[科普中国]-岩石可爆性

介绍

岩石是爆破的对象，金属矿山的绝大部分、非金属矿及煤矿等矿山的不少矿岩都采用爆破方法进行破碎和采掘。为了取得良好的爆破效果，必须了解和掌握岩石的爆破性。

岩石的爆破性是岩石自身物理力学性质和炸药、爆破工艺的综合反映，它不仅是岩石的单一固有属性，而且是岩石一系列固有属性的复合体，,在爆破过程中表现出来，并影响着整个爆破效果。

20世纪50～60年代中国一般参照苏联普氏岩石坚固性系数和苏氏分级的炸药单耗(爆破1m矿岩所消耗的炸药量)作为岩石可爆性指标，70年代以来各国的研究有了很大进展，主要指标有：炸药单耗；工程地质参数(尤其是节理、裂隙等结构参数)，岩石的力学参数(包括抗压、抗剪、抗拉强度)，岩石弹性纵波速度或波阻抗，破碎岩石所消耗的功等等。不同学者从不同侧面表达了岩石的可爆性及其分级。但尚无一致公认的确切定义、定量指标、和通用的简单而实用的测定方法。

岩石爆破性的判据和分级岩石分级不同于岩石分类，通常岩石分类是指按照岩石成因或成分的不同，对岩石加以质的划分，如地质学上按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三类，而岩石分级应该是以量的指标来划分各种岩石的等级，根据采矿工程的不同要求，有凿岩性分级、爆破性分级和稳定性分级等。

分级的判据根据什么判据和指标进行岩石分级，这是一个非常关键的问题。由于炸药的“三高”（高爆温、高爆压、高爆速）特性、岩石结构构造的复杂性以及测试记录手段的局限性等等，给研究工作带来了不少困难。几十年来国内外学者做了大量工作，根据岩石爆破性的主要影响因素，提出了各种各样的判据、指标进行岩石分级。其主要判据有:岩石强度、单位炸药消耗量、工程地质参数、岩石弹性波速度、岩石波阻抗、爆破岩石质点位移、临界速度、爆破功指数、岩石弹性变形能系数等等，它们从不同的侧面反映了岩石的爆破性。但是，这些指标并没有阐明爆破性的真正含义，没有建立完整的分级体系，所以迄今为止国内外尚无一种公认的岩石爆破性分级方法。 2

普氏分级和苏氏分级1、普氏分级

早在1926年前，普氏提出了用岩石试块的单轴静载极限抗压强度、手工凿1cm3岩石所消耗的功、手打眼每班生产率、掘进工生产率、在地面挖掘的生产率、巷道掘进速度、爆破1m3岩石的黑火药消耗量等七项指标的平均值来表征岩石的坚固性。由于采矿科学技术的发展，普氏规定的几项指标已失去了实际意义，只有一个最简单的指标—以岩石试块的静载极限抗压强度(R、MPa)为岩石分级的判据，即普氏岩石坚固性系数f=R/10。

根据f=0.3—20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。普氏认为:岩石的坚固性在各方面的表现趋于一致。实际上岩石的钻岩性、爆破性、稳定性并非完全一致，有的易钻难爆，有的难钻易爆，而且小块的岩石试样(如7 x 7 x 7cm)的单轴静载抗压强度并不能表征整体岩石受炸药爆炸冲击作用的爆破性。再者，其测定值的离散性较大，一般为15%—40%，个别达80%，所以普氏分级方法以其简便的指标，虽曾在采矿工程中作为笼统的总的分级，得到普遍应用，但也正是由于上述缺点，它表征不了爆破工程实际所需的岩石爆破性分级。

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是在某一特定情况下，应当用实际被应用着的具体采掘方法。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。必须指出，炸药单耗是一个常量又是一个变数，影响因素很多，因而，苏氏又提出了一系列非标准条件下的修正系数，非常繁琐，也影响了岩石爆破性的真实性。再者，炸药单耗没有很好地反映爆破块度这一重要爆破效果。因此，苏氏分级方法并不能确切地表征岩石的爆破性。

据此，岩石爆破性分级的判据，是在爆破材料、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，然后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。

影响因素影响岩石爆破性的主要因素，一方面是岩石本身的物理力学性质的内在因素另一方面是炸药性质、爆破工艺等外在因素。前者决定于岩石的地质生成条件、矿物成分、结构和后期的地质构造，它表征为岩石密度或容重、孔隙性、碎胀性、弹性、塑性、脆性和岩石强度等物理力学性质;后者则取决于炸药类型、药包形式和重量、装药结构、起爆方式和间隔时间、最小抵抗线与自由面的大小、数量、方向以及自由面与药包的相对位置等等。此外，还包括对爆破块度、爆堆形式以及抛掷距离等爆破效果的影响。显然，岩石本身的物理力学性质是最主要的影响因素。炸药爆炸对岩石的爆破作用主要有两个方面，其一是克服岩石颗粒之间的内聚力，使岩石内部结构破裂，产生新鲜断裂面;其二是使岩石原生的、次生的裂隙扩张而破坏。前者取决于岩石本身的坚固程度;后者则受岩石裂隙性所控制。因此，岩石的坚固性和岩石的裂隙性是影响岩石爆破性最根本的影响因素。

一、岩石的结构（组分）、内聚力和裂隙性对岩石爆破性的影响

岩石由固体颗粒组成，其间有空隙，充填有空气、水或其它杂物。当岩石受外载荷作用，特别是在受炸药爆炸冲击载荷作用下，将引起物态变化，从而导致岩石性质的变化。

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。矿物密度可达4g/cm3以上，岩石的容重不超过其组成矿物的密度。岩石容重一般为1.0～3.5g/cm3。随着密度增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力增大，同时，破碎或抛移岩石所消耗的能量也增加，这就是一般岩浆岩比较难以爆破的原因。至于沉积岩的爆破性，除了取决于其矿物成分之外，很大程度受其胶结物成分和颗粒大小的影响。例如，沉积岩中细粒有硅质胶结物的，则坚固，难爆破;含氧化铁质胶结物的次之;含有石灰质和粘土质胶结物的沉积岩不坚固，易爆破。变质岩的组分和结构比较复杂，它与变质程度有关。一般变质程度高、质量致密的变质岩比较坚固，难爆;反之则易爆破。

岩石又是由具有不同化学成分和不同结晶格架的矿物以不同的结构方式所组成。由于矿物成分的化学键各不相同，则其分子的内聚力也各不相同。于是，矿物晶体的强度便取决于晶体分子之间作用的内力、晶体结构和晶体的缺陷。通常，晶体之间的内聚力，都小于晶体内部分子之间的内聚力。并且，晶粒越大，内聚力越小，细粒岩石的强度一般比粗粒岩石的大。又因为晶体之间的内聚力小于晶体内的内聚力，所以，破坏裂缝都出现在晶粒之间。

岩石中普遍存在着以孔隙、气泡、微观裂隙、解理面等形态表现出来的缺陷，这些缺陷都可能导致应力集中。因此，微观缺陷将影响岩石组分的性质，大的裂隙还会影响整体岩石的坚固性，使其易于爆破。

岩体的裂隙性，不但包括岩石生成当时和生成以后的地质作用所产生的原生裂隙，而且包括受生产施工、周期性连续爆破作用所产生的次生裂隙。它们包括断层、褶曲、层理、解理、不同岩层的接触面、裂隙等弱面。这些弱面对于爆破性的影响有两重性:一方面，弱面可能导致爆生气体和压力的泄漏，降低爆破能的作用，影响爆破效果;另一方面，这些弱面破坏了岩体的完整性，易于从弱面破裂、崩落，而且，弱面又增加了爆破应力波的反射作用，有利于岩石的破碎。但是，必须指出，当岩体本身包含着许多尺寸超过生产矿山所规定的大块(不合格大块)的结构尺寸时，只有直接靠近药包的小部分岩石得到充分破碎，而离开药包一定距离的大部分岩石，由于已被原生或次生裂隙所切割，在爆破过程中，没有得到充分破碎，在爆破震动或爆生气体的推力作用下，脱离岩体、移动、抛掷成大块。这就是裂隙性岩石有的易于爆破破碎，有的则易于产生大块的两重性。因此，必须了解和掌握岩体中裂隙的宽窄、长短、间距、疏密、方向、裂隙内的充填物、结构体尺寸和结构体含量百分率，以及它们与炸药、爆破工艺参数的相互关系等等。例如，垂直层理、裂隙爆破时，比较容易破碎;而平行或顺着层理、裂隙的爆破则比较困难。 此外，风化作用瓦解岩石各组分之间的联系，因此，风化严重的岩石，易于爆破破碎。

二、岩石容重、孔隙度和碎胀性对岩石爆破性的影响

岩石容重表示单位体积岩石的重量，其体积包括岩石内部的孔隙。岩石孔隙度，等于孔隙的体积(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。通常岩石的孔隙度为0.1%～50 %(一般岩浆岩为0.5%～2%，沉积岩为2.5%～15%)。当岩石受压时，孔隙度减少，例如，粘土孔隙度50%，受压后为7%。随着孔隙度增大，冲击波和应力波在其中的传播速度降低。容重大的岩石难以爆破，因为要耗费很大的炸药能量来克服重力，才能把岩石破裂、移动和抛扔。

岩石的碎胀性是岩体破碎后体积松散胀膨的性质;破碎后的岩石体积与破碎前的比值称为碎胀系数。碎胀性与岩体结构及被破碎的程度有关，根据它可以衡量岩石破碎程度，用其计算补偿空间的大小。

三、岩石弹性、塑性、脆性和岩石强度对岩石爆破性的影响
从力学观点看，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。

塑性岩石和弹性岩石受外载作用超过其弹性极限后，产生塑性变形，能量消耗大，将难于爆破(如粘土性岩石);而脆性岩石(几乎不产生残余变形)、弹脆性岩石均易于爆破(如脆性煤炭)。岩石的塑性和脆性不仅与岩石性质有关，而且与它的受力状态和加载速度有关。位于地下深处的岩石，相当于全面受压，常呈塑性，而在冲击载荷下又表现为脆性。当温度和湿度增加，也能使岩石塑性增大。通常，在爆破作用下，岩石的脆性破坏是主要的、大量的。相反，靠近药包的岩石，却易呈塑性破坏，虽然其破坏范围很小，但却消耗大部分能量于塑性变形上。
为了深入研究岩石爆破性与爆破载荷的关系，一般把岩石视作弹性体或粘弹性体，炸药在岩体内爆破时，以冲击波和弹性波的形式从药包中心向周围岩石传播，并以弹性变形能或强度作为分析和探讨岩石爆破性的依据。

岩石强度是表示岩石抵抗压、剪、拉诸应力，从而导致岩石破坏的能力。它本来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，所以应对岩石强度赋以新的内容，要强调在三轴作用下的动态强度指标。只有如此，才能真实地反映岩石的爆破性。