岩体爆破性分级现状及发展趋势

岩体爆破性分级现状及发展趋势

岩体爆炸是岩石抵抗爆炸的难度。这是活动荷载作用下岩石物理力学性质的综合体现。岩体爆破性分级是爆破优化设计与施工的基础,并为加强企业的科学管理和正确制定爆破定额提供依据。所以,岩体爆破性分级的研究和实施,不论在理论上或生产实际中都具有十分重要的意义。长期以来,国内外科技工作者未能清楚地表征岩石的爆破性,原因在于岩体本身性质复杂多变;难于准确测定或计算炸药爆炸时瞬时冲击载荷和准静态爆生气体的共同作用。1关于岩体爆炸分类的研究1.1岩石可爆性评价因素迄今为止,对此问题研究最多、对我国爆破分级影响很大的国家是前苏联。前苏联普罗托季雅科诺夫MM最早以岩石坚固性系娄f为主要判据,苏哈诺夫AΦ按炸药单耗进行岩石可爆性分级。到50年代后期特别是70年代以来,前苏联在岩体可爆性分级研究方面发展很快,相继出现许多不同的观点、学派,产生了不同的分级表。1963年勒诃谢达洛夫HH按裂隙的间距将岩石分为三级。莫西涅夫茨BH和汤嗄耶夫NA以裂隙为在础的三级岩石相对应的纵波速度将岩体划区。1974年哈努卡耶夫AH以普氏坚固性系数、裂隙性有关参数、声阻抗、单位炸药消耗量等参数为指标,将岩石按可爆性分级。1978年汤嗄耶夫NA提出一个以单位凿岩能容和f系数进行可爆性分级。莫西涅夫茨BH于1976年提出一个以未扰动介质中的声波速度作为主要的定量准则来评价矿岩可爆性。前苏联科学院通讯院士里热夫斯基BB认为不同岩石的抗压、抗拉、抗剪3种强度三者的平均值作为岩石的爆破性指标,并辅以岩石的裂隙性制定分级。1976年库图佐夫BH以炸药单耗为准则并与坚固性系数对照矿岩进行分级。1976年坦加耶夫HA用牙轮钻孔比功与炸药爆破比能的相关关系代表岩石的爆破性。1976年鲁勃佐夫BK通过试验计算获得标准炸药消耗量,并以此为准则将岩石按可爆性分级。1979年库图佐夫BH同其他学者合作,综合了炸药单耗、岩石坚固性和岩体裂隙等方面因素而以炸药单耗为主,分为10级。ЮзаровПП以打眼长度来表示凿岩工班生产率和掘进1m巷道、崩落1m3岩石的标准炮眼数量等来作为可爆性指标。1981年Pαкищевър提出以岩石破坏质点临界速度作为岩体可爆性的分级准则。1984年EфремовАЪ利用相邻孔内传感器测定孔壁岩石移动的速度为准则确定岩石可爆性。1956年美国LivingstonCW提出以应变能因数表征岩石的爆破特性,以岩石弹性变形能系数进行爆破分级。1959年美国邦德以破碎功指数进行分级。1960年美国狄尔等人提出并已为美国伊利诺斯大学发展的岩石质量指标(RQD)和岩体裂隙的岩体分类,1976年美国肯尼特铜矿使用地震测量法确定岩石可爆性。日本50年代开始采用弹性波探测法进行岩石分级,1969年池田和彦、仲野、日野雄熊等人及日本岩石力学委员会提出以弹性波速度为主,并考虑岩体裂隙间距、龟裂系数、岩石抗剪强度等因素,按岩石抗爆强度进行分级。1976年日本火药协会提出一个岩石对爆破阻力的特征值(岩石抗力系数),以此作为爆破时的岩石抵抗爆破作用的特性指标。加拿大学者LongLC等人以探测相邻两孔间岩石纵波速度的方法来确定岩石爆破性。1956年东德出版的爆破工程手册中计算露天矿爆破的装药量计算公式,用单位炸药消耗量来反映岩体的爆破性。70年代挪威巴尔通以岩石质量指标、完整岩石强度、节理间距、节理面性质、地下水、风化情况、原始和次生应力等因素按百分计分法进行岩石分级。瑞典LangerforsU以岩体在爆破时的阻力值C来表征岩体可爆性。C的含意是为保证岩体有效破碎经试验确定的单位炸药量。1.2爆破性分级的基本原理1984年东北大学的爆破性分级应用数理统计对矿山实际试验所得爆破漏斗体积、爆破块度分布和岩体波阻抗与岩石爆破性指数N之间的关系进行多元回归分析,建立各指标与N的关系,按照岩石爆破性指数大小将岩石爆破性分为五级。80年代长沙矿冶研究院提出了以岩石波阻抗率和抗压强度为判据的露天矿深孔控制爆破岩石爆破性分级表,共分三级。1989年,长沙矿山研究院采用岩石强度、岩体纵波速度、岩石纵波速度、岩石横波速度作为评判指标,用模糊数学方法从整体上将岩体分为五个等级。北京矿冶研究总院葛树高在哈氏方法的基础上加以改进,采用天然裂隙平均间距、矿岩单轴抗压强度、容重及声阻抗指标来评价矿岩可爆性。直线掏槽爆破分级法以炸药性能、装药结构和每米炮孔装药量为定值,对巷道断面采用直线掏槽,从而获得在不同机制作用下,每个直线炮孔最小抵抗线和自由面宽度。两者在平面直角坐标上似双曲线一部分,经线性回归,将双曲线方程两个常数作为矿岩可爆性指标。灰色关联度爆破性分级的实质是:视岩石可爆性评价问题为一灰色系统,将参与评价的各因素作为目标,列出在全体目标下的矿岩指标集合,优选各目标的最优值并组成虚拟基准,应用灰色关联理论,依据关联程度的大小对各矿岩进行单目标排序。在此基础上,综合考虑各目标的影响程度,求出综合总排序,从而为确定矿岩可爆性提供依据。人工神经网络爆破性分级应用人工神经网络理论,采用机器学习的方法,建立了岩石的可爆性指数与岩体的爆破漏斗体积、大块率、平均合格率、小块率和波阻抗之间的非线性关系。该方法具有较强的非线性动态处理能力。遗传程序设计爆破性分级是一种最优化方法,即通过对问题进行程序结构化处理,给出一种进化函数,通过某些遗传运算将符合进化要求的保留下来。其分级指标为:岩石坚固性系数,岩石声阻抗,炸药单耗,岩体平均裂隙距。从以上岩体爆破分级发展中可见:①从笼统的定性描述,经过半定性半定量分析,演变到定量的确定岩体级别。②从以岩石的物理力学性质分级开始,扩大到对岩体性质的可爆性分级的研究。③将计算机技术应用到岩石分级,促进了由单项指标向多项指标综合分析定级的方向发展。④现代科学技术发展总的趋势是在高度分化的基础上走向高度综合,趋于整体化、系统化。为了精确地解决工程问题,岩石分级进一步分化成可钻性、可爆性和稳定性,并进一步分化,同时世界上许多国家又将各种分级方法统一起来建立共同承认的分级标准;把可钻性、可爆性和稳定性等分类方法结合起来,建立一种反映全面的综合分级方法。⑤工程实践与理论相互促进发展。统计数学、聚类分析、模糊数学等许多新的数学方法引用到岩石分级中,提高了岩体分级的特殊性。2岩体爆破准则长沙矿山研究院黄平平在总结前人经验基础上,系统地给出了矿岩爆破分级准则为:①强度准则;②裂隙性准则;③弹性准则;④岩体破碎移动速度准则;⑤能量准则;⑥单位炸药消耗准则;⑦爆破效果准则。并指出:1～4类准则均是从岩体本身的各特征指标来评价可爆性。这些都立足于实际资料和学术观点的基础上以不同的侧重指标和不同的组合关系作准则进行分级。能量准则尽管是普遍基本的原则,但实践证明难以实现。6、7类准则可认为是岩体有关属性在一定爆破载荷作用下的外部表现。3岩石完整性指标岩石爆破性评价指标主要有炸药单耗,工程地质参数、尤其是岩体完整性指标,岩石力学参数,弹性波在岩石中的传播参数,破碎岩石所耗费的比功。实际生产中,其指标主要分为:矿岩的力学性质指标、矿岩的裂隙性指标和矿岩的爆破质量指标。3.1可爆性指标矿岩的力学性质在一定程度上决定着矿岩爆破的难易程度,它主要表现为抗压、抗拉、抗剪强度和弹性模量等。由于点载荷和波阻抗测试技术具有现场测试快速简便的特点,所以这两项指标可作为可爆性分级的力学指标。点载荷指标是矿岩的强度指标,而波阻抗不仅是矿岩的密度和弹性常数等性质的综合指标,而且能够表征矿岩的裂隙性及爆破应力波衰减的特征。3.2裂隙性的表征国内外一致认为矿岩的裂隙密度、裂隙间距、声波速度、完整性系数等对矿岩的破坏效果影响最大。目前测量裂隙密度的方法主要有测线法和取样窗法。测线法用单位长度测线上裂隙的条数(裂隙线密度)、取样窗法用单位取样窗面积内裂隙的条数(裂隙面密度)来表征矿岩的裂隙性。裂隙密度相同时,裂隙越长,在某种意义上相当于裂隙加密,所以在选择矿岩裂隙性指标时,应该考虑裂隙长度的影响。因此,选择取样窗内与取样窗中线相交的裂隙的平均间距,作为矿岩的裂隙性指标比较合理。3.3矿岩爆破性评价爆破块度是评定爆破效果的综合性质量指标,它取决于矿岩的力学性质、裂隙性、炸药、爆破参数及爆破工艺,可选择平均块度和大块率作为矿岩爆破分级的指标。用岩体中弹性纵波速度或波阻抗作为爆破性分级依据是爆破性研究的一大进展。波阻抗不仅与岩石的物理性质有关,而且还取决于岩石的裂隙构造特征。弹性波速度综合体现了岩体力学性质、裂隙性质,是较有发展前途的分级指标。4爆区爆破性分区露天矿爆破以爆区为单位进行,为了准确地进行不同爆区的爆破参数优化,岩石爆破性分区成为岩石爆破性分级的发展和进一步完善。可爆性分级是以所有矿岩为研究对象,而可爆性分区是以具体矿山局部爆区为研究对象;在分区准则上除岩石固有静载荷特性外,更强调节理、裂隙的影响和高应变率下岩石动载荷特性的影响;在评价指标的数学分析上,灰色理论更适用于爆破分区这类信息不甚明确的问题。5灰关联分析方法的应用影响岩体爆破质量的因素多达数十个,其共同作用决定了岩体爆破质量。然而,由于理论分析和现场试验目的不同,受各种客观条件的限制,不可能也不必要将各个影响因素都反映出来。所以,如何简单可靠地从众多因素中确定影响岩体爆破质量的主要因素,成为岩体爆破理论与应用研究的基本问题,也是准确控制和预测爆破质量的前提。采用相关分析、回归分析和显著性检验来确定各个因素对爆破质量的影响程度,并且各种样本值还需要服从某个典型的概率分布。实际上,难以做到在工程中收集各种数据、指标。而灰关联分析方法可用少量的样本,较准确地决定影响爆破质量各因素的主次关系。灰关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密,曲线越接近,相应序列之间的灰色关联度就越大,反之越小。灰关联分析方法通过计算系统特征变量数据序列与相关因素变量数据序列之间的灰关联度、建立灰关联矩阵,利用优势分析原则,得出各影响因素的顺序,最终确定出主要影响因素。灰关联分析方法的应用表明:灰关联分析能确定不同矿山、不同爆破方式下影响爆破质量各因素的主次关系,从而为控制和预测爆破质量提供选择控制参数和预测参数的方法。当有多个爆破质量指标时,往往是由两个或两个以上的因素共同控制爆破质量。但对于单个爆破质量指标,必然存在着一个对其起决定作用的最优因素;并且不同的爆破质量指标所对应的最优因素不一定相同,这也反映了岩体爆破的复杂性、多变性。6爆破性分区的应用前景展望(1)各种矿岩可爆性的分级法主要区别于判据的选取和处理手段不同。(2)由于岩石的多样性,难以做到全面、精确地评价矿岩可爆性,也是不现实的。根据具体矿岩的属性,正确、合理地选择可爆性指标和处理极其重要。(3)岩石的复杂性使得爆破参数优化随岩体不同而成为一项经常性的工作。因此,爆破性分区为不同矿山、不同矿区的爆破参数优化奠定了基础。(4)从矿岩可爆性分级趋势可看到,矿岩可爆性分级朝着两个方向发展:①通用性。能够将岩石可爆性按一个标准统一分级;②针对性强。为了优化爆破参数,采用简单、实用