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第七章 爆破器材
7.1简介
除了炸药和起爆装置，各种各样的产品都应用于和爆破相关的工作。他们被定义为爆破器材，其中一少部分在爆破中是消耗品，大部分被设计在爆破工作中重复使用。对于爆破工作人员，有必要的工具和设备用以安全和高效地在钻孔中添加爆破材料是必要的。这些工具和设备必须包括：
- 电源（雷管，顺序爆破器或适当的主点火装置）
- 爆破线路测试人员
- 装有铅或不产生火花的重锤的非金属卷尺
- 下降绳
- 不产生火花的下降或翻转钩
- 捣固杆（木制的或不产生火花的）
- 爆破刀
- 连接线（新的，不能回收）
- 铅线
- 爆破覆盖材料（适用时）
- 压接器（用保险熔丝爆破时）
- 雷电探测器
这些设备首先必须高质量的并且保养良好。不允许用钢螺母或螺栓代替重锤、钢管或钻头钢长度来捣固杆、导爆索长度用作卷尺或下降绳、回收的腿线用作连接线、不适当的测试仪器。
7.2电点火电源
电爆电路可以由爆破起爆器供电，也可以通过特殊的布置由电力线供电。爆破作业不建议使用蓄电池和干电池，因为它们不能依赖于一致的输出。
7.2.1起爆器
爆炸机是为一系列电雷管提供所需电力的机器。通常有两种类型：发电机类型和电容放电式。
（1）发电机型
齿条式爆炸机是通过用力推下齿条来操作的，齿条式爆炸机通过一组齿轮使直流发电机中的转子旋转。当机架杆在其向下行程中到达底部时，发电机的电能被连接到输出端，机架杆关闭开关。它们通常是大容量的，能够在单个系列中爆破30-50个雷管。
另一种类型是弹簧第首先缠绕，在钥匙的帮助下，弹簧突然松开。这通过一组齿轮，使直流发电机的转子旋转。这种型号有250-400发的超大容量。
钥匙扭转式起爆机相对较小，手持装置由一只手快速扭转手柄操作，而另一只手牢牢握住机器。这种类型的机器启动10到25次，每次4欧姆。这些机器输出的实际电流取决于机器的状况和放炮者施加的力。由于电流仅在冲程结束时流动，因此应将齿条式和扭转式机器大力操作到冲程结束。由于发电机爆破机的状况会随着时间的推移而变坏，因此必须定期对其进行检查。在某些机器中，内部机械或电子开关会在4ms后切断输出电压。还有一个内置的装置，除非电压高于最小预定值，否则它不会将电压连接到输出终端。这可以确保，除非点火器正确操作爆炸器，并且除非达到其额定输出，否则不会向外部电路输出任何输出，从而避免因操作不当而发生失火的可能性。
（2）电容放电式
虽然发电机组是一种可靠的爆破工具，但其有限的可变输出能力使其被电容式放电机所取代。顾名思义，在电容器放电机中，电容器先向高压充电，然后通过外部点火电路放电。这种基本的电源可以是低压干电池或电磁发电机。电容式放电机有各种各样的设计和容量，有些可以在并联串联电路中起爆超过1000个雷管。
所有电容式放电起爆器工作原理基本相同。一个按钮或开关被激活来给电容器充电，另一个按钮或开关被激活来点火。指示灯标或刻度盘指示电容器何时充电到额定容量。
在选择合适的爆破器进行串联点火时，必须非常小心。虽然爆破器的爆发力必须足以点燃所有的雷管，但也不应过高。一个好的经验法则是使用1.5到2倍于所需容量的爆炸器。重要的是，爆炸装置应适当维护和定期测试其发射能力。即使维护得很好，它们也可能随时出现故障，从而降低其性能。电容放电式爆破机的整体状况应由检测器或由变阻器和电阻器组成的装置来检查。起爆装置的维护应由合格人员进行，如有疑问，应咨询制造商。
7.2.2 顺序爆破机
顺序爆破机是一个包含10台电容放电机的单元，它能点燃多达10个独立的电路，每个电路之间有预先选定的时间间隔。当与毫秒延时电雷管配合使用时，该顺序机提供了大量的单独延时间隔。这在改善破碎和控制地面振动和鼓风方面是有用的。因为爆炸模式设计和连接可能相当复杂。顺序爆破机只能由受过良好训练的人员或在顾问的指导下使用。
7.2.3 主发火
另一种给电爆破电路供电的方法是电源线。电力线爆破通常采用并联线路进行，而现有的爆破设备的能力不足。在切断电力线时，该线应专门用于爆破，应定期进行目视检查是否有损伤和阻力。除非采取预防电弧的措施，否则不得进行电源线爆破。起弧可能导致正时不稳定或缺火。
盖子中的电弧是由于过多的热量积聚造成的，这是由于长时间施加过多的电流造成的。持续施加10安培或更大电流一秒钟或更长时间会引起电弧。为了防止爆炸机产生电弧，爆炸机可与电源线一起使用爆炸开关。
第八章 岩石爆破破碎过程
8.1简介
当爆炸装药被限制在炮孔内时，会发生反应，从而在很短的时间内在很高的温度和压力下产生大量的气体。高爆炸药的一个重要特点是单位时间内产生大量能量。气体压力作用在孔壁上，使孔外介质承受巨大的应力和应变。
300多年前，沃邦指出，由于爆破过程中产生的气体的起重作用，岩石破碎。直到20世纪50年代后期，他的观点被修改后才被认为是正确的。希诺（1956a和b）和杜瓦尔·艾奇逊（1957）认为岩石主要是由于冲击波的反射而破碎的，冲击波从爆破点呈球状向外传播。
然而，后来的工作人员指出，是气体压力和冲击波气体的共同作用，导致了岩石在炸药作用下的断裂和破碎。目前缺乏一种普遍接受的岩石破碎机理来解释各种地层中各种情况下的破碎现象。许多岩石爆破理论以及由此产生的断裂和破碎已被提出。其中许多是针对特定的环境、条件和假设。需要不止一种机制来解释断裂现象。
本章叙述了目前对爆破破碎过程的认识。在爆破过程中，人们主要关注与爆破破碎大部分有关的方面，即孔与自由空间之间的过程。为了更好地理解爆炸后的现象，本文还简要介绍了炸药在孔内爆炸的过程以及孔周围发生的现象。首先对均质岩石的爆破过程进行了解释，然后对节理岩石和其他爆破情况进行了说明。爆炸反应的有用部分以外的影响，例如地震波、空气冲击波、飞岩和对剩余岩石的破坏，将在后面第18至20章中讨论。
8.2炸药在炮孔中爆炸的过程
为了完成岩石破碎，该过程从高爆轰开始，在2000至7000 m/s或更高的速度下，通常在4000至6000 m/s的热动力不稳定物质发生快速化学反应，在很短的时间内，在高温和高压下产生气体。在爆炸区形成的初始压力可能在0.5到50 GPa或更高，温度可能在3000到4000°K之间。
装药孔壁上的实际压力受多种因素的影响，其中包括装药密度，装药与围岩之间的空间和材料类型，以及爆炸产物和岩石的性质。
快速膨胀的高压气体与围岩之间的第一次相互作用发生在爆炸产物撞击孔表面的时刻。由于爆炸气体对岩石的影响，突然在钻孔表面施加高压。孔上的压力几乎瞬间上升到其峰值，可能是爆炸压力的四分之一到一半，然后由于气体冷却和向外膨胀而大致呈指数衰减。气体产物在遇到岩石之前越能膨胀，撞击时的峰值压力就越低。起初，压力脉冲的传输形式为高压冲击波立即在孔周围传播，随着应力的降低，应力波逐渐减小至孔外的应力波（Rinehart 1975；Mohanty 1985）。当压力脉冲被传送到岩石中时，充满气体的洞穴中的初始高压已经降低，尽管它仍然足够高，可以继续扩大洞穴，并在相当长的时间内对岩石施加准静态压力。
有许多关于爆炸反应和爆炸过程科学的报告和专著可供参考（库克1958；约翰森和珀森1970；克拉克1987），详情请参阅。
8.3钻孔周围岩石中的破碎过程
爆炸脉冲的压力大大超过了岩石的动态抗压强度，导致岩石在钻孔附近立即破碎。由于压力脉冲的衰减率很高，钻孔周围的破碎带范围有限，可能不超过2到4个孔半径，而断裂带平均20个孔半径，延伸至50个孔半径（Siskindamp;Fumanti，1974）。由于爆炸产生的应力强度随钻孔距离的增加而迅速下降，岩石的力学行为将从塑性变形到脆性弹性破裂，颗粒尺寸随钻孔距离的增加而迅速增大。
Atchison（1968）指出，破碎带和初始破碎带之间存在断裂带。在这个断裂过渡带中，岩石的强度变得更为重要，但脉冲的压力最初仍然大于岩石的强度。因此，在该过渡带的内部区域，人们可能期望岩石进一步破碎——尽管不像破碎带那样完全解体。
由于压力脉冲的振幅由于扩散和能量吸收而减小，因此，同时具有径向和切向分量的振荡应力瞬变的形式也相应减小。径向分量基本上是压缩的，应力从大到小逐渐减小到岩石的抗压强度，因此在该区域，它在岩石断裂中所占的比例很小。切向应力分量具有拉伸性质。由于岩石在拉伸时的强度远小于在压缩时的强度，这些拉伸应力会引起从破碎带延伸出来的径向裂缝。这些切向拉应力的振幅随着与孔的距离的增加而迅速衰减，从而使由它们引起的径向破裂的程度限制在两到六个孔直径之间。
8.4过渡区以外的破碎过程
人们提出了许多方法，通过这些方法，赋予岩石的爆炸能量可以完成过渡带以外的破碎任务。根据目前的认识，重要原则可分为两大领域。该分组基于以下两种情况中的一种相对重要性：
a）在爆破孔内爆炸时，由于能量的快速释放而传递给岩石的应力波的作用；
b）爆炸释放的气体在炮眼周围产生准静态应力场、延伸径向裂纹和移动破碎岩石中的作用。
8.4.1 应力波的作用
早期的研究人员，包括Hino（1956a）和Duvallamp;Atchison（1957），认为应力波是断裂和破碎的主要原因。
在过渡区边缘，应力瞬变退化为常规应变波（以下简称应力波），该应变波向外辐射到固体中，在没有自由面的情况下，不能进一步参与断裂过程。然而，当附近有自由面时，则在自由面处，入射波以拉伸波的形式反射回钻孔。当波在介质中传播的阻抗（密度和传播速度的乘积）大于反射介质时，就会发生这种情况。岩石的拉伸强度比压缩强度弱，岩石的破裂发生在有效拉伸强度（即拉伸波强度和剩余压缩波强度之间的有效差异）超过岩石动态拉伸强度的向内面。这种受应力波反射影响的现象称为结疤、剥落或剥落。如果从新面反射回来的压缩波足够强，导致破裂，则此过程是多重的。
自由面反射应力波的作用也被其他工人所认识。Fieldamp;Ladegard Pederson（1971）表明，反射波改变了向外的径向裂纹，应力波的作用是岩石的先决条件。
Barker等人。1975年和1978年，Barkeramp;Fourney通过对均质岩石模型的实验，证明了仅由应力波引起的断裂模式的发展。这些波在岩体中传播，并在相当远的距离内引发断裂。断裂的数量是8到12处，是由大的饼状碎片造成的。这些饼状碎片被反射波（主波和剪切波）重新加载，反射波有足够的强度使岩石在拉伸状态下进一步破裂。
许多工人认为，反射应力波在爆破中的作用并不重要，因为现场爆破中使用的常规负荷（50至100倍装药半径）的反射应力波太弱，无法造成任何破裂（Noren 1956；Bergmann等人1973；Langeforsamp;Kihlstrom 1963；Persson等人1970年；波特和费尔赫斯特1970年；哈里斯1973年）。高速摄影和其他方法的证据表明，炸药爆炸与工作面移动开始之间的时间是应力波从孔中穿过自由面和自由面后所需时间的三到十倍，这表明破裂是由除此之外的其他效应造成的。应力波（Turata等人1966年；Bergmant等人1974）。
在调查中，为了了解应力波的作用，通过在水泥砂浆或花岗岩的台阶形块体中进行小规模爆破来研究破碎变化和碎片（Bhandariamp;Vutukuri 1974；Bhandari 1975a；Bhandari等人1975年；班达里1979a）。大破片的断裂面显示两种不同的断裂机制参与了破片。一个平行于工作面的断裂面粗糙，呈气泡状，表明直接拉伸导致断裂。反射应力波和随后的结疤导致直接拉伸断裂，断裂与工作面平行。另一方面，含有该孔的碎片表面具有具有起皱痕迹的断裂面。断裂的起源似乎在孔附近。因此，后一个表面表明，裂缝开始于孔壁附近，并向自由表面发展，而不是应力波作用的结果。因此，在后一种情况下，破裂是由气体作用造成的。
在单孔试验中获得的最大碎片用于最佳破碎负荷，在单孔试验中获得的较大碎片表明，在每个碎片中都存在平行于工作面的裂纹。由于反射应力波（Saluja1962）的结疤作用，与表面平行的裂纹通常被接受。没有多处结痂。从以上证据可以看出，在大碎片中，应力波反射和结疤作用较弱。
通过间接试验，揭示了应力波在减少或消除应力波反射和结疤中的作用。对于一个等直径的爆炸装药，三个不同的孔径被用来显示应力波在去耦中的减少作用。测试表明，增加的去耦产生了更粗的碎片，并且对于给定的负载碎片大小增加了。随着孔径的增大，细碎片的比例也减小。有人指出，对于孔径增大（因此是去耦电荷）的更粗碎裂尺寸，一个人是应力波作用的减少。在另一组实验中，当波通过将相同材料的板固定到工作台表面而被捕获时，对于任何给定的负载，细材料的百分比降低，碎片的平均大小增加。因此，建议在没有应力波效应的情况下，获得的碎片尺寸更粗，应力波有助于岩石的粗化和弱化。应力波作用的增强有助于提高随后的准静态气体压力作用。
8.4.2准静态气压的作用
Saluja(1962)、Langefors amp; Kihlstrom(1963)、Sadwin amp; Duvall(1965)、Cook et al.(1966)等人的研究表明，冲击波并不是导致炸药作用下岩石破碎的唯一因素。Langefors amp; Kihlstrom(1963)、Persson et al.(1970)、Porter amp; Fairhurst(1970)等人认为爆破破碎可以作为准静态气体压力问题来解决。结果表明，在过渡区初始发育的径向裂纹在气体加压作用下向外扩展，直至与自由面相交，从而导致裂纹
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