论文导读：岩体在冲击荷载的作用下产生应力波或冲击波，它在岩体中传播，引起岩石变形乃至破坏。炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变形和运动。爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移，由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样，质点位移所受的阻力就不同，最小抵抗线方向阻力最小，岩石质点位移速度最高。破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出，形成一倒锥形的爆破漏斗坑。岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波引起岩石破碎，岩石的破坏形式是拉应力大于岩石的抗拉强度而产生的，岩石是被拉断的。同样，反射拉伸波也加强了径向裂隙的扩展。
关键词：爆炸，气体膨胀，应力波，爆破，自由面，径向裂隙
岩体在冲击荷载的作用下产生应力波或冲击波，它在岩体中传播，引起岩石变形乃至破坏。炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变形和运动。由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万兆帕，从而在岩石表面形成冲击波，并在岩石中传播。
1、爆生气体膨胀作用
炸药爆炸生成高温高压气体，膨胀做功引起岩石破坏。爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移，由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样，质点位移所受的阻力就不同，最小抵抗线方向阻力最小，岩石质点位移速度最高。正是由于相邻岩石质点移动速度不同，造成了岩石中的剪切应力，一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度，岩石即发生剪切破坏。破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出，形成一倒锥形的爆破漏斗坑。
2、爆炸应力波反射拉伸作用
岩体中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波引起岩石破碎，岩石的破坏形式是拉应力大于岩石的抗拉强度而产生的，岩石是被拉断的。
岩石爆破破碎正是爆生气体和爆炸应力波综合作用的结果。因为冲击波对岩石的破碎作用时间短，而爆生气体的作用时间长，爆生气体的膨胀促进了裂隙的发展；同样，反射拉伸波也加强了径向裂隙的扩展。岩体内最初裂隙的形成是由冲击波或应力波造成的，随后爆生气体渗入裂隙并在准静态压力作用下，使应力波形成的裂隙进一步扩展。爆生气体膨胀的准静态能量是破碎岩石的主要能源。
1、爆破的内部作用——无限介质中的爆破作用
岩石内药包中心距自由面的垂直距离称为抵抗线。对于一定量的装药来说，若抵抗线超过某一临界值时，可以认为药包处在无限岩石介质中。此时药包爆炸后，在自由面上不会看到爆破的迹象，这种爆破作用叫做爆破的内部作用。
根据岩石的破坏情况，除了在装药处形成扩大空腔外，还将从爆源向外产生压缩粉碎区、破裂区和震动区。
（1）压缩粉碎区
炸药爆炸瞬间，产生几千度的高温和几万兆帕的高压，形成每秒数千米的爆炸冲击波，最靠近装药的岩石在此冲击波和高温高压爆生气体的作用下，产生很高的径向和切向压应力，这样大的压应力远远大于岩石的动态抗压强度。装药空间岩壁受到强烈压缩而形成一个空腔，周围炎时产生粉碎性破坏形成压碎区。
压碎区内冲击波衰减很快，因而压碎区的半径较小，通常只有2~3倍的装药半径，破坏范围虽然不大，但破碎程度大，能量消耗多。因此爆破破岩时应尽量减小压碎区的形成范围。
（2）破裂区
随着冲击波能量的急剧消耗，压碎区外，冲击波衰变为压缩应力波，并继续在岩石中沿径向传播。当应力波的径向压应力值低于岩石的抗压强度时，岩石不会被压坏，但仍能引起岩石质点的径向位移。由于岩石受到径向压应力的同时在切线方向上受到拉应力，而岩石是脆性介质，其抗拉强度很低。因此当切向拉应力值大于岩石的抗拉强度时，岩石即被拉断，由此产生了与压碎区相通的径向裂隙。既应力波后，充满爆腔的高压爆生气体，以准静态压力的形式作用在空腔壁上和冲入由应力波形成的径向裂隙中，在爆生气体的膨胀挤压及气楔作用下径向裂隙继续扩展和延伸。受冲击波应力波的强烈压缩作用，岩石内积蓄了一部分弹性变形能。当压碎区形成、径向裂隙展开、爆腔内爆生气体压力下降到一定程度时，原先积蓄的这部分能量就会释放出来，并转变为卸载波向爆源中心传播，产生了与压压力波方向相反的向心拉应力波，使岩石质点产生向心运动，当此拉伸应力波的拉应力值大于岩石的抗拉强度时，岩石就会被拉断，形成了爆腔周围岩石中的环状裂隙。
径向裂隙和环状裂隙的交错生成，形成了压碎区外的破裂区，破裂区内径向裂隙起主导作用。免费论文。岩石的爆破破坏主要靠的就是破裂区，
（3）震动区
爆炸近区、中区以外的区域成为爆破远区，即震动区，该区的应力波已大大衰减，并渐趋于具有周期性的正弦波，此时应力值已不能造成岩石的破坏，只能引起岩石质点做弹性振动，形成地震波。地震波可传播很远，直至爆炸能量完全被岩石吸收为止。
2、爆破的外部作用——半无限岩石介质中的爆破作用
当抵抗线小于临界抵抗线时，爆破作用不仅发生在岩石内部，还将引起自由面附近岩石的破碎、移动和抛掷，形成爆破漏斗。这种爆破作用即为外部作用。
（1）反射拉伸应力波引起自由面岩石片落
药包爆炸后，岩石中产生的径向压缩应力波由爆源向外传播，遇到自由面时，由于自由面处两种介质的波阻抗不同，应力波将发生反射，形成与入射压缩应力波性质相反的拉伸应力波，并由自由面向爆源传播。自由面附近岩石承受拉应力。由于岩石的抗拉强度很低，一旦此拉伸应力波的峰值拉应力大于岩石的抗拉强度，岩石将被拉断，与母岩体分离。随着反射拉伸应力波的传播，岩石将从自由面向药包方向形成片落破坏。
（2）反射拉伸应力波引起径向裂隙延伸
由于爆炸能量的不断消耗，入射压缩应力波的强度逐渐降低，反射拉伸应力波的波强也随之降低，其峰值拉应力低于岩石的抗拉强度后就不足以引起岩石的破坏片落。但它仍能同原径向裂隙尖端处的应力场进行叠加，拉应力得到加强，使径向裂隙进一步扩展延伸。
（3）自由面改变了岩石中的准静态应力场
自由面的存在改变了岩石由爆生气体膨胀压力形成的准静态应力场中的应力分布和应力值的大小，使岩石更容易在自由面方向受到剪切破坏。免费论文。
爆破的外部作用和内部作用结合起来，造成了自由面附近岩石的漏斗状破坏。
由此可见，自由面在爆破过程中起着重要作用。自由面既可以形成片落漏斗，又可以促进径向裂隙的延伸，并且还可以大大地减少岩石的夹制性。免费论文。自由面越大、越多，越有利于爆破的破坏作用。因此爆破工程中要充分利用岩石的自由面，或者创造新的自由面以提高炸药能量的利用率，改善爆破效果。由于自由面的增多，岩石的夹制作用减弱，有利于岩石爆破破碎，从而可减少单位耗药量。
【参考文献】
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