胡尘光

（黄冈亚东水泥有限公司，湖北 武穴 436406）

0 前 言

一般有经验的露天矿场爆炸人员都会有同样的疑惑：为何同一工区使用等量不同级的炸药却有相同的爆破结果？某些工区石头好炸，可用少量炸药炸下多量石头，另一地区石头难炸需多量炸药却只炸下少量石头？要了解此点就必须自爆破的原理着手。

对爆炸理论的概念简而言之为：

（1）在炸药被引爆之瞬间，炮孔被突然而来的高温高压气体充满因而膨胀；

（2）受此膨胀作用，密接炮孔周围之岩层被粉碎，并在粉碎区外环产生一稠密的裂隙区；

（3）爆炸后的压缩波在自由面反射成张力波并延伸此稠密裂隙区之裂隙而在裂隙区外造成稀疏的放射状裂隙（Wide Spaced Radial Cracks），再由壁面开始产生剥离（Spalling）；

（4）此时炸药气体冲入这些裂隙将整个岩体推裂出而完成整个爆炸过程。

上述的说法为一般人所共同接受，可是在笔者详细查证相关资料后，并未找到完全支持（3）、（4）点说法的证据；相反的一个爆炸成功与否要看爆破的裂隙是否能发展成熟，即裂隙的延伸能否到达自由壁面，此种成熟度也决定了炮孔负荷大小，而岩层天然层面（节理、层理、片理等等）在这些成熟裂隙的形成上占着决定的因素。相信爆炸人员发现在某一区相同直径炮孔的负荷（Burden）可增大，而另一区炮孔负荷必须减少才有相等爆炸效果的现象也与上述有关。而即使在同地点多孔爆炸情况下使用不同的雷管迟延排序方向爆炸效果亦有显著改变，故能善用岩层天然层面即能增强爆破效果，同义的为降低炸药用量与矿山生产成本。

以下为爆破原理及笔者工作累积所得之经验，并讨论各种岩层情况下的爆炸效果，及如何利用雷管排序方向来增进岩层爆破效果。

1 炸药爆破之原理

要了解爆炸就必须自最基本的认识炸药定义着手。什么是炸药？所谓炸药者即在瞬间能迅速作化学反应并产生大量高温气体的物质。此种高温气体会充满在原有相对微小的炮孔内，而对孔壁造成了炮孔压力（Bore hole Pressure）。如此我们方了解炸药爆速的重要性，炸药爆速愈高气体对孔壁的作用力愈强。此种压力是以压缩应力（Compressive Wave）的形态存在，其大小可以以下述公式表示：

式中：PBC—完全充满炮孔之炸药的炮孔气压（Coupled Borehole Pressure PSI）；

δ—炸药比重或密度；

N—常数（见图1）；

V—密闭状态下炸药之爆速，ft/sec。

由公式（1）可知炮孔气压随炸药之爆速及其比重而变化。

图1 决定N曲线图[2]

炸药的引爆依赖震波，不像声波对介质的压力和密度无影响，震波会压缩并巨辐地增加介质的压力和密度，而雷管之功用即在提供此引爆炸药所需的震波。当震波经过炸药时，它会压缩并使炸药温度上升至1 000℃～1 200℃。此种压缩和热促使炸药在不到十万分之一秒的时间内分解、反应并变为高热的气体，此种反应在炮孔的药柱中不断前进的压缩炸药使得震波得以以一常速进行，即所谓炸药的爆速[2]。

炸药引爆后气体的温度为3 000℃～5 000℃，压力4GPa～30GPa，在标准温度及压力下一公斤炸药所产生的气体为700L～1 000L。以35.56cm（14in）炮孔而言假设孔深10.5m，内装50kg的炸药，则爆炸后炸药所产生的气体约为原有炮孔体积之850倍（见表1、表2）。

表1 典型三种炸药炮孔气压

表2 典型岩层特性

炸药被引爆后非常迅速地变为高温高压的气体并充满在原有炮孔内，此种突然其来的巨大气体压力（1GPa～10GPa）使得原有炮孔膨胀并使炮孔周围的岩层强烈变形，这种变形一直持续到炮孔气压降低至平衡为止；而变形速率在250mm/s～500mm/s间。美国矿务局曾做过对此种变形范围的研究实验[3]，结果发现当距离超过炮孔直径16倍外时炸药对该点的岩层没有变形作用，如此超过炮孔直径8倍的超钻部份对阶段底部作用太小会造成炸药的浪费，是故一般超钻均不应超过炮孔直径的8倍。

在一般生产爆炸中，岩层可经由下述的机械作用而破碎。通常设计爆炸时应向如何增强这些机械作用的范围及强度着手，才能达到最佳的破碎度，但是下述中的第一项机械作用——粉碎作用却应力求避免。

1.1 粉碎作用

在爆炸时密接炸药周围的岩壁结构实际上均被粉碎，柱状扩张变形波强度超过岩层的动态抗压变形（Dynamic Compressive Strain）因而造成岩壁粉碎（如图2）。由于粉碎作用对岩体的破碎并无实际帮助可视为浪费炸药能量，此种粉碎的范围与炸药的炮孔压力及炸药与炮孔横断面积比（Coupling）成正比关系。Duvall和Atchison在1957年以超音波测试[4]得知此粉碎区的范围在7.5倍孔径并在1971年得到 Drukovanyi[5]等之证实。此种粉碎区的形成为炮孔被引爆炸药膨胀气体充满挤压孔壁造成岩层结构的破坏，而使能量浪费在粉碎岩层上。是故常常可发现在某一特定工区使用价昂高爆速的炸药爆破效果与价廉低爆速炸药的爆破效果（破碎度、推移度）相同；此即表示该岩层在低爆速炸药情况下即有最佳的爆破效果，而高爆药与低爆药之能量差全部浪费在粉碎炮孔周边岩层；是故选择炸药应先考虑岩层结构后尽量选用低爆速炸药，以节省生产成本。

图2 爆破后之白色粉碎区（当炸药爆破时最接近炮孔位置为粉碎区，其外为稠密的裂隙区，应使用低爆速炸药减少此作用。）

图3 爆破震波对单一岩块作用示意图[6]

图4 爆破瞬间炮孔周围岩体之破坏情形[7]

1.2 裂隙作用

当变形波通过炮孔周边的岩层时会对岩层造成强烈的放射状压缩因而产生切线张力变形（Tangential Tensile Strain，如图3），假如此变形超过岩层的动态抗张变形（Dynamic Tensile Breaking Strain）便会产生裂隙；因此在炮孔周围粉碎区外会有一浓密的放射状裂隙区。此种裂隙区的最大范围为到切线张力变形减弱到无法产生新裂隙为止。

裂隙区范围之大小根据动态张力变形、岩层的变形波速度、炮孔孔壁的最大变形、炸药爆速及更重要的为岩层对能量吸收的速度而定。

在此浓密放射裂隙之外的为较稀疏的放射状裂隙（见图4），此种裂隙为前述浓密裂隙区的部份裂隙延伸将对称的分布于炮孔周围（Wider-Spaced Radial Cracks）。虽然波的张力变形随距离增加而减弱无法产生新裂隙，但仍然足以延伸原有之裂隙。此为延伸一旧裂隙较制造一新裂缝所需的变形较小，只要在张力与裂缝尖保持垂直状态时此种延伸作用便会一直地持续下去[8]。

延伸碎裂之效果和原有天然裂隙长度间存有一线性关系，是故一般爆炸时主要的裂隙均会照岩层节理及层面的方向产生，并非向各方均匀地产生裂隙。

在炮孔壁的尖峰变形无法造成粉碎的两个破碎区（即前述浓密和稀疏的两裂隙区）的裂隙长度会随着尖峰变形量成线性关系增加，但假如尖峰变形已超过粉碎所需时，增加尖峰变形并不会增长裂隙，只在炮孔周遭造成额外的粉碎，是故使用过高爆速的炸药并不会增加爆破效果。

1.3 解压破碎

当一炮孔药柱起炸后，最初一开始的变形波将﹤5%的炸药能量作用在岩层上，在变形波尚未到达自由面的这段时间内，以压缩岩层形态传递到岩层上的全部能量约为炸药总能量的60%～70%[9]。在压缩波之后会有静态平衡状态出现，炸药气体压力会与粉碎带的变形达到平衡。但是在气体自填土及放射裂隙逸失后，粉碎带的变形能量因平衡破坏而释放出，使环绕炮孔岩层在被强烈压缩后开始放射状的膨胀，在密接炮孔周围会有切线解压（Release or Load）破裂产生，这些环绕炮孔的破裂会以圆柱或圆锥面的形状一直朝向自由面产生[10]。

以单一炮孔而言爆破面上岩层破碎的速度有很大的差异，这些速度变化为阶段式跳升而非连续性的，乍看起来的解释为不同岩层被推出时的互相碰撞（In-Flight Impacts）但此种碰撞无法以脱离（Spalling）理论来解释，因Spalling是说连续的岩层是以渐减的速度推出，解压破碎（Release of Load）产生的顺序为自炮孔起朝向自由面，整个炮孔所炸出的岩体（Burden）应该为自炮孔中心开始以缓慢的始速分离母岩，但在此移动过程中，岩体上每一单独岩层都分离时整个自由面岩块的速度便会跳升至一高速[8]。

此种阶段式速度跳升的机械原理显然为解压作用而非岩石飞出时的互相碰撞结果。在大规模的多排孔爆炸情况下而以单排孔起炸时[11，12]，单排内所有孔的压缩变形波及气体膨胀作用会联合起来对爆炸线之后的岩体产生作用。同时排与排之间也有一些联合作用，此种爆炸可造成爆炸线后60m的垂直背裂裂隙（Mclntyre&Hagan[13]，此种背裂为由解压（Release of load）所造成的。松软岩层爆炸之情况可以用多层重迭之橡胶受一重锤垂直落下所产生的撞击想象，在接触最上层橡皮后，重锤继续压缩整个橡皮体，直到重锤的动能消耗怠尽，此时被紧密压缩的橡皮体开始向上反弹重锤而使橡皮一层层脱离，如此连续层的脱离即为一般通称的张力破碎（Tension fracture）。此种现像在露天矿场中随处可见，但却非属良好爆炸；会导至爆炸线的壁面不安定，应尽量避免。

1.4 剥离作用

当压缩变形波传到自由面时，将产生两种反射波：张力波及剪力波。假如此反射张力波强度足够时，会自任一有效自由面，开始产生“剥离”作用持续到炮孔位置。但在一般爆炸时所采用之负荷下，根据高速摄影研究发现在自由面上产生的剥离作用通常不易发生。

但倘若在离炮孔不远处有空隙、节理面或层面并与炮孔平行时，此种层面会由于反射压缩张力波而造成内部岩层”剥离”的现像。此种现像会造成炮孔与裂缝间的极度破碎，但由于外向变形波能量大量消散及减弱，使得裂缝外之岩层破碎不佳。

在高度破碎岩层区，“内部剥离”作用加上粉碎及密集放射破碎造成靠近炮孔周边岩层的过碎，而其它地方破碎不良的现像。非常细（微小）的裂缝（尤其是充满水）也许无法有效的反射放射状压缩波，但因为他们无法传递张力波，因而在反射张力波的影响下分离。图5所示，反射张力波所形成的愈小角度放射裂隙愈容易被这些波给撕拉开及延伸。

炸药气体逸出至自由面最容易的角度应该为与自由面形成θ及（180－θ）[8]，θ角如图5所示。

图5 炮孔引爆岩体分离角度示意图[8]

1.5 气体作用

变形波放射完后，减弱的气体压力会在炮孔周围造成一种类似静态的压力，在变形波造成放射状裂隙之同时或稍后，气体开始冲入这些裂隙并在裂隙前端造成应力集中而使放射状裂隙延伸。

变形波所产生放射状裂隙的数量和长度对炮孔周围气体所产生应力大小有显著的影响，假如这些裂隙数量多时，我们可以假定全部的气体压力并非作用在原有炮孔上，而是在一直径为内在裂隙区的扩大炮孔上，因此气体所引发的压力区更为扩大，并有更强烈的裂隙延伸。举例而言，假如在炮孔边缘上有一长度为炮孔直径的裂隙上所产生的应力为九倍于无裂隙之原炮孔上的应力，故当放射裂隙存在时，岩石破碎度所需的临界压力会大为降低[14]。

图6 炮孔负荷岩层挠曲破坏示意图

由于裂隙愈长其尖端的应力集中作用愈大，故最长的裂隙为最不稳定，它所需要破碎临界压力最小，尤其在炮孔周围小小的伸长会大大降低临界破碎压力，愈长的裂隙总是最早延伸并较旁边短裂隙以较快的速度伸长。长裂隙伸长愈长时，它与短裂隙伸长的速度差别愈大，直到短裂隙停滞不再伸长为止。对长度相同的裂隙而言裂隙尖端的应力随距离的增加而减少，想要以气体有效地来延伸裂隙的话，裂隙的间距不应太近。应尽量减少内部稠密放射裂隙区的范围，以增加外围稀疏放射裂隙长度，如此整体破碎度更佳。粉碎区及稠密区，除了会阻挡气体延伸裂隙作用外，也造成能量迅速逸失。

但在爆破面炮孔后方的稠密破裂却是罕见的，高压气体冲入后方放射裂隙的作用被视为微不足道。

虽然上述的作用非常重要，但他们的作用常常被原有之裂隙（天然裂缝及先前爆炸所产生的背裂）所遮盖，事实上节理及层理几乎控制了爆炸破碎度的范围及性质，此种天然裂隙常常既宽又长。

1.6 挠曲破坏（Flexural Rupture）[12]

阶段爆破的高速摄影研究显示出炮孔轴向挠曲破碎效应;此种挠曲破坏发生在放射性裂隙完成之后，作用在与炮孔轴线垂直之平面，见图6。造成的原因为切线张力波及膨胀气体弯曲炮孔负荷岩层，此种破坏之规模大小与放射性裂隙产生的岩块之坚硬度有关，据Ash（1973）指出此岩块的硬度（Stiffness）与岩层的弹性系数（Rock’s modulus of Elasticity）及岩块之厚度/长度之三次方成正比。在放射裂隙及剥离作用之后，由爆破气体所产生的似静态压力（Quasi-Static Pressure）作用在整个炮孔药柱上，使此块楔三角岩块弯曲破碎，此种挠曲破坏发生在与炮孔轴垂直面上。

（未完待续）