爆破工程地质培训课件

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44）。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)。
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
3)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。
2200~2400 2000~2200 1800~2000
100
10
80
8
60
6
50
5
40
4
30
3
20~15
2
1.5 1.0 0.8
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f： 3R0
R 3
,式中各符号意义同前。
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：
M V V 0
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。
中等 阳起石石英岩、煌斑岩、大理岩、灰白色白云岩
难爆
磁铁石英岩、角闪斜长片麻岩
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。
c)
2.03
e k k 38.44v 1.89 4.75 px
]
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。
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
I
I1 I2
II
II1 II2
K=V1/V
5)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。
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：
f
ln[
e67.22
k 7.42 d
(
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。
延性破坏 塑性屈服变形
脆性破坏 非线性弹性变形
比例极限 线性弹性变形
弹性变形区 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。
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。
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
107~108 107~108 106~107 107~108 107~108 107~108
10~30 20~30 50~100 10~20 20~50 30~50
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
150
15
Ⅲ
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
Ⅲa
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
Ⅳ
尚坚实
普通砂岩，铁矿
Ⅳa 尚坚实
砂质页岩，页状砂岩
Ⅴ
中等
坚实的砂质页岩，不坚实的砂 质岩和石灰岩，软的砾岩
Ⅴa
中等
各种页岩（不坚实），致密的泥灰岩
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：
III
III1 III2
IV
IV1 IV2
V
V1 V2
f
<29 29.001～38
38.001～46 46.001～53
53.001～63 63.001～68
68.001～74 74.001～81
81.001～86 >86
爆破性程度
代表性岩石
极易爆 千枚岩、破碎性砂岩、泥质板岩、破碎性白云岩
易爆
角砾岩、绿泥片岩、米黄色白云岩
几种岩石孔隙度、密度、容重见表4-1。
表4-1 几种岩石的孔隙度、密度、容重
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
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
应变速率
<10-6
10-6～10-4
10-2～10
10～103
>104
载荷状态 流 变 静 态
准静态
准动态
动态
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
应变速率是指应变随时间的变化率，即：• d (单轴弹性 dt
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
4 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。
源自文库
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。
(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
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 ⑦G，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。
Ⅵ
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
Ⅵa
尚软
碎石土壤，破碎页岩，卵石与碎石的交互层，硬 化粘土
Ⅶ
软
粘土（致密），粘土类土壤
Ⅶa
软
轻型沙质粘土，黄土，砾石
2500~2600
2500 2400 2300 2400~2800 2400~2600 2200~2600
表4-2 几种岩石的动、静强度表
岩石种类
大理石 和泉砂岩 多湖砂岩 群马砂岩 辉绿岩 石英-闪长岩
应力波的平均传 播速度（m/s）
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）
4500~6000 3700~4300 1800~3500 4100~5700 5300~6000 3700~5900
45 30~50
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)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。
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。
表4-4 普氏岩石分级表
等级 坚实程度 Ⅰ 非常坚实
岩石名称
最坚实，致密，强韧的石英岩及 玄武岩，非常坚实的其它岩石
容重（kg/m3） 极限抗压强度（MPa） f值
2800~3000
200
20
Ⅱ
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
2600~2700
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。
V V 100% 0
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。