工程爆破中的巖石力學(xué)性質(zhì)與分級

1、第2章 巖石力學(xué)性質(zhì)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(jù)和分級 2.3 巖石的可鉆性 2.4 可鉆性與磨蝕性的關(guān)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(zhì)，主要是與工程爆破有關(guān)的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，同時要掌握工程爆破中巖石性質(zhì)的表達(dá)方式巖石的分級。本章內(nèi)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(xiàn)出的抵抗鉆頭等機械作用而破壞的性質(zhì)，爆破性則是指巖石在爆破作用下表現(xiàn)出的性質(zhì)。巖石自身物理力學(xué)性質(zhì)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(xué)指標(biāo)來表示。 影響巖石鑿

2、巖爆破性的主要因素: 巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)（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。 炸藥性質(zhì)、鉆頭結(jié)構(gòu)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(shù)等。 表2-1 幾種典型巖石的物理力學(xué)特性 礦物是構(gòu)成巖石的主要成分，礦物顆粒愈細(xì)、密度愈大，愈堅固，則愈難于爆破破碎。 巖石中礦物的結(jié)晶程度，晶粒大小，晶體形狀及其之間的組合關(guān)系，結(jié)構(gòu)決定了巖石內(nèi)部的連接情況，直接影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。 一般礦物晶粒愈細(xì)，愈致密，強度越大，鑿爆越難，沉積巖還與膠結(jié)成分有關(guān)；硅質(zhì)，泥質(zhì)不同，硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖不同。變質(zhì)巖的組分和結(jié)構(gòu)與變質(zhì)程度有關(guān)，一般

3、變質(zhì)程度高、致密的變質(zhì)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(chǎn)生大塊。風(fēng)化作用削弱了巖石的完整性和強度，使得風(fēng)化嚴(yán)重的巖石易于鑿巖和爆破破碎。2.1.1巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造(1)巖石容重 單位體積巖石的重量，其體積包括巖石內(nèi)部的孔隙，與巖石的質(zhì)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?jǐn)?shù)表示。(3)巖石的碎脹性 巖體破碎后體積松散膨脹的性質(zhì)；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(shù)。2.1.2 巖石的容重、孔隙度和碎脹性 根據(jù)外力作用和巖石變形特點的不同，巖石可能表現(xiàn)為

4、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(chǎn)生塑性變形而未產(chǎn)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(yīng)力而導(dǎo)致巖石破壞的能力,是材料力學(xué)中用以表示材料抵抗上述三種簡單應(yīng)力的常量，往往是在單軸靜載作用下的測定指標(biāo)。爆破時，巖石受的是瞬時沖擊載荷，所以要強調(diào)在三軸作用下的動態(tài)強度指標(biāo)，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?？梢姡瑒虞d強度比靜載強度為大。表22 幾種

5、巖石動、靜載強度試驗結(jié)果2.2 巖石鑿巖爆破性的判據(jù)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(shè)計、生產(chǎn)、管理和研究部門提供科學(xué)依據(jù)。 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(biāo)的平均值來表征巖石的堅固性。發(fā)展到現(xiàn)在還有一個指標(biāo)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(xiàn)在的普氏巖石堅固性分級實質(zhì)已經(jīng)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(shù) f。根據(jù) 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

6、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(rèn)為:決定巖石堅固性的基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)取決于在某一特定情況實際被應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)條件。根據(jù)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(biāo)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(xué)在上世紀(jì)80年代提出的巖石爆破性分級的判據(jù)，是在考慮爆破材料、參數(shù)、工藝等一定的條件下進

7、行現(xiàn)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(shù)，綜合評價巖石的爆破性，并進行巖石爆破性分級。 （1）測定方法爆破漏斗與塊度的測定聲測法 根據(jù)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(shù)據(jù)，運用數(shù)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(shù) N式中:V巖石爆破漏斗體積，m3 ； K1大塊率（30 cm），% ； K2平均合格率，%； K3小塊率（5 cm），% ； (C)巖體波阻抗，KPa ； e自然對數(shù)之底。（2)巖石爆破性指數(shù)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

8、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(yīng)的評價指標(biāo)。根據(jù)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(xué)指標(biāo)分級、按巖石的主要聲學(xué)指標(biāo)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(xiàn)場或?qū)嶒炇覂?nèi)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(biāo)來表示巖石的可鉆性。 東北大學(xué)設(shè)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

9、米，采用直徑400.5 毫米的一字形釬頭，鑲YG-11 C (K013型)硬合金片，刃角110 ，每沖擊一次轉(zhuǎn)15 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(shù)顯微鏡讀出釬刃兩端向內(nèi)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(biāo)。圖2-1 巖石鑿測器1-釬頭；2-承擊臺；3-插銷；4-導(dǎo)向桿；5-落錘；6-形環(huán)；7-操作繩；8-導(dǎo)桿頂；9-轉(zhuǎn)動把手（1）鑿碎比功 鑿碎比功是指鑿碎單位體積巖石所消耗的功，其值按下式計算：式中 鑿碎比功，J/cm3;； A總沖擊功，實際為18816J； V破碎巖石體積，cm3； A0落錘單次

10、沖擊功，39.2J/次； D鑿眼直徑，眼徑約比釬頭直徑大1mm，D=4.1cm； H鑿480次后的凈鑿眼深度,mm； 只要用深度卡尺量取凈深H后，由上式便可求出a 值的大小。按鑿碎比功的不同將巖石可鉆性分成七級，見表2-5。（2）釬刃磨鈍寬度b 釬刃磨鈍寬度是指落錘沖擊480次后，釬刃上從刃鋒兩端各向內(nèi)4mm處的磨鈍寬度平均值。釬刃磨鈍寬度b時用讀數(shù)顯微鏡和專用卡具量得的。表2-6 巖石磨蝕性分級級別鑿碎比功186187284285382383480481578579676677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）0.20.30.60.7磨蝕性弱中強表2-5 巖石鑿碎比

11、功分級2.3.2 按點載荷強度進行可鉆性分級 點載荷試驗是國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）試驗委員會推薦的一種便攜式測量方法。點載荷試驗是將試樣置于試驗機的兩個壓頭之間，逐漸加載，使試樣破壞，再用下式求得點載荷強度：式中：d巖芯或加載點的距離，mm； p為破壞荷載，N。2.3.3 按巖石硬度、切削強度和磨蝕性分級 巖石的硬度是指巖石抵抗其它物體刻劃、磨蝕、切削或壓入其表面的能力。硬度測定方法有壓入試驗、回彈試驗、劃痕試驗等，其測得的硬度分別稱為壓入硬度、回彈硬度和刻劃硬度等。1987年國際巖石力學(xué)委員會曾推薦用C-2肖氏硬度計和L型Schmidt錘硬度作為測量巖石硬度的標(biāo)準(zhǔn)方法。圖2-2 肖氏硬度

12、計 肖氏硬度計（圖2-2）是1906年美國的肖氏（A.E.Shore）研制的一種用以測定金屬材料硬度的儀器。其原理是用一帶金剛石尖重約4g的撞針，從25cm高外自由落下，撞擊材料表面，以撞針的回跳高度來表征硬度。硬度值由0140。這種方法后被用來測量磨光的巖石表面。（1）肖氏硬度計測硬度1-沖桿；2-氈圈；3-螺絲蓋帽；4-卡環(huán)；5-彈簧座；6-彈簧；7-拉力彈簧；8-套筒；9-指針彈簧片；10-指針；11-刻度尺；12-護尺透明片；13-指針異桿；14-導(dǎo)向板；15-彈簧；16-壓力彈簧；17-固定塊；18 蓋；19-固緊螺絲；20-調(diào)整螺絲；21-按鈕；22-鉤子；23-導(dǎo)桿；24錘 施密

13、特錘（Schmidt Hammer），又稱回彈儀(rebound instrument)，是用于測定巖石硬度的另一種簡便儀器。 工作原理如下： 先將沖桿1伸出，將回彈錘24向上拉，使卡鉤22抓住錘24，然后按下后蓋18頂在測定的巖石表面上推進。當(dāng)壓力彈簧16受壓，縮短到一定程度時，卡鉤脫開，回彈錘24由于拉力彈簧7的彈拉作用而撞擊在沖桿1上后向上彈跳，帶動指針10。通過窗口12在刻度尺上直接讀出回彈高度的數(shù)值。以回彈距離和移動距離的比值表示回彈硬度值（0100）。w1下（2）施密特錘測硬度 巖石壓入硬度一般利用圓柱形平底壓模壓入的方法來測定。試驗用試樣為5cm5cm5cm的立方體或直徑為46c

14、m，高為35cm的圓柱體。試樣兩端互相平行，表面拋光。壓頭形狀由工具鋼或硬質(zhì)合金制成。壓頭底面積為1-5mm2。在試驗致密和有均勻孔隙的巖石時，用底面積為2mm2的壓頭；當(dāng)巖石的顆粒大于0.25mm時，用3 mm2的壓頭；對于孔隙度很大和堅固性很小的巖石，用底面積為5 mm2或更大的壓頭。圖2-4 平底圓柱壓膜 采用這種方法時，硬度值按下列公式計算：式中：P壓模底部巖石發(fā)生完全破碎，即 脆性破碎形成凹坑時的載荷； n測定次數(shù)； SP壓模底面積；2.3.4 其他可鉆性分級方法簡介 其它的可鉆性分級方法主要有鉆進法和聲波法。 鉆進法又分為兩類：現(xiàn)場鉆進和微鉆鉆進（模擬鉆進）。 現(xiàn)場鉆進的方法是采用

15、一定的設(shè)備、選用一定的參數(shù)，以實際鉆進速度來表征巖石的可鉆性。 微鉆鉆進是一種以小比大的模擬鉆進方法，它并非用生產(chǎn)鉆機在現(xiàn)場鉆進，而是在模擬鉆進試驗臺或微鉆實驗臺上進行。通過模擬鉆進不但可直接獲得可鉆性指標(biāo)（鉆進一定孔深的時間或一定時間的鉆進深度），而且可得到鉆進數(shù)據(jù)和其它一些因素，如巖石物理力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗關(guān)系。 聲波法就是用聲波速度來劃分巖石的可鉆性級別。聲波檢測法具有快速、準(zhǔn)確、不損傷等特點，是評價巖石性質(zhì)的一種有效方法。w1刪（1）磨蝕過程的五種作用 由于接觸面并非絕對平整，真實的接觸面只有外觀面積的百分之一到萬分之一。局部的真實接觸壓力很大，當(dāng)它超過了彈性限度時便被磨損； 由于兩物體緊

16、密接觸，若其相互間的分子間的引力勝過自身分子間的引力，那么兩物體相對移動時，便把表面的分子層“粘”下來。尤其當(dāng)物體在結(jié)構(gòu)上存在缺陷時，這種情況更易發(fā)生； 由于物體表面參差不齊，產(chǎn)生機械的嚙合作用，相對移動時，便產(chǎn)生磨損。表面雖平整，但軟硬不均，也將會產(chǎn)生嚙合而磨損的作用； 嚙合作用不大，相對位移時雖然不足以使其磨損，但在反復(fù)微小的撞擊作用之下，表面便因疲勞而損壞； 由于局部凸起接觸，摩擦?xí)r產(chǎn)生大量熱能，使溫度升高到塑性變形乃至熔化。 一般來說，上述作用在工具磨蝕時是主要的作用，尤其是在擦蝕作用下更為重要，其他、三種作用在磨損作用下有著更多的意義。作用，對于硬質(zhì)合金工具的磨蝕作用有重要意義。2.

17、4 可鉆性與磨蝕性的關(guān)系（2）國內(nèi)外同行在可鉆性和磨蝕性方面的主要結(jié)論性觀點 同類巖石中與含石英礦物關(guān)系。 在含石英巖石中，可鉆性減小而磨蝕性增大，不含石英巖石可鉆性增大而磨蝕性減小。另外，同類巖石含石英多時，可鉆性減少，磨蝕性增大。 同類巖石中與組成巖石中的顆粒大小關(guān)系。 同類巖石中，當(dāng)石英含量相近的條件下，顆粒大小相近或變化幅度不大與顆粒大小懸殊比較，實測表明，前者可鉆性減小，磨蝕性亦減??；后者，可鉆性增大，磨蝕性亦增大。 石英礦物與其他礦物或不同礦物間結(jié)合方式關(guān)系。 礦物之間的接觸關(guān)系，能客觀地反映出巖石的堅固性程度。因此，礦物之間的接觸關(guān)系，對可鉆性與磨蝕性的變化是有影響的。在石英含量、顆粒大小相近的條件下，顆粒外形不規(guī)則的石英和顆粒外形較規(guī)則的石英與同種礦物或不同礦物接觸時，前者一般可鉆性減小，后者可鉆性增大。 石英礦物在巖石中的分布狀態(tài)。 同種巖石，在石英含量、顆粒大小相近的條件下，石英在巖石中呈均勻分布時?？摄@性減小，磨蝕性減??；反之，石英在巖石中呈不均勻狀分布時，可鉆性增大，磨蝕性增大。 巖石中含有硬質(zhì)礦物和軟質(zhì)礦物關(guān)系。 同類巖石中、在方解石含量、顆粒大小