7.4.1 岩石爆破破碎的主因
7.4.1.1 冲击波拉伸破坏理论
该理论的代表人物：日野熊雄(Kunao Nino)、美国矿业局的戴维尔(Duvall W.L)
(1）基本观点
当在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度
已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。这种破裂方式亦称“片落”。随着反射波往里传播，“‘片落”继续发生，一直将漏斗范围内的岩石完全拉裂为止。因此岩石破碎的主要部分是人射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。
（2）观点的依据
1）固体应力波的研究成果提供了可贵的借鉴
①玻璃内的冲击波。1947年，K．M．贝尔特（K．M，erd）用高速摄影机实测了冲击波的速度。用电力引爆直径0．25rum的铜丝在玻璃板中爆炸，产生的冲击波速度为5600～11900m／s、破坏的顺序是，爆源附近十边界端、玻璃板中部。这个结果与日野氏提出的“粉碎圈”、 “从自由面反射波拉断岩片”的论述相同。
②日野氏等吸收了 H．考尔斯基（Kolsky）对固体应力波研究最主要的成果，例如：爆轰在固体内激发的冲击波；冲击波在自由面反射形成介质的拉伸破坏；多自由面反射波的重复作用等观点。
2）脆性固体抗拉强度
①抗拉强度的重要性。岩石的抗压强度决定着爆源附近粉碎圈的半径。由于岩石的抗压强度很高，通常粉碎圈半径很小。一般岩石可视为脆性固体，即抗压强度远远大于抗拉强度的固体，很容易在拉应力作用下破坏，抗拉强度和抗压强度一样都是岩石的主要物理力学性质，是影响岩石破碎程度的重要因素。
②破裂论提供了裂隙发展的原理和计算方法。1921年，A．A．格里菲斯（Giffth）研究脆性物体破坏时指出，脆性物体的破坏是由物体内部存在的裂隙引起的。由于固体内微小裂隙的存在，在裂隙尖端产生应力集中，从而使裂隙沿着尖端继续扩张。
日野氏吸收了脆性固体抗拉强度的观点，无论在基本理论的建立还是冲击波拉伸理论的应用以及拉断层数量和厚度的计算上，都有明显的痕迹。
（3）对冲击波拉伸破坏理论的评述
二）冲击波拉伸破坏理论的重要意义
日野氏吸收了当时其他学科的研究成果，首次系统地提出了冲击波拉伸破坏理论，给爆破理论的研究注人了新的活力，使爆破理论的研究进人了新阶段。
尽管这种理论还有许多不尽如人意的地方，但仍不失为岩石爆破理论的重要组成部分。在自由面附近岩石是被拉伸破坏的这一点已被世人所公认。
2）冲击波拉伸破坏理论的不足
限于当时的技术条件，许多问题冲击波拉伸破坏理论还不能完全解释，例如：
①对烈性来说，冲击波所携带的能量只占理论估算的总能量的 5％一 15％，而真正用于破碎岩石的能量比此值还小。根据b．E．福吉尔逊（FOgd。）等人测量炮孔附近的冲击波强度，推算出的冲击波中的能量，只占总能量的9％。如果冲击波围绕炮孔均匀分布的话，至少有三分之二的能量没有作用在破裂角小于120o的单炮孔的岩石破碎上。这就意味着在破裂角内冲击波分配的能量只占总能量的3％。这样小的能量要将岩石完全破碎是令人难以置信的。
②根据日野氏的爆破漏斗试验证明，单位消耗量达到 skg／m时，才会由反射的应力
波
引起岩石的片落破碎。而J 弗尔特（Fi，W的研究也证明了这一点。根据计算：只有炮孔的装回
药量为 sly／n／的量级或更大，才能在花岗岩中产生足以产生片落的拉伸应力。而在一般的台阶I
爆破中，装药量都较小，在这种情况下片落是不会发生的，或者发生了也微不足道。D
③在破碎大块时，外部装药（裸露药包）与内部装药（炮眼内装药）比较，单位消耗量
要高3～7倍，这充分说明爆炸气体膨胀压对破碎岩石的重要作用。
④根据日野氏的试验，在压碎带与片裂带之间，存在一个非破碎带，这部分岩石是由什么机
理引起破碎的，冲击波理论无法解释。
7．4．1．2 爆炸气体膨胀压理论
该理论的代表人物：村田勉等。
（l）基本观点
1953年以前，该派观点在爆破界极为流行。从静力学观点出发，认为药包爆炸后，产生大
量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径
向位移，由于作用力不等引起的不同径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超
过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由
面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。它在很大程度上忽视了冲击波的作用。
后来经过村田勉等人的努力，利用近代观点重新做了解释，形成了一个完整的体系。但是学
者们在机理解释上又有不同。
（2） 观点的依据
①岩石发生破碎的时间是在爆炸气体作用的时间内。
①中的冲击波能量（动能）仅占总能量的5％～15％。这样少的能量不足以破碎整
体岩石。
（3）对爆炸气体膨胀压理论的评述
①该理论全面地阐述了爆炸气体在岩石破碎中的作用，这是可取之处。
③该理论的不足之处：
．从用裸露药包破碎大块来看，岩石破碎主要依靠冲击波的动压作用。因为在这种条件下，。
爆炸的膨胀气体都扩散到大气中去了，并没有对大块破碎起什么作用，这就充分说明岩石破碎不
能单独山爆炸气体来完成。
t爆炸膨胀气体的准静态压力只有冲击波波阵面压力的IQ～1／4。单独由这样低的准静态
压力能否在岩石中引起初始破裂是令人怀疑的。
7．4．1．3 冲击波和爆炸气体综合作用理论
冲击波拉伸破坏理论和爆炸气体膨胀压破坏理论是基于对破碎岩石的两种能源——冲击波能
和爆炸气体膨胀能的不同认识而提出来的，各有一定的理论基础和试验依据，但又都有一定的不
足之处。这一方面是由于爆炸过程的“三性”（瞬发性、复杂性、模糊性）造成的，另一方面也限于
受当时的技术水平和测试手段的限制。在这种条件下综合两派的论点吸收其所长，并结合他们的
研究成果，便提出了冲击波和爆炸气体综合作用理论。
倡导和支持这种观点的学者有C．W．利文斯顿，O人．鲍姆，伊藤一郎，P人．帕尔逊，
H．K．卡特尔，L｛．朗和T．N．哈根等。
持这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。即两
种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同。爆炸冲击波（应力波）使岩石产
生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱
离母
岩。此外，爆炸冲击波对高阻抗的致密、坚硬岩石作用更大，而爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软
弱岩石的破碎效果更佳。
但是，岩石破碎的主要原因是爆炸冲击波还是爆炸气体，至今仍有不同的观点。这种争论一直贯穿着爆破理论发展的整个阶段，今后也还会持续相当长的一段时间。
7．4．2 在岩石中爆破作用的范围
7．4．2．1 的内部作用
假设岩石为均匀介质，当置于无限均质岩石中爆炸时，在岩石中将形成以为中心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎区、裂隙区及弹性振动区：图7-13为在有机玻璃中爆炸时所产生的裂纹状态图。透明的甲基丙烯酸玻璃板厚2cm。图 7－13a与图7－13b爆破抵抗线相同，但b图的药量为a图药量的3倍。图7－14则表示在无限介质中球状或柱状药包的爆炸断面图。这些区域表明爆炸后，岩石破坏状态在空间的分布。
（1） 粉碎区（压缩区）
爆炸后，爆轰波和高温、高压爆炸气体迅速膨胀形成的冲击波作用在孔壁上，都将在岩石中激起冲击波或应力波，其压力高达几万Mpa、温度达3000℃以上，远远超过岩石的动态抗压强度，致使炮孔周围岩石呈塑性状态，在几到几十毫米的范围内岩石熔融。尔后
图 7-13 有机玻璃板爆炸裂纹状况 图7-14 爆破内部作用示意图
（根据U. 兰格福斯的研究） 1－装药空腔；2－粉碎区；
3－裂隙区；4－振动区；
随着温度的急剧下降，将岩石粉碎成微细的颗粒，把原来的炮孔扩大成空腔，称为粉碎区。如果所处
岩石为塑性岩石（黏土质岩石，凝灰岩，绿泥岩等），则近区岩石被压缩成致密的、坚固的硬壳空腔，称
为压缩区。由于粉碎区是处于坚固岩石的约束条件下，大多数岩石的动态抗压强度都很大。冲击波
的大部分能量已消耗子岩石的塑性变形、粉碎和加热等方面，致使冲击波的能量急剧下降，其波阵面
的压力很快就下降到不足以粉碎岩石，所以粉碎区半径很小，一般约为药包半径的几倍。
（2）裂隙区（破裂区）
当冲击波通过粉碎区以后，继续向外层岩石中传播。随着冲击波传播范围的扩大，岩石单位
面积的能流密度降低，冲击波衰减为压缩应力波。其强度已低于岩石的动抗压强度，不能直接压
碎岩石。但是，它可使粉碎区外层的岩石遭到强烈的径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因
而导致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变，如图7－l 5所示。假定在岩石层的单元体上
有A和B两点，它们的距离最初为X，受到径向压缩后推移到C和D两点，它们彼此的距离变
为 X＋dX。这样就产生了切向拉伸应变 dx/x。如果这种切向拉伸应变超过了岩石的动抗拉强度
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