第2章-岩石力学性质与分级

第2章岩石力学性质与分级2.1影响岩石凿岩爆破性的因素2.2岩石凿岩爆破性的判据和分级2.3岩石的可钻性2.4可钻性与磨蚀性的关系岩石和矿岩是工程爆破的工作对象。要有效地开展工程爆破工作，必须先了解岩石的基本性质，主要是与工程爆破有关的物理性质和力学性质，同时要掌握工程爆破中岩石性质的表达方式—岩石的分级。本章内容提要2.1影响岩石凿岩爆破性的因素凿岩性岩石在钻孔中表现出的抵抗钻头等机械作用而破坏的性质，爆破性则是指岩石在爆破作用下表现出的性质。岩石自身物理力学性质在凿岩爆破工艺中的综合反映，影响着整个凿岩爆破效率和效果，通常可以用岩石的单一物理力学指标来表示。影响岩石凿岩爆破性的主要因素:①岩石本身的物理力学性质（见表2-1）。岩石密度、孔隙性、碎胀性、弹性、岩石的坚固性、岩石的裂隙性等。②炸药性质、钻头结构和凿岩爆破工艺等外在因素。钻孔工艺、钻具特性、炸药类型、爆破参数等。表2-1几种典型岩石的物理力学特性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。岩石中矿物的结晶程度，晶粒大小，晶体形状及其之间的组合关系，结构决定了岩石内部的连接情况，直接影响岩石的物理力学性质。一般矿物晶粒愈细，愈致密，强度越大，凿爆越难，沉积岩还与胶结成分有关；硅质，泥质不同，硅质页岩与炭质页岩不同。变质岩的组分和结构与变质程度有关，一般变质程度高、致密的变质岩比较坚固，较难爆破，反之则易爆破。岩石的裂隙性有的易于爆破破碎，有的则易于产生大块。风化作用削弱了岩石的完整性和强度，使得风化严重的岩石易于凿岩和爆破破碎。2.1.1岩石的结构构造(1)岩石容重单位体积岩石的重量，其体积包括岩石内部的孔隙，与岩石的质量不同。(2)岩石孔隙度孔隙的体积(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。(3)岩石的碎胀性岩体破碎后体积松散膨胀的性质；破碎后的岩石体积与破碎前的岩石体积的比值称为碎胀系数。2.1.2岩石的容重、孔隙度和碎胀性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。塑性大的岩石受外载作用超过其弹性极限后，产生塑性变形而未产生有效破碎，能量消耗大，难于爆破；脆性、弹脆性岩石均易于爆破。岩石强度是表示岩石抵抗压、剪、拉诸应力而导致岩石破坏的能力,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，所以要强调在三轴作用下的动态强度指标，才能真实地反映岩石的爆破性，但全围压（三轴）试验难度较大。2.1.3岩石强度和弹塑性对岩石爆破的影响表2-2是用雷管模拟爆破和用材料试验机加载试验所得的几种岩石的动、静载强度。可见，动载强度比静载强度为大。表2-2几种岩石动、静载强度试验结果2.2岩石凿岩爆破性的判据和分级岩石分级是按照岩石作业工艺，从量上分别对岩石进行分级，为设计、生产、管理和研究部门提供科学依据。2.2.1普式岩石坚固性分级早在1926年前，普氏提出了用岩石试块七项指标的平均值来表征岩石的坚固性。发展到现在还有一个指标——岩石试块的静载极限抗压强度有意义,但单位由原来的公斤米制变为牛米制，所以现在的普氏岩石坚固性分级实质已经不是原来普氏的分级，而是岩石单轴抗压强度（牛米制单位）的换算值，即普氏系数f。根据f值将岩石分为10级，f值大，则难钻岩、难爆破、岩石稳定，反之，f值小，则易钻岩、易爆破、岩石不稳定。2.2.2苏氏分级苏氏分级是苏哈诺夫在30年代针对普氏分级而提出的岩石分级。他认为:决定岩石坚固性的基础应当取决于在某一特定情况实际被应用的具体采掘方法。他用崩落1m3岩石所消耗的炸药量（kg/m3）或单位炮眼长度(m/m3)来表征岩石的爆破性，同时，规定了一系列的测试标准条件。根据单位炸药消耗量和单位炮眼长度将岩石分为16级。如果需要的炸药单耗量多、单位炮眼长，则岩石难爆;反之，则易爆。表2-3给出了普式分级和苏氏分级的指标对比。表2-3普氏分级与苏氏分级(爆破性)的对比参考表普氏分级苏氏分级代表性岩石坚固性系数f等级坚固程度爆破性等级二号硝铵炸药单耗q（kg/m3）20Ⅰ最坚固最难爆1238.36.75.3致密微晶石英岩极致密无氨化物石英岩最致密石英岩和玄武岩181512Ⅱ很坚固很难4564.23.83.0极致密安山岩和辉绿岩石英斑岩极致密硅质砂岩108ⅢⅢa坚固难782.42.0致密花岗岩、坚固铁矿石致密砂岩和石灰岩65ⅣⅣa相当坚固中上等9101.51.25砂岩砂质页岩43ⅤⅤa中等中等11121.00.8不坚固的砂岩和石灰岩页岩、致密泥质岩21.5ⅥⅥa相当软弱中下等13140.60.5软页岩无烟煤1.00.8ⅦⅦa软弱易爆15160.40.3致密粘土、软质煤岩浮石、凝灰岩0.60.50.3ⅧⅨⅨ土质松散流沙不用爆——2.2.3爆破漏斗等综合分级东北大学在上世纪80年代提出的岩石爆破性分级的判据，是在考虑爆破材料、参数、工艺等一定的条件下进行现场爆破漏斗试验和声波测定所获得的，通过计算出岩石爆破性指数，综合评价岩石的爆破性，并进行岩石爆破性分级。（1）测定方法①爆破漏斗与块度的测定②声测法根据爆破漏斗体积、大块率、小块率、平均合格率和岩体波阻抗的大量数据，运用数理统计的多元回归分析，通过计算机运算，最终求得岩石爆破性指数N67.227.422.03138.441.894.7523.(1.01)()lnVeKCNeKK式中:V—岩石爆破漏斗体积，m3；K1—大块率（＞30cm），%；K2—平均合格率，%；K3—小块率（＜5cm），%；(ρC)—岩体波阻抗，KPa；e—自然对数之底。（2)岩石爆破性指数表2-4岩石爆破性分级表级别爆破性指数N爆破性程度代表性岩石ⅠⅠ129极易爆千枚岩、破碎性砂岩、、泥质板岩破碎性白云岩Ⅰ229.001~38ⅡⅡ138.001~46易爆角砾岩、绿泥岩、米黄色白云岩Ⅱ246.001~53ⅢⅢ153.001~60中等阳起石石英岩、煌斑岩、大理岩灰白色白云岩Ⅲ260.001~68ⅣⅣ168.001~74难爆磁铁石英岩、角闪岩长片麻岩Ⅳ274.001~81ⅤⅤ181.001~86极难爆矽卡岩、花岗岩、浅色砂岩Ⅴ2862.3岩石的可钻性（1）岩石的可钻性表示钻头在岩石上钻眼的难易程度。由于岩石可钻性的影响因素较多，科研工作者从不同角度提出了各自的分级方法及相应的评价指标。根据所用的分级评价原则不同，可以得到不同的分级。（2）岩石的可钻性分级按凿碎比功分级、按点荷强度分级、按岩石硬度、切削强度和磨蚀性分级、按断裂力学指标分级、按岩石的主要声学指标分级、按最小体积比能分级、按岩石的A、B值分级、按岩石的单轴抗压强度分级等等。下面着重介绍前三种分级方法。2.3.1按凿碎比功分级在现场或实验室内采用实际或缩小比例的微型模拟钻头进行钻眼试验，并以钻速、钻一定深度炮眼所需的时间和钻头的磨损量、凿碎比功耗等指标来表示岩石的可钻性。东北大学设计出了一种岩石凿测器，如图2-1所示。凿测器锤重4公斤，落高1米，采用直径40±0.5毫米的一字形钎头，镶YG-11C(K013型)硬合金片，刃角110º，每冲击一次转15º角，测定每种岩样共冲击480次，每凿24次清一次岩粉。冲击完后，计算比功耗和用带专用卡具的读数显微镜读出钎刃两端向内4毫米处的磨钝宽度，作为岩石可钻性和磨蚀性（磨损钻头的能力）分级的指标。图2-1岩石凿测器1-钎头；2-承击台；3-插销；4-导向杆；5-落锤；6-△形环；7-操作绳；8-导杆顶；9-转动把手（1）凿碎比功凿碎比功是指凿碎单位体积岩石所消耗的功，其值按下式计算：02248039.214252(4.1)410410ANAHHVHD式中—凿碎比功，J/cm3;；A—总冲击功，实际为18816J；V—破碎岩石体积，cm3；A0—落锤单次冲击功，39.2J/次；D—凿眼直径，眼径约比钎头直径大1mm，D=4.1cm；H—凿480次后的净凿眼深度,mm；只要用深度卡尺量取净深H后，由上式便可求出a值的大小。按凿碎比功的不同将岩石可钻性分成七级，见表2-5。（2）钎刃磨钝宽度b钎刃磨钝宽度是指落锤冲击480次后，钎刃上从刃锋两端各向内4mm处的磨钝宽度平均值。钎刃磨钝宽度b时用读数显微镜和专用卡具量得的。表2-6岩石磨蚀性分级级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ凿碎比功186187~284285~382383~480481~578579~676≥677可钻性极易易中等中难难很难极难类别123钎刃磨钝宽度（mm）＜0.20.3~0.6＞0.7磨蚀性弱中强表2-5岩石凿碎比功分级2.3.2按点载荷强度进行可钻性分级点载荷试验是国际岩石力学学会（ISRM）试验委员会推荐的一种便携式测量方法。点载荷试验是将试样置于试验机的两个压头之间，逐渐加载，使试样破坏，再用下式求得点载荷强度：2dpIs式中：d—岩芯或加载点的距离，mm；p—为破坏荷载，N。2.3.3按岩石硬度、切削强度和磨蚀性分级岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体刻划、磨蚀、切削或压入其表面的能力。硬度测定方法有压入试验、回弹试验、划痕试验等，其测得的硬度分别称为压入硬度、回弹硬度和刻划硬度等。1987年国际岩石力学委员会曾推荐用C-2肖氏硬度计和L型Schmidt锤硬度作为测量岩石硬度的标准方法。图2-2肖氏硬度计肖氏硬度计（图2-2）是1906年美国的肖氏（A.E.Shore）研制的一种用以测定金属材料硬度的仪器。其原理是用一带金刚石尖重约4g的撞针，从25cm高外自由落下，撞击材料表面，以撞针的回跳高度来表征硬度。硬度值由0~140。这种方法后被用来测量磨光的岩石表面。（1）肖氏硬度计测硬度1-冲杆；2-毡圈；3-螺丝盖帽；4-卡环；5-弹簧座；6-弹簧；7-拉力弹簧；8-套筒；9-指针弹簧片；10-指针；11-刻度尺；12-护尺透明片；13-指针异杆；14-导向板；15-弹簧；16-压力弹簧；17-固定块；18盖；19-固紧螺丝；20-调整螺丝；21-按钮；22-钩子；23-导杆；24锤施密特锤（SchmidtHammer），又称回弹仪(reboundinstrument)，是用于测定岩石硬度的另一种简便仪器。工作原理如下：先将冲杆1伸出，将回弹锤24向上拉，使卡钩22抓住锤24，然后按下后盖18顶在测定的岩石表面上推进。当压力弹簧16受压，缩短到一定程度时，卡钩脱开，回弹锤24由于拉力弹簧7的弹拉作用而撞击在冲杆1上后向上弹跳，带动指针10。通过窗口12在刻度尺上直接读出回弹高度的数值。以回弹距离和移动距离的比值表示回弹硬度值（0~100）。[w1]下（2）施密特锤测硬度岩石压入硬度一般利用圆柱形平底压模压入的方法来测定。试验用试样为5cm×5cm×5cm的立方体或直径为4~6cm，高为3~5cm的圆柱体。试样两端互相平行，表面抛光。压头形状由工具钢或硬质合金制成。压头底面积为1-5mm2。在试验致密和有均匀孔隙的岩石时，用底面积为2mm2的压头；当岩石的颗粒大于0.25mm时，用3mm2的压头；对于孔隙度很大和坚固性很小的岩石，用底面积为5mm2或更大的压头。图2-4平底圆柱压膜采用这种方法时，硬度值按下列公式计算：PPHnS式中：P—压模底部岩石发生完全破碎，即脆性破碎形成凹坑时的载荷；n—测定次数；SP—压模底面积；2.3.4其他可钻性分级方法简介其它的可钻性分级方法主要有钻进法和声波法。钻进法又分为两类：现场钻进和微钻钻进（模拟钻进）。现场钻进的方法是采用一定的设备、选用一定的参数，以实际钻进速度来表征岩石的可钻性。微钻钻进是一种以小比大的模拟钻进方法，它并非用生产钻机在现场钻进，而是在模拟钻进试验台或微钻实验台上进行。通过模拟钻进不但可直接获得可钻性指标（钻进一定孔深的时间或一定时间的钻进深度），而且可得到钻进数据和其它一些因素，如岩石物理力学性质的经验关系。声波法就是用声波速度来划分岩石的可钻性级别。声波检测法具有快速、准确、不损伤等特点