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。2.1.1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普氏分级与与苏氏分级级(爆破性)的对比参考考表2.2.3爆破漏斗等等综合分级级东北大学在在上世纪80年代提出的的岩石爆破破性分级的的判据，是是在考虑爆爆破材料、、参数、工工艺等一定定的条件下下进行现场场爆破漏斗斗试验和声声波测定所所获得的，，通过计算算出岩石爆爆破性指数数，综合评评价岩石的的爆破性，，并进行岩岩石爆破性性分级。（1）测定方法法①爆破漏斗斗与块度的的测定②声测法根据爆破漏漏斗体积、、大块率、、小块率、、平均合格格率和岩体体波阻抗的的大量数据据，运用数数理统计的的多元回归归分析，通通过计算机机运算，最最终求得岩岩石爆破性性指数N式中:V—岩石爆破漏漏斗体积，，m3；K1—大块率（＞＞30cm），%；K2—平均合格率率，%；K3—小块率（＜＜5cm），%；(ρC)—岩体波阻抗抗，KPa；e—自然对数之之底。（2)岩石爆破性性指数表2-4岩石爆破性性分级表2.3岩石的可钻钻性（1）岩石的可钻钻性表示钻头在在岩石上钻钻眼的难易易程度。由由于岩石石可钻性的的影响因素素较多，科科研工作者者从不同角角度提出了了各自的分分级方法及及相应的评评价指标。。根据所用用的分级评评价原则不不同，可以以得到不同同的分级。。（2）岩石的可钻钻性分级按凿碎比功功分级、按按点荷强度度分级、按按岩石硬度度、切削强强度和磨蚀蚀性分级、、按断裂力力学指标分分级、按岩岩石的主要要声学指标标分级、按按最小体积积比能分级级、按岩石石的A、B值分级、按按岩石的单单轴抗压强强度分级等等等。下面面着重介绍绍前三种分分级方法。。2.3.1按凿碎比功功分级在现场或实实验室内采采用实际或或缩小比例例的微型模模拟钻头进进行钻眼试试验，并以以钻速、钻钻一定深度度炮眼所需需的时间和和钻头的磨磨损量、凿凿碎比功耗耗等指标来来表示岩石石的可钻性性。东北大学设设计出了一一种岩石凿凿测器，如如图2-1所示。凿测测器锤重4公斤，落高高1米，采用直直径40±0.5毫米的一字字形钎头，，镶YG-11C(K013型)硬合金片，，刃角110º，每冲击一一次转15º角，测定每每种岩样共共冲击480次，每凿24次清一次岩岩粉。冲击击完后，计计算比功耗耗和用带专专用卡具的的读数显微微镜读出钎钎刃两端向向内4毫米处的磨磨钝宽度，，作为岩石石可钻性和和磨蚀性（磨损钻头的的能力）分级的指标标。图2-1岩石凿测器器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）凿碎比功功凿碎比功是是指凿碎单单位体积岩岩石所消耗耗的功，其其值按下式式计算：式中—凿碎比功，，J/cm3;；A—总冲击功，，实际为18816J；V—破碎岩石体体积，cm3；A0—落锤单次冲冲击功，39.2J/次；D—凿眼直径，，眼径约比比钎头直径径大1mm，D=4.1cm；H—凿480次后的净凿凿眼深度,mm；只要用深度度卡尺量取取净深H后，由上式式便可求出出a值的大小。。按凿碎比比功的不同同将岩石可可钻性分成成七级，见见表2-5。（2）钎刃磨钝钝宽度b钎刃磨钝宽宽度是指落落锤冲击480次后，钎刃刃上从刃锋锋两端各向向内4mm处的磨钝宽宽度平均值值。钎刃磨磨钝宽度b时用读数显显微镜和专专用卡具量量得的。表2-6岩石磨蚀性性分级级别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岩石凿碎比比功分级2.3.2按点载荷强强度进行可可钻性分级级点载荷试验验是国际岩岩石力学学学会（ISRM）试验委员员会推荐的的一种便携携式测量方方法。点载载荷试验是是将试样置置于试验机机的两个压压头之间，，逐渐加载载，使试样样破坏，再再用下式求求得点载荷荷强度：式中：d—岩芯或加载载点的距离离，mm；p—为破坏荷载载，N。2.3.3按岩石硬度度、切削强强度和磨蚀蚀性分级岩石的硬度度是指岩石石抵抗其它它物体刻划划、磨蚀、、切削或压压入其表面面的能力。。硬度测定定方法有压入试验、、回弹试验验、划痕试试验等，其测得的硬度度分别称为为压入硬度度、回弹硬硬度和刻划划硬度等。1987年国际岩石石力学委员员会曾推荐荐用C-2肖氏硬度计计和L型Schmidt锤硬度作为为测量岩石石硬度的标标准方法。图2-2肖氏硬度计计肖氏硬度计计（图2-2）是1906年美国的肖肖氏（A.E.Shore）研制的一一种用以测测定金属材材料硬度的的仪器。其其原理是用用一带金刚刚石尖重约约4g的撞针，从从25cm高外自由落落下，撞击击材料表面面，以撞针针的回跳高高度来表征征硬度。硬硬度值由0~140。这种方法法后被用来来测量磨光光的岩石表表面。（1）肖氏硬度度计测硬度度1-冲杆；2-毡圈；3-螺丝盖帽；；4-卡环；5-弹簧座；6-弹簧；7-拉力弹簧；；8-套筒；9-指针弹簧片片；10-指针；11-刻度尺；12-护尺透明片片；13-指针异杆；；14-导向板；15-弹簧；16-压力弹簧；；17-固定块；18盖；19-固紧螺丝；；20-调整螺丝；；21-按钮；22-钩子；23-导杆；24锤施密特锤（（SchmidtHammer），又称回弹仪仪(reboundinstrument)，是用于测定岩岩石硬度的的另一种简便仪仪器。工作原理如如下：先将冲杆1伸出，将回回弹锤24向上拉，使使卡钩22抓住锤24，然后按下下后盖18顶在测定的的岩石表面面上推进。。当压力弹弹簧16受压，缩短短到一定程程度时，卡卡钩脱开，，回弹锤24由于拉力弹弹簧7的弹拉作用用而撞击在在冲杆1上后向上弹弹跳，带动动指针10。通过窗口口12在刻度尺上上直接读出出回弹高度度的数值。。以回弹距距离和移动动距离的比比值表示回回弹硬度值值（0~100）。[w1]下（2）施密特锤锤测硬度岩石压入硬硬度一般利利用圆柱形形平底压模模压入的方方法来测定定。试验用用试样为5cm×5cm×5cm的立方体或或直径为4~6cm，高为3~5cm的圆柱体。。试样两端端互相平行行，表面抛抛光。压头头形状由工工具钢或硬硬质合金制制成。压头头底面积为为1-5mm2。在试验致致密和有均均匀孔隙的的岩石时，，用底面积积为2mm2的压头；当当岩石的颗颗粒大于0.25mm时，用3mm2的压头；对对于孔隙度度很大和坚坚固性很小小的岩石，，用底面积积为5mm2或更大的压压头。图2-4平底圆柱压压膜采用这种方方法时，硬硬度值按下下列公式计计算：式中：P—压模底部岩岩石发生完完全破碎，，即脆性破碎形形成凹坑时时的载荷；；n—测定次数；；SP—压模底面积积；2.3.4其他可钻性性分级方法法简介其它的可钻钻性分级方方法主要有有钻进法和和声波法。。钻进法又分分为两类：：现场钻进进和微钻钻钻进（模拟拟钻进）。。现场钻进的的方法是采采用一定的的设备、选选用一定的的参数，以以实际钻进进速度来表表征岩石的的可钻性。。微钻钻进是是一种以小小比大的模模拟钻进方方法，它并并非用生产产钻机在现现场钻进，，而是在模模拟钻进试试验台或微微钻实验台台上进行。。通过模拟拟钻进不但但可直接获获得可钻性性指标（钻钻进一定孔孔深的时间间或一定时时间的钻进进深度），，而且可得得到钻进数数据和其它它一些因素素，如岩石石物理力学学性质的经经验关系。。声波法就是是用声波速速度来划分分岩石的可可钻性级别别。声波检检测法具有有快速、准准确、不损损伤等特点点，是评价价岩石性质质的一种有有效方法。。[w1]删（1）磨蚀过程程的五种作作用①由于接触触面并非绝绝对平整，，真实的接接触面只有有外观面积积的百分之之一到万分分之一。局局部的真实实接触压力力很大，当当它超过了了弹性限度度时便被磨磨损；②由于两物体紧紧密接触，若其其相互间的分子子间的引力胜过过自身分子间的的引力，那么两两物体相对移动动时，便把表面面的分子层“粘粘”下来。尤其其当物体在结构构上存在缺陷时时，这种情况更更易发生；③由于物体表面面参差不齐，产产生机械的啮合合作用，相对移移动时，便产生生磨损。表面虽虽平整，但软硬硬不均，也将会会产生啮合而磨磨损的作用；④啮合作用不大大，相对位移时时虽然不足以使使其磨损，但在在反复微小的撞撞击作用之下，，表面便因疲劳劳而损坏；⑤由于局部凸起起接触，摩擦时时产生大量热能能，使温度升高高到塑性变形乃乃至熔化。一般来说，上述述作用③在工具具磨蚀时是主要要的作用，尤其其是在擦蚀作用用下更为重要，，其他①、②、、④三种作用在在磨损作用下有有着更多的意义义。作用⑤，对对于硬质合金工工具的磨蚀作用用有重要意义。。2.4可钻性与磨蚀性性的关系（2）国内外同行在在可钻性和磨蚀蚀性方面的主要要结论性观点①同类岩石中中与含石英矿物物关系。在含石英岩石中中，可钻性减小小而磨蚀性增大大，不含石英岩岩石可钻性增大大而磨蚀性减小小。另外，同类类岩石含石英多多时，可钻性减减少，磨蚀性增增大。②同类岩石中中与组成岩石中中的颗粒大小关关系。同类岩岩石中中，当当石英英含量量相近近的条条件下下，颗颗粒大大小相相近或或变化化幅度度不大大与颗颗粒大大小悬悬殊比比较，，实测测表明明，前前者可可钻性性减小小，磨磨蚀性性亦减减小；；后者者，可可钻性性增大大，磨磨蚀性性亦增增大。。③石石英矿矿物与与其他他矿物物或不不同矿矿物间间结合合方式式关系系。矿物之之间的的接触触关系系，能能客观观地反反映出出岩石石的坚坚固性性程度度。因因此，，矿物物之间间的接接触关关系，，对可可钻性性与磨磨蚀性性的变变化是是有影影响的的。在在石英英含量量、颗颗粒大大小相相近的的条件件下，，颗粒粒外形形不规规则的的石英英和颗颗粒外外形较较规则则的石石英与与同种种矿物物或不不同矿矿物接接触时时，前前者一一般可可钻性性减小小，后后者可可钻性性增大大。④石石英矿矿物在在岩石石中的的分布布状态态。同种岩岩石，，在石石英含含量、、颗粒粒大小小相近近的条条件下下，石石英在在岩石石中呈呈均匀匀分布布时。。可钻钻性减减小，，磨蚀蚀性减