中南大爆破工程课件01岩石的性质及其分级

爆破工程第一章岩石的性质及其分级第一章

岩石的性质及其分级

第一节岩石的物理性质第二节岩石的力学性质第三节岩石的分级第一节岩石的物理性质一、岩石的矿物成分及组织特征岩石：是由一种或多种矿物组成的集合体，这里的岩石是个广义概念，包括矿石。矿物：是自然界存在的单质或化合物。第一节岩石的物理性质一、岩石的矿物成分及组织特征1.岩石矿物对岩石性质的影响从矿物成分来讲，如含石英的岩石（石英岩，花岗岩等）它的硬度和强度就高（石英的莫氏硬度为7）。2.岩石的组织特征对岩石性质的影响结构：岩石中矿物的结晶程度、结晶颗粒的大小和形状及彼此的组合方式。构造：岩石中矿物集合体之间，矿物集合体与其他组分之间的排列方式和充填方式。第一节岩石的物理性质坚固性：表征对不同的方法，岩石破碎的难易程度，它是一个综合指标，是各种物理力学性质的综合反映

一、岩石的矿物成分及组织特征（1）岩石的结构不同，其坚固程度不同岩浆岩：绝大多数是结晶结构。其坚固性主要取决于晶粒之间结合的牢固程度。组成岩石的晶体颗粒。愈细，愈致密，颗粒大小愈均匀。沉积岩：绝大多数为碎屑结构，坚固性主要取决于胶结物的强度。硅质胶结＞铁质胶结＞钙质胶结＞泥质胶结。变质岩：变晶结构，其坚固程度主要取决于变质程度以及原来的岩石结构。第一节岩石的物理性质一、岩石的矿物成分及组织特征（2）岩石的构造不同，其坚固程度不同岩浆岩：一般块状构造，几乎各向同性，坚固性较强。沉积岩和变质岩具有层理和片理状构造，成各项异性，非常容易沿层理破坏。层理对爆破作用有很大的影响第一节岩石的物理性质一、岩石的矿物成分及组织特征第一节岩石的物理性质一、岩石的矿物成分及组织特征3．地质构造对岩石性质的影响地质构造：岩石中存在的节理、裂隙及断层等方面等都称为地质构造。一方面，节理裂隙的存在，大大消弱了岩石的坚固性，强度减低，需要的爆破能量减少，可以认为是有利的；另一方面，正由于节理裂隙的存在，岩石爆破时很容易沿着节理裂隙破坏，或者说没有裂隙的地方就不易被破坏，所以岩石的爆破块度受节理裂隙的控制。第一节岩石的物理性质二、岩石的孔隙度、密度和容重

1．岩石的孔隙度式中：V0——孔隙的体积；

V——岩石的体积。第一节岩石的物理性质2．岩石的容重和密度容重：原岩的重量与其体积之比

密度：原岩的质量与其体积之比容重用γ来表示

（g/cm3）密度用ρ来表示（t/m3）或（g/cm3）式中：G——岩石的重量；M——岩石的质量第一节岩石的物理性质三、岩石的碎胀性岩石破碎后，由于孔隙的增加，体积要增大，这种破碎后体积增大的性质叫做岩石的碎胀性，用碎胀系数表示：式中：V1——岩石破碎后的体积；V——岩石破碎前的体积；可见K>1第一节岩石的物理性质四、波阻抗岩石的密度与在岩石中传播的弹性纵波速度之乘积叫做岩石的波阻抗。假设岩石的弹性纵波速度用Cp来表示，波阻抗为ρCp，岩石的波阻抗实际上表征了岩石的力学性质，一种岩石确定后，岩石的密度是确定的，所以波阻抗就是确定的。

第一章

岩石的性质及其分级

第一节岩石的物理性质

第二节岩石的力学性质第三节岩石的分级一、岩石的静载荷变形特征

静载荷加载特点加载速度无限小。加载时间无限长，趋近于无穷大。低碳钢的应力—应变曲线岩石的应力—应变曲线一类岩石可称之为弹脆性体。

另一类称为弹塑性体。一般把曲线变缓的转折点称为屈服极限，实际上只有少数较软的沉积岩才是弹塑性体。

岩石在静载荷作用下，在弹性范围内，符合胡克定律，其弹性常数与其它材料一样。弹性模量E，剪切模量G，波松比μ，体积模量K对于层状岩石，E表现出明显的各向异性

E增大，变形愈难，消耗在变形上的能量变小，可以说对爆破有利

二、岩石的动载荷变形特征

1．冲击载荷和应力波

冲击荷载的特点：加载速度很大，加载时间很短波：扰动的传播应力波：应力应变改变的传播就叫应力波。

岩石在冲击载荷作用下，岩石内的应力状态（

，

，v

）表现为：对于某一点而言（

，

，v）＝f(t)对于某时刻（

，

，v）＝f(x，y，z)即岩石的应力状态（

，

，v）即是坐标的函数，又是时间的函数岩石的应力在岩体中的分布叫做岩石的应力场

由炸药的爆炸作用而引起的冲击载荷称为爆炸载荷；由爆炸载荷的作用，在固体介质中引起的应力状态参数的改变的传播――称之为爆炸应力波。

当炸药在无限均质岩体中爆炸时，会在岩石中产生应力波，根据应力波的振幅的大小，从爆源开始，一般将应力波分成三段：冲击波、压缩波、地震波。

2．爆炸应力波的特性

（1）冲击波

冲击波的波阵面处介质状态的变化是突跃的，波阵面比较陡

岩石中的冲击波，具有以下特性：①具有非常陡的波阵面；压力上升时间

t升≈0，压力下降时间

t降≠0>>t升

②作用范围非常小；设=距离（到爆源中心）/药包直径，称为比例距离，则≈3～15

③对岩石作用非常强烈，可使岩石熔化产生塑性流动，压碎、破裂；④传播速度>声速（岩石中）；

⑤应力衰减极快，一般的

＝0.1～0.45，n＝2.11～2.82

（2）压缩波

或称为应力波

冲击波通过衰减，变成了压缩波，具有以下特性：

①波阵面的状态参数变化较缓

t升≠0t升<t降

②作用范围较大，一般为十几～几十倍的药包半径

③对岩石的作用减弱，但仍然能够引起岩石破坏及残余变形

④传播速度＝岩石中的声速

⑤应力衰减速度变慢，μ=0.1~0.45，n=1.18~1.89

（3）地震波传播特性

压缩波再衰减，就变成地震波了。

①t升＝t降②作用范围从几十倍～几千倍的药包半径。③只能引起岩石质点的振动（具有周期性压缩波和冲击波没有），但当介质质点的振动速度很大时，可使地表的建筑物或构筑物发生破坏。④传播速度等于声速⑤应力衰减与距离呈线性关系

3．应力波的分类岩石当中的应力波按其传播的途径和位置不同分为体积波和表面波两种

（1）体积波：在介质内传播的波按波的传播方向与介质质点的运动方向的相互关系又分为：纵波和横波。纵波又叫做膨胀波，或叫P波；横波又叫畸变波、剪切波、S波，横波在岩石中产生前切应力。

（2）表面波：沿着介质表面传播的波

表面波分为瑞利波和勒夫波。

（3）这里需要说明的几点

①纵波是爆破破坏岩石的主要原因。

②同一个波，按不同的分类，有不同的名称。

③在爆破近区（强冲击波区）由于压力极高，岩石产生塑性流动，近似于流体，没有剪应力——无剪切波（横波）。④冲击波或压缩波中有负值部分，表明应力为拉应力，称为拉伸相，一般不称为拉伸波，因为就整个波而言，主要是压而不是拉。

⑤如果传播的应力改变在弹性极限内，称为弹性波。

4．应力波的传播

①假设，当我们所研究的某点距爆源很远时，波阵面是平面

②假设质点只沿x轴方向发生位移，则由波动方程

式中：σ，τ

——介质中某点的正应力和剪应力

ρ——介质的密度，

cp，cs——在介质中传播的纵波、横波波速

vp，vs——纵波横波介质质点的运动速度。

③对于弹性波（在弹性介质中传播）纵波和横波的波速分别是：在一维杆件中5．应力波向介质交界面垂直入射时的反射与透射设：入射波应力为σi质点速度vi透射波应力为σt质点速度vt反射波应力为σr质点速度vr

先规定，应力，压为正，拉为负。质点运动速度vp与波的传播方向一致时，取正值，相反时，取负值，波速cp取绝对值，假定σi、σt、σr均为正值。分析M点：

应力：σi+σr=σt

质点速度：vi+vr=vt根据公式：σ=ρcpvp有：σi=ρ1cp1vi；

σr=ρ1cp1vr；σt=ρ2cp2vt

将以上5式联立求得：令：则有：通过推导，还可以得出入射波所携带的能量与反射波及透射波所携带的能量之间的关系：下面就无因次量K分几种情况加以讨论①K＝1，ρ1cp1=ρ2cp2σr=0，σt=σ，没有反射应力，透射应力＝入射应力Er=0，Et=Ei没有反射能量，能量全部透射②K=0，ρ2cp2=0

σr=-σi，σt=0，有反射应力，而没有透射应力（有反射波，没有透射波，反射波为拉伸波；Er=

Ei，Et=0能量全反射，没有透射能量

假设有两种介质一边是岩石，一边是空气，那么这个岩石所面临的是空气，这个岩石表面称作临空面，又叫自由面。如果波在岩石中向自由面入射，显然ρ1cp1>>ρ2cp2③K→∞，ρ1cp1→0σr=σi，σt=2σi，反射应力＝入射应力，透射应力＝2倍的入射应力，（入射波为压缩波，反射波也为压缩波，没有透射波）Er=

Ei，Et=0，能量全反射，而没有透射

相当于向刚体入射，或者从空气中向岩石入射。

④

K≠0，1，∞

0<K<1时，ρ1cp1>ρ2cp2。相当于由硬岩向软岩入射。

σr与σi反号，即有反射波，为拉伸波,σt与σi同号且σt<σi，也有透射波，为压缩波,0<(Er，Et)<Ei，能量既有反射，也有透射。

1<K<∞时ρ1cp1<ρ2cp2，相当于由软岩向硬岩入射。σr与σi同号，且σr<σi，有反射波，为压缩波，σt与σi同号且σt>σi，也有透射波，为压缩波，0<(Er，Et)<Ei，能量既有反射，也有透射。

小结应用举例①自由面的作用爆炸应力波→自由面，反射成拉伸波σr=-σi，Er=Ei，反射拉伸波在岩石中产生拉应力

②求孔壁上的最大压力（压力峰值）令炸药的波阻抗为ρeD

③解释节理裂隙对爆破的影响节理裂隙的存在，相当于应力波从岩石Ⅰ→空气（软岩）→岩石Ⅱ，在此过程中，消耗了大部分能量，从而使应力波衰减加快，使后面的岩石不容易破坏

6．应力波向介质交界面倾斜入射不论是纵波，还是横波，当其向介质交界面倾斜入射时，都会产生反射的纵波和横波以及透射的纵波和横波。7．岩石的变形能岩石的变形能实际分为两部分：变形势能和变形动能：单位体积总的变形能为单位体积内的变形势能和变形动能均之和：三、岩石的强度特征

岩石的强度指岩石在外力作用下抵抗外力破坏的能力。1．根据外力的形式可分为抗压、抗拉和抗剪强度，其中

R压>R剪>R拉对于抗压强度又分为三向抗压，双向和单向。

R压3>R压2>R压12．由于岩石的结构构造不同，各向异性，岩石的强度也呈各向异性，如层状岩石，R||<R⊥

3．随着加载速度的增加，强度增加，R动>R静

四、岩石的硬度

岩石表面抵抗工具侵入的能力叫做岩石的硬度。

岩石的硬度又分为静压入硬度和冲击压入硬度。

静压入硬度：以静压力压入岩石的表面，使之产生残余变形或破碎时，用单位面积上的压力值来表示。冲击压入硬度：用冲锤以一定的速度冲击岩石表面时，用冲锤回弹高度作为冲击压入硬度的指标。硬度越高，工具侵入越难，凿岩速度越低。

五、岩石的磨蚀性

岩石对工具的磨蚀能力，叫做岩石的磨蚀性。岩石的磨蚀性直接影响着凿岩工具的损耗率，影响磨蚀性的主要原因，矿物的硬度，结晶颗粒，结晶状态，例如矿物颗粒大，矿物硬度高，结晶程度好，腐蚀性就强。

第一章

岩石的性质及其分级

第一节岩石的物理性质

第二节岩石的力学性质第三节岩石的分级岩石分析的方法1．以岩石的力学强度指标为准则的爆破性分级方法，普氏分级，日本隧道界以抗爆强度为指标对岩石进行分级。2．以炸药单耗为准则的爆破性分级方法。以标准条件下爆破单位体积岩石所消耗的炸药量作为衡量岩石爆破难易的标准。3．以工程地质参数为准则的