爆破工程地质

土石方爆破工程是直接在岩土中进行的，所以爆破与地质关系密切。因此，在爆破过程中，必须一方面要考虑到地质条件对爆破作用的影响，另一方面也要考虑到爆破作用对爆破区的地质条件所带来的深远影响。与爆破关系密切的地质条件有①地形；②岩性；③地质构造；④水文地质；⑤特殊地质。在工程爆破工作中，通常是用凿岩设备在岩体内进行穿孔并装入炸药进行爆破的方法来破碎岩石或矿石。要有效地开展工程爆破工作，必须先了解岩石、岩体的基本性质，主要是与工程爆破有关的物理性质和力学性质。4爆破工程地质4.1岩石的物理力学性质(1)岩石的物理性质与爆破有关的岩石的物理性质主要包括孔隙率、容重、密度、硬度、碎胀性、裂隙性等。1)孔隙率孔隙率η，是指岩石中孔隙的总体积V0与岩石的总体积V之比，用百分率表示。岩石孔隙的存在，能削弱岩石颗粒之间的粘结力而使岩石强度降低，孔隙率越大，岩石强度降低得就越严重。岩石孔隙的存在，一方面使所需要的炸药能量降低，但另一方面会因炸药爆炸的能量会从孔隙逸出而使爆破效果受到影响。%1000VV2)密度及容重密度ρ(g/cm3),是指构成岩石的物质质量M对该物质所具有的体积V-V0之比，即：容重γ(t/m3),是指岩石的重量G对包括孔隙在内的岩石体积V之比，即：岩石的密度、容重主要影响岩石的抛掷、堆积和装运。一般地说，岩石的密度和容重越大，就越难以破碎，在抛掷爆破时需消耗较多的能量去克服重力的影响。几种岩石孔隙度、密度、容重见表4-1。0VVMVG表4-1几种岩石的孔隙度、密度、容重岩石名称孔隙度（%）密度（g/cm）容重（t/m3）花岗岩玄武岩辉绿岩石灰岩白云岩砂岩页岩板岩片麻岩大理岩石英岩粘土砂子0.5~1.50.1~0.20.6~1.25.0~201.0~5.05.0~2510~300.5~1.50.5~2.00.1~0.84530~502.6~2.72.8~3.02.85~3.02.71~2.852.5~2.62.58~2.692.2~2.42.3~2.72.9~3.02.6~2.72.65~2.91.6~2.11.5~1.72.56~2.672.75~2.902.8~2.92.46~2.652.3~2.42.47~2.562.0~2.32.1~2.572.65~2.852.52.54~2.851.6~2.01.4~1.63)硬度岩石的硬度是指岩石抵抗工具侵入的能力。凡是用刃具切削或挤压的方法凿岩，首先必须将工具压入岩石才能达到钻进的目的，因此研究岩石的硬度具有一定的意义。一般地说，硬度越大的岩石越难以凿岩和爆破，但值得注意的是，某些硬度较大的岩石往往比较脆，因而也容易爆破。4)岩石的碎胀性岩石破碎成块后，因碎块之间存在空袭而使总体积增加，这一性质称为岩石的碎胀性，它可用碎胀系数(松散系数)K表示(其值一般在1.2～1.6之间)。K是指岩石破碎后的总体积V1与破碎前总体积V之比，即：K=V1/V5)岩石的裂隙性岩体被认为是“由结构面和岩石组成的地质体”，所以岩体的弹性模量、波传播速度不同于岩石试件。泊松比大，弹性模量及波速小。岩体与岩石波速比值的平方来评价岩体的完整性，称为岩体的完整系数。岩体的性质由岩块和结构面共同决定。岩石的裂隙性对爆破能量的传递影响很大，并且由于岩石裂隙存在的差异性很大，使岩体的受力破坏问题更加复杂。(2)岩石的力学性质用炸药爆炸来破碎岩石是爆破工程的主要内容，而炸药爆炸加载于介质的载荷是冲击载荷，属于动力学范畴，因此，对岩石的力学性质研究不仅要研究其一般力学性质，还要对其动力学性质进行研究。1)岩石的静力学性质a.岩石的强度岩石的强度是指岩石抵抗外力破坏的能力。岩石的强度主要有：抗压、抗拉、抗弯、抗剪。由于在爆破工程中，岩石承受的是冲击载荷，因而其强度只是用来说明岩石坚固性的一个方面，岩石的可爆性不能完全根据岩石的强度指标来确定。b.静载变形特性岩石在外力作用下产生变形，其变形性质可用应力－应变曲线表示。岩石的应力－应变曲线①弹性—在弹性变形范围内，当外载去掉后，岩石恢复原形的性质,遵守虎克定律。线性弹性变形非线性弹性变形塑性屈服变形延性破坏比例极限脆性破坏弹性变形区塑性变形区②脆性—岩石没有产生显著的永久变形就开始破坏的性质，一般岩石呈脆性破坏。③塑性—与脆性相反，在破坏前有较明显的永久变形，如泥页岩，高岭土矿，巷道底鼓。④弹性模量：E=σ/ε。⑤剪切模量：G=τ/γ⑥泊松比：μ=ε2/ε1⑦G，E，μ的关系，根据材料力学的理论有：G=E/2（1+μ）⑧弹性后效：在弹性区内，应力消除后，应变并不能立即消失，而需要经过一段时间才能恢复，这就叫弹性后效。2)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4-2)；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。岩石种类应力波的平均传播速度（m/s）抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）加载速度(Mpa/s)载荷持续时间（ms）静态动态静态动态大理石和泉砂岩多湖砂岩群马砂岩辉绿岩石英-闪长岩4500~60003700~43001800~35004100~57005300~60003700~590090~110100~14015~25200~240320~350240~330120~200120~20020~50350~500700~800300~4005~98~92~316~2322~3211~1920~4050~7010~2020~3050~6020~30107~108107~108106~107107~108107~108107~10810~3020~3050~10010~2020~5030~50表4-2几种岩石的动、静强度表应变速率10-610-6～10-410-2～1010～103104载荷状态试验方法流变稳定加载静态夜压机加载准静态气动式快速加载准动态霍金逊杆加载动态爆炸或冲击加载dtda.炸药爆炸的载荷性质根据介质的应变速率(表4-3)、冲击速度和加载速度的不同，载荷性质可分为动载荷和静载荷。表4-3载荷状态分类应变速率是指应变随时间的变化率，即：(单轴弹性变形内)。b.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。c.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压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。4.2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)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4-4）。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4-4普氏岩石分级表等级坚实程度岩石名称容重（kg/m3）极限抗压强度（MPa）f值Ⅰ非常坚实最坚实，致密，强韧的石英岩及玄武岩，非常坚实的其它岩石2800~300020020Ⅱ很坚实很坚实的花岗岩类，石英斑岩，很坚实的花岗岩，硅质页岩，石英岩，最坚实的砂岩，石灰岩2600~270015015Ⅲ坚实致密的花岗岩和花岗岩类，很坚实的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚实的砾岩，很坚实的铁矿2500~260010010Ⅲa坚实石灰岩（坚实），不坚实的花岗岩，坚实的大理岩，白云岩，黄铁矿2500808Ⅳ尚坚实普通砂岩，铁矿2400606Ⅳa尚坚实砂质页岩，页状砂岩2300505Ⅴ中等坚实的砂质页岩，不坚实的砂质岩和石灰岩，软的砾岩2400~2800404Ⅴa中等各种页岩（不坚实），致密的泥灰岩2400~2600303Ⅵ尚软软质页岩，极软石灰岩，白垩，岩盐，石膏，冻土，破碎砂岩，胶结的卵石与砾石，石质土壤2200~260020~152Ⅵa尚软碎石土壤，破碎页岩，卵石与碎石的交互层，硬化粘土2200~24001.5Ⅶ软粘土（致密），粘土类土壤2000~22001.0Ⅶa软轻型沙质粘土，黄土，砾石1800~20000.8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。330RRf(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；kd为大块率,%;kx为小块率,%；kp为平均合格率,%；ρc为岩石波阻抗，g/(cm2·s)×105。])(ln[75.489.144.3803.242.722.67xpvdkkeckef并按f值的大小将岩石划分为五级，见表4-5。表4-5东北大学岩石可爆性分级级别f爆破性程度代表性岩石II1I22929.001～38极易爆千枚岩、破碎性砂岩、泥质板岩、破碎性白云岩IIII1II238.001～4646.001～53易爆角砾岩、绿泥片岩、米黄色白云岩IIIIII1III253.001～6363.001～68中等阳起石石英岩、煌斑岩、大理岩、灰白色白云岩IVIV1IV268.001～7474.001～81难爆磁铁石英岩、角闪斜长片麻岩VV1V281.001～8686极难爆矽卡岩、花岗岩、矿体浅色砂岩、石英片岩(3)其它分级方法a.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。b.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。c.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