本章主要內(nèi)容：

◆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

◆巖體的爆破分級(jí)

◆地質(zhì)構(gòu)造對(duì)爆破的影響◆

自由面對(duì)爆破效果的影響

4爆破工程地質(zhì)本章主要內(nèi)容：4爆破工程地質(zhì)1

在工程爆破實(shí)踐中，通常是用鑿巖設(shè)備在巖體內(nèi)進(jìn)行穿孔并裝入炸藥進(jìn)行爆破的方法來(lái)破碎巖石或礦石。因此，爆破與地質(zhì)關(guān)系密切?！舻刭|(zhì)條件對(duì)爆破作用工程與結(jié)果的影響◆爆破作用對(duì)爆區(qū)外圍巖體及其力學(xué)性質(zhì)的影響

地質(zhì)條件：地形巖性（物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)）地質(zhì)構(gòu)造（節(jié)理、層理、斷層，等）水文地質(zhì)特殊地質(zhì)（如溶洞）4爆破工程地質(zhì)在工程爆破實(shí)踐中，通常是用鑿巖設(shè)備在巖體內(nèi)進(jìn)行穿孔并2

4.1巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

(1)巖石的物理性質(zhì)巖石與爆破有關(guān)的物理性質(zhì)主要包括孔隙率、容重、密度、硬度、碎脹性、裂隙性等。一般認(rèn)為巖石容重/密度對(duì)爆破的影響更為顯著。

1)孔隙率孔隙率η，是指巖石中孔隙的總體積V0與巖石的總體積V之比：巖石孔隙的存在，能削弱巖石顆粒之間的粘結(jié)力而使巖石強(qiáng)度降低，孔隙率越大，巖石強(qiáng)度降低得就越嚴(yán)重。巖石孔隙的存在，一方面使所需要的炸藥能量降低，但另一方面會(huì)因炸藥爆炸的能量會(huì)從孔隙逸出而使爆破效果受到影響。實(shí)踐中難以對(duì)孔隙率的影響進(jìn)行量化描述。4.1巖石的物理力學(xué)性質(zhì)3

2)密度/容重密度ρ(g/cm3),是指構(gòu)成巖石的物質(zhì)質(zhì)量M對(duì)該物質(zhì)所具有的體積V-V0之比，即：容重γ(t/m3),是指巖石的重量G對(duì)包括孔隙在內(nèi)的巖石體積V之比，即：巖石的密度、容重主要影響巖石的拋擲、堆積和裝運(yùn)。一般地說(shuō)，巖石的密度和容重越大，就越難以破碎，在拋擲爆破時(shí)需消耗較多的能量去克服重力的影響。幾種巖石孔隙度、密度、容重見(jiàn)表4-1。2)密度/容重4表4-1幾種巖石的孔隙度、密度、容重巖石名稱孔隙度（%）密度（g/cm）容重（t/m3）花崗巖玄武巖輝綠巖石灰?guī)r白云巖砂

巖頁(yè)

巖板

巖片麻巖大理巖石英巖粘

土砂

子0.5~1.50.1~0.20.6~1.25.0~201.0~5.05.0~2510~300.5~1.50.5~2.00.1~0.84530~502.6~2.72.8~3.02.85~3.02.71~2.852.5~2.62.58~2.692.2~2.42.3~2.72.9~3.02.6~2.72.65~2.91.6~2.11.5~1.72.56~2.672.75~2.902.8~2.92.46~2.652.3~2.42.47~2.562.0~2.32.1~2.572.65~2.852.52.54~2.851.6~2.01.4~1.6表4-1幾種巖石的孔隙度、密度、容重巖石名稱孔隙度（%）5

3)硬度巖石的硬度是指巖石抵抗工具侵入的能力。因此，研究巖石的硬度對(duì)鑿巖（鉆孔）具有重要意義。一般情況下，硬度越大的巖石越難以鑿巖和爆破。但是，某些硬度較大同時(shí)也比較脆的巖石，往往也容易爆破。

4)巖石的碎脹性巖石破碎成塊后，因碎塊之間存在空隙而使總體積增加，這一性質(zhì)稱為巖石的碎脹性，它可用碎脹系數(shù)(松散系數(shù))K表示：

K=V1/V

式中：V1—巖石破碎后的總體積V1；

V—巖石破碎前的總體積。巖石的碎脹系數(shù)(松散系數(shù))K一般在1.2～1.6之間。3)硬度6

5)巖體的裂隙性巖體是“由結(jié)構(gòu)面和巖石組成的地質(zhì)體”。巖體的彈性模量、波速小于巖石試件的彈性模量、波速。巖體的性質(zhì)由巖塊和結(jié)構(gòu)面共同決定。巖石中的節(jié)理裂隙對(duì)爆破能量的傳遞影響很大，且節(jié)理裂隙的性質(zhì)與賦存條件可有很大差異，使巖體在爆破過(guò)程中的受力破壞問(wèn)題更加復(fù)雜難解。一般采用巖體的完整性系數(shù)ξ來(lái)評(píng)價(jià)巖體的完整性：或5)巖體的裂隙性7

(2)巖石的力學(xué)性質(zhì)用炸藥爆炸來(lái)破碎巖石是一個(gè)力學(xué)作用過(guò)程，更嚴(yán)格地說(shuō)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。因此，巖石的力學(xué)性質(zhì)必然對(duì)巖石爆破破壞過(guò)程與結(jié)果具有重要影響。

1)巖石的靜力學(xué)性質(zhì)①巖石的強(qiáng)度巖石的強(qiáng)度是指巖石抵抗外力破壞的能力。巖石的強(qiáng)度主要有：

●

抗壓強(qiáng)度●抗拉強(qiáng)度

●抗剪強(qiáng)度由于在爆破工程中，巖石承受的是沖擊載荷，因而巖石的這些靜力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)只能在一定程度上反映巖石的爆破難易程度，即巖石的可爆性不能完全根據(jù)巖石的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)確定。(2)巖石的力學(xué)性質(zhì)8

②巖石的靜載變形特性巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，其變形性質(zhì)可用應(yīng)力－應(yīng)變曲線表示。

巖石的應(yīng)力－應(yīng)變曲線線性彈性變形非線性彈性變形塑性屈服變形延性破壞比例極限脆性破壞彈性變形區(qū)塑性變形區(qū)②巖石的靜載變形特性線性彈性變形非線性彈性變9①?gòu)椥浴趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，當(dāng)外載去掉后，巖石恢復(fù)原形的性質(zhì),遵守虎克定律。②脆性—巖石沒(méi)有產(chǎn)生顯著的永久變形就開(kāi)始破壞的性質(zhì)，一般巖石呈脆性破壞。③塑性—與脆性相反，在破壞前有較明顯的永久變形，如泥頁(yè)巖，高嶺土礦，巷道底鼓。④彈性模量：E=σ/ε。⑤剪切模量：G=τ/γ⑥泊松比：μ=ε2/ε1⑦G，E，μ的關(guān)系，根據(jù)材料力學(xué)的理論有：G=E/2（1+μ）⑧彈性后效：在彈性區(qū)內(nèi)，應(yīng)力消除后，應(yīng)變并不能立即消失，而需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能恢復(fù)，這就叫彈性后效。①?gòu)椥浴趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，當(dāng)外載去掉后，巖石恢復(fù)原10

2)巖石的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)炸藥爆炸加載于介質(zhì)的載荷是沖擊載荷，沖擊載荷能引起介質(zhì)中產(chǎn)生波的傳播。在巖石動(dòng)力學(xué)中常把應(yīng)變率大于104/s的載荷稱為動(dòng)載荷，巖石在動(dòng)應(yīng)力作用下的一般力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為：a）動(dòng)抗壓、抗拉強(qiáng)度隨加載速率的提高而明顯增加；b）動(dòng)抗壓與動(dòng)抗拉強(qiáng)度之比非恒定值(表4-2)；c）在抗壓試驗(yàn)中，除初始階段外，加載速度和應(yīng)變速度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系；d）變形模量隨加載速度的增加而提高；e）巖性越差，風(fēng)化越嚴(yán)重，強(qiáng)度越低，巖石強(qiáng)度受加載速度大小的影響越明顯。2)巖石的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)11巖石種類應(yīng)力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）加載速度(Mpa/s)載荷持續(xù)時(shí)間（ms）靜態(tài)動(dòng)態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)大理石和泉砂巖多湖砂巖群馬砂巖輝綠巖石英-閃長(zhǎng)巖4500~60003700~43001800~35004100~57005300~60003700~590090~110100~14015~25200~240320~350240~330120~200120~20020~50350~500700~800300~4005~98~92~316~2322~3211~1920~4050~7010~2020~3050~6020~30107~108107~108106~107107~108107~108107~10810~3020~3050~10010~2020~5030~50表4-2幾種巖石的動(dòng)、靜載強(qiáng)度巖石種類應(yīng)力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強(qiáng)度（MPa）抗拉12應(yīng)變速率<10-610-6～10-410-2～1010～103>104載荷狀態(tài)試驗(yàn)方法流變穩(wěn)定加載靜態(tài)夜壓機(jī)加載準(zhǔn)靜態(tài)氣動(dòng)式快速加載準(zhǔn)動(dòng)態(tài)霍金遜桿加載動(dòng)態(tài)爆炸或沖擊加載

①

炸藥爆炸載荷的性質(zhì)根據(jù)加載速度和受荷介質(zhì)的應(yīng)變率(表4-3)，載荷性質(zhì)可分為動(dòng)載荷和靜載荷。表4-3載荷狀態(tài)分類

應(yīng)變率是指應(yīng)變隨時(shí)間的變化速率，即：

應(yīng)變速率<10-610-6～10-410-2～1010～1013

②巖石的波阻抗巖石密度ρ與縱波在該巖石中的縱波傳播速度Cp的乘積，稱為巖石的波阻抗z：

炸藥的波阻抗值與巖石的波阻抗值越接近(匹配)，以爆炸沖擊波的形式向巖石傳遞的能量就越多，在巖石中引起的應(yīng)變就越大，利于巖石的破壞。③巖體在爆炸沖擊載荷作用下的力學(xué)反應(yīng)爆炸沖擊載荷作用下巖體中產(chǎn)生的應(yīng)力波，能夠引起巖體的變形甚至破壞。這種動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)是：①由于爆轟壓力瞬間高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)兆帕，會(huì)在巖體表面產(chǎn)生沖擊波。②在巖體中某局部激發(fā)的壓力脈沖可使巖體中出現(xiàn)明顯的應(yīng)力不均現(xiàn)象。③巖體中各點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力及變形、位移和運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間而變化。④載荷與巖體之間有明顯的阻抗“匹配”作用。②巖石的波阻抗14

4.2巖體的爆破分級(jí)客觀世界中的巖體性質(zhì)差異顯著。對(duì)巖體進(jìn)行爆破分級(jí)，是合理確定爆破工藝方法和技術(shù)參數(shù)的前提，對(duì)控制爆破工程效果、降低工程成本，都具有重要意義。國(guó)內(nèi)外主要的巖體爆破分級(jí)方法有：◆

按巖石堅(jiān)固性的普氏分級(jí)法◆按巖石波阻抗的哈氏分級(jí)法◆利文斯頓爆破漏斗巖石分級(jí)法◆東北大學(xué)巖石分級(jí)法◆北京科技大學(xué)爆破分級(jí)法

4.2巖體的爆破分級(jí)15(1)按巖石堅(jiān)固性的普氏分級(jí)法這種分級(jí)方法是前蘇聯(lián)學(xué)者普洛吉亞柯夫于20世紀(jì)20年代提出的。這種分級(jí)根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定巖石堅(jiān)固性系數(shù)，并按巖石的堅(jiān)固性系數(shù)將巖石分為十個(gè)等級(jí)（表4-4），用以表征巖石的爆破難易程度。巖石堅(jiān)固性系數(shù)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系為：

f=R/10式中f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)。實(shí)際上，有的巖石單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)300MPa。為了保持原來(lái)普氏系數(shù)最大值f=20,1995年蘇聯(lián)的巴隆修正普氏堅(jiān)固性系數(shù)公式為：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易用，多數(shù)情況下大致可靠。

缺點(diǎn)：忽略了巖石的其它特性和巖體節(jié)理裂隙的影響。

應(yīng)用情況：目前仍較廣泛。(1)按巖石堅(jiān)固性的普氏分級(jí)法16表4-4普氏巖石分級(jí)表等級(jí)堅(jiān)實(shí)程度巖石名稱容重（kg/m3）極限抗壓強(qiáng)度（MPa）f值Ⅰ非常堅(jiān)實(shí)最堅(jiān)實(shí)，致密，強(qiáng)韌的石英巖及玄武巖，非常堅(jiān)實(shí)的其它巖石2800~300020020Ⅱ很堅(jiān)實(shí)很堅(jiān)實(shí)的花崗巖類，石英斑巖，很堅(jiān)實(shí)的花崗巖，硅質(zhì)頁(yè)巖，石英巖，最堅(jiān)實(shí)的砂巖，石灰?guī)r2600~270015015Ⅲ堅(jiān)實(shí)致密的花崗巖和花崗巖類，很堅(jiān)實(shí)的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，堅(jiān)實(shí)的礫巖，很堅(jiān)實(shí)的鐵礦2500~260010010Ⅲa堅(jiān)實(shí)石灰?guī)r（堅(jiān)實(shí)），不堅(jiān)實(shí)的花崗巖，堅(jiān)實(shí)的大理巖，白云巖，黃鐵礦2500808Ⅳ尚堅(jiān)實(shí)普通砂巖，鐵礦2400606Ⅳa尚堅(jiān)實(shí)砂質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)狀砂巖2300505Ⅴ中等堅(jiān)實(shí)的砂質(zhì)頁(yè)巖，不堅(jiān)實(shí)的砂質(zhì)巖和石灰?guī)r，軟的礫巖2400~2800404Ⅴa中等各種頁(yè)巖（不堅(jiān)實(shí)），致密的泥灰?guī)r2400~2600303Ⅵ尚軟軟質(zhì)頁(yè)巖，極軟石灰?guī)r，白堊，巖鹽，石膏，凍土，破碎砂巖，膠結(jié)的卵石與礫石，石質(zhì)土壤2200~260020~152Ⅵa尚軟碎石土壤，破碎頁(yè)巖，卵石與碎石的交互層，硬化粘土2200~24001.5Ⅶ軟粘土（致密），粘土類土壤2000~22001.0Ⅶa軟輕型沙質(zhì)粘土，黃土，礫石1800~20000.8表4-4普氏巖石分級(jí)表等級(jí)堅(jiān)實(shí)程度巖石名17（2）按巖石波阻抗的哈氏分級(jí)法前蘇聯(lián)的哈努卡耶夫認(rèn)為巖石的彈性縱波速度是巖石的動(dòng)態(tài)屬性不僅可以作為巖石物理力學(xué)性質(zhì)的綜合量度，而且也可以反映巖體中節(jié)理裂隙的影響，并據(jù)此提出了以巖體波阻抗為依據(jù)的巖石可爆性分級(jí)方法。其優(yōu)缺點(diǎn)與普氏分級(jí)法類似。另外，在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖體波速進(jìn)行測(cè)試較為麻煩，難以實(shí)施。由于這些原因，目前應(yīng)用極少。（3）利文斯頓爆破漏斗巖石分級(jí)法美國(guó)的利文斯頓認(rèn)為，能量準(zhǔn)則是研究巖石破壞的根本準(zhǔn)則，最能反映消耗能量多少和爆破效果好壞之間的關(guān)系，從而也能表征巖石的可爆性。該方法利用變形能系數(shù)表征巖石的爆破性，并用以計(jì)算炸藥的單耗量。其表達(dá)式為:式中Ed為巖石的變形能系數(shù)，Le為炸藥埋置的極限深度(最小抵抗線)，Q為裝藥量。當(dāng)Q一定時(shí)，Le越大，說(shuō)明該巖石愈易爆破。（2）按巖石波阻抗的哈氏分級(jí)法18

(4)東北大學(xué)巖石分級(jí)法東北大學(xué)的研究者在綜合考慮爆破材料、工藝、參數(shù)等條件，進(jìn)行爆破漏斗實(shí)驗(yàn)和巖石聲波測(cè)定，根據(jù)爆破漏斗的體積、大塊率、小塊率、平均合格率和波阻抗等大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)多元回歸分析得出了巖石可爆性指數(shù)f的計(jì)算公式：

式中：f為巖石可爆性指數(shù)；kd為大塊率,%;kx為小塊率,%；kp為平均合格率,%；ρc為巖石波阻抗，g/(cm2·s)×105。優(yōu)點(diǎn)：具有合理性。缺點(diǎn)：項(xiàng)目繁雜；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施不同礦巖體中的爆破漏斗試驗(yàn)，難度大。應(yīng)用情況：極少。(4)東北大學(xué)巖石分級(jí)法19

表4-5東北大學(xué)巖石可爆性分級(jí)級(jí)別f爆破性程度代表性巖石II1I2<2929.001～38極易爆千枚巖、破碎性砂巖、泥質(zhì)板巖、破碎性白云巖IIII1II238.001～4646.001～53易爆角礫巖、綠泥片巖、米黃色白云巖IIIIII1III253.001～6363.001～68中等陽(yáng)起石石英巖、煌斑巖、大理巖、灰白色白云巖IVIV1IV268.001～7474.001～81難爆磁鐵石英巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖VV1V281.001～86>86極難爆矽卡巖、花崗巖、礦體淺色砂巖、石英片巖級(jí)別f爆破性程度代表性巖石II1<29極易爆千枚巖、破20(5)北京科技大學(xué)巖體爆破分級(jí)法巖體可爆性判據(jù)指標(biāo)，是指巖體本身所具有的一些屬性參數(shù)，它們均在某些方面并在某種程度上反映了巖體在炸藥爆炸過(guò)程中發(fā)生破壞的難易程度。該方法認(rèn)為巖石密度ρ、巖石抗壓強(qiáng)度σc、巖石抗拉強(qiáng)度σt、巖體的完整性系數(shù)ξ四個(gè)參數(shù)個(gè)在某些方面并在某種程度上反映了巖體爆破破壞的難易程度，采用這四個(gè)參數(shù)作為巖體可爆性的指標(biāo)（四個(gè)參數(shù)的權(quán)值分別取為0.3、0.3、0.1、0.3），并采用聚類分析方法計(jì)算具體巖體的可爆性分級(jí)。1)爆破分級(jí)指標(biāo)

①巖石密度在爆破工程中，需要克服礦巖體的慣性力，使礦巖產(chǎn)生位移甚至拋擲運(yùn)動(dòng)，從而使爆堆礦巖具有足夠的松散性。礦巖的這種位移與拋擲運(yùn)動(dòng)消耗炸藥能量的多少，與其密度（或者重度）直接相關(guān)。因此，也需要把巖石密度作為衡量巖體爆破難易程度的一個(gè)指標(biāo)。(5)北京科技大學(xué)巖體爆破分級(jí)法21②巖石抗壓強(qiáng)度沖擊壓縮是炸藥爆炸時(shí)對(duì)周圍巖石產(chǎn)生的直接作用。因此，可以認(rèn)為礦巖的可爆性與其抗壓強(qiáng)度直接相關(guān)。③巖石抗拉強(qiáng)度在爆破過(guò)程中，拉伸破壞是巖石產(chǎn)生破壞的主要形式。因此，可將巖石的抗拉強(qiáng)度視為衡量巖石爆破難易程度的一個(gè)重要指標(biāo)。④巖體的完整性系數(shù)巖體是巖塊的集合體，巖塊間程度不同地存在著節(jié)理裂隙等各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。這種結(jié)構(gòu)面越密集，則將巖體破碎至一定塊度尺寸所消耗的炸藥能量就越少，亦即這種巖體越容易爆破。因此，將巖體的完整性系數(shù)作為對(duì)巖體可爆性進(jìn)行評(píng)價(jià)的另一個(gè)指標(biāo)。巖體的完整性系數(shù)可定義為:

式中和分別為巖體和巖石的縱波傳播速度。②巖石抗壓強(qiáng)度222)聚類分析方法基本原理聚類分析是研究復(fù)雜或模糊事物之間的相似性和親疏關(guān)系的，根據(jù)相似程度或相關(guān)程度，把所要研究的事物分類組合。其主要思路為:假設(shè)有幾個(gè)樣本，每一樣本有個(gè)指標(biāo)，則樣本矩陣為:樣本的親疏關(guān)系可由距離系數(shù)來(lái)衡量:越小，表示樣本與樣本越相似。2)聚類分析方法基本原理23

北京科技大學(xué)巖體爆破分級(jí)法應(yīng)用結(jié)果一例

24對(duì)爆破有嚴(yán)重影響的地質(zhì)構(gòu)造主要有節(jié)理、層理、斷層、不整合面、沉積間斷面、巖漿巖與圍巖的接觸面以及各種成因的軟弱夾層等。

1)斷層對(duì)爆破的影響

在藥包爆破作用范圍內(nèi)的斷層（fault）或大裂隙能影響爆破漏斗的大小和形狀，從而減少或增加爆破方量，使爆破不能達(dá)到預(yù)定的拋擲效果甚至引起爆破安全事故。4.3地質(zhì)構(gòu)造對(duì)爆破的影響圖4-2圖4-3對(duì)爆破有嚴(yán)重影響的地質(zhì)構(gòu)造主要有節(jié)理、層理、斷層、25

2)溶洞對(duì)爆破效果的影響 在巖溶地區(qū)進(jìn)行大爆破時(shí)，地下溶洞對(duì)爆破效果的影響巨大。溶洞能改變最小抵抗線的大小和方向，從而影響裝藥的拋擲方向和拋擲方量（圖4-4）。爆區(qū)內(nèi)小而分散的溶洞和溶蝕溝縫，能吸收爆炸能量或造成爆破漏氣，造成爆破不勻，產(chǎn)生大塊。溶洞還可以誘發(fā)沖炮、塌方和陷落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆破安全事故。對(duì)于深孔爆破，地下溶洞會(huì)使炮孔容藥量突然增大，產(chǎn)生異常拋擲和飛石（圖4-5）。2)溶洞對(duì)爆破效果的影響26圖4-4溶洞對(duì)拋擲方向的影響圖4-5溶洞對(duì)深孔爆破的影響

圖4-4溶洞對(duì)拋擲方向的影響27

3)層理對(duì)爆破的影響在生產(chǎn)實(shí)踐中，遇到最多和對(duì)爆破作用影響較大的是巖層層理和層理裂縫，特別是在石灰?guī)r、板巖、片巖等不同種類巖石相間的巖層中尤為突出。層理一般對(duì)爆破漏斗的形狀，爆破力量、拋擲方向和拋擲距離等有一定影響。①藥包最小抵抗線與層理面平行，爆破時(shí)不改變拋擲方向，但減小爆破方量，即爆破效果降低，爆破漏斗不是圓錐形，而是沿層理面形成的方形坑。這種情況下，拋擲距離一般較遠(yuǎn)，有可能沿層理面發(fā)生沖炮。3)層理對(duì)爆破的影響28圖4-6最小抵抗線與層理平行②藥包最小抵抗線與層理面垂直，爆破時(shí)不改變拋擲方向，但將擴(kuò)大爆破土石方量，拋擲距離變小。圖4-7最小抵抗線與層理平行爆破工程地質(zhì)匯總課件29③層理面與最小抵抗線斜交時(shí)，爆破拋擲方向?qū)⑹艿接绊?，爆破方量多?shù)減少，有時(shí)也可增加。圖4-8最小抵抗線與層理斜交

4)節(jié)理對(duì)爆破的影響有些巖體中的節(jié)理，雖然組數(shù)較多，但常僅有一組或兩組起主導(dǎo)作用，這樣它們對(duì)爆破作用的影響主要由這一兩組決定。

當(dāng)巖體僅受到一組主節(jié)理的切割時(shí)，其對(duì)爆破作用的影響與層理的影響相似。大的節(jié)理對(duì)爆破的影響則與斷層的影響相似。

③層理面與最小抵抗線斜交時(shí)，爆破拋擲方向?qū)⑹艿?04.4自由面對(duì)爆破效果的影響在爆破工程中自由面的作用是非常重要的。有了自由面，爆破后的巖石才能向這個(gè)面破壞和移動(dòng)。增加自由面的個(gè)數(shù)，可以在明顯改善爆破效果的同時(shí)，顯著地降低炸藥消耗量。合理地利用地形條件或人為地創(chuàng)造自由面，往往可以達(dá)到事半功倍的效果。圖4-9（a）表示只有一個(gè)自由面時(shí)的情況，圖（b）表示具有兩個(gè)自由面時(shí)的情況。如果巖石是均質(zhì)的，而且其它條件相同，那么圖中（b）條件下所爆下的巖石體積將顯著大于圖（a）條件下的。4.4自由面對(duì)爆破效果的影響31圖4-9自由面對(duì)爆破效果的影響圖4-9自由面對(duì)爆破效果的影響32本章小結(jié)

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)爆破作用的過(guò)程與結(jié)果具有重要影響，對(duì)于合理選取爆破技術(shù)參數(shù)具有重要意義；巖體的爆破分級(jí)是聯(lián)系巖（石）體性質(zhì)和爆破技術(shù)參數(shù)的橋梁；除巖石的物理力學(xué)性質(zhì)外，地質(zhì)構(gòu)造和藥包（柱）的自由面條件（包括所謂的地形條件）對(duì)爆破的過(guò)程與結(jié)果也具有重要影響，對(duì)于科學(xué)制定爆破技術(shù)方案、合理選取爆破技術(shù)參數(shù)，同樣具有極為重要的意義。

本章小結(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)爆破33本章主要內(nèi)容：

◆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

◆巖體的爆破分級(jí)

◆地質(zhì)構(gòu)造對(duì)爆破的影響◆

自由面對(duì)爆破效果的影響

4爆破工程地質(zhì)本章主要內(nèi)容：4爆破工程地質(zhì)34

在工程爆破實(shí)踐中，通常是用鑿巖設(shè)備在巖體內(nèi)進(jìn)行穿孔并裝入炸藥進(jìn)行爆破的方法來(lái)破碎巖石或礦石。因此，爆破與地質(zhì)關(guān)系密切?！舻刭|(zhì)條件對(duì)爆破作用工程與結(jié)果的影響◆爆破作用對(duì)爆區(qū)外圍巖體及其力學(xué)性質(zhì)的影響

地質(zhì)條件：地形巖性（物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)）地質(zhì)構(gòu)造（節(jié)理、層理、斷層，等）水文地質(zhì)特殊地質(zhì)（如溶洞）4爆破工程地質(zhì)在工程爆破實(shí)踐中，通常是用鑿巖設(shè)備在巖體內(nèi)進(jìn)行穿孔并35

4.1巖石的物理力學(xué)性質(zhì)

(1)巖石的物理性質(zhì)巖石與爆破有關(guān)的物理性質(zhì)主要包括孔隙率、容重、密度、硬度、碎脹性、裂隙性等。一般認(rèn)為巖石容重/密度對(duì)爆破的影響更為顯著。

1)孔隙率孔隙率η，是指巖石中孔隙的總體積V0與巖石的總體積V之比：巖石孔隙的存在，能削弱巖石顆粒之間的粘結(jié)力而使巖石強(qiáng)度降低，孔隙率越大，巖石強(qiáng)度降低得就越嚴(yán)重。巖石孔隙的存在，一方面使所需要的炸藥能量降低，但另一方面會(huì)因炸藥爆炸的能量會(huì)從孔隙逸出而使爆破效果受到影響。實(shí)踐中難以對(duì)孔隙率的影響進(jìn)行量化描述。4.1巖石的物理力學(xué)性質(zhì)36

2)密度/容重密度ρ(g/cm3),是指構(gòu)成巖石的物質(zhì)質(zhì)量M對(duì)該物質(zhì)所具有的體積V-V0之比，即：容重γ(t/m3),是指巖石的重量G對(duì)包括孔隙在內(nèi)的巖石體積V之比，即：巖石的密度、容重主要影響巖石的拋擲、堆積和裝運(yùn)。一般地說(shuō)，巖石的密度和容重越大，就越難以破碎，在拋擲爆破時(shí)需消耗較多的能量去克服重力的影響。幾種巖石孔隙度、密度、容重見(jiàn)表4-1。2)密度/容重37表4-1幾種巖石的孔隙度、密度、容重巖石名稱孔隙度（%）密度（g/cm）容重（t/m3）花崗巖玄武巖輝綠巖石灰?guī)r白云巖砂

巖頁(yè)

巖板

巖片麻巖大理巖石英巖粘

土砂

子0.5~1.50.1~0.20.6~1.25.0~201.0~5.05.0~2510~300.5~1.50.5~2.00.1~0.84530~502.6~2.72.8~3.02.85~3.02.71~2.852.5~2.62.58~2.692.2~2.42.3~2.72.9~3.02.6~2.72.65~2.91.6~2.11.5~1.72.56~2.672.75~2.902.8~2.92.46~2.652.3~2.42.47~2.562.0~2.32.1~2.572.65~2.852.52.54~2.851.6~2.01.4~1.6表4-1幾種巖石的孔隙度、密度、容重巖石名稱孔隙度（%）38

3)硬度巖石的硬度是指巖石抵抗工具侵入的能力。因此，研究巖石的硬度對(duì)鑿巖（鉆孔）具有重要意義。一般情況下，硬度越大的巖石越難以鑿巖和爆破。但是，某些硬度較大同時(shí)也比較脆的巖石，往往也容易爆破。

4)巖石的碎脹性巖石破碎成塊后，因碎塊之間存在空隙而使總體積增加，這一性質(zhì)稱為巖石的碎脹性，它可用碎脹系數(shù)(松散系數(shù))K表示：

K=V1/V

式中：V1—巖石破碎后的總體積V1；

V—巖石破碎前的總體積。巖石的碎脹系數(shù)(松散系數(shù))K一般在1.2～1.6之間。3)硬度39

5)巖體的裂隙性巖體是“由結(jié)構(gòu)面和巖石組成的地質(zhì)體”。巖體的彈性模量、波速小于巖石試件的彈性模量、波速。巖體的性質(zhì)由巖塊和結(jié)構(gòu)面共同決定。巖石中的節(jié)理裂隙對(duì)爆破能量的傳遞影響很大，且節(jié)理裂隙的性質(zhì)與賦存條件可有很大差異，使巖體在爆破過(guò)程中的受力破壞問(wèn)題更加復(fù)雜難解。一般采用巖體的完整性系數(shù)ξ來(lái)評(píng)價(jià)巖體的完整性：或5)巖體的裂隙性40

(2)巖石的力學(xué)性質(zhì)用炸藥爆炸來(lái)破碎巖石是一個(gè)力學(xué)作用過(guò)程，更嚴(yán)格地說(shuō)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。因此，巖石的力學(xué)性質(zhì)必然對(duì)巖石爆破破壞過(guò)程與結(jié)果具有重要影響。

1)巖石的靜力學(xué)性質(zhì)①巖石的強(qiáng)度巖石的強(qiáng)度是指巖石抵抗外力破壞的能力。巖石的強(qiáng)度主要有：

●

抗壓強(qiáng)度●抗拉強(qiáng)度

●抗剪強(qiáng)度由于在爆破工程中，巖石承受的是沖擊載荷，因而巖石的這些靜力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)只能在一定程度上反映巖石的爆破難易程度，即巖石的可爆性不能完全根據(jù)巖石的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)確定。(2)巖石的力學(xué)性質(zhì)41

②巖石的靜載變形特性巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，其變形性質(zhì)可用應(yīng)力－應(yīng)變曲線表示。

巖石的應(yīng)力－應(yīng)變曲線線性彈性變形非線性彈性變形塑性屈服變形延性破壞比例極限脆性破壞彈性變形區(qū)塑性變形區(qū)②巖石的靜載變形特性線性彈性變形非線性彈性變42①?gòu)椥浴趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，當(dāng)外載去掉后，巖石恢復(fù)原形的性質(zhì),遵守虎克定律。②脆性—巖石沒(méi)有產(chǎn)生顯著的永久變形就開(kāi)始破壞的性質(zhì)，一般巖石呈脆性破壞。③塑性—與脆性相反，在破壞前有較明顯的永久變形，如泥頁(yè)巖，高嶺土礦，巷道底鼓。④彈性模量：E=σ/ε。⑤剪切模量：G=τ/γ⑥泊松比：μ=ε2/ε1⑦G，E，μ的關(guān)系，根據(jù)材料力學(xué)的理論有：G=E/2（1+μ）⑧彈性后效：在彈性區(qū)內(nèi)，應(yīng)力消除后，應(yīng)變并不能立即消失，而需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能恢復(fù)，這就叫彈性后效。①?gòu)椥浴趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)，當(dāng)外載去掉后，巖石恢復(fù)原43

2)巖石的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)炸藥爆炸加載于介質(zhì)的載荷是沖擊載荷，沖擊載荷能引起介質(zhì)中產(chǎn)生波的傳播。在巖石動(dòng)力學(xué)中常把應(yīng)變率大于104/s的載荷稱為動(dòng)載荷，巖石在動(dòng)應(yīng)力作用下的一般力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為：a）動(dòng)抗壓、抗拉強(qiáng)度隨加載速率的提高而明顯增加；b）動(dòng)抗壓與動(dòng)抗拉強(qiáng)度之比非恒定值(表4-2)；c）在抗壓試驗(yàn)中，除初始階段外，加載速度和應(yīng)變速度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系；d）變形模量隨加載速度的增加而提高；e）巖性越差，風(fēng)化越嚴(yán)重，強(qiáng)度越低，巖石強(qiáng)度受加載速度大小的影響越明顯。2)巖石的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)44巖石種類應(yīng)力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）加載速度(Mpa/s)載荷持續(xù)時(shí)間（ms）靜態(tài)動(dòng)態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)大理石和泉砂巖多湖砂巖群馬砂巖輝綠巖石英-閃長(zhǎng)巖4500~60003700~43001800~35004100~57005300~60003700~590090~110100~14015~25200~240320~350240~330120~200120~20020~50350~500700~800300~4005~98~92~316~2322~3211~1920~4050~7010~2020~3050~6020~30107~108107~108106~107107~108107~108107~10810~3020~3050~10010~2020~5030~50表4-2幾種巖石的動(dòng)、靜載強(qiáng)度巖石種類應(yīng)力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強(qiáng)度（MPa）抗拉45應(yīng)變速率<10-610-6～10-410-2～1010～103>104載荷狀態(tài)試驗(yàn)方法流變穩(wěn)定加載靜態(tài)夜壓機(jī)加載準(zhǔn)靜態(tài)氣動(dòng)式快速加載準(zhǔn)動(dòng)態(tài)霍金遜桿加載動(dòng)態(tài)爆炸或沖擊加載

①

炸藥爆炸載荷的性質(zhì)根據(jù)加載速度和受荷介質(zhì)的應(yīng)變率(表4-3)，載荷性質(zhì)可分為動(dòng)載荷和靜載荷。表4-3載荷狀態(tài)分類

應(yīng)變率是指應(yīng)變隨時(shí)間的變化速率，即：

應(yīng)變速率<10-610-6～10-410-2～1010～1046

②巖石的波阻抗巖石密度ρ與縱波在該巖石中的縱波傳播速度Cp的乘積，稱為巖石的波阻抗z：

炸藥的波阻抗值與巖石的波阻抗值越接近(匹配)，以爆炸沖擊波的形式向巖石傳遞的能量就越多，在巖石中引起的應(yīng)變就越大，利于巖石的破壞。③巖體在爆炸沖擊載荷作用下的力學(xué)反應(yīng)爆炸沖擊載荷作用下巖體中產(chǎn)生的應(yīng)力波，能夠引起巖體的變形甚至破壞。這種動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)是：①由于爆轟壓力瞬間高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)兆帕，會(huì)在巖體表面產(chǎn)生沖擊波。②在巖體中某局部激發(fā)的壓力脈沖可使巖體中出現(xiàn)明顯的應(yīng)力不均現(xiàn)象。③巖體中各點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力及變形、位移和運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間而變化。④載荷與巖體之間有明顯的阻抗“匹配”作用。②巖石的波阻抗47

4.2巖體的爆破分級(jí)客觀世界中的巖體性質(zhì)差異顯著。對(duì)巖體進(jìn)行爆破分級(jí)，是合理確定爆破工藝方法和技術(shù)參數(shù)的前提，對(duì)控制爆破工程效果、降低工程成本，都具有重要意義。國(guó)內(nèi)外主要的巖體爆破分級(jí)方法有：◆

按巖石堅(jiān)固性的普氏分級(jí)法◆按巖石波阻抗的哈氏分級(jí)法◆利文斯頓爆破漏斗巖石分級(jí)法◆東北大學(xué)巖石分級(jí)法◆北京科技大學(xué)爆破分級(jí)法

4.2巖體的爆破分級(jí)48(1)按巖石堅(jiān)固性的普氏分級(jí)法這種分級(jí)方法是前蘇聯(lián)學(xué)者普洛吉亞柯夫于20世紀(jì)20年代提出的。這種分級(jí)根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定巖石堅(jiān)固性系數(shù)，并按巖石的堅(jiān)固性系數(shù)將巖石分為十個(gè)等級(jí)（表4-4），用以表征巖石的爆破難易程度。巖石堅(jiān)固性系數(shù)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系為：

f=R/10式中f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)。實(shí)際上，有的巖石單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)300MPa。為了保持原來(lái)普氏系數(shù)最大值f=20,1995年蘇聯(lián)的巴隆修正普氏堅(jiān)固性系數(shù)公式為：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易用，多數(shù)情況下大致可靠。

缺點(diǎn)：忽略了巖石的其它特性和巖體節(jié)理裂隙的影響。

應(yīng)用情況：目前仍較廣泛。(1)按巖石堅(jiān)固性的普氏分級(jí)法49表4-4普氏巖石分級(jí)表等級(jí)堅(jiān)實(shí)程度巖石名稱容重（kg/m3）極限抗壓強(qiáng)度（MPa）f值Ⅰ非常堅(jiān)實(shí)最堅(jiān)實(shí)，致密，強(qiáng)韌的石英巖及玄武巖，非常堅(jiān)實(shí)的其它巖石2800~300020020Ⅱ很堅(jiān)實(shí)很堅(jiān)實(shí)的花崗巖類，石英斑巖，很堅(jiān)實(shí)的花崗巖，硅質(zhì)頁(yè)巖，石英巖，最堅(jiān)實(shí)的砂巖，石灰?guī)r2600~270015015Ⅲ堅(jiān)實(shí)致密的花崗巖和花崗巖類，很堅(jiān)實(shí)的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，堅(jiān)實(shí)的礫巖，很堅(jiān)實(shí)的鐵礦2500~260010010Ⅲa堅(jiān)實(shí)石灰?guī)r（堅(jiān)實(shí)），不堅(jiān)實(shí)的花崗巖，堅(jiān)實(shí)的大理巖，白云巖，黃鐵礦2500808Ⅳ尚堅(jiān)實(shí)普通砂巖，鐵礦2400606Ⅳa尚堅(jiān)實(shí)砂質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)狀砂巖2300505Ⅴ中等堅(jiān)實(shí)的砂質(zhì)頁(yè)巖，不堅(jiān)實(shí)的砂質(zhì)巖和石灰?guī)r，軟的礫巖2400~2800404Ⅴa中等各種頁(yè)巖（不堅(jiān)實(shí)），致密的泥灰?guī)r2400~2600303Ⅵ尚軟軟質(zhì)頁(yè)巖，極軟石灰?guī)r，白堊，巖鹽，石膏，凍土，破碎砂巖，膠結(jié)的卵石與礫石，石質(zhì)土壤2200~260020~152Ⅵa尚軟碎石土壤，破碎頁(yè)巖，卵石與碎石的交互層，硬化粘土2200~24001.5Ⅶ軟粘土（致密），粘土類土壤2000~22001.0Ⅶa軟輕型沙質(zhì)粘土，黃土，礫石1800~20000.8表4-4普氏巖石分級(jí)表等級(jí)堅(jiān)實(shí)程度巖石名50（2）按巖石波阻抗的哈氏分級(jí)法前蘇聯(lián)的哈努卡耶夫認(rèn)為巖石的彈性縱波速度是巖石的動(dòng)態(tài)屬性不僅可以作為巖石物理力學(xué)性質(zhì)的綜合量度，而且也可以反映巖體中節(jié)理裂隙的影響，并據(jù)此提出了以巖體波阻抗為依據(jù)的巖石可爆性分級(jí)方法。其優(yōu)缺點(diǎn)與普氏分級(jí)法類似。另外，在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖體波速進(jìn)行測(cè)試較為麻煩，難以實(shí)施。由于這些原因，目前應(yīng)用極少。（3）利文斯頓爆破漏斗巖石分級(jí)法美國(guó)的利文斯頓認(rèn)為，能量準(zhǔn)則是研究巖石破壞的根本準(zhǔn)則，最能反映消耗能量多少和爆破效果好壞之間的關(guān)系，從而也能表征巖石的可爆性。該方法利用變形能系數(shù)表征巖石的爆破性，并用以計(jì)算炸藥的單耗量。其表達(dá)式為:式中Ed為巖石的變形能系數(shù)，Le為炸藥埋置的極限深度(最小抵抗線)，Q為裝藥量。當(dāng)Q一定時(shí)，Le越大，說(shuō)明該巖石愈易爆破。（2）按巖石波阻抗的哈氏分級(jí)法51

(4)東北大學(xué)巖石分級(jí)法東北大學(xué)的研究者在綜合考慮爆破材料、工藝、參數(shù)等條件，進(jìn)行爆破漏斗實(shí)驗(yàn)和巖石聲波測(cè)定，根據(jù)爆破漏斗的體積、大塊率、小塊率、平均合格率和波阻抗等大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)多元回歸分析得出了巖石可爆性指數(shù)f的計(jì)算公式：

式中：f為巖石可爆性指數(shù)；kd為大塊率,%;kx為小塊率,%；kp為平均合格率,%；ρc為巖石波阻抗，g/(cm2·s)×105。優(yōu)點(diǎn)：具有合理性。缺點(diǎn)：項(xiàng)目繁雜；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施不同礦巖體中的爆破漏斗試驗(yàn)，難度大。應(yīng)用情況：極少。(4)東北大學(xué)巖石分級(jí)法52

表4-5東北大學(xué)巖石可爆性分級(jí)級(jí)別f爆破性程度代表性巖石II1I2<2929.001～38極易爆千枚巖、破碎性砂巖、泥質(zhì)板巖、破碎性白云巖IIII1II238.001～4646.001～53易爆角礫巖、綠泥片巖、米黃色白云巖IIIIII1III253.001～6363.001～68中等陽(yáng)起石石英巖、煌斑巖、大理巖、灰白色白云巖IVIV1IV268.001～7474.001～81難爆磁鐵石英巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖VV1V281.001～86>86極難爆矽卡巖、花崗巖、礦體淺色砂巖、石英片巖級(jí)別f爆破性程度代表性巖石II1<29極易爆千枚巖、破53(5)北京科技大學(xué)巖體爆破分級(jí)法巖體可爆性判據(jù)指標(biāo)，是指巖體本身所具有的一些屬性參數(shù)，它們均在某些方面并在某種程度上反映了巖體在炸藥爆炸過(guò)程中發(fā)生破壞的難易程度。該方法認(rèn)為巖石密度ρ、巖石抗壓強(qiáng)度σc、巖石抗拉強(qiáng)度σt、巖體的完整性系數(shù)ξ四個(gè)參數(shù)個(gè)在某些方面并在某種程度上反映了巖體爆破破壞的難易程度，采用這四個(gè)參數(shù)作為巖體可爆性的指標(biāo)（四個(gè)參數(shù)的權(quán)值分別取為0.3、0.3、0.1、0.3），并采用聚類分析方法計(jì)算具體巖體的可爆性分級(jí)。1)爆破分級(jí)指標(biāo)

①巖石密度在爆破工程中，需要克服礦巖體的慣性力，使礦巖產(chǎn)生位移甚至拋擲運(yùn)動(dòng)，從而使爆堆礦巖具有足夠的松散性。礦巖的這種位移與拋擲運(yùn)動(dòng)消耗炸藥能量的多少，與其密度（或者重度）直接相關(guān)。因此，也需要把巖石密度作為衡量巖體爆破難易程度的一個(gè)指標(biāo)。(5)北京科技大學(xué)巖體爆破分級(jí)法54②巖石抗壓強(qiáng)度沖擊壓縮是炸藥爆炸時(shí)對(duì)周圍巖石產(chǎn)生的直接作用。因此，可以認(rèn)為礦巖的可爆性與其抗壓強(qiáng)度直接相關(guān)。③巖石抗拉強(qiáng)度在爆破過(guò)程中，拉伸破壞是巖石產(chǎn)生破壞的主要形式。因此，可將巖石的抗拉強(qiáng)度視為衡量巖石爆破難易程度的一個(gè)重要指標(biāo)。④巖體的完整性系數(shù)巖體是巖塊的集合體，巖塊間程度不同地存在著節(jié)理裂隙等各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。這種結(jié)構(gòu)面越密集，則將巖體破碎至一定塊度尺寸所消耗的炸藥能量就越少，亦即這種巖體越容易爆破。因此，將巖體的完整性系數(shù)作為對(duì)巖體可爆性進(jìn)行評(píng)價(jià)的另一個(gè)指標(biāo)。巖體的完整性系數(shù)可定義為:

式中和分別為巖體和巖石的縱波傳播速度。②巖石抗壓強(qiáng)度552)聚類分析方法基本原理聚類分析是研究復(fù)雜或模糊事物之間的相似性和親疏關(guān)系的，根據(jù)相似程度或相關(guān)程度，把所要研究的事物分類組合。其主要思路