爆破原理暨巖層層面之利用（上）

胡塵光

（黃岡亞東水泥有限公司，湖北 武穴 436406）

0 前 言

一般有經(jīng)驗(yàn)的露天礦場爆炸人員都會有同樣的疑惑：為何同一工區(qū)使用等量不同級的炸藥卻有相同的爆破結(jié)果？某些工區(qū)石頭好炸，可用少量炸藥炸下多量石頭，另一地區(qū)石頭難炸需多量炸藥卻只炸下少量石頭？要了解此點(diǎn)就必須自爆破的原理著手。

對爆炸理論的概念簡而言之為：

（1）在炸藥被引爆之瞬間，炮孔被突然而來的高溫高壓氣體充滿因而膨脹；

（2）受此膨脹作用，密接炮孔周圍之巖層被粉碎，并在粉碎區(qū)外環(huán)產(chǎn)生一稠密的裂隙區(qū)；

（3）爆炸后的壓縮波在自由面反射成張力波并延伸此稠密裂隙區(qū)之裂隙而在裂隙區(qū)外造成稀疏的放射狀裂隙（Wide Spaced Radial Cracks），再由壁面開始產(chǎn)生剝離（Spalling）；

（4）此時(shí)炸藥氣體沖入這些裂隙將整個(gè)巖體推裂出而完成整個(gè)爆炸過程。

上述的說法為一般人所共同接受，可是在筆者詳細(xì)查證相關(guān)資料后，并未找到完全支持（3）、（4）點(diǎn)說法的證據(jù)；相反的一個(gè)爆炸成功與否要看爆破的裂隙是否能發(fā)展成熟，即裂隙的延伸能否到達(dá)自由壁面，此種成熟度也決定了炮孔負(fù)荷大小，而巖層天然層面（節(jié)理、層理、片理等等）在這些成熟裂隙的形成上占著決定的因素。相信爆炸人員發(fā)現(xiàn)在某一區(qū)相同直徑炮孔的負(fù)荷（Burden）可增大，而另一區(qū)炮孔負(fù)荷必須減少才有相等爆炸效果的現(xiàn)象也與上述有關(guān)。而即使在同地點(diǎn)多孔爆炸情況下使用不同的雷管遲延排序方向爆炸效果亦有顯著改變，故能善用巖層天然層面即能增強(qiáng)爆破效果，同義的為降低炸藥用量與礦山生產(chǎn)成本。

以下為爆破原理及筆者工作累積所得之經(jīng)驗(yàn)，并討論各種巖層情況下的爆炸效果，及如何利用雷管排序方向來增進(jìn)巖層爆破效果。

1 炸藥爆破之原理

要了解爆炸就必須自最基本的認(rèn)識炸藥定義著手。什么是炸藥？所謂炸藥者即在瞬間能迅速作化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生大量高溫氣體的物質(zhì)。此種高溫氣體會充滿在原有相對微小的炮孔內(nèi)，而對孔壁造成了炮孔壓力（Bore hole Pressure）。如此我們方了解炸藥爆速的重要性，炸藥爆速愈高氣體對孔壁的作用力愈強(qiáng)。此種壓力是以壓縮應(yīng)力（Compressive Wave）的形態(tài)存在，其大小可以以下述公式表示：

式中：PBC—完全充滿炮孔之炸藥的炮孔氣壓（Coupled Borehole Pressure PSI）；

δ—炸藥比重或密度；

N—常數(shù)（見圖1）；

V—密閉狀態(tài)下炸藥之爆速，ft/sec。

由公式（1）可知炮孔氣壓隨炸藥之爆速及其比重而變化。

圖1 決定N曲線圖[2]

炸藥的引爆依賴震波，不像聲波對介質(zhì)的壓力和密度無影響，震波會壓縮并巨輻地增加介質(zhì)的壓力和密度，而雷管之功用即在提供此引爆炸藥所需的震波。當(dāng)震波經(jīng)過炸藥時(shí)，它會壓縮并使炸藥溫度上升至1 000℃～1 200℃。此種壓縮和熱促使炸藥在不到十萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)分解、反應(yīng)并變?yōu)楦邿岬臍怏w，此種反應(yīng)在炮孔的藥柱中不斷前進(jìn)的壓縮炸藥使得震波得以以一常速進(jìn)行，即所謂炸藥的爆速[2]。

炸藥引爆后氣體的溫度為3 000℃～5 000℃，壓力4GPa～30GPa，在標(biāo)準(zhǔn)溫度及壓力下一公斤炸藥所產(chǎn)生的氣體為700L～1 000L。以35.56cm（14in）炮孔而言假設(shè)孔深10.5m，內(nèi)裝50kg的炸藥，則爆炸后炸藥所產(chǎn)生的氣體約為原有炮孔體積之850倍（見表1、表2）。

表1 典型三種炸藥炮孔氣壓

表2 典型巖層特性

炸藥被引爆后非常迅速地變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w并充滿在原有炮孔內(nèi)，此種突然其來的巨大氣體壓力（1GPa～10GPa）使得原有炮孔膨脹并使炮孔周圍的巖層強(qiáng)烈變形，這種變形一直持續(xù)到炮孔氣壓降低至平衡為止；而變形速率在250mm/s～500mm/s間。美國礦務(wù)局曾做過對此種變形范圍的研究實(shí)驗(yàn)[3]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離超過炮孔直徑16倍外時(shí)炸藥對該點(diǎn)的巖層沒有變形作用，如此超過炮孔直徑8倍的超鉆部份對階段底部作用太小會造成炸藥的浪費(fèi)，是故一般超鉆均不應(yīng)超過炮孔直徑的8倍。

在一般生產(chǎn)爆炸中，巖層可經(jīng)由下述的機(jī)械作用而破碎。通常設(shè)計(jì)爆炸時(shí)應(yīng)向如何增強(qiáng)這些機(jī)械作用的范圍及強(qiáng)度著手，才能達(dá)到最佳的破碎度，但是下述中的第一項(xiàng)機(jī)械作用——粉碎作用卻應(yīng)力求避免。

1.1 粉碎作用

在爆炸時(shí)密接炸藥周圍的巖壁結(jié)構(gòu)實(shí)際上均被粉碎，柱狀擴(kuò)張變形波強(qiáng)度超過巖層的動態(tài)抗壓變形（Dynamic Compressive Strain）因而造成巖壁粉碎（如圖2）。由于粉碎作用對巖體的破碎并無實(shí)際幫助可視為浪費(fèi)炸藥能量，此種粉碎的范圍與炸藥的炮孔壓力及炸藥與炮孔橫斷面積比（Coupling）成正比關(guān)系。Duvall和Atchison在1957年以超音波測試[4]得知此粉碎區(qū)的范圍在7.5倍孔徑并在1971年得到 Drukovanyi[5]等之證實(shí)。此種粉碎區(qū)的形成為炮孔被引爆炸藥膨脹氣體充滿擠壓孔壁造成巖層結(jié)構(gòu)的破壞，而使能量浪費(fèi)在粉碎巖層上。是故常?？砂l(fā)現(xiàn)在某一特定工區(qū)使用價(jià)昂高爆速的炸藥爆破效果與價(jià)廉低爆速炸藥的爆破效果（破碎度、推移度）相同；此即表示該巖層在低爆速炸藥情況下即有最佳的爆破效果，而高爆藥與低爆藥之能量差全部浪費(fèi)在粉碎炮孔周邊巖層；是故選擇炸藥應(yīng)先考慮巖層結(jié)構(gòu)后盡量選用低爆速炸藥，以節(jié)省生產(chǎn)成本。

圖2 爆破后之白色粉碎區(qū)（當(dāng)炸藥爆破時(shí)最接近炮孔位置為粉碎區(qū)，其外為稠密的裂隙區(qū)，應(yīng)使用低爆速炸藥減少此作用。）

圖3 爆破震波對單一巖塊作用示意圖[6]

圖4 爆破瞬間炮孔周圍巖體之破壞情形[7]

1.2 裂隙作用

當(dāng)變形波通過炮孔周邊的巖層時(shí)會對巖層造成強(qiáng)烈的放射狀壓縮因而產(chǎn)生切線張力變形（Tangential Tensile Strain，如圖3），假如此變形超過巖層的動態(tài)抗張變形（Dynamic Tensile Breaking Strain）便會產(chǎn)生裂隙；因此在炮孔周圍粉碎區(qū)外會有一濃密的放射狀裂隙區(qū)。此種裂隙區(qū)的最大范圍為到切線張力變形減弱到無法產(chǎn)生新裂隙為止。

裂隙區(qū)范圍之大小根據(jù)動態(tài)張力變形、巖層的變形波速度、炮孔孔壁的最大變形、炸藥爆速及更重要的為巖層對能量吸收的速度而定。

在此濃密放射裂隙之外的為較稀疏的放射狀裂隙（見圖4），此種裂隙為前述濃密裂隙區(qū)的部份裂隙延伸將對稱的分布于炮孔周圍（Wider-Spaced Radial Cracks）。雖然波的張力變形隨距離增加而減弱無法產(chǎn)生新裂隙，但仍然足以延伸原有之裂隙。此為延伸一舊裂隙較制造一新裂縫所需的變形較小，只要在張力與裂縫尖保持垂直狀態(tài)時(shí)此種延伸作用便會一直地持續(xù)下去[8]。

延伸碎裂之效果和原有天然裂隙長度間存有一線性關(guān)系，是故一般爆炸時(shí)主要的裂隙均會照巖層節(jié)理及層面的方向產(chǎn)生，并非向各方均勻地產(chǎn)生裂隙。

在炮孔壁的尖峰變形無法造成粉碎的兩個(gè)破碎區(qū)（即前述濃密和稀疏的兩裂隙區(qū)）的裂隙長度會隨著尖峰變形量成線性關(guān)系增加，但假如尖峰變形已超過粉碎所需時(shí)，增加尖峰變形并不會增長裂隙，只在炮孔周遭造成額外的粉碎，是故使用過高爆速的炸藥并不會增加爆破效果。

1.3 解壓破碎

當(dāng)一炮孔藥柱起炸后，最初一開始的變形波將﹤5%的炸藥能量作用在巖層上，在變形波尚未到達(dá)自由面的這段時(shí)間內(nèi)，以壓縮巖層形態(tài)傳遞到巖層上的全部能量約為炸藥總能量的60%～70%[9]。在壓縮波之后會有靜態(tài)平衡狀態(tài)出現(xiàn)，炸藥氣體壓力會與粉碎帶的變形達(dá)到平衡。但是在氣體自填土及放射裂隙逸失后，粉碎帶的變形能量因平衡破壞而釋放出，使環(huán)繞炮孔巖層在被強(qiáng)烈壓縮后開始放射狀的膨脹，在密接炮孔周圍會有切線解壓（Release or Load）破裂產(chǎn)生，這些環(huán)繞炮孔的破裂會以圓柱或圓錐面的形狀一直朝向自由面產(chǎn)生[10]。

以單一炮孔而言爆破面上巖層破碎的速度有很大的差異，這些速度變化為階段式跳升而非連續(xù)性的，乍看起來的解釋為不同巖層被推出時(shí)的互相碰撞（In-Flight Impacts）但此種碰撞無法以脫離（Spalling）理論來解釋，因Spalling是說連續(xù)的巖層是以漸減的速度推出，解壓破碎（Release of Load）產(chǎn)生的順序?yàn)樽耘诳灼鸪蜃杂擅?，整個(gè)炮孔所炸出的巖體（Burden）應(yīng)該為自炮孔中心開始以緩慢的始速分離母巖，但在此移動過程中，巖體上每一單獨(dú)巖層都分離時(shí)整個(gè)自由面巖塊的速度便會跳升至一高速[8]。

此種階段式速度跳升的機(jī)械原理顯然為解壓作用而非巖石飛出時(shí)的互相碰撞結(jié)果。在大規(guī)模的多排孔爆炸情況下而以單排孔起炸時(shí)[11，12]，單排內(nèi)所有孔的壓縮變形波及氣體膨脹作用會聯(lián)合起來對爆炸線之后的巖體產(chǎn)生作用。同時(shí)排與排之間也有一些聯(lián)合作用，此種爆炸可造成爆炸線后60m的垂直背裂裂隙（Mclntyre&Hagan[13]，此種背裂為由解壓（Release of load）所造成的。松軟巖層爆炸之情況可以用多層重迭之橡膠受一重錘垂直落下所產(chǎn)生的撞擊想象，在接觸最上層橡皮后，重錘繼續(xù)壓縮整個(gè)橡皮體，直到重錘的動能消耗怠盡，此時(shí)被緊密壓縮的橡皮體開始向上反彈重錘而使橡皮一層層脫離，如此連續(xù)層的脫離即為一般通稱的張力破碎（Tension fracture）。此種現(xiàn)像在露天礦場中隨處可見，但卻非屬良好爆炸；會導(dǎo)至爆炸線的壁面不安定，應(yīng)盡量避免。

1.4 剝離作用

當(dāng)壓縮變形波傳到自由面時(shí)，將產(chǎn)生兩種反射波：張力波及剪力波。假如此反射張力波強(qiáng)度足夠時(shí)，會自任一有效自由面，開始產(chǎn)生“剝離”作用持續(xù)到炮孔位置。但在一般爆炸時(shí)所采用之負(fù)荷下，根據(jù)高速攝影研究發(fā)現(xiàn)在自由面上產(chǎn)生的剝離作用通常不易發(fā)生。

但倘若在離炮孔不遠(yuǎn)處有空隙、節(jié)理面或?qū)用娌⑴c炮孔平行時(shí)，此種層面會由于反射壓縮張力波而造成內(nèi)部巖層”剝離”的現(xiàn)像。此種現(xiàn)像會造成炮孔與裂縫間的極度破碎，但由于外向變形波能量大量消散及減弱，使得裂縫外之巖層破碎不佳。

在高度破碎巖層區(qū)，“內(nèi)部剝離”作用加上粉碎及密集放射破碎造成靠近炮孔周邊巖層的過碎，而其它地方破碎不良的現(xiàn)像。非常細(xì)（微小）的裂縫（尤其是充滿水）也許無法有效的反射放射狀壓縮波，但因?yàn)樗麄儫o法傳遞張力波，因而在反射張力波的影響下分離。圖5所示，反射張力波所形成的愈小角度放射裂隙愈容易被這些波給撕拉開及延伸。

炸藥氣體逸出至自由面最容易的角度應(yīng)該為與自由面形成θ及（180－θ）[8]，θ角如圖5所示。

圖5 炮孔引爆巖體分離角度示意圖[8]

1.5 氣體作用

變形波放射完后，減弱的氣體壓力會在炮孔周圍造成一種類似靜態(tài)的壓力，在變形波造成放射狀裂隙之同時(shí)或稍后，氣體開始沖入這些裂隙并在裂隙前端造成應(yīng)力集中而使放射狀裂隙延伸。

變形波所產(chǎn)生放射狀裂隙的數(shù)量和長度對炮孔周圍氣體所產(chǎn)生應(yīng)力大小有顯著的影響，假如這些裂隙數(shù)量多時(shí)，我們可以假定全部的氣體壓力并非作用在原有炮孔上，而是在一直徑為內(nèi)在裂隙區(qū)的擴(kuò)大炮孔上，因此氣體所引發(fā)的壓力區(qū)更為擴(kuò)大，并有更強(qiáng)烈的裂隙延伸。舉例而言，假如在炮孔邊緣上有一長度為炮孔直徑的裂隙上所產(chǎn)生的應(yīng)力為九倍于無裂隙之原炮孔上的應(yīng)力，故當(dāng)放射裂隙存在時(shí)，巖石破碎度所需的臨界壓力會大為降低[14]。

圖6 炮孔負(fù)荷巖層撓曲破壞示意圖

由于裂隙愈長其尖端的應(yīng)力集中作用愈大，故最長的裂隙為最不穩(wěn)定，它所需要破碎臨界壓力最小，尤其在炮孔周圍小小的伸長會大大降低臨界破碎壓力，愈長的裂隙總是最早延伸并較旁邊短裂隙以較快的速度伸長。長裂隙伸長愈長時(shí)，它與短裂隙伸長的速度差別愈大，直到短裂隙停滯不再伸長為止。對長度相同的裂隙而言裂隙尖端的應(yīng)力隨距離的增加而減少，想要以氣體有效地來延伸裂隙的話，裂隙的間距不應(yīng)太近。應(yīng)盡量減少內(nèi)部稠密放射裂隙區(qū)的范圍，以增加外圍稀疏放射裂隙長度，如此整體破碎度更佳。粉碎區(qū)及稠密區(qū)，除了會阻擋氣體延伸裂隙作用外，也造成能量迅速逸失。

但在爆破面炮孔后方的稠密破裂卻是罕見的，高壓氣體沖入后方放射裂隙的作用被視為微不足道。

雖然上述的作用非常重要，但他們的作用常常被原有之裂隙（天然裂縫及先前爆炸所產(chǎn)生的背裂）所遮蓋，事實(shí)上節(jié)理及層理幾乎控制了爆炸破碎度的范圍及性質(zhì)，此種天然裂隙常常既寬又長。

1.6 撓曲破壞（Flexural Rupture）[12]

階段爆破的高速攝影研究顯示出炮孔軸向撓曲破碎效應(yīng);此種撓曲破壞發(fā)生在放射性裂隙完成之后，作用在與炮孔軸線垂直之平面，見圖6。造成的原因?yàn)榍芯€張力波及膨脹氣體彎曲炮孔負(fù)荷巖層，此種破壞之規(guī)模大小與放射性裂隙產(chǎn)生的巖塊之堅(jiān)硬度有關(guān)，據(jù)Ash（1973）指出此巖塊的硬度（Stiffness）與巖層的彈性系數(shù)（Rock’s modulus of Elasticity）及巖塊之厚度/長度之三次方成正比。在放射裂隙及剝離作用之后，由爆破氣體所產(chǎn)生的似靜態(tài)壓力（Quasi-Static Pressure）作用在整個(gè)炮孔藥柱上，使此塊楔三角巖塊彎曲破碎，此種撓曲破壞發(fā)生在與炮孔軸垂直面上。

（未完待續(xù)）