分析奠定理论基础，同时在实际工程应用中，对炸药单耗量的确定也起到了至关重要的作用，从而达到安全、高效的爆破目的。

发明内容