岩石构造与性质对爆破的影响

高等岩石力学作业简述岩石构造与性质对爆破的影响简述岩石构造与性质对爆破的影响【摘要】本文主要阐述了岩石的裂隙性和岩石的坚固性对岩石爆破影响，并提出 相关的分析。1、岩石分类岩石是一种或几种矿物组成的天然集合体12，其种类很多，但按其成因， 可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。另外，第四纪以来，由于风化作用、 流水作用、风的作用等各种地质作用的结果，形成了各种堆积物，这些堆积物尚 未硬结成岩，一般统称为松散沉积物。2、与爆破相关的岩石性质岩石介质对爆破作用的抵抗能力与其性质有关，对三种不同性质的岩石而 言，一般的说岩浆岩可爆性较差（对爆破作用的抵抗能力最强），沉积岩和变质 岩的可爆性较好。岩石的基本性质从根本上说决定于其生成条件、矿物成分、结 构构造状态和后期地质的营造作用。用来定量评价岩石的物理力学性质的参数有 100多个，但与爆破有关的主要参数，一般来说有10 个34，如：密度、堆积密 度、孔隙率、岩石的波阻抗、岩石的风化程度、岩石的抗冻性、岩石的变形特征、 岩石的强度特征、弹性模量、泊松比58。（1）密度密度指岩土的颗粒质量与所占体积之比。一般常见岩石的密度在14003000kg/ m 3之间。（2）堆积密度堆积密度指包括孔隙和水分在内的岩土总质量与总体积之比，也称单位体积 岩石质量。密度与堆积密度相关，密度大的岩石其堆积密度也大。随着堆积密度 的增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力也增强，破碎岩石和移动岩石所耗费 的能量也增加。（3）孔隙率岩石的孔隙率 n 是指岩石中孔隙率体积与岩石的总体积之比，也称孔隙度。 常见岩石的孔隙率一般在 0.1%30%之间。随着孔隙率的增加，岩石中冲击波和应力波的传播速度降低。（4）岩石的波阻抗岩石的波阻抗指岩石中纵波波速（C）与岩石密度（）的乘积。岩石的这一性质与炸药爆炸后传给岩石的总能量及这一能量传递给岩石的效率有直接关 系。它反映了岩石对动量传递的抵抗能力，波阻抗大的岩石往往比较难以爆破。（5）岩石的风化程度岩石的风化程度指岩石在地质内力和外力的作用下发生破坏疏松的程度。（6）岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。岩石的 抗冻性是指岩样在25c的温度区间内，反复降温、冻结、升温、溶解，其抗压 强度有所下降。（7）岩石的变形特征岩石的变形特征有：弹性、塑性、脆性（8）岩石的强度特征岩石的强度特征：单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度（ 9） 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。（ 10 ） 泊松比泊松比口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、非线性变形等等。3、岩石爆破机理岩石在爆破作用下破碎的物理力学性质3。它为正确进行爆破设计、合理选 用炸药和控制爆破作用提供科学的依据爆破机理学说，由于炸药的爆炸是一个高 温高压和高速的复杂变化过程，而岩石又是一种千变万化的非均质介质。因此， 在解释岩石爆破破碎机理时出现了各种各样的学说。综合起来可以归纳为三种:（1） 爆炸气体膨胀造成拉伸破坏认为炸药在岩石中爆炸时，爆生气体膨胀的压力作用 在药室的周壁上，在岩石中产生压应力和与它相对应的垂直拉应力，由于岩石的 抗拉强度低，当这种拉应力超过岩石的抗拉强度时，便会引起岩石破坏，因此岩 石的破碎主要是爆生气体膨胀压力引起的。 (2)拉伸应力波破坏炸药在岩石中爆 炸产生的应力波传到自由面后，反射成拉伸波，由于岩石抗拉强度低，因此从自 由面开始，由外向里使岩石产生片状断裂，是岩石破碎的主要原因。 (3)应力波 和爆生气体膨胀压共同作用应力波在药室周壁上产生初始的径向裂隙，而爆生气 体则挤人这些裂隙内并使它扩张和延伸，直至岩石完全破碎。因此岩石破碎是应 力波和爆生气体膨胀压共同作用的结果。这一学说越来越为人们所认同。岩体爆 破作用圈若将一个球形药包埋在无限深的均质岩体中，随着离药包距离的不同， 爆炸会产生不同的爆破效果。直接与药包接触的岩石将受到超高压冲击波的冲 击和压缩作用，这种压力大大超过岩石的动抗压强度。 若岩石具有可塑性，将 受到强烈压缩而形成压缩圈。但对大多数坚硬岩石来说，可塑性很小，岩石受到 强烈冲击和压缩后将被粉碎，形成粉碎圈，其半径一般为药包半径的 24 倍。粉 碎圈以外的岩石，受到衰减后应力波的径向压缩作用而引起切向拉伸，当拉伸应 力超过岩石的动抗拉强度时，便在粉碎圈外产生放射状的径向裂隙，而爆生的高 压气体便挤人裂隙中，促使裂隙进 一步扩张和延伸；应力波通过后，受压缩的 岩石迅速卸载，发生向心的径向运动，而引起环状的拉伸裂隙。径向和环状裂隙 的相互交错，将岩石割裂破碎。通过破裂圈以外的应力波，由于急剧衰减，它的 大小已低于岩石的强度，再也不能引起岩石破碎，而只能引起岩石质点作弹性振 动，形成震动圈。引起岩石变形及破坏的荷载有动荷载和静荷载之分。普遍认为，在动荷载作 用下岩石的力学性质将发生很大变化，它的动力学强度比静力学强度增大很多， 变形模量也明显增大。炸药爆炸是一种强扰动源，爆轰波瞬间作用在岩石界面上， 使岩石的状态参数产生突跃，形成强间断，并以超过介质声速的冲击波的形式向 外传播。因而岩石在炸药爆炸作用下，承受的是一种荷载持续时间极短、加载速 率极高的冲击型典型动态荷载。4、结构面对爆破的影响作用在实际爆破过程中岩石动力特性的影响要低于岩体结构面的影响。 结构面的类型有三类：原生结构面、构造结构面和次生结构面，结构面对爆 破影响作用有六种911。1、应力集中作用由于软弱带或软弱面的存在，使岩石的连续性遭到破坏。当岩石受力时，岩 石便从强度最小的软弱带或软弱面处首先开裂，在裂开的过程中，在裂缝尖端发 生应力集中，特别是岩石早爆破应力作用下的破坏时瞬时的，来不及进行热交换， 且处于脆性状态，结果使应力集中现象更加突出。因此，在岩石中软弱面交发育 的爆破地区，其单耗量K应相应降低。1、应力波的反射增强作用由于软弱带的密度、弹性模量和纵波波速均比两侧岩石的值小，当波传至两 者的界面处时，便发生反射，反射回去的波与随后继续传来的波相叠加，当其同 相位时，应力波便会增强，使软弱带迎波一侧岩石的破坏加剧。对于张开的软弱 面，这种作用亦较明显。但是，究竟是哪一级软弱带或软弱面足以产生明显的反射增强作用，这主要 与爆破规模有关，也就是取决于压缩应力波传播过程中引起的岩石压缩变形，足 以使张开的软人民紧密闭合，或者使软弱面的密度增大到和两侧岩石相差不大 时，软弱面或软弱带对应力波的反射增强作用可忽略不计。因此，软弱带和软弱 面对爆破效果的影响问题，必须视爆破规模区别对待，对于施工开挖小炮，不大 的裂隙面即可影响其效果，对于大规模的群药包爆破，小的断层破碎带对其影响 也不会很显著。2、能力吸收作用由于界面的反射作用和软弱带介质的压缩变形与破裂，使软弱带背波侧应力 波因能量被吸收而减弱。它与反射增强作用同时产生。因而，软弱带可保护其背 波侧的岩石，使其破坏减轻。同样，空气充填的张开裂隙，也有能量吸收作用。3、泄能作用当软弱带或软弱面穿过爆源通向临空面，且有爆源到临空面间软弱带或软弱 面的长度小于爆破药包最小抵抗线W时，炸药的能量便可以“冲炮”或其他形 式泄出，使爆破效果明显降低。4、锲入作用在高温高压爆炸气体的膨胀作用下，爆炸气体沿岩体软弱带高速倾入时，将 使岩体沿软弱带发生锲形块裂破坏。5、改变破裂线作用当爆破漏斗范围存在较大的结构面（如断层面、层理面等）时，根据其结构 面与药包的相对位置和产状不同，将会影响漏斗形状大小，减少或增加爆破方量， 不能达到预定的抛掷方向和堆积集中程度。硐室爆破中常见如下几种情况对爆破 漏斗的影响。（1）结构面在药包后且截切上破裂线R/时（如图1），爆破后上破裂线必沿结 构面发展，使上破裂线比原设计缩小，减少了爆破方量，抛掷作用加强。（2）当结构面在药包前，且截切上破裂线R/时，爆破后上部岩块将会沿结构 面坍滑，是上破裂线后仰，爆破方量大，大块率高（如图2）图1结构面在药包后（3）当一组结构面与最小抵抗线斜交时，爆破漏斗形状和抛掷方向都将会受到 影响。（4）当一组结构面与最小抵抗线垂直或平行时，抛掷方向不会改变，但爆破漏 斗形状和爆破方量将受影响。岩体的强度受岩石强度和结构面强度的控制，在更多的情况下，主要受结构 面强度的控制，所以岩块的破裂面大多数是沿岩体内部的结构面形成的。爆后岩 块特征的统计表明，凡是沿结构面形成的爆块表面，均呈风化状态；凡是由岩石 断裂形成的岩块表面，均呈新鲜状态。5、岩石的结构（组分）、内聚力对岩石爆破性的影响岩石由固体颗粒组成，其间有空隙，充填有空气、水或其它杂物。当岩石受 外载荷作用，特别是在受炸药爆炸冲击载荷作用下，将引起物态变化，从而导致 岩石性质的变化。矿物是构成岩石的主要成分，矿物颗粒愈细、密度愈大，愈坚固，则愈难于 爆破破碎。矿物密度可达 4g/cm3 以上，岩石的容重不超过其组成矿物的密度。 岩石容重一般为1.03.5g/cm3 12。随着密度增加，岩石的强度和抵抗爆破作用 的能力增大，同时，破碎或抛移岩石所消耗的能量也增加，这就是一般岩浆岩比 较难以爆破的原因。至于沉积岩的爆破性，除了取决于其矿物成分之外，很大程 度受其胶结物成分和颗粒大小的影响。例如，沉积岩中细粒有硅质胶结物的，则 坚固，难爆破;含氧化铁质胶结物的次之;含有石灰质和粘土质胶结物的沉积岩不 坚固，易爆破。变质岩的组分和结构比较复杂，它与变质程度有关。一般变质程 度高、质量致密的变质岩比较坚固，难爆;反之则易爆破。岩石又是由具有不同化学成分和不同结晶格架的矿物以不同的结构方式所 组成。由于矿物成分的化学键各不相同，则其分子的内聚力也各不相同。于是， 矿物晶体的强度便取决于晶体分子之间作用的内力、晶体结构和晶体的缺陷。通 常，晶体之间的内聚力，都小于晶体内部分子之间的内聚力。并且，晶粒越大， 内聚力越小，细粒岩石的强度一般比粗粒岩石的大。又因为晶体之间的内聚力小 于晶体内的内聚力，所以，破坏裂缝都出现在晶粒之间。岩石中普遍存在着以孔隙、气泡、微观裂隙、解理面等形态表现出来的缺陷， 这些缺陷都可能导致应力集中。因此，微观缺陷将影响岩石组分的性质，大的裂 隙还会影响整体岩石的坚固性，使其易于爆破。岩体的裂隙性，不但包括岩石生成当时和生成以后的地质作用所产生的原生 裂隙，而且包括受生产施工、周期性连续爆破作用所产生的次生裂隙。它们包括 断层、褶曲、层理、解理、不同岩层的接触面、裂隙等弱面。这些弱面对于爆破 性的影响有两重性:一方面，弱面可能导致爆生气体和压力的泄漏，降低爆破能 的作用，影响爆破效果;另一方面，这些弱面破坏了岩体的完整性，易于从弱面 破裂、崩落，而且，弱面又增加了爆破应力波的反射作用，有利于岩石的破碎。 但是，必须指出，当岩体本身包含着许多尺寸超过生产矿山所规定的大块 （不合 格大块）的结构尺寸时，只有直接靠近药包的小部分岩石得到充分破碎，而离开 药包一定距离的大部分岩石，由于已被原生或次生裂隙所切割，在爆破过程中， 没有得到充分破碎，在爆破震动或爆生气体的推力作用下，脱离岩体、移动、抛 掷成大块。这就是裂隙性岩石有的易于爆破破碎，有的则易于产生大块的两重性。 因此，必须了解和掌握岩体中裂隙的宽窄、长短、间距、疏密、方向、裂隙内的 充填物、结构体尺寸和结构体含量百分率，以及它们与炸药、爆破工艺参数的相 互关系等等。例如，垂直层理、裂隙爆破时，比较容易破碎;而平行或顺着层理、 裂隙的爆破则比较困难。此外，风化作用瓦解岩石各组分之间的联系，因此，风化严重的岩石，易于 爆破破碎。6、岩石容重、孔隙度和碎胀性对岩石爆破性的影响岩石容重表示单位体积岩石的重量，其体积包括岩石内部的孔隙。岩石孔隙 度，等于孔隙的体积（包括气相或液相体积）与岩石总体积之比。可用单位体积岩 石中孔隙所占的体积表示，也可用百分数表示。通常岩石的孔隙度为0.1%50 %（般岩浆岩为0.5%2%,沉积岩为2.5%15%）。当岩石受压时，孔隙度减 少，例如，粘土孔隙度 50%，受压后为 7%。随着孔隙度增大，冲击波和应力波 在其中的传播速度降低。容重大的岩石难以爆破，因为要耗费很大的炸药能量来 克服重力，才能把岩石破裂、移动和抛扔。岩石的碎胀性是岩体破碎后体积松散胀膨的性质 ;破碎后的岩石体积与破碎 前的比值称为碎胀系数。碎胀性与岩体结构及被破碎的程度有关，根据它可以衡 量岩石破碎程度，用其计算补偿空间的大小。7、岩石弹性、塑性、脆性和岩石强度对岩石爆破性的影响从力学观点看，根据外力作用和岩石变形特点的不同，岩石可能表现为塑性、 弹性、粘弹性、弹脆性和脆性等特征。塑性岩石和弹性岩石受外载作用超过其弹性极限后，产生塑性变形，能量消 耗大，将难于爆破（如粘土性岩石）;而脆性岩石（几乎不产生残余变形）、弹脆性岩 石均易于爆破（如脆性煤炭）。岩石的塑性和脆性不仅与岩石性质有关，而且与它 的受力状态和加载速度有关。位于地下深处的岩石，相当于全面受压，常呈塑性， 而在冲击载荷下又表现为脆性。当温度和湿度增加，也能使岩石塑性增大。通常， 在爆破作用下，岩石的脆性破坏是主要的、大量的。相反，靠近药包的岩石，却 易呈塑性破坏，虽然其破坏范围很小，但却消耗大部分能量于塑性变形上1214。为了深入研究岩石爆破性与爆破载荷的关系，一般把岩石视作弹性体或粘弹 性体，炸药在岩体内爆破时，以冲击波和弹性波的形式从药包中心向周围岩石传 播，并以弹性变形能或强度作为分析和探讨岩石爆破性的依据。岩石强度是表示岩石抵抗压、剪、拉诸应力，从而导致岩石破坏的能力。它 本来是材料力学中用以表示材料抵抗上述三种简单应力的常量，往往是在单轴静 载作用下的测定指标。爆破时，岩石受的是瞬时冲击载荷，所以应对岩石强度赋 以新的内容，要强调在三轴作用下的动态强度指标。只有如此，才能真实地反映 岩石的爆破性。岩石的抗压极限强度(。压)最大，抗剪(。剪)次之，抗拉(。拉)最小。一般有 如下关系：。拉=(1/101/50)。压，。剪=(1 /8-1/12)。压因此，尽可能使岩 石处于受拉伸或剪切状态下，以利于爆破破碎，提高爆破效果从表中可见，动载 强度比静载强度为大1516。8、结语岩石是爆破的对象，岩石的爆破性是岩石自身物理力学性质和炸药、爆破工 艺的综合反映，而岩石本身的物理力学性质是最主要的影响因素，炸药爆炸对岩 石的爆破作用主要有两个方面，其一是使岩石原生的、次生的裂隙扩张而破坏 ; 其二是克服岩石颗粒之间的内聚力，使岩石内部结构破裂，产生新鲜断裂面。前 者受岩石裂隙性所控制;后者则取决于岩石本身的坚固程度。因此，岩石的裂隙 性和岩石的坚固性是影响岩石爆破性最根本的影响因素。参考文献 (References)1徐志英，等岩石力学M.中国水利水电出版社,19932董学晟，等水工岩石力学M.中国水利水电出版社,20043汪旭光，等.爆破设计与施工M.北京：冶金工业出版社,20114张正宇，张文煊，吴新霞，李长生，等.现代水利水电工程爆破M.中国水利水电出版社,2002冯夏庭，等译.工程岩石力学(下卷)：实例问答M.北京：科学出版社,2009.6 黄理兴，陈奕柏.我国岩石动力学研究状况与发展J.岩石力学与工程学报,2003, 22(11):18811886.HUANG Li-xing, CHEN Yi-bai. 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