藥包或裝藥在土石介質或結構物中爆炸時,使土石介質或結構物產生壓縮、變形、破壞、鬆散和拋擲的現象,主要用於土石方工程,以及金屬建築物和構築物的拆除等。

  炸藥爆炸是一個快速過程,因此爆破屬於一種快速現象。1千克普通工業炸藥的爆炸,約在5×10-5秒內就能放出5×105千克力·米的的能量,功率為1億千瓦;在同樣的時間內,該炸藥變成爆炸產物,在標準狀況下,它的體積約為炸藥原體積的103倍。這樣,1千克炸藥在約5×10-5秒內即在藥室中形成一個高溫高壓(對於普通工業炸藥,其壓力約為數萬大氣壓,1大氣壓為101325帕)的氣球,壓縮並推動周圍介質,從而在介質內形成一個很強的應力波或沖擊波(即激波)。當波傳播到介質表面時發生反射和折射。介質在波和氣球的作用下不斷地加速、變形和破壞,部分介質最終被拋擲到一定距離以外的地方堆積起來。

  爆破過程 爆破這種快速現象有明確的發展過程。最簡單的是單個集中藥包的土石拋擲爆破,其發展過程大致可分為應力波擴展階段、鼓包運動階段和拋擲回落階段。

  應力波擴展階段 在高壓爆炸產物的作用下,介質受到壓縮,在其中產生向外傳播的應力波。同時,藥室中爆炸氣體向四周膨脹,形成爆炸空腔。空腔周圍的介質在強高壓的作用下被壓實或破碎,進而形成裂縫。介質的壓實或破碎程度隨距離的增大而減輕。應力波在傳播過程中逐漸衰減,爆炸空腔中爆炸氣體壓力隨爆炸空腔的增大也逐漸降低。應力波傳到一定距離時就變成一般的塑性波,即介質隻發生塑性變形,一般不再發生斷裂破壞。應力波進一步衰變成彈性波,相應區域內的介質隻發生彈性變形。從爆心起直到這個區域,稱為爆破作用范圍,再往外是爆破引起的地震作用范圍。圖1是爆破作用裡面幾個區域的剖面示意圖。

  鼓包運動階段 如藥包的埋設位置同地表距離不太大,應力波傳到地表時尚有足夠的強度,發生反射後,就會造成地表附近介質的破壞,產生裂縫。此後,應力波在地表和爆炸空腔間進行多次復雜的反射和折射,會使由空腔向外發展的裂縫區和由地表向裡發展的裂縫區彼此連通,形成一個逐漸擴大的破壞區。在裂縫形成過程中,爆炸產物會滲入裂縫,加強裂縫的發展,影響這一破壞區內介質的運動狀態。如果破壞區內的介質尚有較大的運動速度,或爆炸空腔中尚有較大的剩餘壓力,則介質會不斷向外運動,地表面不斷鼓出,形成所謂鼓包(圖2)。由各瞬時鼓包升起的高度可求出鼓包運動的速度。

  拋擲回落階段 在鼓包運動過程中,盡管鼓包體內介質已破碎,裂縫很多,但裂縫之間尚未充分連通,仍可把介質看作是連續體。隨著過程的發展,裂縫之間逐步連通並終於貫通直到地表。於是,鼓包體內的介質便分塊作彈道運動,飛散出去並在重力作用下回落。鼓包體內介質被拋出後,地面形成一個爆坑。

  爆破漏鬥和最小抵抗線 爆坑又稱漏鬥,其形狀取決於藥包的埋設位置、地面與水平面的傾角、藥量和介質的力學性質。由於地面的存在,介質在不同方向上抵抗變形和破壞的能力是不同的,從藥包到地面的垂線方向一般是最小阻力方向,按工程上的習慣把這段垂線或垂線的長度W稱為最小抵抗線。鼓包的隆起和介質的初始飛散速度大體都沿著最小抵抗線的方向。圖3表示水平地面單藥包爆破的漏鬥形狀,最小抵抗線正是漏鬥的對稱軸。圖中,O點為最小抵抗線和原地面的交點,r為漏鬥邊界和原地面的交點到O點的距離,稱為可見漏鬥半徑;PO點到可見漏鬥底部的距離,稱為可見漏鬥深度;W為最小抵抗線。比值r/W稱為爆破作用指數,通常用n表示。它的大小不僅標志漏鬥開口的大小,而且反映介質的破壞程度和拋擲的距離。n=1的爆破稱為標準拋擲爆破;n>1的爆破稱為加強拋擲爆破;0.75≤n<1的爆破稱為減弱拋擲爆破或加強松動爆破;n<0.75的爆破稱為松動爆破,這時可見漏鬥基本消失,隻出現松動漏鬥(圖4)。設計多藥包爆破或者復雜地形條件下的爆破時,須慎重判斷和估算最小阻力或主要拋擲方向以及漏鬥的大致形狀,上述最小抵抗線的簡單定義在此已不適用。

  爆破幾何相似律 爆破現象的許多問題目前尚不清楚,因此爆破設計計算中所用理論和公式均帶有一定的經驗性。用量綱分析方法導出爆破設計中的一個最基本和最重要的規律,即幾何相似律。對於在一面臨空的地形條件下進行的爆破,幾何相似律的內容如下:在炸藥品種和介質不變以及重力可以忽略的條件下,所有表征爆破效果的特征長度(如空腔半徑、壓密層厚度等)與最小抵抗線W之比都同比藥量Q/W3有關。在工程中常先固定Q/W3不變而讓W改變,這時所有特征長度均同W成比例地改變。如對可見漏鬥半徑r來說,在r/WQ/W3之間存在確定的函數關系:

變換一下形式就得到目前常用的藥量公式:

        QW3Kf(n),

式中K為介質的特征常數;f(n)的具體形式可由試驗確定;f(n)=0.4+0.6n3稱為博列斯科夫公式。爆破若在無限介質中進行,這時不存在W,根據幾何相似律,所有表征爆破效果的特征長度都同藥包半徑成正比。

  根據幾何相似律,表征爆破過程的特征時間與W之比同比藥量Q/W3有關。故當炸藥、介質和比藥量不變時,爆破規模增大,W變大,時間也成比例地變長。同樣,在無限介質的情況下,特征時間同藥包半徑成正比。根據幾何相似律,表征爆破過程的特征速度和壓力與W無關,隻同比藥量有關。故比藥量Q/W3不變時,介質的拋擲速度不因爆破規模的變化而變化。

  理論和經驗證明:當最小抵抗線不超過25米(工程常用范圍)時,爆破服從幾何相似的規律。利用這個規律,可以給出各類設計計算公式以計算藥量、漏鬥尺寸、鼓包運動參量、拋擲方量、拋擲速度等表征過程和效果的特征量。若介質的某些具有時效的因素起作用,例如粘性、初始結構尺寸和重力等效應不能忽略時,幾何相似律不再成立。

  爆破分類和應用 爆破根據方法、規模和應用進行分類,如表所示。

爆破分類表

  爆破的安全技術 爆破有危險性,必須重視安全技術。通常的爆破安全技術包括對爆破地震、空氣沖擊波、個別飛石、爆破毒氣和噪聲等的安全控制。①爆破地震泛指沿地表傳播的彈性波,雖然可造成建築物的破壞,但比自然地震的影響小得多。②空氣沖擊波指爆破在空氣中引起的沖擊波氣浪等,它可危害生物和建築物。③個別飛石指爆破時由各種原因產生的少量飛散較遠的石塊,其影響范圍較大,可危害人畜和建築物、設備等。④爆破毒氣指爆破時產生的有毒氣體,爆後進入大氣中或埋入爆破堆積體內,可危害人畜。⑤爆炸噪聲對人體也有危害。上述各危害因素的影響范圍大都有經驗公式可以計算。設計時,必須反復周密審核,確保安全。

  國內外發展概況 中國爆破技術主要是在中華人民共和國成立後發展起來的。50年代初,在公路和鐵路建設中開始大量使用爆破技術。到60年代初,爆破技術在礦山建設和水利建設中也得到瞭廣泛的應用和發展。60年代和70年代中,由於工程實踐和科學研究相結合,中國爆破技術得到瞭穩步的發展和提高。中國已進行過千噸級到萬噸級的礦山爆破和千噸級的難度較大的定向爆破,並達到較先進的經濟技術指標。此外,光面爆破、預裂爆破、農田爆破、控制爆破(見彩圖)等技術在中國也得到瞭相應的發展和應用。在西方工業發達國傢,爆破技術主要應用於巷道掘進和采礦;在蘇聯,爆破技術較廣泛地應用於礦山建設和水利建設等部門,而且研究工作頗有成就。

爆炸力學技術應用實例——用控制爆破拆除建築物

爆炸力學技術應用實例——用控制爆破拆除建築物

爆炸力學技術應用實例——用控制爆破拆除建築物

  

參考書目

 馮叔瑜、朱忠節、馬乃耀著:《大量爆破的設計和施工》,人民鐵道出版社,北京,1963。

 《露天爆破》編寫組編:《露天爆破》,冶金工業出版社,北京,1979。

 《全國土巖爆破會議文集》,冶金工業出版社,北京,1980。