爆炸破碎

水利工程中爆破主要用於露天、地下和水下的土石方開挖，採集石料以及對已有建築、構築物的拆除等。常用的爆破技術有深孔爆破、淺孔爆破、洞室爆破、控制爆破、預裂爆破、光面爆破、定向爆破、巖塞爆破、水下爆破等。

除將炸藥包安放在介質表面的裸露爆破法外，爆破的主要工序有： 鑽孔(見風鑽、潛孔鑽機、多臂鑽車)、清孔、裝藥、堵塞起爆、安全檢查等 ^[2]  。

中國是世界上最早發明和使用火藥的國家，黑火藥是中國四大發明之一。工業炸藥的品種很多，形態和性能各異。從性能良好、使用安全、毒性低、價格廉等方面考慮，水利工程主要使用岩石硝銨炸藥、銨油炸藥，也使用水膠炸藥、膠質炸藥和乳化油炸藥 ^[2]  。

在進行大量爆破和掘進巷道時，用爆炸能量破碎硬巖、破碎服務期滿的金屬、鋼筋混凝土和混凝土構築物和其它建築物、冶金工業中硬化、焊接和切割金屬、生產新型超硬材料、建造地下深部大型空間和拋石築壩以及進行其它許多方面的工作中，在可預見的未來世界實踐中利用爆炸能量仍是唯一普遍適用和最有效的方法 ^[3]  。

炸藥量的計算炸藥在起爆作用下能在瞬間完成化學變化，產生高温高壓並放出大量氣體。在衝擊波和高壓氣體作用下，介質以藥包為中心形成三個圈，即壓縮圈(圈內介質被粉碎或壓縮)、破壞圈(介質被破碎，產生徑向、環向裂縫)和震動圈。破壞圈相應的半徑稱為破壞半徑或爆破作用半徑。當藥包埋置較淺時，爆破作用半徑能達到介質的自由表面，並能在自由表面形成一個以藥包中心為頂點的倒圓錐體，稱爆破漏斗(見爆破漏斗的幾何參數圖)。爆破漏斗的幾何參數圖中，W為最小抵抗線(米)，即藥包中心至自由表面的最短距離；γ為爆破漏斗半徑(米)，即漏斗在自由表面上的半徑；P為漏斗可見深度(米)，即墜落在漏斗內的介質表面到自由表面的最大距離；L為拋擲距離(米)。γ/W=n，稱爆破作用指數。當n=1時，稱為標準拋擲爆破；n>1時，稱為加強拋擲爆破；n<1時，稱為減弱拋擲爆破；n=0.75稱為鬆動爆破。

炸藥量都是以產生的爆破漏斗體積成正比為條件計算的，其計算公式為：Q=K·V，式中Q為炸藥量 (千克)；K為介質單位耗藥量(千克/立方米)；V為爆破介質的體積(立方米) ^[2]  。所用各種藥包的炸藥量可用經驗公式進行計算，最準確的方法是通過現場爆破試驗來確定炸藥量。

一般先引爆雷管，後引爆起爆藥包，再引爆炸藥。雷管分為火雷管和電雷管，後者又分為即發和延發(秒、毫秒)雷管。引爆雷管的方式有：①火花起爆又稱導火索起爆，即由點燃插入雷管殼的導火索來引爆火雷管。此法操作簡便，且費用較低。但不能同時起爆羣藥包，逐個點爆危險性相對較大；②電力起爆，用電雷管的腳線、聯結線將各藥包採用串連、並聯或串並混聯方式接到主爆線上，通過攜帶式手搖起爆器或電容式起爆器發出的或從輸電線專用開關引用的電流引爆電雷管。此法可遠距離操作，安全可靠，可同時或分段起爆數量較大的藥包羣。但其技術要求嚴格，亦較複雜，在雷電天氣和雜散電流較大地區不宜使用；③導爆索(傳爆線)起爆，屬非電起爆。其索芯用高級烈性炸藥，如雷汞、黑索金(RPX)、泰安(PETN)等製成，外塗紅色以與導火索相區別。可以串連、並聯及混聯方式組成爆破網路，並能直接起爆炸藥包。其本身需要用雷管引爆，引爆後其爆速為6000～7000米/秒。它與繼爆管連用可實現延期起爆，但網路不能用儀表檢查。主要用於深孔爆破及羣藥包同時起爆；④非電起爆，即塑料導爆管起爆。它是由高壓聚乙烯製成的外徑3.0毫米，內徑1.5毫米的軟管。管內壁均勻塗着奧克託金、鋁粉等高能混合炸藥。當其被雷管或擊發槍等專用工具引爆後，能以1600～2000米/秒速度穩定傳播爆轟波，並在終端引爆起爆雷管。這種引爆方式的傳爆性能良好，具有火花和電力起爆所不具備的優點，在地下開挖中尤為突出，現已廣泛應用。另外還有無線起爆、氣管起爆、激光起爆等 ^[2]  。

炸藥在爆炸後，產生衝擊波和爆生氣體，衝擊波在向地層深部衰減傳播的過程中，對地層岩石造成破壞，形成破碎區和裂隙區，裂隙區在後續爆生氣體的進一步作用下形成幾條主裂紋和大量細小裂紋。所以粉碎區岩石的破碎程度主要取決於衝擊波對岩石的破壞程度 ^[4]  。

爆炸衝擊波使岩石破壞的能量包括3部分：岩石表面破裂的能量、巖體內部發生應變的能量和巖體移動的動能。使岩石破壞，必須克服岩石具有的內能，包括使岩石破裂的表面能和巖體內部產生的應變能。按照能量守恆原理，破碎區衝擊波總能量分為使岩石破碎的表面能、岩石內部的應變能和巖體移動的動能3部分，則有Ec=EA+Ee+Et式中：Ec為破碎區衝擊波的總能量，EA為岩石破裂的表面能，Ee為岩石內部的應變能，Et為巖體移動的動能 ^[4]  。

當岩石中發生爆炸時，在裝藥處形成空腔，當爆炸產物氣體膨脹時，它周圍介質便產生破壞形成破碎區，當破碎波的傳播小於裂縫的擴展時就產生了徑向裂縫區，且認為破碎區是消耗爆炸能量的主要區域 ^[5]  。

爆炸近區性狀(空腔及近區破壞半徑)是最終決定輻射出來的破碎波的基本參數，反映能量的分配份額，揭示爆炸及爆炸地震動等重要特性關鍵因素。爆炸近區在理論研究方面主要是根據空腔膨脹理論，採用各種或簡單或複雜的狀態方程及本構關係。為了研究岩石中爆炸近區的變形性狀，依據經典的強度破壞準則將岩石中爆炸近區分為破碎區、徑向裂縫區和彈性區。研究可知，爆炸腔半徑與破碎區半徑在較短的時間內單調增至最大值，而後保持不變 ^[6]  。

在核爆或化爆的強衝擊作用下，岩石內部發生相應的力學、熱學及構造變化加之岩石介質本身具有黏結力、內摩擦、膨脹特性等，使得岩石介質的動力破壞問題異常複雜。根據理論基礎不同，岩石動力模型大致分為彈塑性模型和斷裂損傷模型。

基於斷裂力學理論：比較有代表性的模型有NAG-FRAG模型和BCM模型，前者用一維荷載作用下的裂紋發展情況來求解三維應力場作用下的岩石爆破過程；後者描述的裂紋呈水平狀，適用於有層理或沉積類岩石等。

基於損傷力學理論：原巖中存在大量隨機分佈的微裂紋或裂紋，在爆炸荷載作用下被激活的裂紋數目服從指數分佈，引入損傷參量表徵岩石強度的降低，並利用能量平衡理論導出脆性斷裂條件下平均破碎塊體尺寸的表達式。斷裂損傷模型絕大部分是建立在唯象基礎之上，缺乏足夠的物理基礎；而彈塑性模型中具有代表性的是著名的C.C.Grigorian模型，該模型較完整地考慮了岩石介質性質特徵，並給出任意荷載作用下描述介質行為的一般方程。該模型在一定的距離範圍內，計算結果能較好地再現應力波在岩石中傳播的主要特性，但應力與破碎區外上升時間隨距離的變化與相應的試驗結果矛盾，其根本原因：一是未考慮破碎波陣面後介質的擴容效應；二是未考慮破碎區介質的鬆弛性質。為克服C.C.Grigorian模型的不足，有學者提出了改進的C.C.Grigorian模型(或稱綜合彈塑性模型)，該模型考慮了破碎區岩石變形規律對應力波傳播的幅值和時間特徵參數的影響，但該模型在國內尚未引起相關同行的重視。

爆炸破碎區介質破壞後的軟化對岩石動力數值模擬結果有明顯影響，圍壓水平對爆炸膨脹後的爆腔位移有顯著影響。圍壓水平越高，膨脹後的爆腔位移越小，表明即使在埋深不夠大的工程中，相關動力計算也需要考慮地應力影響。岩石動力數值模擬結果對剪切鬆弛特徵時間比較敏感，鬆弛時間越長，爆腔永久位移越大 ^[7]  。

工程爆破只利用了炸藥能量的一小部分，其餘的一部分能量還會造成危害，主要是爆破破壞，爆破地震效應、爆破空氣衝擊波，個別飛石和爆破毒氣等。對此，無論那種爆破技術都必須加以控制和防護。要精心進行爆破設計，嚴格控制爆破規模(單響起爆藥量)。選取適宜的起爆方式和順序，從爆破技術上保證安全。要嚴格鑽孔工藝；裝藥後認真進行堵塞；起爆前人員均要撤到飛石、衝擊波、有害氣體影響範圍之外的安全地帶；地下工程尤其要做好爆後通風、排煙、防塵工作；爆後要作好安全檢查，特別要慎重處理瞎炮 ^[2]  。