8-爆破工程地质汇总

Cm Vr
(2)岩石的力学性质
用炸药爆炸来破碎岩石是一个力学作用过程，更严格地说是一个动 力学过程。因此，岩石的力学性质必然对岩石爆破破坏过程与结果具 有重要影响。 1)岩石的静力学性质 ① 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： ● 抗压强度 ● 抗拉强度 ● 抗剪强度 由于在爆破工程中，岩石承受的是冲击载荷，因而岩石的这些静力 学强度指标只能在一定程度上反映岩石的爆破难易程度，即岩石的可 爆性不能完全根据岩石的强度指标来确定。
应用情况：极少。
表4-5 东北大学岩石可爆性分级
级别
I II III IV V I1 I2
(1)按岩石坚固性的普氏分级法 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），用以表征岩石的爆破难易 程度。岩石坚固性系数与岩石单轴抗压强度的关系为：
f=wenku.baidu.com/10
式中f 为岩石坚固性系数，R 为岩石单轴抗压强度(MPa)。 实际上，有的岩石单轴抗压强度可达300MPa。为了保持原来普氏
90~110 100~140 15~25 200~240 320~350 240~330
120~200 120~200 20~50 350~500 700~800 300~400
5~9 8~9 2~3 16~23 22~32 11~19
20~40 50~70 10~20 20~30 50~60 20~30
3)硬度
岩石的硬度是指岩石抵抗工具侵入的能力。因此，研究岩石的硬 度对凿岩（钻孔）具有重要意义。
一般情况下，硬度越大的岩石越难以凿岩和爆破。但是，某些硬
度较大同时也比较脆的岩石，往往也容易爆破。 4)岩石的碎胀性 岩石破碎成块后，因碎块之间存在空隙而使总体积增加，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： K=V1/V 式中： V1 — 岩石破碎后的总体积V1； V — 岩石破碎前的总体积。 岩石的碎胀系数(松散系数)K一般在1.2～1.6之间。
① 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 在岩体中某局部激发的压力脉冲可使岩体中出现明显的应力不均现象。
③ 岩体中各点产生的应力及变形、位移和运动随时间而变化。 ④ 载荷与岩体之间有明显的阻抗“匹配”作用。
4.2 岩体的爆破分级
客观世界中的岩体性质差异显著。对岩体进行爆破分级， 是合理确定爆破工艺方法和技术参数的前提，对控制爆破工 程效果、降低工程成本，都具有重要意义。 国内外主要的岩体爆破分级方法有： ◆ 按岩石坚固性的普氏分级法 ◆ 按岩石波阻抗的哈氏分级法 ◆ 利文斯顿爆破漏斗岩石分级法 ◆ 东北大学岩石分级法 ◆ 北京科技大学爆破分级法
7.42 e67.22 kd ( c) 2.03 f ln[ 38.44v 1.89 4.75 ] e k p kx
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。 优 点：具有合理性。
缺
点：项目繁杂；现场实施不同矿岩体中的爆破漏斗试验，难度大。
几种岩石孔隙度、密度、容重见表4-1。
表4-1
岩石名称
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
几种岩石的孔隙度、密度、容重
孔隙度（%）
0.5~1.5 0.1~0.2 0.6~1.2 5.0~20 1.0~5.0 5.0~25 10~30 0.5~1.5 0.5~2.0 0.1~0.8 45 30~50
表4-2
岩石种类 应力波的平均传 播速度（m/s）
几种岩石的动、静载强度
抗压强度（MPa） 静态 动态 抗拉强度（MPa） 静态 动态 加载速度 (Mpa/s) 载荷持续时 间（ms）
大理石 和泉砂岩 多湖砂岩 群马砂岩 辉绿岩 石英-闪长岩
4500~6000 3700~4300 1800~3500 4100~5700 5300~6000 3700~5900
密度（g/cm）
2.6~2.7 2.8~3.0 2.85~3.0 2.71~2.85 2.5~2.6 2.58~2.69 2.2~2.4 2.3~2.7 2.9~3.0 2.6~2.7 2.65~2.9 1.6~2.1 1.5~1.7
容重（t/m3）
2.56~2.67 2.75~2.90 2.8~2.9 2.46~2.65 2.3~2.4 2.47~2.56 2.0~2.3 2.1~2.57 2.65~2.85 2.5 2.54~2.85 1.6~2.0 1.4~1.6
2)密度/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VV0之比，即：
M V V0
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：
G V 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。
4 爆破工程地质
本章主要内容：
◆ 岩石的物理力学性质
◆ 岩体的爆破分级
◆ 地质构造对爆破的影响 ◆ 自由面对爆破效果的影响
4 爆破工程地质
在工程爆破实践中，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。因此，爆破与地质关系密切。 ◆ 地质条件对爆破作用工程与结果的影响 ◆ 爆破作用对爆区外围岩体及其力学性质的影响 地质条件： 地形 岩性（物理性质和力学性质） 地质构造（节理、层理、断层，等） 水文地质 特殊地质（如溶洞）
3
Q
式中Ed 为岩石的变形能系数，Le 为炸药埋置的极限深度(最小抵抗 线)，Q 为装药量。当Q 一定时，Le越大，说明该岩石愈易爆破。
(4)东北大学岩石分级法 东北大学的研究者在综合考虑爆破材料、工艺、参数等条件，进行爆破漏 斗实验和岩石声波测定，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得出了岩石可爆性 指数f 的计算公式：
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/γ
⑥ 泊松比：μ = ε2/ε1
⑦ G，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。
进行测试较为麻烦，难以实施。由于这些原因，目前应用极少。
（3）利文斯顿爆破漏斗岩石分级法 美国的利文斯顿认为，能量准则是研究岩石破坏的根本准则，最 能反映消耗能量多少和爆破效果好坏之间的关系，从而也能表征岩石 的可爆性。该方法利用变形能系数表征岩石的爆破性，并用以计算炸 药的单耗量。其表达式为:
Ed Le
10 8 6 5 4 3 2 1.5 1.0
Ⅶa
软
轻型沙质粘土，黄土，砾石
1800~2000
0.8
（2）按岩石波阻抗的哈氏分级法 前苏联的哈努卡耶夫认为岩石的弹性纵波速度是岩石的动态属性
不仅可以作为岩石物理力学性质的综合量度，而且也可以反映岩体中
节理裂隙的影响，并据此提出了以岩体波阻抗为依据的岩石可爆性分 级方法。其优缺点与普氏分级法类似。另外，在工程现场对岩体波速
试验方法
稳定加载
夜压机加载
气动式快速加载
霍金逊杆加载
爆炸或冲击加载
应变率是指应变随时间的变化速率，即：
d dt

② 岩石的波阻抗
岩石密度ρ与纵波在该岩石中的纵波传播速度Cp的乘积，称为
岩石的波阻抗z：
z C
炸药的波阻抗值与岩石的波阻抗值越接近(匹配)，以爆炸冲击
波的形式向岩石传递的能量就越多，在岩石中引起的应变就越大， 利于岩石的破坏。 ③ 岩体在爆炸冲击载荷作用下的力学反应 爆炸冲击载荷作用下岩体中产生的应力波，能够引起岩体的变 形甚至破坏。这种动力学反应的特点是：
107~108 107~108 106~107 107~108 107~108 107~108
10~30 20~30 50~100 10~20 20~50 30~50
① 炸药爆炸载荷的性质
根据加载速度和受荷介质的应变率(表4-3) ，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 载荷状态 <10-6 流 变 10-6～10-4 静 态 10-2～10 准静态 10～103 准动态 >104 动态
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：
f R R 30 3
优 缺
点：简单、易用，多数情况下大致可靠。 点：忽略了岩石的其它特性和岩体节理裂隙的影响。
应用情况：目前仍较广泛。
表4-4
等级 Ⅰ 坚实程度 非常坚实 岩 石 名 称
普氏岩石分级表
容重（kg/m3） 2800~3000 极限抗压强度（MPa） 200 f值 20
② 岩石的静载变形特性 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。
非 线 性 弹 性 变 形 塑 性 屈 服 变 形

线 性 弹 性 变 形 比 例 极 限 弹性变形区
脆 性 破 坏
延 性 破 坏
塑性变形区

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。
5)岩体的裂隙性 岩体是“由结构面和岩石组成的地质体”。 岩体的弹性模量、波速小于岩石试件的弹性模量、波速。 岩体的性质由岩块和结构面共同决定。岩石中的节理裂隙对爆破 能量的传递影响很大，且节理裂隙的性质与赋存条件可有很大差异，
使岩体在爆破过程中的受力破坏问题更加复杂难解。
一般采用岩体的完整性系数ξ来评价岩体的完整性： Cm 2 ( ) Vr 或
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： a）动抗压、抗拉强度随加载速率的提高而明显增加； b）动抗压与动抗拉强度之比非恒定值(表4-2)； c）在抗压试验中，除初始阶段外，加载速度和应变速度的对数呈 线性关系； d）变形模量随加载速度的增加而提高； e）岩性越差，风化越严重，强度越低，岩石强度受加载速度大小 的影响越明显。
4.1 岩石的物理力学性质
(1)岩石的物理性质 岩石与爆破有关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。一般认为岩石容重/密度对爆破的影响更为显著 。
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：
V0 V 100%
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。 实践中难以对孔隙率的影响进行量化描述。
最坚实，致密，强韧的石英岩及 玄武岩，非常坚实的其它岩石 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 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 石灰岩（坚实），不坚实的花岗岩，坚实的大理 岩，白云岩，黄铁矿 普通砂岩，铁矿 砂质页岩，页状砂岩 坚实的砂质页岩，不坚实的砂 质岩和石灰岩，软的砾岩 各种页岩（不坚实），致密的泥灰岩 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 碎石土壤，破碎页岩，卵石与碎石的交互层，硬 化粘土 粘土（致密），粘土类土壤
Ⅱ
很坚实
2600~2700
150
15
Ⅲ Ⅲa Ⅳ Ⅳa Ⅴ Ⅴa Ⅵ Ⅵa Ⅶ
坚实 坚实 尚坚实 尚坚实 中等 中等 尚软 尚软 软
2500~2600 2500 2400 2300 2400~2800 2400~2600 2200~2600 2200~2400 2000~2200
100 80 60 50 40 30 20~15