岩石构造与性质对爆破的影响

高等岩石力学作业简述岩石构造与性质对爆破的影响

简述岩石构造与性质对爆破的影响

【摘要】本文主要阐述了岩石的裂隙性和岩石的坚固性对岩石爆破影响，并提出相关的分析。

1、岩石分类

岩石是一种或几种矿物组成的天然集合体[1~2]，其种类很多，但按其成因，可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。另外，第四纪以来，由于风化作用、流水作用、风的作用等各种地质作用的结果，形成了各种堆积物，这些堆积物尚未硬结成岩，一般统称为松散沉积物。

2、与爆破相关的岩石性质

岩石介质对爆破作用的抵抗能力与其性质有关，对三种不同性质的岩石而言，一般的说岩浆岩可爆性较差（对爆破作用的抵抗能力最强），沉积岩和变质岩的可爆性较好。岩石的基本性质从根本上说决定于其生成条件、矿物成分、结构构造状态和后期地质的营造作用。用来定量评价岩石的物理力学性质的参数有100多个，但与爆破有关的主要参数，一般来说有10个[3~4]，如：密度、堆积密度、孔隙率、岩石的波阻抗、岩石的风化程度、岩石的抗冻性、岩石的变形特征、岩石的强度特征、弹性模量、泊松比[5~8]。

（1）密度

密度指岩土的颗粒质量与所占体积之比。一般常见岩石的密度在1400~3000kg/3m之间。

（2）堆积密度

堆积密度指包括孔隙和水分在内的岩土总质量与总体积之比，也称单位体积岩石质量。密度与堆积密度相关，密度大的岩石其堆积密度也大。随着堆积密度的增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力也增强，破碎岩石和移动岩石所耗费的能量也增加。

（3）孔隙率

岩石的孔隙率n是指岩石中孔隙率体积与岩石的总体积之比，也称孔隙度。常见岩石的孔隙率一般在0.1%~30%之间。随着孔隙率的增加，岩石中冲击波和

应力波的传播速度降低。

（4）岩石的波阻抗

岩石的波阻抗指岩石中纵波波速（C）与岩石密度（ ）的乘积。岩石的这一性质与炸药爆炸后传给岩石的总能量及这一能量传递给岩石的效率有直接关系。它反映了岩石对动量传递的抵抗能力，波阻抗大的岩石往往比较难以爆破。（5）岩石的风化程度

岩石的风化程度指岩石在地质内力和外力的作用下发生破坏疏松的程度。（6）岩石的抗冻性

岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。岩石的抗冻性是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、溶解，其抗压强度有所下降。

（7）岩石的变形特征

岩石的变形特征有：弹性、塑性、脆性

（8）岩石的强度特征

岩石的强度特征：单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度

（9）弹性模量

弹性模量E是指岩石在弹性变形范围内，应力与应变之比。

（10）泊松比

泊松比μ是指岩石试件单向受压时，横向应变与竖向应变之比。由于岩石的组织成分和结构构造的复杂性，尚具有与一般材料不同的特殊性，如各向异性、不均匀性、非线性变形等等。

3、岩石爆破机理

岩石在爆破作用下破碎的物理力学性质[3]。它为正确进行爆破设计、合理选用炸药和控制爆破作用提供科学的依据爆破机理学说，由于炸药的爆炸是一个高温高压和高速的复杂变化过程，而岩石又是一种千变万化的非均质介质。因此，在解释岩石爆破破碎机理时出现了各种各样的学说。综合起来可以归纳为三种:(1)爆炸气体膨胀造成拉伸破坏认为炸药在岩石中爆炸时，爆生气体膨胀的压力作用

在药室的周壁上，在岩石中产生压应力和与它相对应的垂直拉应力，由于岩石的抗拉强度低，当这种拉应力超过岩石的抗拉强度时，便会引起岩石破坏，因此岩石的破碎主要是爆生气体膨胀压力引起的。(2)拉伸应力波破坏炸药在岩石中爆炸产生的应力波传到自由面后，反射成拉伸波，由于岩石抗拉强度低，因此从自由面开始，由外向里使岩石产生片状断裂，是岩石破碎的主要原因。(3)应力波和爆生气体膨胀压共同作用应力波在药室周壁上产生初始的径向裂隙，而爆生气体则挤人这些裂隙内并使它扩张和延伸，直至岩石完全破碎。因此岩石破碎是应力波和爆生气体膨胀压共同作用的结果。这一学说越来越为人们所认同。岩体爆破作用圈若将一个球形药包埋在无限深的均质岩体中，随着离药包距离的不同，爆炸会产生不同的爆破效果。直接与药包接触的岩石将受到超高压冲击波的冲击和压缩作用，这种压力大大超过岩石的动抗压强度。若岩石具有可塑性，将受到强烈压缩而形成压缩圈。但对大多数坚硬岩石来说，可塑性很小，岩石受到强烈冲击和压缩后将被粉碎，形成粉碎圈，其半径一般为药包半径的2~4倍。粉碎圈以外的岩石，受到衰减后应力波的径向压缩作用而引起切向拉伸，当拉伸应力超过岩石的动抗拉强度时，便在粉碎圈外产生放射状的径向裂隙，而爆生的高压气体便挤人裂隙中，促使裂隙进一步扩张和延伸；应力波通过后，受压缩的岩石迅速卸载，发生向心的径向运动，而引起环状的拉伸裂隙。径向和环状裂隙的相互交错，将岩石割裂破碎。通过破裂圈以外的应力波，由于急剧衰减，它的大小已低于岩石的强度，再也不能引起岩石破碎，而只能引起岩石质点作弹性振动，形成震动圈。

引起岩石变形及破坏的荷载有动荷载和静荷载之分。普遍认为，在动荷载作用下岩石的力学性质将发生很大变化，它的动力学强度比静力学强度增大很多，变形模量也明显增大。炸药爆炸是一种强扰动源，爆轰波瞬间作用在岩石界面上，使岩石的状态参数产生突跃，形成强间断，并以超过介质声速的冲击波的形式向外传播。因而岩石在炸药爆炸作用下，承受的是一种荷载持续时间极短、加载速率极高的冲击型典型动态荷载。

4、结构面对爆破的影响作用

在实际爆破过程中岩石动力特性的影响要低于岩体结构面的影响。

结构面的类型有三类：原生结构面、构造结构面和次生结构面，结构面对爆

破影响作用有六种[9~11]。

1、应力集中作用

由于软弱带或软弱面的存在，使岩石的连续性遭到破坏。当岩石受力时，岩石便从强度最小的软弱带或软弱面处首先开裂，在裂开的过程中，在裂缝尖端发生应力集中，特别是岩石早爆破应力作用下的破坏时瞬时的，来不及进行热交换，且处于脆性状态，结果使应力集中现象更加突出。因此，在岩石中软弱面交发育的爆破地区，其单耗量K应相应降低。

1、应力波的反射增强作用

由于软弱带的密度、弹性模量和纵波波速均比两侧岩石的值小，当波传至两者的界面处时，便发生反射，反射回去的波与随后继续传来的波相叠加，当其同相位时，应力波便会增强，使软弱带迎波一侧岩石的破坏加剧。对于张开的软弱面，这种作用亦较明显。

但是，究竟是哪一级软弱带或软弱面足以产生明显的反射增强作用，这主要与爆破规模有关，也就是取决于压缩应力波传播过程中引起的岩石压缩变形，足以使张开的软人民紧密闭合，或者使软弱面的密度增大到和两侧岩石相差不大时，软弱面或软弱带对应力波的反射增强作用可忽略不计。因此，软弱带和软弱面对爆破效果的影响问题，必须视爆破规模区别对待，对于施工开挖小炮，不大的裂隙面即可影响其效果，对于大规模的群药包爆破，小的断层破碎带对其影响也不会很显著。

2、能力吸收作用

由于界面的反射作用和软弱带介质的压缩变形与破裂，使软弱带背波侧应力波因能量被吸收而减弱。它与反射增强作用同时产生。因而，软弱带可保护其背波侧的岩石，使其破坏减轻。同样，空气充填的张开裂隙，也有能量吸收作用。

3、泄能作用

当软弱带或软弱面穿过爆源通向临空面，且有爆源到临空面间软弱带或软弱面的长度小于爆破药包最小抵抗线W时，炸药的能量便可以“冲炮”或其他形式泄出，使爆破效果明显降低。

4、锲入作用