工程爆破中的岩石力学性质与分级

第2章岩石力学性质与分级

2.1影响岩石凿岩爆破性的因素2.2岩石凿岩爆破性的判据和分级2.3岩石的可钻性2.4可钻性与磨蚀性的关系岩石和矿岩是工程爆破的工作对象。要有效地开展工程爆破工作，必须先了解岩石的基本性质，主要是与工程爆破有关的物理性质和力学性质，同时要掌握工程爆破中岩石性质的表达方式—岩石的分级。本章内容提要2.1影响岩石凿岩爆破性的因素

凿岩性岩石在钻孔中表现出的抵抗钻头等机械作用而破坏的性质，爆破性则是指岩石在爆破作用下表现出的性质。

岩石自身物理力学性质在凿岩爆破工艺中的综合反映，影响着整个凿岩爆破效率和效果，通常可以用岩石的单一物理力学指标来表示。影响岩石凿岩爆破性的主要因素:

①岩石本身的物理力学性质（见表2-1）。

岩石密度、孔隙性、碎胀性、弹性、岩石的坚固性、岩石的裂隙性等。

②炸药性质、钻头结构和凿岩爆破工艺等外在因素。

钻孔工艺、钻具特性、炸药类型、爆破参数等。

表2-1几种典型岩石的物理力学特性矿物是构成岩石的主要成分，矿物颗粒愈细、密度愈大，愈坚固，则愈难于爆破破碎。

岩石中矿物的结晶程度，晶粒大小，晶体形状及其之间的组合关系，结构决定了岩石内部的连接情况，直接影响岩石的物理力学性质。

一般矿物晶粒愈细，愈致密，强度越大，凿爆越难，沉积岩还与胶结成分有关；硅质，泥质不同，硅质页岩与炭质页岩不同。变质岩的组分和结构与变质程度有关，一般变质程度高、致密的变质岩比较坚固，较难爆破，反之则易爆破。

岩石的裂隙性有的易于爆破破碎，有的则易于产生大块。风化作用削弱了岩石的完整性和强度，使得风化严重的岩石易于凿岩和爆破破碎。岩石的结构构造(1)岩石容重

单位体积岩石的重量，其体积包括岩石内部的孔隙，与岩石的质量不同。(2)岩石孔隙度

孔隙的体积(包括气相或液相体积)与岩石总体积之比，可用单位体积岩石中孔隙所占的体积表示，也可用百分数表示。(3)岩石的碎胀性

岩体破碎后体积松散膨胀的性质；破碎后的岩石体积与破碎前的岩石体积的比值称为碎胀系数。2.1.2岩石的容重、孔隙度和碎胀性

根据外力作用和岩石变形特点的不同，岩石可能表现为塑性、弹性、粘弹性、弹脆性和脆性等特征。

塑性大的岩石受外载作用超过其弹性极限后，产生塑性变形而未产生有效破碎，能量消耗大，难于爆破；脆性、弹脆性岩石均易于爆破。

岩石强度是表示岩石抵抗压、剪、拉诸应力而导致岩石破坏的能力,是材料力学中用以表示材料抵抗上述三种简单应力的常量，往往是在单轴静载作用下的测定指标。爆破时，岩石受的是瞬时冲击载荷，所以要强调在三轴作用下的动态强度指标，才能真实地反映岩石的爆破性，但全围压（三轴）试验难度较大。2.1.3岩石强度和弹塑性对岩石爆破的影响

表2-2是用雷管模拟爆破和用材料试验机加载试验所得的几种岩石的动、静载强度。可见，动载强度比静载强度为大。表2‑2几种岩石动、静载强度试验结果2.2岩石凿岩爆破性的判据和分级

岩石分级是按照岩石作业工艺，从量上分别对岩石进行分级，为设计、生产、管理和研究部门提供科学依据。

2.2.1普式岩石坚固性分级

早在1926年前，普氏提出了用岩石试块七项指标的平均值来表征岩石的坚固性。发展到现在还有一个指标——岩石试块的静载极限抗压强度有意义,但单位由原来的公斤米制变为牛米制，所以现在的普氏岩石坚固性分级实质已经不是原来普氏的分级，而是岩石单轴抗压强度（牛米制单位）的换算值，即普氏系数f。根据f值将岩石分为10级，f值大，则难钻岩、难爆破、岩石稳定，反之，f值小，则易钻岩、易爆破、岩石不稳定。2.2.2苏氏分级

苏氏分级是苏哈诺夫在30年代针对普氏分级而提出的岩石分级。他认为:决定岩石坚固性的基础应当取决于在某一特定情况实际被应用的具体采掘方法。他用崩落1m3岩石所消耗的炸药量（kg/m3）或单位炮眼长度(m/m3)来表征岩石的爆破性，同时，规定了一系列的测试标准条件。根据单位炸药消耗量和单位炮眼长度将岩石分为16级。如果需要的炸药单耗量多、单位炮眼长，则岩石难爆;反之，则易爆。表2-3给出了普式分级和苏氏分级的指标对比。表2-3普氏分级与苏氏分级(爆破性)的对比参考表2.2.3爆破漏斗等综合分级

东北大学在上世纪80年代提出的岩石爆破性分级的判据，是在考虑爆破材料、参数、工艺等一定的条件下进行现场爆破漏斗试验和声波测定所获得的，通过计算出岩石爆破性指数，综合评价岩石的爆破性，并进行岩石爆破性分级。

（1）测定方法①爆破漏斗与块度的测定②声测法

根据爆破漏斗体积、大块率、小块率、平均合格率和岩体波阻抗的大量数据，运用数理统计的多元回归分析，通过计算机运算，最终求得岩石爆破性指数N式中:V—岩石爆破漏斗体积，m3

；K1—大块率（＞30cm），%；K2—平均合格率，%；K3—小块率（＜5cm），%；(ρC)—岩体波阻抗，KPa；e—自然对数之底。（2)岩石爆破性指数表2-4岩石爆破性分级表2.3岩石的可钻性（1）岩石的可钻性

表示钻头在岩石上钻眼的难易程度。由于岩石可钻性的影响因素较多，科研工作者从不同角度提出了各自的分级方法及相应的评价指标。根据所用的分级评价原则不同，可以得到不同的分级。（2）岩石的可钻性分级

按凿碎比功分级、按点荷强度分级、按岩石硬度、切削强度和磨蚀性分级、按断裂力学指标分级、按岩石的主要声学指标分级、按最小体积比能分级、按岩石的A、B值分级、按岩石的单轴抗压强度分级等等。下面着重介绍前三种分级方法。2.3.1按凿碎比功分级

在现场或实验室内采用实际或缩小比例的微型模拟钻头进行钻眼试验，并以钻速、钻一定深度炮眼所需的时间和钻头的磨损量、凿碎比功耗等指标来表示岩石的可钻性。

东北大学设计出了一种岩石凿测器，如图2-1所示。凿测器锤重4公斤，落高1米，采用直径40±0.5毫米的一字形钎头，镶YG-11C(K013型)硬合金片，刃角110º，每冲击一次转15º角，测定每种岩样共冲击480次，每凿24次清一次岩粉。冲击完后，计算比功耗和用带专用卡具的读数显微镜读出钎刃两端向内4毫米处的磨钝宽度，作为岩石可钻性和磨蚀性（磨损钻头的能力）分级的指标。图2-1岩石凿测器1-钎头；2-承击台；3-插销；4-导向杆；5-落锤；6-△形环；7-操作绳；8-导杆顶；9-转动把手（1）凿碎糠比功凿碎比壶功是指牌凿碎单户位体积谜岩石所陪消耗的拔功，其竖值按下云式计算皮：式中—凿碎比穷功，J/c码m3;；A—总冲绸击功木，实自际为188爪16J；V—破碎岩巷石体积填，cm3；A0—落锤单杯次冲击男功，39.才2J/次；D—凿眼直垦径，眼姥径约比李钎头直垫径大1m粗m，D=体4.凳1c宣m；H—凿480次后序的净礼凿眼舞深度,m适m；只要呼用深汽度卡隆尺量裤取净滑深H后，雨由上香式便晋可求辛出a值的大片小。按粒凿碎比浮功的不因同将岩榴石可钻馋性分成拿七级，们见表2-信5。（2）钎刃企磨钝宽怒度b钎刃清磨钝杏宽度腿是指牢落锤蕉冲击48器0次后，算钎刃上仪从刃锋茫两端各王向内4mm处的掘磨钝嚷宽度城平均脱值。隙钎刃拉磨钝短宽度b时用板读数羡显微任镜和日专用俘卡具芳量得杨的。表2-夸6岩石刃磨蚀向性分期级级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ凿碎比功<186187~284285~382383~480481~578579~676≥677可钻性极易易中等中难难很难极难类别123钎刃磨钝宽度（mm）＜0.20.3~0.6＞0.7磨蚀性弱中强表2-5岩石凿编碎比功补分级2.岂3.温2按点载往荷强度刷进行可毯钻性分稍级点载构荷试梁验是沙国际壁岩石概力学扫学会紧（ISR掠M）试捕验委弄员会热推荐姨的一护种便剑携式券测量薪方法化。点陪载荷叛试验痛是将贸试样绞置于剪试验期机的挣两个浅压头裙之间旅，逐盛渐加非载，婚使试衫样破兼坏，庆再用字下式哨求得悼点载予荷强弦度：式中俩：d—岩芯或衡加载点苏的距离盾，mm；p—为破坏里荷载，N。2.3业.3按岩石委硬度、雾切削强足度和磨敏蚀性分胡级岩石苦的硬拆度是跌指岩东石抵会抗其搬它物煮体刻妇划、才磨蚀歉、切叫削或日压入利其表远面的啦能力袖。硬血度测骄定方绍法有压入试底验、回牺弹试验供、划痕剩试验等，其测得的勺硬度分纳别称为牢压入硬纷度、回丸弹硬度揪和刻划框硬度等。19投87年国采际岩叹石力晒学委晓员会劳曾推唇荐用C-辫2肖氏恭硬度尝计和L型Sc搭hm严id崖t锤硬虎度作碰为测蚊量岩荒石硬井度的弹标准腹方法。图2-话2肖氏硬红度计肖氏硬度度计（从图2-2）是19园06年美筝国的问肖氏刮（）扒研制撕的一明种用挡以测史定金榨属材仙料硬学度的友仪器绣。其并原理誉是用页一带掉金刚角石尖扒重约4g的撞针画，从25瓶cm高外寻自由姓落下辽，撞绿击材箱料表扇面，瓜以撞观针的潮回跳柴高度嫌来表沃征硬您度。扁硬度矛值由0~爱14韵0。这签种方抬法后粒被用头来测炮量磨纷光的料岩石缠表面污。（1）肖氏低硬度计慕测硬度1-冲杆；2-毡圈；3-螺丝盖谦帽；4-卡环；5-弹簧谢座；6-弹簧高；7-拉力弹雾簧；8-套筒；9-指针验弹簧膨片；10促-指针；11独-刻度唱尺；12跟-护尺透驻明片；13-指针异谣杆；14贵-导向板优；15倒-弹簧；16-压力弹烂簧；17则-固定块们；18盖；19-固紧垃螺丝逮；20夜-调整螺教丝；21突-按钮火；22何-钩子轰；23-导杆姨；24锤施密烛特锤孙（Sc彼hm授id胶t军Ha惯mm此er），又称回忧弹仪(r书eb接ou壤nd壮i畅ns婚tr华um法en铁t)，是用于版测定慈岩石隙硬度吗的另一种紫简便其仪器素。工作原距理如下皇：先将冲尖杆1伸出，锄将回弹量锤24向上拉努，使卡颈钩22抓住丸锤24，然衡后按牢下后丈盖18顶在测或定的岩概石表面桑上推进泉。当压描力弹簧16受压，液缩短到伟一定程心度时，桂卡钩脱朴开，回倡弹锤24由于屠拉力岸弹簧7的弹锋拉作印用而侧撞击双在冲耽杆1上后盲向上梢弹跳糕，带恰动指洪针10。通过据窗口12在刻雀度尺僚上直棚接读边出回发弹高渴度的洁数值晶。以奸回弹卫距离颗和移匠动距傲离的哈比值灾表示伸回弹运硬度窗值（0~1越00）。[w坑1]下（2）施壶密特宫锤测嗽硬度岩石压悦入硬度愿一般利狮用圆柱贴形平底甚压模压批入的方孟法来测述定。试仁验用试寄样为5cm×5cm×5cm的立芬方体亚或直文径为4~斩6c湿m，高为3~跑5c元m的圆柱悬体。试剖样两端犯互相平么行，表条面抛光编。压头移形状由古工具钢叉或硬质史合金制效成。压巾头底面劈燕积为1-5械mm2。在腊试验姿致密痒和有痛均匀慰孔隙扶的岩恶石时础，用隙底面木积为2m劈燕m2的压捐头；易当岩说石的洞颗粒老大于0.2侨5mm时，用3m关m2的压志头；言对于更孔隙求度很奥大和盏坚固茅性很涂小的不岩石汗，用分底面劫积为5盲mm2或更大两的压头主。图2-4平底圆梅柱压膜采用这躁种方法这时，硬钩度值按掠下列公衡式计算确：式中拜：P—压模仙底部仁岩石产发生子完全犹破碎马，即脆性孕破碎父形成搏凹坑乏时的尽载荷负；n—测定次接数；SP—压模底阵面积；2.丛3.匹4其他可成钻性分贝级方法耕简介其它辆的可浓钻性循分级拜方法洪主要副有钻石进法鸣和声示波法迷。钻进法遇又分为星两类：跨现场钻愿进和微速钻钻进盐（模拟黑钻进）救。现场钻隐进的方穗法是采嫂用一定遮的设备阁、选用稠一定的虑参数，竿以实际惊钻进速返度来表勾征岩石彩的可钻勿性。微钻钻桂进是一瞎种以小绸比大的拴模拟钻费进方法天，它并载非用生嗽产钻机豆在现场疤钻进，端而是在亲模拟钻竭进试验卡台或微备钻实验蠢台上进回行。通捡过模拟弱钻进不映但可直条接获得搅可钻性凑指标（跃钻进一芝定孔深穗的时间杯或一定蝇时间的毫钻进深告度），希而且可贱得到钻朋进数据戴和其它衣一些因悦素，如然岩石物迅理力学耕性质的漏经验关攻系。声波插法就跪是用亏声波钉速度载来划侧分岩嚼石的奇可钻愤性级粒别。久声波究检测挥法具强有快群速、阴准确滑、不魄损伤粥等特么点，仗是评席价岩正石性洲质的宣一种滤有效趴方法配。[w就1]删（1）磨兔蚀过畜程的亩五种常作用①由缩慧于接区触面扒并非忧绝对附平整锐，真缘瑞实的迈接触扁面只晃有外羽观面交积的绝百分效之一唇到万抗分之灭一。释局部消的真葬实接摄触压糟力很柴大，柄当它忙超过挥了弹读性限脖度时症便被睛磨损井；②由于锻两物体商紧密接傅触，若贤其相互沉间的分与子间的讯引力胜狮过自身翠分子间肾的引力留，那么烈两物体痛相对移跪动时，票便把表俊面的分愁子层“铅粘”下羞来。尤驱其当物奔体在结分构上存芦在缺陷菌时，这忌种情况未更易发玩生；③由萄于物锈体表疲面参纸差不沙齐，锄产生发机械嗽的啮旗合作复用，菠相对鞠移动县时，鼠便产衔生磨充损。喜表面备虽平庭整，不但软谦硬不团均，晕也将眠会产族生啮俯合而讲磨损东的作南用；④啮乞合作刷用不不大，纳相对眉位移万时虽洪然不伸足以懂使其镜磨损丢，但煌在反交复微漏小的防撞击怀作用勉之下倾，表尺面便四因疲撑劳而坝损坏榨；⑤由辉于局很部凸浓起接界触，慎摩擦灶时产份生大洁量热统能，谦使温驳度升逢高到咬塑性邻变形脂乃至炸熔化睡。一般悉来说淹，上脉述作撇用③相在工殖具磨护蚀时禾是主洒要的坦作用滩，尤锯其是胸在擦休蚀作闪用下棚更为浙重要沟，其坏他①院、②母、④灰三种之作用铲在磨虚损作鱼用下泰有着努更多铲的意打义。掏作用箱⑤，料对于难硬质倦合金萝工具闯的磨雨蚀作觉用有伤重要谜意义咐。2.冒4可钻悔性与识磨蚀例性的崭关系（2）国卵内外矛同行瞎在可援钻性园和磨菌蚀性舱方面吃的主谢要结汪论性显观点①同头类岩石叶中与含愉石英矿兔物关系土。在含荐石英悉岩石悼中，粥可钻循性减让小而孩磨蚀蛛性增静大，阳不含衬石英坏岩石也可钻雨性增描大而秆磨蚀聋性减摸小。山另外近，同堡类岩哄石含轻石英由多时缓，可钟钻性翅减少填，磨凶蚀性烈增大菠。②战同类渴岩石盘中与等组成吸岩石芒中的真颗粒攻大小喂关系仁。同类榴岩石尺中，闪当石珍英含京量相趴近的余条件的下，宁颗粒黎大小编相近桑或变荣化幅导度不识大与存颗粒带大小刑悬殊祥比较璃，实蹲测表潜明，鉴前者裙可钻榴性减苗小，李磨蚀先性亦影减小予；后杏者，册可钻她性增与大，稠磨蚀激性亦闲增大程。③奏石英痕矿物猜与其厦他矿旗物或遇不同支矿物启间结决合方鲜式关址系。矿物之转间的接处触关系汽，能客补观地反马映出岩婆石的坚悦固性程侦度。因哀此，矿腔物之间奇的接触梦关系，绞对可钻侍性与磨遍蚀性的数变化是钟有影响敬的。在吨石英含现量、颗厚粒大小菊相近的恢条件下瓜，颗粒怨外形不感规则的窗石英和弃颗粒外煌形较规箩则的石纤英与同刑种矿物折或不同罩矿物接感