浅谈岩体结构与岩体爆破、装药对块度的影响

浅谈岩体结构与岩体爆破、装药对块度的影响
0 前言
在港口码头、防波堤等工程施工中，对石料要求较为严格，不同的规格块石需分时段集中供应，还要严格控制并保证大块率。

本文旨在通过大块石爆破方法的探讨，提高大块石的产出率以解决因大块石产出不足，对汉班托塔港项目二期人工岛施工的制约。

1 岩体爆破破碎的损伤理论
1.1 岩体爆破破碎机理
1.1.1 爆炸荷载作用下岩体破碎原因
炸药爆炸作用下岩体的破碎机理促进了爆破技术的发展。

采用高速摄影和数值模拟，对各向异性的岩体进行爆破试验观测和爆破过程中岩体内部发生的应力、应变、破裂、飞散等模拟。

众多学者通过长期的生产实践和经验总结，提出三种理论：
⑴冲击波引起的应力波反射破坏理论。

该理论认为爆破时岩体的破坏主要是因自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。

若反射拉伸应力波超过该处岩体抗拉强度，岩体则因拉坏而破碎。

⑵爆炸气体产物膨胀压力破坏理论。

该理论认为岩体主要是因装药空间内爆炸气体产物的压力作用而破坏的。

当药包附近存在自由面时，在阻力不等的不同方向上，不同质点的位移速度必然引起剪切应力。

如果剪切应力超过该处岩体的抗剪强度，则岩体产生剪切破坏。

岩体的破碎主要是由爆炸气体产物的膨胀压力引起的。

⑶爆炸气体膨胀压力和冲击波所引起的应力波共同作用理论。

其核心观点认为爆破时岩体的破坏是爆炸气体和冲击波共同作用的结果。

综上所述，不同作用性对爆破的不同阶段和不同的岩体所起的作用不同。

1.1.2 爆炸荷载作用下岩体破碎形式
（1）爆破的内部作用，在炮孔周围的空间上岩体爆破过程分为三个区域；
1）粉碎区由于靠近炮孔周围的爆破脉冲压力大大超过了岩体的抗压强度，岩体产生剧烈的压缩破坏，半径一般为2～3 倍的炮孔直径。

2）裂隙区爆破中，该区是岩体破碎的主要区域。

半径为岩体装药半径的几十倍。

3）震动区该区岩体不产生任何破坏和损伤，只产生弹性振动，可不考虑损伤问题。

（2）爆破的外部作用如果集中药包埋置靠近岩体表面，除产生内部的破坏作用外，还会在岩体表面产生破坏作用，其具体表现为以下两种破坏形式：
1）导致岩体表面成片状裂开，片落现象的产生主要同药包的几何形状、药包的大小有关。

2）由反射拉伸应力波引起径向裂隙的延伸，使原先存在于径向裂隙梢上的应力场得到增强，并使裂隙继续向前延伸。

2 岩体爆破破碎块度控制研究
炸药爆破岩体是一个非常复杂的过程，一方面是炸药爆炸瞬间的高温、高压、高速和高能量的复杂加载作用；另一方面是岩体本身的各向异
性，非连续的复杂应力-应变过程；还有爆破施工工艺和人为因素的影响，更加剧了岩体爆破的复杂性。

2.1 岩体结构对爆破块度的影响
2.1.1 地质因素对爆破块度的影响
岩体是非连续介质的地质结构体，它是由岩石材料构成并受到多种地质结构面切割而成的多元体系。

岩体性质在某种程度上决定其可爆性，岩体“结构面”对爆破后岩体块度分布有重要影响，对一些粒径的爆破岩块来讲更有着决定性的影响。

结构面的分布不仅对岩块的破裂特征有重要影响，而且对爆堆的块度分布规律也有重要影响。

研究表明，结构面发育程度对较大粒径的块度分布有控制性影响，而2cm 以下的粒径块度分布主要受岩石力学强度的影响。

2.1.2 岩体主结构面对破碎的影响
天然岩体中含有方向不一，规模各异，强度不等的结构面。

岩体爆破破碎主要是结构面相互分裂的结果。

岩体破裂是否沿所有结构面等程度地发生和发展，我国学者在这方面作过专门研究：当岩体中发育有多组结构面时，结构体的形成并非各组结构面切割而成，即并不是每组结构面都是等机遇和等概率条件参与结构体形状的构成。

当结构面数N6 时，结构体形状构成的N 为 3 时概率最大，N 为3～8 时，最大概率的结构体形状等于六面体。

一般来说，岩体最容易沿六个面即三组结构面发生破碎。

2.2 炸药性能对破碎块度的影响
炸药爆炸时，在炮孔内产生强烈的应力波和爆轰气体，这种应力波会
引起炮孔周围岩石出现粉碎和破裂，它为整个岩石破裂创造了先决条件。

一般来说，爆轰压力越高，在岩石中激发的应力波的初始峰值压力和引起的应力以及应变也越大，越有利于岩石的破裂，尤其是对于爆破坚硬致密的岩石来说更是如此。

因此，在岩体块度爆破时，必须根据岩石的性质和工程的要求来合理选配炸药的品种。

2.3 单位体积炸药消耗量与破碎块度的关系
单位体积炸药消耗量的大小直接影响岩石的爆破效果，其值大小与岩石的可爆性、炸药性能和最小抵抗线有关。

因此，选取合理的单位炸药消耗量，往往需要通过多次试验或长期生产实践来验证。

对于不同的爆破土岩介质，都有一个控制大块发生率的合理的单位炸药消耗量。

结合以往工程案例可以得出，对不同性质的岩石，都有一个最佳爆破单位消耗量，爆破单位消耗量小于该值，大块率显著上升；而当大于该值时，大块率并无显著降低，从爆破经济指标和安全来看，是不利的。

3 装药结构对破碎块度的影响
根据岩体爆破理论，炸药爆炸时产生强烈的冲击波和爆轰波作用于岩体介质，二者的共同作用造成岩石的破碎，在岩体内部产生粉碎区、裂隙区和震动区。

为此，在岩体爆破块度开采时，为有效地控制爆破块度尺寸，控制大块率和降低粉碎率，常通过改变装药结构来有效地利用炸药爆炸能量，达到控制岩体破碎块度的目的。

3.1 药包位置
在深孔爆破中，药包位置在炮孔中相对位置变化对炸药能量利用率、岩体的爆破破碎效果有很大影响。

通常，装药结构有两种，连续装药和间隔装药。

在间隔装药中，又有炮泥间隔、木（塑料）垫间隔和空气间隔等
多种形式。

理论和实践研究表明，装药结构的改变可以引起炸药在炮孔方向的能量分布，从而影响了爆炸能量的有效利用率。

3.2 不耦合装药对爆破块度的影响
炮孔直径与药包直径的比值称为不耦合系数。

不耦合系数等于1 时，表明药包与孔壁紧密接触，不耦合系数大于 1 时，表明药包与孔壁间存在着空气间隙。

在不耦合情况下爆炸能从炸药传播到空气，再由空气传播到岩石的过程中严重衰减。

只要药包和孔壁之间存在空气间隙，这种损失就不可避免。

不耦合装药由于消减了爆轰波作用到孔壁上的压力，因而减少了岩石的粉矿率，导致岩石破碎块度的均匀化。

4 结语
本文在岩体爆破破碎损伤机理研究的基础上，从岩石爆破块度控制理论、岩体结构、爆破装药结构三方面简要地介绍了岩体爆破破碎块度控制的理论方法。

结合汉班托塔港项目二期采石场2013年11月30日试爆经验，当次实验采用2.5m密孔距单排布孔；15m孔深；3m空气间隔，按中间间隔形式布置；按不耦合系数1.87进行不耦合装药。

通过一系列参数的变化，石场的大块石产出率由最初的2.47%提高到现有的6.88%，大块石产出率的显著提高，从侧面印证了爆破理论的研究及项目部对于大块石爆破的探索具有实际指导意义。