爆破工程地质的基本知识（下）

风蚀地貌

1.2.2.2岩石的主要力学性质

岩石的力学性质可视为其在一定力场作用下性态的反映。岩石在外力作用下将发生变形，这种变形因外力的大小、岩石物理力学性质的不同会呈现弹性、塑性、脆性性质。当外力继续增大至某一值时，岩石便开始破坏，岩石开始破坏时的强度称为岩石的极限强度。因受力方式的不同而有抗拉、抗剪、抗压等强度极限。岩石与爆破有关的主要力学性质如下：

1.2.2.2.1岩石的变形特征

弹性：岩石受力后发生变形，当外力解除后恢复原状的性能。

塑性：当岩石所受外力解除后，岩石没能恢复原状而留有一定残余变形的性能。

脆性：岩石在外力作用下，不经显著的残余变形就发生破坏的性能。岩石因其成分、结晶、结构等的特殊性，它不象一般固体材料有明显的屈服点，脆性是坚硬岩石的固有特征。

1.2.2.2.2岩石的强度特征

岩石强度是指岩石在受外力作用发生破坏前所能承受的最大应力，是衡量岩石力学性质的主要指标。

单轴抗压强度：岩石试件在单轴压力下发生破坏时的极限强度。

单轴抗拉强度：岩石试件在单轴拉力下发生破坏时的极限强度。

抗剪强度：岩石抵抗剪切破坏的最大能力。抗剪强度τ用发生剪断时剪切面上的极限应力表示，它与对试件施加的压应力σ、岩石的内聚力c和内摩擦角θ有关，即τ =σtanθ+c 。

矿物的组成、颗粒间黏结力、密度以及孔隙率是决定岩石强度的内在因素。试验表明，岩石具有较高的抗压强度，较小的抗拉和抗剪强度。一般抗拉强度比抗压强度小90～98%，抗剪强度比抗压强度小87～92%。

弹性模量：弹性模量E是指岩石在弹性变形范围内，应力与应变之比。

泊松比：μ是指岩石试件单向受压时，横向应变与竖向应变之比。

由于岩石的组织成分和结构构造的复杂性，尚具有与一般材料不同的特殊性，如各向异性、不均匀性、非线性变形等级。

1.2.2.2.3 岩石的动力学性质

炸药爆炸加载于介质的载荷是冲击载荷，冲击载荷能引起介质中产生波的传播，在岩石动力学中常把应变率大于104/s的载荷称为动载荷，岩石在动应力作用下的一般力学性质表现为：

①动抗压、抗拉强度随加载频率提高而明显增加；

②动抗压与动抗拉强度之比非恒定值(表1-2)；

③在抗压试验中，除初始阶段外，加载速率和应变速度的对数呈线性关系；

④变形模量随加载速度增加而提高；

⑤岩性越差，风化越严重，强度越低，受加载速度的影响越明显。　

表1-2　几种岩石的动、静强度表

1.2.2.2.4岩石的波阻抗

岩石密度ρ与纵波在该岩石中的传播速度Cp的乘积，称为岩石的波阻抗。

波阻抗的大小除与岩石性质有关外，还与作用于岩石界面的介质性质有关。

炸药的波阻抗值与岩石的波阻抗值相接近(相匹配)时，爆破传给岩石的能量就多，在岩石中所引起的应变值就大，可获得较好的爆破效果。

1.2.2.2.5岩体在爆炸冲击载荷作用下的力学反应

岩体在爆炸冲击载荷作用下产生应力波，它在岩体中传播，能够引起岩体的变形乃至破坏。这种动力学反应的特点是：

①炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩体表明产生变形和运动。由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万兆帕，会在岩体表面产生冲击波。

②岩体中某局部被激发的应力脉冲使得岩体中产生明显的应力不均现象。

③岩体中各点产生的应力呈动态，即所发生的变形、位移和运动随时间而变化。

④载荷与岩体之间有明显的“匹配”作用。

1.2.2.2.6岩石受冲击动荷载作用与静荷载相比有下列特点：

（1）冲击荷载作用下形成的应力场（应力分布及大小）与岩石性质有关，静载则与岩性无关。

（2）冲击加载是瞬时性的，一般为毫秒级；静载则通常超过10s。因此，静力加载时应力可分布到较深、较大范围，变形和裂纹的发展也较充分。

（3）爆炸荷载在传播过程中，具有明显的波动特征，其质点除失去原来的平衡位置而发生变形和位移外，尚在原位不断波动，因此，岩石的动载变形特征同静载变形特征有本质的区别。

（4）通常，岩石的冲击动载强度比静载强度高，高出的比例依岩石性质和应变率不同而异。

1.3 岩石工程分级

为使工程爆破的设计施工人员对岩石的性质有一个整体把握，以选择最佳方法和设备来破碎各种不同的岩石，达到最佳的经济效果和最高的劳动生产率，国内外岩土界专家学者采取不同方法对岩石进行工程分级。

1.3.1按岩石坚固性分级

这种分级方法是前苏联学者普洛吉亚柯夫于20世纪20年代提出的。这种分级根据岩石单轴抗压强度值确定岩石坚固性系数，并按岩石的坚固性系数将岩石分为十个等级（表1-4）。岩石坚固性系数为：f=R/10,式中,f为岩石坚固性系数，R为岩石单轴抗压强度(MPa)。

表1-4　普氏岩石分级表

实际上有的岩石单轴抗压强度达到300MPa,为了保持原来普氏系数最大值f=20, 1995年苏联的巴隆修正普氏坚固性系数公式为： , 式中各符号意义同前。

普氏岩石坚固性系数分级方法抓住了岩石抵抗各种破坏方式能力趋于一致的这个主要性质，并从数量上用一个简单明了的岩石坚固性系数f表示这种共性，所以在工程爆破中被广泛采用。但是这种方法忽视了各岩石特性的特殊性和差异性，因此有一定的误差，显得有些片面和笼统，如难凿的岩石不一定难爆。

1.3.2东北大学岩石分级法

我国目前岩石分级状况，在概念上是普氏分级，而普氏分级系数f值的确定离散值很大，为了适应岩石分级的需要，东北大学综合考虑了爆破材料、工艺、参数等条件，进行了爆破漏斗实验和声波测定，根据爆破漏斗的体积、大块率、小块率、平均合格率和波阻抗等大量实验数据，运用数理统计多元回归分析及电算处理，得出了岩石可爆性指数f的公式：

式中：f为岩石可爆性指数；k_d为大块率,%;k_x为小块率,%；

k_p为平均合格率,% ；ρc为岩石波阻抗，g/(cm2·s)×105。

并按f值的大小将岩石划分为五级，见表1-5。

表1-5　东北大学岩石可爆性分级

1.3.3其它分级方法

1.3.3.1铁路隧道工程分级法

我国铁路隧道围岩分类法(该方法的特点是考虑岩石强度、岩体破碎程度、地下水、风化程度等因素)为基础，增加了K1(完整性系数)、Jv(体积节理数(条/m3))、RQD(岩石质量指标(％))、Is(岩石点荷载强度(MPa))、Vpm(岩体声波或地震波纵波速度(m/s))等定量指标，又有工程地质条件的定性描述，提出了以岩体质量数(RMQ)作为划分岩体级别的主要综合定性指标的新方案。按RMQ值的多少将隧道岩体分为五级。

1.3.3.2苏氏岩石分级方法

前苏联苏哈诺夫认为用不同方式破岩时,由于破岩机理不同,岩石表现的坚固性也未必趋于一致。所以他根据实际采用的采掘方法,并规定理论标准条件下的钻速、单位耗药量等对岩石进行分级,以表征岩石的坚固性,还给出了非标准条件下的修正系数。

普氏强调各种破岩方式的共性、同一性，而苏氏强调个性、差异性。苏氏岩石分级方法虽然现场可自行测定，但因其过于烦琐而很少采用。　

1.3.3.3哈努卡耶夫岩石分级方法

前苏联的哈努卡耶夫根据岩石的弹性纵波速度是岩石的动态属性，可以作为岩石物理力学性质的综合量度，又可以观测裂隙的影响，提出了岩石波阻抗是岩石可爆性分级的依据。

1.3.3.4利文斯顿爆破漏斗岩石分级方法

美国的利文斯顿认为，能量准则是研究岩石破坏的根本准则，它最能反映消耗能量的大小和爆破效果的好坏，从而也能表征岩石的可爆性。

1.3.3.5岩石爆破性分区

岩石爆破性分区是岩石可爆性分级的发展和进一步完善。

传统的岩石分级，包括岩石的可爆性分级都是以岩石为对象，或以岩石为抽样单元，根据实测的不同指标加以综合评判，确定某些指标作为划分等级的标准，例如普氏分级就是一个典型的实例。但是，露天矿的生产爆破是以爆区为单元进行的，为了准确地确定不同爆区的孔网参数、材料消耗定额和进行优化爆破，就必须以区域为中心对岩石的爆破性进行分区。其次，为了保持爆破性分区在一定时间内稳定性，例如露天矿在已知生产台阶爆破分区的同时，还希望知道下一台阶不同地段的爆破难易程度，这一点传统的岩石爆破性分级是难以做到的。

岩石爆破性分区是岩石可爆性分级的发展和进一步完善，更有利于在生产上应用，是爆破优化的基础工作。它与岩石可爆性分级的主要区别在于：在分区对象上，是以爆区为采样单元—样本，而不是以岩石为样本。在分区准则和采用何种数学方法进行指标的评判时可以各有差异。

举例：海南省铁炉港采石场岩体的块度分区

宏大爆破公司在海南省铁炉港采石场施工中，对岩体爆破性分区进行了深入的研究，提出影响岩体爆破最大块度及平均块度的因素主要有：

（1）岩体结构特性（包括各种结构面、弱面的分布情况以及结构面内充填物质的性质）；

（2）岩石特性（包括岩石的动态抗压强度、岩石的波阻抗等）；

（3）炸药特性（炸药的爆速、密度、波阻抗）；

（4）钻孔参数（底盘抵抗线、孔距、炮孔密集系数、超深、填塞长度），装药结构（不耦合系数、上部装药线密度及长度、下部装药线密度及长度）。

该工程以岩石坚固性系数、岩石种类、裂隙平均距离、炸药单耗、爆破漏斗体积和爆破块度分布指数作为指标对采矿场进行爆破性块度分区。将铁炉港采石场分为粉矿区（小于10kg）、小块区（10~200kg）、中块区（200~800kg）、大块区（大于800kg）、特大块区（大于1500kg）。

爆破工程地质

爆破工程地质的基本知识

岩石分类及其性质

1.3 岩石工程分级

1.4地质构造