巖石可爆性和可鉆性

第一節(jié)影響巖石爆破性的因素巖石是爆破的對(duì)象，金屬礦山的絕大部分、非金屬礦及煤礦等礦山的不少礦巖都采用爆破方法進(jìn)行破碎和采掘。為了取得良好的爆破效果，必須了解和掌握巖石的爆破性。巖石的爆破性是巖石自身物理力學(xué)性質(zhì)和炸藥、爆破工藝的綜合反映，它不僅是巖石的單一固有屬性，而且是巖石一系列固有屬性的復(fù)合體，，在爆破過程中表現(xiàn)出來，并影響著整個(gè)爆破效果。影響巖石爆破性的主要因素，一方面是巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在因素（見表1.1）;表1.1幾種典型巖石的物理力學(xué)特性容重MPa5肝世模星L；Ha泊松比縱波釀HI*2.ITO1C"項(xiàng)A-?JD.1—0-37=.一丁-：."石英巖L.I：-.Il0.-10-15其：-X：40-1000.07-0.2S土9—6.T玄武巖2.7-2.06iJj-7：.-■J5.d~7.O聊巖AJ.J.1：.：■二1>-?:頃-頊；?i,:如0.20.32輝長巖■-\I-I：-■111-2C蘭17i-1iH2-0.3L.；、-<:1..-I.'-.，?搭T.Ej-1：1.fn：l.i.-n1?-JC.25-0.45攔一一，.■：■fT.、?■蒙1?一-4?0.22~0.252.f：E浩L.1-■.j2.6.：ILW-0L7<0匚二~J,，H■J：-以石雙廠I.E-H1J-止■.■.'-ISI1C0.2-j.二3.2-5.5白云巖H-2.3L—L.100-19050—95■：.2..同7片麻巖以?一-IW10-2011JEDj.5.5-6.0*r.椅C.1|：—1s60-90j.:-L.'J石英巖m-ai；.'I11-IFI：".J■1|-1Ci0.IE-0.19另一方面是炸藥性質(zhì)、爆破工藝等外在因素。前者決定于巖石的地質(zhì)生成條件、礦物成分、結(jié)構(gòu)和后期的地質(zhì)構(gòu)造，它表征為巖石密度或容重、孔隙性、碎脹性、彈性、塑性、脆性和巖石強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)；后者則取決于炸藥類型、藥包形式和重量、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式和間隔時(shí)間、最小抵抗線與自由面的大小、數(shù)量、方向以及自由面與藥包的相對(duì)位置等等。此外，還包括對(duì)爆破塊度、爆堆形式以及拋擲距離等爆破效果的影響。顯然，巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)是最主要的影響因素。炸藥爆炸對(duì)巖石的爆破作用主要有兩個(gè)方面，其一是克服巖石顆粒之間的內(nèi)聚力，使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂，產(chǎn)生新鮮斷裂面;其二是使巖石原生的、次生的裂隙擴(kuò)張而破壞。前者取決于巖石本身的堅(jiān)固程度;后者則受巖石裂隙性所控制。因此，巖石的堅(jiān)固性和巖石的裂隙性是影響巖石爆破性最根本的影響因素。一、巖石的結(jié)構(gòu)（組分）、內(nèi)聚力和裂隙性對(duì)巖石爆破性的影響巖石由固體顆粒組成，其間有空隙，充填有空氣、水或其它雜物。當(dāng)巖石受外載荷作用，特別是在受炸藥爆炸沖擊載荷作用下，將引起物態(tài)變化，從而導(dǎo)致巖石性質(zhì)的變化。礦物是構(gòu)成巖石的主要成分，礦物顆粒愈細(xì)、密度愈大，愈堅(jiān)固，則愈難于爆破破碎。礦物密度可達(dá)4g/cm3以上，巖石的容重不超過其組成礦物的密度。巖石容重一般為1.0?3.5g/cm3。隨著密度增加，巖石的強(qiáng)度和抵抗爆破作用的能力增大，同時(shí)，破碎或拋移巖石所消耗的能量也增加，這就是一般巖漿巖比較難以爆破的原因。至于沉積巖的爆破性，除了取決于其礦物成分之外，很大程度受其膠結(jié)物成分和顆粒大小的影響。例如，沉積巖中細(xì)粒有硅質(zhì)膠結(jié)物的，則堅(jiān)固，難爆破;含氧化鐵質(zhì)膠結(jié)物的次之;含有石灰質(zhì)和粘土質(zhì)膠結(jié)物的沉積巖不堅(jiān)固，易爆破。變質(zhì)巖的組分和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它與變質(zhì)程度有關(guān)。一般變質(zhì)程度高、質(zhì)量致密的變質(zhì)巖比較堅(jiān)固，難爆;反之則易爆破。巖石又是由具有不同化學(xué)成分和不同結(jié)晶格架的礦物以不同的結(jié)構(gòu)方式所組成。由于礦物成分的化學(xué)鍵各不相同，則其分子的內(nèi)聚力也各不相同。于是，礦物晶體的強(qiáng)度便取決于晶體分子之間作用的內(nèi)力、晶體結(jié)構(gòu)和晶體的缺陷。通常，晶體之間的內(nèi)聚力，都小于晶體內(nèi)部分子之間的內(nèi)聚力。并且，晶粒越大，內(nèi)聚力越小，細(xì)粒巖石的強(qiáng)度一般比粗粒巖石的大。又因?yàn)榫w之間的內(nèi)聚力小于晶體內(nèi)的內(nèi)聚力，所以，破壞裂縫都出現(xiàn)在晶粒之間。巖石中普遍存在著以孔隙、氣泡、微觀裂隙、解理面等形態(tài)表現(xiàn)出來的缺陷，這些缺陷都可能導(dǎo)致應(yīng)力集中。因此，微觀缺陷將影響巖石組分的性質(zhì)，大的裂隙還會(huì)影響整體巖石的堅(jiān)固性，使其易于爆破。巖體的裂隙性，不但包括巖石生成當(dāng)時(shí)和生成以后的地質(zhì)作用所產(chǎn)生的原生裂隙，而且包括受生產(chǎn)施工、周期性連續(xù)爆破作用所產(chǎn)生的次生裂隙。它們包括斷層、褶曲、層理、解理、不同巖層的接觸面、裂隙等弱面。這些弱面對(duì)于爆破性的影響有兩重性:一方面，弱面可能導(dǎo)致爆生氣體和壓力的泄漏，降低爆破能的作用，影響爆破效果;另一方面，這些弱面破壞了巖體的完整性，易于從弱面破裂、崩落，而且，弱面又增加了爆破應(yīng)力波的反射作用，有利于巖石的破碎。但是，必須指出，當(dāng)巖體本身包含著許多尺寸超過生產(chǎn)礦山所規(guī)定的大塊（不合格大塊）的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，只有直接靠近藥包的小部分巖石得到充分破碎，而離開藥包一定距離的大部分巖石，由于已被原生或次生裂隙所切割，在爆破過程中，沒有得到充分破碎，在爆破震動(dòng)或爆生氣體的推力作用下，脫離巖體、移動(dòng)、拋擲成大塊。這就是裂隙性巖石有的易于爆破破碎，有的則易于產(chǎn)生大塊的兩重性。因此，必須了解和掌握巖體中裂隙的寬窄、長短、間距、疏密、方向、裂隙內(nèi)的充填物、結(jié)構(gòu)體尺寸和結(jié)構(gòu)體含量百分率，以及它們與炸藥、爆破工藝參數(shù)的相互關(guān)系等等。例如，垂直層理、裂隙爆破時(shí)，比較容易破碎;而平行或順著層理、裂隙的爆破則比較困難。此外，風(fēng)化作用瓦解巖石各組分之間的聯(lián)系，因此，風(fēng)化嚴(yán)重的巖石，易于爆破破碎。二、巖石容重、孔隙度和碎脹性對(duì)巖石爆破性的影響巖石容重表示單位體積巖石的重量，其體積包括巖石內(nèi)部的孔隙。巖石孔隙度，等于孔隙的體積（包括氣相或液相體積）與巖石總體積之比?？捎脝挝惑w積巖石中孔隙所占的體積表示，也可用百分?jǐn)?shù)表示。通常巖石的孔隙度為0.1%?50%（一般巖漿巖為0.5%?2%，沉積巖為2.5%?15%）。當(dāng)巖石受壓時(shí)，孔隙度減少，例如，粘土孔隙度50%，受壓后為7%。隨著孔隙度增大，沖擊波和應(yīng)力波在其中的傳播速度降低。容重大的巖石難以爆破，因?yàn)橐馁M(fèi)很大的炸藥能量來克服重力，才能把巖石破裂、移動(dòng)和拋扔。巖石的碎脹性是巖體破碎后體積松散脹膨的性質(zhì);破碎后的巖石體積與破碎前的比值稱為碎脹系數(shù)。碎脹性與巖體結(jié)構(gòu)及被破碎的程度有關(guān)，根據(jù)它可以衡量巖石破碎程度，用其計(jì)算補(bǔ)償空間的大小。三、巖石彈性、塑性、脆性和巖石強(qiáng)度對(duì)巖石爆破性的影響從力學(xué)觀點(diǎn)看，根據(jù)外力作用和巖石變形特點(diǎn)的不同，巖石可能表現(xiàn)為塑性、彈性、粘彈性、彈脆性和脆性等特征。塑性巖石和彈性巖石受外載作用超過其彈性極限后，產(chǎn)生塑性變形，能量消耗大，將難于爆破（如粘土性巖石）;而脆性巖石（幾乎不產(chǎn)生殘余變形）、彈脆性巖石均易于爆破（如脆性煤炭）。巖石的塑性和脆性不僅與巖石性質(zhì)有關(guān)，而且與它的受力狀態(tài)和加載速度有關(guān)。位于地下深處的巖石，相當(dāng)于全面受壓，常呈塑性，而在沖擊載荷下又表現(xiàn)為脆性。當(dāng)溫度和濕度增加，也能使巖石塑性增大。通常，在爆破作用下，巖石的脆性破壞是主要的、大量的。相反，靠近藥包的巖石，卻易呈塑性破壞，雖然其破壞范圍很小，但卻消耗大部分能量于塑性變形上。為了深入研究巖石爆破性與爆破載荷的關(guān)系，一般把巖石視作彈性體或粘彈性體，炸藥在巖體內(nèi)爆破時(shí)，以沖擊波和彈性波的形式從藥包中心向周圍巖石傳播，并以彈性變形能或強(qiáng)度作為分析和探討巖石爆破性的依據(jù)。巖石強(qiáng)度是表示巖石抵抗壓、剪、拉諸應(yīng)力，從而導(dǎo)致巖石破壞的能力。它本來是材料力學(xué)中用以表示材料抵抗上述三種簡單應(yīng)力的常量，往往是在單軸靜載作用下的測定指標(biāo)。爆破時(shí)，巖石受的是瞬時(shí)沖擊載荷，所以應(yīng)對(duì)巖石強(qiáng)度賦以新的內(nèi)容，要強(qiáng)調(diào)在三軸作用下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)。只有如此，才能真實(shí)地反映巖石的爆破性。表1.2是用雷管模擬爆破和用材料試驗(yàn)機(jī)加載試驗(yàn)所得的幾種巖石的動(dòng)、靜強(qiáng)度。從表中可見，動(dòng)載強(qiáng)度比靜載強(qiáng)度為大。巖石的抗壓極限強(qiáng)度（。壓）最大，抗剪（。剪）次之，抗拉（。拉）最小。一般有如下關(guān)系：。拉=（1/10?1/50）。壓，。剪=（1/8?1/12）0壓因此，盡可能使巖石處于受拉伸或剪切狀態(tài)下，以利于爆破破碎，提高爆破效果從表中可見，動(dòng)載強(qiáng)度比靜載強(qiáng)度為大。表1.2幾種巖石動(dòng)、靜載強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果5m/s抗壓強(qiáng)度:.MPa.）瓦拉強(qiáng)度1MPa/s1栽擰有拉寸'=]靜載2.T4500—G00090—11050-9020—40LC7-10310-一門砂巖①2.1：L."UU-4一；J-100—140JJS~950—TQLC'-10s?i-2~310-20W?瑚50—100H??巖口一?4100-570035-5016-2320—3D1『-，睥1—一J.J5300-6000320—350"uu-H.lj22—3250—60-07'1D0-=-巾艾I..I*2.63T00-590D240J：i：-40011—1920-30in7-wa30-60第二節(jié)巖石爆破性的判據(jù)和分級(jí)巖石分級(jí)不同于巖石分類，通常巖石分類是指按照巖石成因或成分的不同，對(duì)巖石加以質(zhì)的劃分，如地質(zhì)學(xué)上按成因分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三類，而巖石分級(jí)應(yīng)該是以量的指標(biāo)來劃分各種巖石的等級(jí)，根據(jù)采礦工程的不同要求，有鑿巖性分級(jí)、爆破性分級(jí)和穩(wěn)定性分級(jí)等。一、分級(jí)的判據(jù)根據(jù)什么判據(jù)和指標(biāo)進(jìn)行巖石分級(jí)，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。由于炸藥的“三高”(高爆溫、高爆壓、高爆速)特性、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造的復(fù)雜性以及測試記錄手段的局限性等等，給研究工作帶來了不少困難。幾十年來國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，根據(jù)巖石爆破性的主要影響因素，提出了各種各樣的判據(jù)、指標(biāo)進(jìn)行巖石分級(jí)。其主要判據(jù)有:巖石強(qiáng)度、單位炸藥消耗量、工程地質(zhì)參數(shù)、巖石彈性波速度、巖石波阻抗、爆破巖石質(zhì)點(diǎn)位移、臨界速度、爆破功指數(shù)、巖石彈性變形能系數(shù)等等，它們從不同的側(cè)面反映了巖石的爆破性。但是，這些指標(biāo)并沒有闡明爆破性的真正含義，沒有建立完整的分級(jí)體系，所以迄今為止國內(nèi)外尚無一種公認(rèn)的巖石爆破性分級(jí)方法。二、普氏分級(jí)和蘇氏分級(jí)1、普氏分級(jí)早在1926年前，普氏提出了用巖石試塊的單軸靜載極限抗壓強(qiáng)度、手工鑿1cm3巖石所消耗的功、手打眼每班生產(chǎn)率、掘進(jìn)工生產(chǎn)率、在地面挖掘的生產(chǎn)率、巷道掘進(jìn)速度、爆破1m3巖石的黑火藥消耗量等七項(xiàng)指標(biāo)的平均值來表征巖石的堅(jiān)固性。由于采礦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，普氏規(guī)定的幾項(xiàng)指標(biāo)已失去了實(shí)際意義，只有一個(gè)最簡單的指標(biāo)一以巖石試塊的靜載極限抗壓強(qiáng)度(R、MPa)為巖石分級(jí)的判據(jù)，即普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=R/10。根據(jù)f=0.3—20將巖石分為10級(jí)，f值大，則難鉆巖、難爆破、巖石穩(wěn)定，反之，f值小，則易鉆巖、易爆破、巖石不穩(wěn)定。普氏認(rèn)為:巖石的堅(jiān)固性在各方面的表現(xiàn)趨于一致。實(shí)際上巖石的鉆巖性、爆破性、穩(wěn)定性并非完全一致，有的易鉆難爆，有的難鉆易爆，而且小塊的巖石試樣(如7x7x7cm)的單軸靜載抗壓強(qiáng)度并不能表征整體巖石受炸藥爆炸沖擊作用的爆破性。再者，其測定值的離散性較大，一般為15%—40%，個(gè)別達(dá)80%，所以普氏分級(jí)方法以其簡便的指標(biāo)，雖曾在采礦工程中作為籠統(tǒng)的總的分級(jí)，得到普遍應(yīng)用，但也正是由于上述缺點(diǎn)，它表征不了爆破工程實(shí)際所需的巖石爆破性分級(jí)。2、蘇氏分級(jí)蘇氏分級(jí)是蘇哈諾夫在30年代針對(duì)普氏分級(jí)而提出的巖石分級(jí)。他認(rèn)為：決定巖石堅(jiān)固性的基礎(chǔ)是在某一特定情況下，應(yīng)當(dāng)用實(shí)際被應(yīng)用著的具體采掘方法。他用崩落1m3巖石所消耗的炸藥量(kg/m3)或單位炮眼長度(m/m3)來表征巖石的爆破性，同時(shí)，規(guī)定了一系列的測試標(biāo)準(zhǔn)條件。根據(jù)單位炸藥消耗量和單位炮眼長度將巖石分為16級(jí)。如果需要的炸藥單耗量多、單位炮眼長，則巖石難爆;反之，則易爆。必須指出，炸藥單耗是一個(gè)常量又是一個(gè)變數(shù)，影響因素很多，因而，蘇氏又提出了一系列非標(biāo)準(zhǔn)條件下的修正系數(shù)，非常繁瑣，也影響了巖石爆破性的真實(shí)性。再者，炸藥單耗沒有很好地反映爆破塊度這一重要爆破效果。因此，蘇氏分級(jí)方法并不能確切地表征巖石的爆破性。表1.3普氏分級(jí)與蘇氏分級(jí)（爆破性）的對(duì)比參考表普氏分級(jí)蘇氏分級(jí)代表性巖石堅(jiān)固性系數(shù)（f）等級(jí)堅(jiān)固程度爆破性等級(jí)二號(hào)硝銨炸藥單耗q（kg/m3）18.3致密微晶石英巖20I最堅(jiān)固最難爆26.7極致密無氨化物石英巖35.3最致密石英石和玄武石1844.2極致密安山巖和輝綠巖15II很堅(jiān)固很難53.8石英斑巖1263.0極致密硅質(zhì)砂巖10m堅(jiān)固難72.4致密花崗巖、堅(jiān)固鐵礦石8ma82.0致密砂巖和石灰?guī)r65wWa相當(dāng)堅(jiān)固中上等9101.51.25砂巖砂質(zhì)頁巖4V中等中等111.0不堅(jiān)固的砂巖和石灰?guī)r3Va120.8頁巖、致密泥質(zhì)巖21.5W而相當(dāng)軟弱中下等13140.60.5軟頁巖無煙煤1.0W軟弱易爆150.4致密粘土、軟質(zhì)煤巖0.8Wa160.3浮石、凝灰?guī)r0.6例土質(zhì)——0.5IX松散不用爆0.3IX流沙三、新提出的巖石爆破性分級(jí)巖石爆破性是巖石本身物理力學(xué)性質(zhì)和炸藥爆破參數(shù)、爆破工藝的綜合效應(yīng)，它們之間既有其內(nèi)在聯(lián)系，又受外因的控制，有明顯的因果關(guān)系，因而巖石爆破性不是巖石單一的固有屬性，而是巖石在爆破過程中諸因素的綜合反映，并影響著爆破數(shù)量和質(zhì)量的具體效果。通過試驗(yàn)研究和實(shí)踐證明，能量平衡準(zhǔn)則是巖石爆破最普遍、最根本的準(zhǔn)則，它表征了巖石爆破性的本質(zhì)。爆破漏斗是一般爆破工程的根本形式。炸藥爆炸釋放的能量傳遞給巖石，巖石吸收能量導(dǎo)致巖石的變形和破壞。由于不同巖石破壞所消耗的能量不同，當(dāng)炸藥能量及其它條件一定時(shí)，爆破漏斗體積的大小和爆破塊度的粒級(jí)組成，均直接反映能量的消耗狀態(tài)和爆破效果，從而表征了巖石的爆破性。此外，必須指出，巖石的結(jié)構(gòu)特征（如節(jié)理、裂隙）也是影響巖石爆破的重要因素之一，由于巖體結(jié)構(gòu)影響著巖石爆破的難易，更影響著爆破塊度的大小，所以，聲測指標(biāo)（如巖石彈性波速、巖石波阻抗、巖石結(jié)構(gòu)裂隙細(xì)數(shù)等）也是巖石爆破性分級(jí)的重要判據(jù)之一。這就綜合考慮了上述影響巖石爆破性的主要因素一包括巖石的結(jié)構(gòu)（組分）、內(nèi)聚力、裂隙性、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、特別是巖石的變形性質(zhì)及其動(dòng)力特性。據(jù)此，巖石爆破性分級(jí)的判據(jù)，是在爆破材料、參數(shù)、工藝等一定的條件下進(jìn)行現(xiàn)場爆破漏斗試驗(yàn)和聲波測定所獲得，然后計(jì)算出巖石爆破性指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)巖石的爆破性，并進(jìn)行巖石爆破性分級(jí)。測定方法（1）爆破漏斗與塊度的測定在礦山現(xiàn)場選擇典型的礦巖地段，用鑿巖機(jī)垂直自由面打眼，釬頭直徑45mm，眼深1m，用2號(hào)巖石硝銨炸藥，藥量450g，藥卷直徑32mm，連續(xù)柱狀裝藥，炮泥填塞，一支8號(hào)雷管起爆。爆破后量取爆破漏斗體積，清理巖塊，進(jìn)行塊度分析。分別稱量，計(jì)算容積，求出大塊（大于300mm）、小塊（小于50mm）、平均合格塊度（300—200mm,200一100mm,I00—50mm）的百分率，并且據(jù)此核算出爆破漏斗的總體積。⑵聲測用聲波速度測定儀測定現(xiàn)場巖體的聲波速度及巖塊試樣的聲波速度，求得巖石裂隙性和巖體波阻抗（巖體密度與波速的乘積）。巖石爆破性指數(shù)根據(jù)爆破漏斗體積、大塊率、小塊率、平均合格率和巖體波阻抗的大量數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的多元回歸分析，通過電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算，最終求得巖石爆破性指數(shù)Ni667.22.K7.42（1.01）（pC）2.03638.44VK1.89K4.75式中V一巖石爆破漏斗體積，m3;K1一大塊率，%;她一平均合格率，%;K3一小塊率，%；（PC）—巖體波阻抗，kPa.s/m;e—自然對(duì)數(shù)之底。通過模量識(shí)別，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，定出巖石爆破性分級(jí)表，見表1.4。表1.4巖石爆破性分級(jí)表級(jí)別爆破性指數(shù)N爆破性程度代表性巖石IIi—<29極易爆千枚巖、破碎性砂巖、、泥質(zhì)板巖破碎性白云巖I2-29.001?38IIII1—38.001?46易爆角礫巖、綠泥巖、米黃色白云巖II2—46.001?53mm1—53.001?60中等陽起石石英巖、煌斑巖、大理巖灰白色白云巖m2—60.001~68WW1—68.001?74難爆磁鐵石英巖、角閃巖長片麻巖W2—74.001~81VV1—81.001?86極難爆矽卡巖、花崗巖、淺色砂巖V>86第三節(jié)巖石的可鉆性巖石的可鉆性表示鉆頭在巖石上鉆眼的難易程度。它是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭規(guī)格及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù)，同時(shí)也是制定鉆探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計(jì)劃的基礎(chǔ)以及考核生產(chǎn)效率的根據(jù)。由于巖石可鉆性的影響因素較多，科研工作者從不同角度提出了各自的分級(jí)方法及相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)所用的分級(jí)評(píng)價(jià)原則不同，可以得到不同的分級(jí)。目前巖石的可鉆性分級(jí)主要有以下幾種。按鑿碎比功分級(jí)、按巖石的A、B值分級(jí)、按巖石硬度、切削強(qiáng)度和磨蝕性分級(jí)、按點(diǎn)荷強(qiáng)度分級(jí)、按斷裂力學(xué)指標(biāo)分級(jí)、按巖石的主要聲學(xué)指標(biāo)分級(jí)、按最小體積比能分級(jí)、按巖石的單軸抗壓強(qiáng)度分級(jí)等等。下面著重介紹前三種分級(jí)方法。1、按鑿碎比功分級(jí)在現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)采用實(shí)際或縮小比例的微型模擬鉆頭進(jìn)行鉆眼試驗(yàn)，并以鉆速、鉆一定深度炮眼所需的時(shí)間和鉆頭的磨損量、鑿碎比功耗等指標(biāo)來表示巖石的可鉆性。但這些指標(biāo)不僅決定于巖石本身的性質(zhì)，還決定于所采用的鉆眼方法、鉆機(jī)、鉆具、鉆眼工藝參麴沖擊力、沖擊頻率、轉(zhuǎn)數(shù)、軸壓）、鉆眼參數(shù)（鉆眼直徑、深度、方向），和清除鉆粉的方式等鉆眼條件。因此，為比較不同巖石的可鉆性，必須規(guī)定統(tǒng)一的鉆眼條件，稱為標(biāo)準(zhǔn)條件。為固定鉆眼條件和方便迅速地確定出巖石的可鉆性，東北大學(xué)（原東北工學(xué)院）設(shè)計(jì)出了一種巖石鑿測器。鑿測器錘重4公斤，落高1米，采用直徑40±0.5

毫米的一字形釬頭，鑲YG-11C（K013型）硬合金片，刃角110°，每沖擊一次轉(zhuǎn)15°角，測定每種巖樣共沖擊480次，每鑿24次清一次巖粉。沖擊完后，計(jì)算比功耗和用帶專用卡具的讀數(shù)顯微鏡讀出釬刃兩端向內(nèi)4毫米處的磨鈍寬度，作為巖石可鉆性和磨蝕性（磨損鉆頭的能力）分級(jí)的指標(biāo)。用兩項(xiàng)指標(biāo)來衡量巖石的可鉆性：（1）、鑿碎比功一鑿碎單位體積巖石所消耗的功。AN-AN-Aa=—=o-V兀D2H.D2.410480x39.2_142524-（4.1）2-H式中a—鑿碎比功，J/cm3；A一總沖擊功，實(shí)際為18816J；V一破碎巖石體積，cm3；A0一落錘單次沖擊功，39.2J/次；D一鑿眼直徑，眼徑約比釬頭直徑大1mm,D=4.1cm；H一鑿480次后的凈鑿眼深度,mm;只要用深度卡尺量取凈深H后，由上式便可求出a值的大小。按鑿碎比功的不同將巖石可鉆性分成七級(jí)，見表1.5。表1.5巖石鑿碎比功分級(jí)級(jí)別IIIIWV丑W鑿碎比功<186187—284285—382383—480481—578579—676>677可鉆性極易易中等中難難很難極難（2）、釬刃磨鈍寬度b一落錘480次后，釬刃上從刃鋒兩端各向內(nèi)4mm處的磨鈍寬度平均值。釬刃磨鈍寬度b時(shí)用讀數(shù)顯微鏡和專用卡具量得的。按釬刃磨鈍寬度b，將巖石的磨蝕性分成三類，見表1.6。表1.6巖石磨蝕性分級(jí)類別123釬刃磨鈍寬度（mm）<0.20.3—0.6>0.7磨蝕性弱中強(qiáng)綜合表示巖石可鉆性時(shí)，用羅馬數(shù)字表示巖石鑿碎比功的等級(jí)；用阿拉伯?dāng)?shù)字左右下標(biāo)；表示這種巖石的磨蝕性。如III］，系表示該巖石為中等可鉆性的弱磨蝕性。二、按巖石的A、B值分級(jí)中南大學(xué)魯凡教授認(rèn)為：難鉆的巖石，它對(duì)鉆頭的磨損有大有小，容易鉆進(jìn)的巖石，同樣，它對(duì)鉆頭的磨損也有大有小。因此，巖石鉆進(jìn)的難易程度與鉆頭磨損（巖石的研磨性）沒有固定關(guān)系，不能用單一的指標(biāo)表示。建議用雙指標(biāo)來表示巖石可鉆性。即：（1）用A值表示巖石的鉆進(jìn)難易程度;（2）用B值表示巖石的研磨性。A值的測量原理為：用金剛石鋸片同時(shí)切割直徑相同的耐酸瓷棒（比較標(biāo)準(zhǔn)）與巖樣，以它們的切割深度比來表示用金剛石磨削的難易程度（A值）。巖樣的切割深度大于瓷棒，說明巖樣的磨削難度低于瓷棒。巖樣的切割深度較瓷棒大得越多，巖樣的A值也較瓷棒低得越多。這樣，巖樣的可鉆性A值是以瓷棒的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比的，不是以鋸片為標(biāo)準(zhǔn)確定的。樞片樞片圖1.1鋸片切割對(duì)比示意圖測量出切槽深度，用下式計(jì)算巖樣可鉆性A值：式中:Lp一在瓷棒上切割出來槽的深度LR一在巖樣上切割出來槽的深度將深度比值乘以8，目的是把瓷棒的可鉆性系數(shù)A值定為8,因?yàn)楣烙?jì)瓷磚與十二級(jí)分級(jí)法的8級(jí)巖石可鉆性相當(dāng)。B值測量原理為：用“微鉆對(duì)比法”測量B值，實(shí)質(zhì)是用一微型鉆頭，以恒速并按“耐酸瓷磚一巖樣一耐酸瓷磚”順序鉆進(jìn)，并用精密天平測量出鉆進(jìn)后的鉆頭磨損。以下公式計(jì)算B值：B二鉆進(jìn)巖樣后的鉆頭磨損/鉆進(jìn)瓷磚后的鉆頭磨損平均值用極速鉆進(jìn)，是為了消除時(shí)效對(duì)巖粉粒度與巖粉量的影響，用鉆進(jìn)瓷磚時(shí)的兩次鉆頭磨損平均值計(jì)算B值，是為了消除鉆頭性能變化的影響。這種方法雖不如A值測量法準(zhǔn)確，但也能較準(zhǔn)確地測量出巖石對(duì)鉆頭的研磨性。三、按巖石硬度、切削強(qiáng)度和磨蝕性分級(jí)硬度又稱作接觸強(qiáng)度。物體的硬度定義為該物體抵抗其它物體壓入的強(qiáng)度。硬度的測定及其表示方法有多種。巖石硬度一般利用圓柱形平底壓模壓入的方法來測定。采用這種方法時(shí)，硬度值按下列公式計(jì)算：￡P(guān)H=——nSP式中：P一壓模底部巖石發(fā)生完全破碎，即脆性破碎形成凹坑時(shí)的載荷；n一測定次數(shù)；Sp一壓模底面積；硬度區(qū)分為靜硬度和動(dòng)硬度兩種。利用沖擊載荷測定出的硬度稱為動(dòng)硬度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，鉆孔時(shí)，在一定范圍內(nèi)提高沖擊速度，硬度的增加比較緩慢，但超過該范圍后繼續(xù)提高沖擊速度，硬度將迅速增大。在硬度緩慢增加階段內(nèi)，比能耗不僅沒有增大，反而有所下降，這是因?yàn)樵谠撾A段內(nèi)提高沖擊速度，巖石塑性變形減小所節(jié)約的能量大于硬度增大所需增加的能量;在硬度迅速增大階段內(nèi)，比能耗將迅速增加。從能量觀點(diǎn)來看，比能耗可用來判斷巖石的可鉆性，而比能耗又決定于巖石硬度及其塑性性質(zhì)。當(dāng)沖擊速度相同時(shí)，硬度大的巖石，比能耗一般較大。由于沖擊載荷較難測定，故通常利用靜硬度來判斷巖石的可鉆性。旋轉(zhuǎn)鉆眼時(shí)，鉆頭在軸向靜載作用下吃入巖石，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切削力作用下切削巖石（純滾動(dòng)齒輪鉆頭例外）。切削一定寬度和厚度巖石所需切削力成為切削強(qiáng)度。因?yàn)閴喝牒颓邢鲿r(shí)，巖石破壞的主要形式都是剪切破壞，所以硬度高的巖石，切削強(qiáng)度也高。但旋轉(zhuǎn)鉆眼時(shí)，巖石的可鉆性不僅決定于硬度或切削強(qiáng)度，還決定于巖石的磨蝕性。在鉆眼過程中，由于鉆頭不斷受到巖石表面的磨損而變鈍，鉆速就會(huì)不斷下降。這種情況在旋轉(zhuǎn)鉆眼時(shí)更為嚴(yán)重。磨蝕性除與巖石硬度有關(guān)外，還與造巖礦物的硬度、巖石組構(gòu)等因素有關(guān)。除巖石磨蝕性外，鉆頭磨損的快慢還與鉆頭形狀、幾何尺寸、鉆頭材料、鉆眼工藝參數(shù)、鉆粉顆粒大小、以及清除鉆粉的方式等因素有關(guān)。第四節(jié)可鉆性與磨蝕性的關(guān)系巖石的磨蝕作用，包括兩種不同的機(jī)理，一種是類似于銼刀銼金屬的作用，稱之為擦蝕，其特征是被磨蝕物體的硬度小于磨蝕物體，而后者表面又必須是粗糙的，它在前者的表面上剋削下碎屑末。另一種作用是類似于硯臺(tái)受墨的研磨，久而久之也要被磨蝕，稱之為磨損。對(duì)于鋼制工具而言，除了含有石英顆粒的巖石以外，巖石的磨蝕作用主要是以磨損的形式進(jìn)行的。對(duì)于硬質(zhì)合金制的工具而言，更是以磨損為主了。不過實(shí)際上擦蝕和磨損兩種機(jī)理是難以截然區(qū)別開的，經(jīng)常伴隨出現(xiàn)。磨蝕過程是一個(gè)綜合的作用，至少包括下列五種作用：由于接觸面并非絕對(duì)平整，真實(shí)的接觸面只有外觀面積的百分之一到萬分之一。局部的真實(shí)接觸壓力很大，當(dāng)它超過了彈性限度時(shí)便被磨損；由于兩物體緊密接觸，若其相互間的分子間的引力勝過自身分子間的引力，那么兩物體相對(duì)移動(dòng)時(shí)，便把表面的分子層“粘”下來。尤其當(dāng)物體在結(jié)構(gòu)上存在缺陷時(shí)，這種情況更易發(fā)生；由于物體表面參差不齊，產(chǎn)生機(jī)械的嚙合作用，相對(duì)移動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生磨損。表面雖平整，但軟硬不均，也將會(huì)產(chǎn)生嚙合而磨損的作用；嚙合作用不大，相對(duì)位移時(shí)雖然不足以使其磨損，但在反復(fù)微小的撞擊作用之下，表面便因疲勞而損壞；由于局部凸起接觸，摩擦?xí)r產(chǎn)生大量熱能，使溫度升高到塑性變形乃至熔化。一般來說，上述作用③在工具磨蝕時(shí)是主要的作用，尤其是在擦蝕作用下更為重要，其他①、②、④三種作用在磨損作用下有著更多的意義。作用⑤，對(duì)于硬質(zhì)合金工具的磨蝕作用有重要意義。國內(nèi)外同行在可鉆性和磨蝕性方面做了許多貢獻(xiàn)和探索，東北大學(xué)（東北工學(xué)院）王漢生在巖石磨蝕性對(duì)金剛石鉆進(jìn)巖石可鉆性效果的影響方面做了不少工作。主要成果有：1、同類巖石中