工程爆破中的巖石力學性質與分級

第2章巖石力學性質與分級

2.1影響巖石鑿巖爆破性的因素2.2巖石鑿巖爆破性的判據和分級2.3巖石的可鉆性2.4可鉆性與磨蝕性的關系巖石和礦巖是工程爆破的工作對象。要有效地開展工程爆破工作，必須先了解巖石的基本性質，主要是與工程爆破有關的物理性質和力學性質，同時要掌握工程爆破中巖石性質的表達方式—巖石的分級。本章內容提要2.1影響巖石鑿巖爆破性的因素

鑿巖性巖石在鉆孔中表現出的抵抗鉆頭等機械作用而破壞的性質，爆破性則是指巖石在爆破作用下表現出的性質。

巖石自身物理力學性質在鑿巖爆破工藝中的綜合反映，影響著整個鑿巖爆破效率和效果，通?？梢杂脦r石的單一物理力學指標來表示。影響巖石鑿巖爆破性的主要因素:

①巖石本身的物理力學性質（見表2-1）。

巖石密度、孔隙性、碎脹性、彈性、巖石的堅固性、巖石的裂隙性等。

②炸藥性質、鉆頭結構和鑿巖爆破工藝等外在因素。

鉆孔工藝、鉆具特性、炸藥類型、爆破參數等。

表2-1幾種典型巖石的物理力學特性礦物是構成巖石的主要成分，礦物顆粒愈細、密度愈大，愈堅固，則愈難于爆破破碎。

巖石中礦物的結晶程度，晶粒大小，晶體形狀及其之間的組合關系，結構決定了巖石內部的連接情況，直接影響巖石的物理力學性質。

一般礦物晶粒愈細，愈致密，強度越大，鑿爆越難，沉積巖還與膠結成分有關；硅質，泥質不同，硅質頁巖與炭質頁巖不同。變質巖的組分和結構與變質程度有關，一般變質程度高、致密的變質巖比較堅固，較難爆破，反之則易爆破。

巖石的裂隙性有的易于爆破破碎，有的則易于產生大塊。風化作用削弱了巖石的完整性和強度，使得風化嚴重的巖石易于鑿巖和爆破破碎。巖石的結構構造(1)巖石容重

單位體積巖石的重量，其體積包括巖石內部的孔隙，與巖石的質量不同。(2)巖石孔隙度

孔隙的體積(包括氣相或液相體積)與巖石總體積之比，可用單位體積巖石中孔隙所占的體積表示，也可用百分數表示。(3)巖石的碎脹性

巖體破碎后體積松散膨脹的性質；破碎后的巖石體積與破碎前的巖石體積的比值稱為碎脹系數。2.1.2巖石的容重、孔隙度和碎脹性

根據外力作用和巖石變形特點的不同，巖石可能表現為塑性、彈性、粘彈性、彈脆性和脆性等特征。

塑性大的巖石受外載作用超過其彈性極限后，產生塑性變形而未產生有效破碎，能量消耗大，難于爆破；脆性、彈脆性巖石均易于爆破。

巖石強度是表示巖石抵抗壓、剪、拉諸應力而導致巖石破壞的能力,是材料力學中用以表示材料抵抗上述三種簡單應力的常量，往往是在單軸靜載作用下的測定指標。爆破時，巖石受的是瞬時沖擊載荷，所以要強調在三軸作用下的動態(tài)強度指標，才能真實地反映巖石的爆破性，但全圍壓（三軸）試驗難度較大。2.1.3巖石強度和彈塑性對巖石爆破的影響

表2-2是用雷管模擬爆破和用材料試驗機加載試驗所得的幾種巖石的動、靜載強度。可見，動載強度比靜載強度為大。表2?2幾種巖石動、靜載強度試驗結果2.2巖石鑿巖爆破性的判據和分級

巖石分級是按照巖石作業(yè)工藝，從量上分別對巖石進行分級，為設計、生產、管理和研究部門提供科學依據。

2.2.1普式巖石堅固性分級

早在1926年前，普氏提出了用巖石試塊七項指標的平均值來表征巖石的堅固性。發(fā)展到現在還有一個指標——巖石試塊的靜載極限抗壓強度有意義,但單位由原來的公斤米制變?yōu)榕Ｃ字?，所以現在的普氏巖石堅固性分級實質已經不是原來普氏的分級，而是巖石單軸抗壓強度（牛米制單位）的換算值，即普氏系數f。根據f值將巖石分為10級，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。2.2.2蘇氏分級

蘇氏分級是蘇哈諾夫在30年代針對普氏分級而提出的巖石分級。他認為:決定巖石堅固性的基礎應當取決于在某一特定情況實際被應用的具體采掘方法。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，規(guī)定了一系列的測試標準條件。根據單位炸藥消耗量和單位炮眼長度將巖石分為16級。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。表2-3給出了普式分級和蘇氏分級的指標對比。表2-3普氏分級與蘇氏分級(爆破性)的對比參考表2.2.3爆破漏斗等綜合分級

東北大學在上世紀80年代提出的巖石爆破性分級的判據，是在考慮爆破材料、參數、工藝等一定的條件下進行現場爆破漏斗試驗和聲波測定所獲得的，通過計算出巖石爆破性指數，綜合評價巖石的爆破性，并進行巖石爆破性分級。

（1）測定方法①爆破漏斗與塊度的測定②聲測法

根據爆破漏斗體積、大塊率、小塊率、平均合格率和巖體波阻抗的大量數據，運用數理統(tǒng)計的多元回歸分析，通過計算機運算，最終求得巖石爆破性指數N式中:V—巖石爆破漏斗體積，m3

；K1—大塊率（＞30cm），%；K2—平均合格率，%；K3—小塊率（＜5cm），%；(ρC)—巖體波阻抗，KPa；e—自然對數之底。（2)巖石爆破性指數表2-4巖石爆破性分級表2.3巖石的可鉆性（1）巖石的可鉆性

表示鉆頭在巖石上鉆眼的難易程度。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方法及相應的評價指標。根據所用的分級評價原則不同，可以得到不同的分級。（2）巖石的可鉆性分級

按鑿碎比功分級、按點荷強度分級、按巖石硬度、切削強度和磨蝕性分級、按斷裂力學指標分級、按巖石的主要聲學指標分級、按最小體積比能分級、按巖石的A、B值分級、按巖石的單軸抗壓強度分級等等。下面著重介紹前三種分級方法。2.3.1按鑿碎比功分級

在現場或實驗室內采用實際或縮小比例的微型模擬鉆頭進行鉆眼試驗，并以鉆速、鉆一定深度炮眼所需的時間和鉆頭的磨損量、鑿碎比功耗等指標來表示巖石的可鉆性。

東北大學設計出了一種巖石鑿測器，如圖2-1所示。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110o，每沖擊一次轉15o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，計算比功耗和用帶專用卡具的讀數顯微鏡讀出釬刃兩端向內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）分級的指標。圖2-1巖石鑿測器1-釬頭；2-承擊臺；3-插銷；4-導向桿；5-落錘；6-△形環(huán)；7-操作繩；8-導桿頂；9-轉動把手（1）鑿碎糠比功鑿碎比壺功是指牌鑿碎單戶位體積謎巖石所陪消耗的拔功，其豎值按下云式計算皮：式中—鑿碎比窮功，J/c碼m3;；A—總沖綢擊功木，實自際為188爪16J；V—破碎巖巷石體積填，cm3；A0—落錘單杯次沖擊男功，39.才2J/次；D—鑿眼直墾徑，眼姥徑約比李釬頭直墊徑大1m粗m，D=體4.凳1c宣m；H—鑿480次后序的凈禮鑿眼舞深度,m適m；只要呼用深汽度卡隆尺量褲取凈滑深H后，雨由上香式便晉可求辛出a值的大片小。按粒鑿碎比浮功的不因同將巖榴石可鉆饞性分成拿七級，們見表2-信5。（2）釬刃企磨鈍寬怒度b釬刃清磨鈍杏寬度腿是指牢落錘蕉沖擊48器0次后，算釬刃上儀從刃鋒茫兩端各王向內4mm處的掘磨鈍嚷寬度城平均脫值。隙釬刃拉磨鈍短寬度b時用板讀數羨顯微任鏡和日專用俘卡具芳量得楊的。表2-夸6巖石刃磨蝕向性分期級級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ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類別123釬刃磨鈍寬度（mm）＜0.20.3~0.6＞0.7磨蝕性弱中強表2-5巖石鑿編碎比功補分級2.豈3.溫2按點載往荷強度刷進行可毯鉆性分稍級點載構荷試梁驗是沙國際壁巖石概力學掃學會緊（ISR掠M）試捕驗委弄員會熱推薦姨的一護種便劍攜式券測量薪方法化。點陪載荷叛試驗痛是將貿試樣絞置于剪試驗期機的掙兩個淺壓頭裙之間旅，逐盛漸加非載，婚使試衫樣破兼壞，慶再用字下式哨求得悼點載予荷強弦度：式中倆：d—巖芯或衡加載點蘇的距離盾，mm；p—為破壞里荷載，N。2.3業(yè).3按巖石委硬度、霧切削強足度和磨敏蝕性分胡級巖石苦的硬拆度是跌指巖東石抵會抗其搬它物煮體刻婦劃、才磨蝕歉、切叫削或日壓入利其表遠面的啦能力袖。硬血度測驕定方紹法有壓入試底驗、回犧彈試驗供、劃痕剩試驗等，其測得的勺硬度分納別稱為牢壓入硬紛度、回丸彈硬度揪和刻劃框硬度等。19投87年國采際巖嘆石力曬學委曉員會勞曾推唇薦用C-辮2肖氏恭硬度嘗計和L型Sc搭hm嚴id崖t錘硬虎度作碰為測蚊量巖荒石硬井度的彈標準腹方法。圖2-話2肖氏硬紅度計肖氏硬度度計（從圖2-2）是19園06年美箏國的問肖氏刮（）扒研制撕的一明種用擋以測史定金榨屬材仙料硬學度的友儀器繡。其并原理譽是用頁一帶掉金剛角石尖扒重約4g的撞針畫，從25瓶cm高外尋自由姓落下遼，撞綠擊材箱料表扇面，瓜以撞觀針的潮回跳柴高度嫌來表沃征硬您度。扁硬度矛值由0~愛14韻0。這簽種方抬法后粒被用頭來測炮量磨紛光的料巖石纏表面污。（1）肖氏低硬度計慕測硬度1-沖桿；2-氈圈；3-螺絲蓋謙帽；4-卡環(huán)；5-彈簧謝座；6-彈簧高；7-拉力彈霧簧；8-套筒；9-指針驗彈簧膨片；10促-指針；11獨-刻度唱尺；12跟-護尺透駐明片；13-指針異謠桿；14貴-導向板優(yōu)；15倒-彈簧；16-壓力彈爛簧；17則-固定塊們；18蓋；19-固緊垃螺絲逮；20夜-調整螺教絲；21突-按鈕火；22何-鉤子轟；23-導桿姨；24錘施密燭特錘孫（Sc彼hm授id膠t軍Ha慣mm此er），又稱回憂彈儀(r書eb接ou壤nd壯i暢ns婚tr華um法en鐵t)，是用于版測定慈巖石隙硬度嗎的另一種紫簡便其儀器素。工作原距理如下皇：先將沖尖桿1伸出，鋤將回彈量錘24向上拉努，使卡頸鉤22抓住丸錘24，然衡后按牢下后丈蓋18頂在測或定的巖概石表面桑上推進泉。當壓描力彈簧16受壓，液縮短到偉一定程心度時，桂卡鉤脫樸開，回倡彈錘24由于屠拉力岸彈簧7的彈鋒拉作印用而側撞擊雙在沖耽桿1上后盲向上梢彈跳糕，帶恰動指洪針10。通過據窗口12在刻雀度尺僚上直棚接讀邊出回發(fā)彈高渴度的潔數值晶。以奸回彈衛(wèi)距離顆和移匠動距傲離的哈比值災表示伸回彈運硬度窗值（0~1越00）。[w坑1]下（2）施壺密特宮錘測嗽硬度巖石壓悅入硬度愿一般利獅用圓柱貼形平底甚壓模壓批入的方孟法來測述定。試仁驗用試寄樣為5cm×5cm×5cm的立芬方體亞或直文徑為4~斬6c濕m，高為3~跑5c元m的圓柱懸體。試剖樣兩端犯互相平么行，表條面拋光編。壓頭移形狀由古工具鋼叉或硬質史合金制效成。壓巾頭底面劈燕積為1-5械mm2。在臘試驗姿致密癢和有痛均勻慰孔隙扶的巖惡石時礎，用隙底面木積為2m劈燕m2的壓捐頭；易當巖說石的洞顆粒老大于0.2僑5mm時，用3m關m2的壓志頭；言對于更孔隙求度很奧大和盞堅固茅性很涂小的不巖石汗，用分底面劫積為5盲mm2或更大兩的壓頭主。圖2-4平底圓梅柱壓膜采用這躁種方法這時，硬鉤度值按掠下列公衡式計算確：式中拜：P—壓模仙底部仁巖石產發(fā)生子完全猶破碎馬，即脆性孕破碎父形成搏凹坑乏時的盡載荷負；n—測定次接數；SP—壓模底陣面積；2.叢3.匹4其他可成鉆性分貝級方法耕簡介其它輛的可濃鉆性循分級拜方法洪主要副有鉆石進法鳴和聲示波法迷。鉆進法遇又分為星兩類：跨現場鉆愿進和微速鉆鉆進鹽（模擬黑鉆進）救。現場鉆隱進的方穗法是采嫂用一定遮的設備閣、選用稠一定的慮參數，竿以實際驚鉆進速返度來表勾征巖石彩的可鉆勿性。微鉆鉆桂進是一瞎種以小綢比大的拴模擬鉆費進方法天，它并載非用生嗽產鉆機豆在現場疤鉆進，端而是在親模擬鉆竭進試驗卡臺或微備鉆實驗蠢臺上進回行。通撿過模擬弱鉆進不映但可直條接獲得攪可鉆性湊指標（躍鉆進一芝定孔深穗的時間杯或一定蠅時間的毫鉆進深告度），希而且可賤得到鉆朋進數據戴和其它衣一些因悅素，如然巖石物迅理力學耕性質的漏經驗關攻系。聲波插法就跪是用虧聲波釘速度載來劃側分巖嚼石的奇可鉆憤性級粒別。久聲波究檢測揮法具強有快群速、陰準確滑、不魄損傷粥等特么點，仗是評席價巖正石性洲質的宣一種濾有效趴方法配。[w就1]刪（1）磨兔蝕過畜程的畝五種常作用①由縮慧于接區(qū)觸面扒并非憂絕對附平整銳，真緣瑞實的邁接觸扁面只晃有外羽觀面交積的絕百分效之一唇到萬抗分之滅一。釋局部消的真葬實接攝觸壓糟力很柴大，柄當它忙超過揮了彈讀性限脖度時癥便被睛磨損井；②由于鍛兩物體商緊密接傅觸，若賢其相互沉間的分與子間的訊引力勝獅過自身翠分子間腎的引力留，那么烈兩物體痛相對移跪動時，票便把表俊面的分愁子層“鉛粘”下羞來。尤驅其當物奔體在結分構上存蘆在缺陷菌時，這忌種情況未更易發(fā)玩生；③由萄于物銹體表疲面參紙差不沙齊，鋤產生發(fā)機械嗽的嚙旗合作復用，菠相對鞠移動縣時，鼠便產銜生磨充損。喜表面?zhèn)潆m平庭整，不但軟謙硬不團均，暈也將眠會產族生嚙俯合而講磨損東的作南用；④嚙乞合作刷用不不大，納相對眉位移萬時雖洪然不伸足以懂使其鏡磨損丟，但煌在反交復微漏小的防撞擊懷作用勉之下傾，表尺面便四因疲撐勞而壩損壞榨；⑤由輝于局很部凸?jié)馄鸾咏缬|，慎摩擦灶時產份生大潔量熱統(tǒng)能，謙使溫駁度升逢高到咬塑性鄰變形脂乃至炸熔化睡。一般悉來說淹，上脈述作撇用③相在工殖具磨護蝕時禾是主灑要的坦作用灘，尤鋸其是胸在擦休蝕作閃用下棚更為浙重要溝，其壞他①院、②母、④灰三種之作用鏟在磨虛損作魚用下泰有著努更多鏟的意打義。掏作用箱⑤，料對于難硬質倦合金蘿工具闖的磨雨蝕作覺用有傷重要謎意義咐。2.冒4可鉆悔性與識磨蝕例性的嶄關系（2）國卵內外矛同行瞎在可援鉆性園和磨菌蝕性艙方面吃的主謝要結汪論性顯觀點①同頭類巖石葉中與含愉石英礦兔物關系土。在含薦石英悉巖石悼中，粥可鉆循性減讓小而孩磨蝕蛛性增靜大，陽不含襯石英壞巖石也可鉆雨性增描大而稈磨蝕聾性減摸小。山另外近，同堡類巖哄石含輕石英由多時緩，可鐘鉆性翅減少填，磨兇蝕性烈增大菠。②戰(zhàn)同類渴巖石盤中與等組成吸巖石芒中的真顆粒攻大小喂關系仁。同類榴巖石尺中，閃當石珍英含京量相趴近的余條件的下，寧顆粒黎大小編相近?；蜃儤s化幅導度不識大與存顆粒帶大小刑懸殊祥比較璃，實蹲測表潛明，鑒前者裙可鉆榴性減苗小，李磨蝕先性亦影減小予；后杏者，冊可鉆她性增與大，稠磨蝕激性亦閑增大程。③奏石英痕礦物猜與其廈他礦旗物或遇不同支礦物啟間結決合方鮮式關址系。礦物之轉間的接處觸關系汽，能客補觀地反馬映出巖婆石的堅悅固性程偵度。因哀此，礦腔物之間奇的接觸夢關系，絞對可鉆侍性與磨遍蝕性的數變化是鐘有影響敬的。在噸石英含現量、顆厚粒大小菊相近的恢條件下瓜，顆粒怨外形不感規(guī)則的窗石英和棄顆粒外煌形較規(guī)籮則的石纖英與同刑種礦物折或不同罩礦物接感