爆破的外部影响及外部作用的表现形式

在最小抵抗线的方向上，岩石与另一种介质（空气或水等）的接触面，称为自由面，也叫临空面。当最小抵抗线W小于临界抵抗线We时，炸药爆炸后除发生内部作用外，自由面附近也发生破坏。也就是说，爆破作用不仅发生在岩体内部，还可到达自由面附近，引起自由面附近岩石的破坏，形成鼓包、片落或漏斗。这种作用叫作爆破的外部作用。外部作用的表现形式主要有以下两种：

（1）霍布金逊效应导致岩体表面呈片状裂开，片落现象的产生主要同药包的几何形状、药包的大小和入射波的波长有关。

（2）由反射拉伸应力波引起径向裂隙的延伸，使原先存在于径向裂隙梢上的应力场得到增强，并使裂隙继续向前延伸。

1.爆破试验

根据生产实践中的体会，可在实验室做以下试验：

图7-3　长杆试验

1—炸药；2—岩石长杆；3—粉碎区；4—片落区

（1）长杆试验。取一长杆状岩石试件，最简单的试验是采用岩石长杆模型进行的爆破试验。如图7-3所示，取一根加工成圆柱形或正方形断面（5 cm×5 cm或7 cm×7 cm）的长杆（长1.0 m左右），用雷管起爆端部药包后可见到以下现象：①近药端石杆被粉碎，稍远处有裂隙，分别形成粉碎区和裂隙区。②远药端石杆被破坏成块状形成片落区，越向药包端则碎块厚度越大。③在粉碎区、裂隙区与片落区之间，石杆无明显破坏而只有弹性变形，形成震动区。④炸药量不同，各区的范围也不同；当药量增大到一定程度后，粉碎、裂隙与片落3区扩大，震动区不复存在。

（2）水泥板试验。如图7-4所示，取一块具有一定厚度的水泥板。将一面平整为自由面b，另一面加载，其上放一只雷管和几十克炸药。爆炸后加载端被冲击波和爆生气体粉碎飞散，而在自由面端则出现片落，片落石块抛出一定距离，这就是反射拉伸波拉断作用的结果。

图7-4　水泥板试验

1—雷管；2—炸药；3—水泥板；4—粉碎区；5—片落区
a—加载面；b—自由面

（3）立方体试验。如图7-5所示，将8号雷管置于立方体岩块上一定数量的炸药内，起爆后，可见试件在另外的几个面上出现片落破坏。

图7-5　立方体试验

（a）侧视；（b）俯视
1—炸药；2—立方体岩块；3—粉碎区；4—片落区(www.xing528.com)

上述3个试验分别代表空间上一、二、三维爆破作用时的破坏情况，被爆岩体均会在与空气接触的一面出现片落破坏，这种现象最早由霍金逊发现并进行了研究，所以叫霍金逊现象。一般用应力反射来进行解释，即当入射压应力波遇到自由面时，一部分或全部反射为方向完全相反的拉伸应力波。如果反射拉伸应力和入射压应力叠加之后所合成的拉应力超过岩石的极限抗拉强度，自由面附近的岩石即被拉断成小块，或片落，或形成爆破漏斗。

（4）内部药包爆破试验。如图7-6所示，在相同的岩体内离地表不同深度分别设置药量相同的药包，起爆后效果各不相同。

图7-6　内部药包爆破试验

1—粉碎区；2—裂隙区；3—震动区；4—片落区

上述4个试验均可看到，在一定条件下进行爆破，会在炸药周围形成粉碎区，在粉碎区外围一定距离会出现裂隙区，在远离炸药的一端会出现片落区，而在裂隙区和片落区之间不会破坏而只受到震动，形成震动区。

2.爆破破岩原因分析

目前解释岩石爆破破碎机理认识较为统一的有三种理论：

（1）气体破坏论。该理论认为岩石主要是被爆炸生成气体的压力作用破坏的。爆破时产生的大量气体以极高的压力作用于炸药周围的岩石，使之产生压应力场，此应力场一方面造成径向岩石位移，另一方面还引起切向拉应力，所以岩体是在压、拉、剪等气体引起的复杂应力场中破坏和被抛掷的。这种理论完全忽视了冲击波的作用。

（2）应力波反射拉断破坏论。该理论认为当爆轰波传到岩壁时，在岩石内产生压应力波，此应力波是由冲击波能引起的。当应力波在岩内以放射状向外传播到自由面时，自由面上两种介质密度与波速有差异，造成应力波的折射与反射，此反射波是自由面向爆炸中心传播的，这就在自由面处造成拉应力。由于岩石的抗拉强度仅为抗压强度的1/10～1/50，故岩石是从自由面端（远炸药端）起被拉应力拉断的。这种理论单纯强调冲击波的作用，忽视了爆生气体压力的作用。

（3）共同作用破碎论。该理论认为岩石的破碎是冲击波和爆生气体综合作用的结果，是动作用和静作用兼而有之，只不过是作用的阶段和区域不同，近区以冲击波作用为主，远区以反射拉伸应力与气体膨胀共同作用。生产实践和试验研究证明，这种理论较客观、全面地反映了爆破破岩的原理，被学术界所公认。

综合上述试验和理论，可以归纳出下列几点重要结论：

（1）应力波来源于爆轰冲击波，它是破碎岩石的能源，但气体产物的静膨胀作用同样是十分重要的能源。

（2）坚硬岩石中，因其波阻抗值大［达（10～25）×105g/（cm2·s）］，冲击波作用明显，而软岩中波阻抗值低［为（2～5）×105g/（cm2·s）］，则气体膨胀作用明显，这一点在选择炸药爆速和确定装药结构时应加以考虑。

（3）粉碎区为高压作用结果，因岩石抗压强度大且处在三向受压状态，故粉碎区范围不大；裂隙区为应力波作用结果，其范围取决于岩性。片落区是应力波从自由面处反射的结果，此处岩石处于受拉应力状态，由于岩石的抗拉强度极低，故拉断区范围较大；震动区为弹性变形区，岩石未被破坏。

（4）大多数岩石坚硬有脆性，易被拉断。这就启示我们，应当尽可能为破岩创造拉断的破坏条件。应力反射面的存在是有利条件，在工程爆破中，如何创造和利用自由面是爆破技术中的重要问题。