爆破工程地質匯總課件

本章主要內容：

◆巖石的物理力學性質

◆巖體的爆破分級

◆地質構造對爆破的影響◆

自由面對爆破效果的影響

4爆破工程地質本章主要內容：4爆破工程地質1

在工程爆破實踐中，通常是用鑿巖設備在巖體內進行穿孔并裝入炸藥進行爆破的方法來破碎巖石或礦石。因此，爆破與地質關系密切?！舻刭|條件對爆破作用工程與結果的影響◆爆破作用對爆區(qū)外圍巖體及其力學性質的影響

地質條件：地形巖性（物理性質和力學性質）地質構造（節(jié)理、層理、斷層，等）水文地質特殊地質（如溶洞）4爆破工程地質在工程爆破實踐中，通常是用鑿巖設備在巖體內進行穿孔并2

4.1巖石的物理力學性質

(1)巖石的物理性質巖石與爆破有關的物理性質主要包括孔隙率、容重、密度、硬度、碎脹性、裂隙性等。一般認為巖石容重/密度對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力而使巖石強度降低，孔隙率越大，巖石強度降低得就越嚴重。巖石孔隙的存在，一方面使所需要的炸藥能量降低，但另一方面會因炸藥爆炸的能量會從孔隙逸出而使爆破效果受到影響。實踐中難以對孔隙率的影響進行量化描述。4.1巖石的物理力學性質3

2)密度/容重密度ρ(g/cm3),是指構成巖石的物質質量M對該物質所具有的體積V-V0之比，即：容重γ(t/m3),是指巖石的重量G對包括孔隙在內的巖石體積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。一般地說，巖石的密度和容重越大，就越難以破碎，在拋擲爆破時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

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，這一性質稱為巖石的碎脹性，它可用碎脹系數(松散系數)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(松散系數)K一般在1.2～1.6之間。3)硬度6

5)巖體的裂隙性巖體是“由結構面和巖石組成的地質體”。巖體的彈性模量、波速小于巖石試件的彈性模量、波速。巖體的性質由巖塊和結構面共同決定。巖石中的節(jié)理裂隙對爆破能量的傳遞影響很大，且節(jié)理裂隙的性質與賦存條件可有很大差異，使巖體在爆破過程中的受力破壞問題更加復雜難解。一般采用巖體的完整性系數ξ來評價巖體的完整性：或5)巖體的裂隙性7

(2)巖石的力學性質用炸藥爆炸來破碎巖石是一個力學作用過程，更嚴格地說是一個動力學過程。因此，巖石的力學性質必然對巖石爆破破壞過程與結果具有重要影響。

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

●

抗壓強度●抗拉強度

●抗剪強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強度指標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巖石的強度指標來確定。(2)巖石的力學性質8

②巖石的靜載變形特性巖石在外力作用下產生變形，其變形性質可用應力－應變曲線表示。

巖石的應力－應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彈性—在彈性變形范圍內，當外載去掉后，巖石恢復原形的性質,遵守虎克定律。②脆性—巖石沒有產生顯著的永久變形就開始破壞的性質，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的關系，根據材料力學的理論有：G=E/2（1+μ）⑧彈性后效：在彈性區(qū)內，應力消除后，應變并不能立即消失，而需要經過一段時間才能恢復，這就叫彈性后效。①彈性—在彈性變形范圍內，當外載去掉后，巖石恢復原10

2)巖石的動力學性質炸藥爆炸加載于介質的載荷是沖擊載荷，沖擊載荷能引起介質中產生波的傳播。在巖石動力學中常把應變率大于104/s的載荷稱為動載荷，巖石在動應力作用下的一般力學性質表現為：a）動抗壓、抗拉強度隨加載速率的提高而明顯增加；b）動抗壓與動抗拉強度之比非恒定值(表4-2)；c）在抗壓試驗中，除初始階段外，加載速度和應變速度的對數呈線性關系；d）變形模量隨加載速度的增加而提高；e）巖性越差，風化越嚴重，強度越低，巖石強度受加載速度大小的影響越明顯。2)巖石的動力學性質11巖石種類應力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強度（MPa）抗拉強度（MPa）加載速度(Mpa/s)載荷持續(xù)時間（ms）靜態(tài)動態(tài)靜態(tài)動態(tài)大理石和泉砂巖多湖砂巖群馬砂巖輝綠巖石英-閃長巖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、靜載強度巖石種類應力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強度（MPa）抗拉12應變速率<10-610-6～10-410-2～1010～103>104載荷狀態(tài)試驗方法流變穩(wěn)定加載靜態(tài)夜壓機加載準靜態(tài)氣動式快速加載準動態(tài)霍金遜桿加載動態(tài)爆炸或沖擊加載

①

炸藥爆炸載荷的性質根據加載速度和受荷介質的應變率(表4-3)，載荷性質可分為動載荷和靜載荷。表4-3載荷狀態(tài)分類

應變率是指應變隨時間的變化速率，即：

應變速率<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反應爆炸沖擊載荷作用下巖體中產生的應力波，能夠引起巖體的變形甚至破壞。這種動力學反應的特點是：①由于爆轟壓力瞬間高達數千乃至數萬兆帕，會在巖體表面產生沖擊波。②在巖體中某局部激發(fā)的壓力脈沖可使巖體中出現明顯的應力不均現象。③巖體中各點產生的應力及變形、位移和運動隨時間而變化。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巖體的爆破分級客觀世界中的巖體性質差異顯著。對巖體進行爆破分級，是合理確定爆破工藝方法和技術參數的前提，對控制爆破工程效果、降低工程成本，都具有重要意義。國內外主要的巖體爆破分級方法有：◆

按巖石堅固性的普氏分級法◆按巖石波阻抗的哈氏分級法◆利文斯頓爆破漏斗巖石分級法◆東北大學巖石分級法◆北京科技大學爆破分級法

4.2巖體的爆破分級15(1)按巖石堅固性的普氏分級法這種分級方法是前蘇聯學者普洛吉亞柯夫于20世紀20年代提出的。這種分級根據巖石單軸抗壓強度確定巖石堅固性系數，并按巖石的堅固性系數將巖石分為十個等級（表4-4），用以表征巖石的爆破難易程度。巖石堅固性系數與巖石單軸抗壓強度的關系為：

f=R/10式中f為巖石堅固性系數，R為巖石單軸抗壓強度(MPa)。實際上，有的巖石單軸抗壓強度可達300MPa。為了保持原來普氏系數最大值f=20,1995年蘇聯的巴隆修正普氏堅固性系數公式為：優(yōu)點：簡單、易用，多數情況下大致可靠。

缺點：忽略了巖石的其它特性和巖體節(jié)理裂隙的影響。

應用情況：目前仍較廣泛。(1)按巖石堅固性的普氏分級法16表4-4普氏巖石分級表等級堅實程度巖石名稱容重（kg/m3）極限抗壓強度（MPa）f值Ⅰ非常堅實最堅實，致密，強韌的石英巖及玄武巖，非常堅實的其它巖石2800~300020020Ⅱ很堅實很堅實的花崗巖類，石英斑巖，很堅實的花崗巖，硅質頁巖，石英巖，最堅實的砂巖，石灰?guī)r2600~270015015Ⅲ堅實致密的花崗巖和花崗巖類，很堅實的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，堅實的礫巖，很堅實的鐵礦2500~260010010Ⅲa堅實石灰?guī)r（堅實），不堅實的花崗巖，堅實的大理巖，白云巖，黃鐵礦2500808Ⅳ尚堅實普通砂巖，鐵礦2400606Ⅳa尚堅實砂質頁巖，頁狀砂巖2300505Ⅴ中等堅實的砂質頁巖，不堅實的砂質巖和石灰?guī)r，軟的礫巖2400~2800404Ⅴa中等各種頁巖（不堅實），致密的泥灰?guī)r2400~2600303Ⅵ尚軟軟質頁巖，極軟石灰?guī)r，白堊，巖鹽，石膏，凍土，破碎砂巖，膠結的卵石與礫石，石質土壤2200~260020~152Ⅵa尚軟碎石土壤，破碎頁巖，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軟輕型沙質粘土，黃土，礫石1800~20000.8表4-4普氏巖石分級表等級堅實程度巖石名17（2）按巖石波阻抗的哈氏分級法前蘇聯的哈努卡耶夫認為巖石的彈性縱波速度是巖石的動態(tài)屬性不僅可以作為巖石物理力學性質的綜合量度，而且也可以反映巖體中節(jié)理裂隙的影響，并據此提出了以巖體波阻抗為依據的巖石可爆性分級方法。其優(yōu)缺點與普氏分級法類似。另外，在工程現場對巖體波速進行測試較為麻煩，難以實施。由于這些原因，目前應用極少。（3）利文斯頓爆破漏斗巖石分級法美國的利文斯頓認為，能量準則是研究巖石破壞的根本準則，最能反映消耗能量多少和爆破效果好壞之間的關系，從而也能表征巖石的可爆性。該方法利用變形能系數表征巖石的爆破性，并用以計算炸藥的單耗量。其表達式為:式中Ed為巖石的變形能系數，Le為炸藥埋置的極限深度(最小抵抗線)，Q為裝藥量。當Q一定時，Le越大，說明該巖石愈易爆破。（2）按巖石波阻抗的哈氏分級法18

(4)東北大學巖石分級法東北大學的研究者在綜合考慮爆破材料、工藝、參數等條件，進行爆破漏斗實驗和巖石聲波測定，根據爆破漏斗的體積、大塊率、小塊率、平均合格率和波阻抗等大量實驗數據，運用數理統(tǒng)計多元回歸分析得出了巖石可爆性指數f的計算公式：

式中：f為巖石可爆性指數；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：具有合理性。缺點：項目繁雜；現場實施不同礦巖體中的爆破漏斗試驗，難度大。應用情況：極少。(4)東北大學巖石分級法19

表4-5東北大學巖石可爆性分級級別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)北京科技大學巖體爆破分級法巖體可爆性判據指標，是指巖體本身所具有的一些屬性參數，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程中發(fā)生破壞的難易程度。該方法認為巖石密度ρ、巖石抗壓強度σc、巖石抗拉強度σt、巖體的完整性系數ξ四個參數個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，采用這四個參數作為巖體可爆性的指標（四個參數的權值分別取為0.3、0.3、0.1、0.3），并采用聚類分析方法計算具體巖體的可爆性分級。1)爆破分級指標

①巖石密度在爆破工程中，需要克服礦巖體的慣性力，使礦巖產生位移甚至拋擲運動，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動消耗炸藥能量的多少，與其密度（或者重度）直接相關。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指標。(5)北京科技大學巖體爆破分級法21②巖石抗壓強度沖擊壓縮是炸藥爆炸時對周圍巖石產生的直接作用。因此，可以認為礦巖的可爆性與其抗壓強度直接相關。③巖石抗拉強度在爆破過程中，拉伸破壞是巖石產生破壞的主要形式。因此，可將巖石的抗拉強度視為衡量巖石爆破難易程度的一個重要指標。④巖體的完整性系數巖體是巖塊的集合體，巖塊間程度不同地存在著節(jié)理裂隙等各種地質結構面。這種結構面越密集，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作為對巖體可爆性進行評價的另一個指標。巖體的完整性系數可定義為:

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

北京科技大學巖體爆破分級法應用結果一例

24對爆破有嚴重影響的地質構造主要有節(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)斷層對爆破的影響

在藥包爆破作用范圍內的斷層（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，使爆破不能達到預定的拋擲效果甚至引起爆破安全事故。4.3地質構造對爆破的影響圖4-2圖4-3對爆破有嚴重影響的地質構造主要有節(jié)理、層理、斷層、25

2)溶洞對爆破效果的影響 在巖溶地區(qū)進行大爆破時，地下溶洞對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，產生大塊。溶洞還可以誘發(fā)沖炮、塌方和陷落，嚴重時會造成爆破安全事故。對于深孔爆破，地下溶洞會使炮孔容藥量突然增大，產生異常拋擲和飛石（圖4-5）。2)溶洞對爆破效果的影響26圖4-4溶洞對拋擲方向的影響圖4-5溶洞對深孔爆破的影響

圖4-4溶洞對拋擲方向的影響27

3)層理對爆破的影響在生產實踐中，遇到最多和對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，有可能沿層理面發(fā)生沖炮。3)層理對爆破的影響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，爆破時不改變拋擲方向，但將擴大爆破土石方量，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匯總課件29③層理面與最小抵抗線斜交時，爆破拋擲方向將受到影響，爆破方量多數減少，有時也可增加。圖4-8最小抵抗線與層理斜交

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

當巖體僅受到一組主節(jié)理的切割時，其對爆破作用的影響與層理的影響相似。大的節(jié)理對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，爆破拋擲方向將受到304.4自由面對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面破壞和移動。增加自由面的個數，可以在明顯改善爆破效果的同時，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，往往可以達到事半功倍的效果。圖4-9（a）表示只有一個自由面時的情況，圖（b）表示具有兩個自由面時的情況。如果巖石是均質的，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自由面對爆破效果的影響31圖4-9自由面對爆破效果的影響圖4-9自由面對爆破效果的影響32本章小結

巖石的物理力學性質對爆破作用的過程與結果具有重要影響，對于合理選取爆破技術參數具有重要意義；巖體的爆破分級是聯系巖（石）體性質和爆破技術參數的橋梁；除巖石的物理力學性質外，地質構造和藥包（柱）的自由面條件（包括所謂的地形條件）對爆破的過程與結果也具有重要影響，對于科學制定爆破技術方案、合理選取爆破技術參數，同樣具有極為重要的意義。

本章小結巖石的物理力學性質對爆破33本章主要內容：

◆巖石的物理力學性質

◆巖體的爆破分級

◆地質構造對爆破的影響◆

自由面對爆破效果的影響

4爆破工程地質本章主要內容：4爆破工程地質34

在工程爆破實踐中，通常是用鑿巖設備在巖體內進行穿孔并裝入炸藥進行爆破的方法來破碎巖石或礦石。因此，爆破與地質關系密切。◆地質條件對爆破作用工程與結果的影響◆爆破作用對爆區(qū)外圍巖體及其力學性質的影響

地質條件：地形巖性（物理性質和力學性質）地質構造（節(jié)理、層理、斷層，等）水文地質特殊地質（如溶洞）4爆破工程地質在工程爆破實踐中，通常是用鑿巖設備在巖體內進行穿孔并35

4.1巖石的物理力學性質

(1)巖石的物理性質巖石與爆破有關的物理性質主要包括孔隙率、容重、密度、硬度、碎脹性、裂隙性等。一般認為巖石容重/密度對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力而使巖石強度降低，孔隙率越大，巖石強度降低得就越嚴重。巖石孔隙的存在，一方面使所需要的炸藥能量降低，但另一方面會因炸藥爆炸的能量會從孔隙逸出而使爆破效果受到影響。實踐中難以對孔隙率的影響進行量化描述。4.1巖石的物理力學性質36

2)密度/容重密度ρ(g/cm3),是指構成巖石的物質質量M對該物質所具有的體積V-V0之比，即：容重γ(t/m3),是指巖石的重量G對包括孔隙在內的巖石體積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。一般地說，巖石的密度和容重越大，就越難以破碎，在拋擲爆破時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

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，這一性質稱為巖石的碎脹性，它可用碎脹系數(松散系數)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(松散系數)K一般在1.2～1.6之間。3)硬度39

5)巖體的裂隙性巖體是“由結構面和巖石組成的地質體”。巖體的彈性模量、波速小于巖石試件的彈性模量、波速。巖體的性質由巖塊和結構面共同決定。巖石中的節(jié)理裂隙對爆破能量的傳遞影響很大，且節(jié)理裂隙的性質與賦存條件可有很大差異，使巖體在爆破過程中的受力破壞問題更加復雜難解。一般采用巖體的完整性系數ξ來評價巖體的完整性：或5)巖體的裂隙性40

(2)巖石的力學性質用炸藥爆炸來破碎巖石是一個力學作用過程，更嚴格地說是一個動力學過程。因此，巖石的力學性質必然對巖石爆破破壞過程與結果具有重要影響。

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

●

抗壓強度●抗拉強度

●抗剪強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強度指標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巖石的強度指標來確定。(2)巖石的力學性質41

②巖石的靜載變形特性巖石在外力作用下產生變形，其變形性質可用應力－應變曲線表示。

巖石的應力－應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彈性—在彈性變形范圍內，當外載去掉后，巖石恢復原形的性質,遵守虎克定律。②脆性—巖石沒有產生顯著的永久變形就開始破壞的性質，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的關系，根據材料力學的理論有：G=E/2（1+μ）⑧彈性后效：在彈性區(qū)內，應力消除后，應變并不能立即消失，而需要經過一段時間才能恢復，這就叫彈性后效。①彈性—在彈性變形范圍內，當外載去掉后，巖石恢復原43

2)巖石的動力學性質炸藥爆炸加載于介質的載荷是沖擊載荷，沖擊載荷能引起介質中產生波的傳播。在巖石動力學中常把應變率大于104/s的載荷稱為動載荷，巖石在動應力作用下的一般力學性質表現為：a）動抗壓、抗拉強度隨加載速率的提高而明顯增加；b）動抗壓與動抗拉強度之比非恒定值(表4-2)；c）在抗壓試驗中，除初始階段外，加載速度和應變速度的對數呈線性關系；d）變形模量隨加載速度的增加而提高；e）巖性越差，風化越嚴重，強度越低，巖石強度受加載速度大小的影響越明顯。2)巖石的動力學性質44巖石種類應力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強度（MPa）抗拉強度（MPa）加載速度(Mpa/s)載荷持續(xù)時間（ms）靜態(tài)動態(tài)靜態(tài)動態(tài)大理石和泉砂巖多湖砂巖群馬砂巖輝綠巖石英-閃長巖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、靜載強度巖石種類應力波的平均傳播速度（m/s）抗壓強度（MPa）抗拉45應變速率<10-610-6～10-410-2～1010～103>104載荷狀態(tài)試驗方法流變穩(wěn)定加載靜態(tài)夜壓機加載準靜態(tài)氣動式快速加載準動態(tài)霍金遜桿加載動態(tài)爆炸或沖擊加載

①

炸藥爆炸載荷的性質根據加載速度和受荷介質的應變率(表4-3)，載荷性質可分為動載荷和靜載荷。表4-3載荷狀態(tài)分類

應變率是指應變隨時間的變化速率，即：

應變速率<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反應爆炸沖擊載荷作用下巖體中產生的應力波，能夠引起巖體的變形甚至破壞。這種動力學反應的特點是：①由于爆轟壓力瞬間高達數千乃至數萬兆帕，會在巖體表面產生沖擊波。②在巖體中某局部激發(fā)的壓力脈沖可使巖體中出現明顯的應力不均現象。③巖體中各點產生的應力及變形、位移和運動隨時間而變化。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巖體的爆破分級客觀世界中的巖體性質差異顯著。對巖體進行爆破分級，是合理確定爆破工藝方法和技術參數的前提，對控制爆破工程效果、降低工程成本，都具有重要意義。國內外主要的巖體爆破分級方法有：◆

按巖石堅固性的普氏分級法◆按巖石波阻抗的哈氏分級法◆利文斯頓爆破漏斗巖石分級法◆東北大學巖石分級法◆北京科技大學爆破分級法

4.2巖體的爆破分級48(1)按巖石堅固性的普氏分級法這種分級方法是前蘇聯學者普洛吉亞柯夫于20世紀20年代提出的。這種分級根據巖石單軸抗壓強度確定巖石堅固性系數，并按巖石的堅固性系數將巖石分為十個等級（表4-4），用以表征巖石的爆破難易程度。巖石堅固性系數與巖石單軸抗壓強度的關系為：

f=R/10式中f為巖石堅固性系數，R為巖石單軸抗壓強度(MPa)。實際上，有的巖石單軸抗壓強度可達300MPa。為了保持原來普氏系數最大值f=20,1995年蘇聯的巴隆修正普氏堅固性系數公式為：優(yōu)點：簡單、易用，多數情況下大致可靠。

缺點：忽略了巖石的其它特性和巖體節(jié)理裂隙的影響。

應用情況：目前仍較廣泛。(1)按巖石堅固性的普氏分級法49表4-4普氏巖石分級表等級堅實程度巖石名稱容重（kg/m3）極限抗壓強度（MPa）f值Ⅰ非常堅實最堅實，致密，強韌的石英巖及玄武巖，非常堅實的其它巖石2800~300020020Ⅱ很堅實很堅實的花崗巖類，石英斑巖，很堅實的花崗巖，硅質頁巖，石英巖，最堅實的砂巖，石灰?guī)r2600~270015015Ⅲ堅實致密的花崗巖和花崗巖類，很堅實的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，堅實的礫巖，很堅實的鐵礦2500~260010010Ⅲa堅實石灰?guī)r（堅實），不堅實的花崗巖，堅實的大理巖，白云巖，黃鐵礦2500808Ⅳ尚堅實普通砂巖，鐵礦2400606Ⅳa尚堅實砂質頁巖，頁狀砂巖2300505Ⅴ中等堅實的砂質頁巖，不堅實的砂質巖和石灰?guī)r，軟的礫巖2400~2800404Ⅴa中等各種頁巖（不堅實），致密的泥灰?guī)r2400~2600303Ⅵ尚軟軟質頁巖，極軟石灰?guī)r，白堊，巖鹽，石膏，凍土，破碎砂巖，膠結的卵石與礫石，石質土壤2200~260020~152Ⅵa尚軟碎石土壤，破碎頁巖，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軟輕型沙質粘土，黃土，礫石1800~20000.8表4-4普氏巖石分級表等級堅實程度巖石名50（2）按巖石波阻抗的哈氏分級法前蘇聯的哈努卡耶夫認為巖石的彈性縱波速度是巖石的動態(tài)屬性不僅可以作為巖石物理力學性質的綜合量度，而且也可以反映巖體中節(jié)理裂隙的影響，并據此提出了以巖體波阻抗為依據的巖石可爆性分級方法。其優(yōu)缺點與普氏分級法類似。另外，在工程現場對巖體波速進行測試較為麻煩，難以實施。由于這些原因，目前應用極少。（3）利文斯頓爆破漏斗巖石分級法美國的利文斯頓認為，能量準則是研究巖石破壞的根本準則，最能反映消耗能量多少和爆破效果好壞之間的關系，從而也能表征巖石的可爆性。該方法利用變形能系數表征巖石的爆破性，并用以計算炸藥的單耗量。其表達式為:式中Ed為巖石的變形能系數，Le為炸藥埋置的極限深度(最小抵抗線)，Q為裝藥量。當Q一定時，Le越大，說明該巖石愈易爆破。（2）按巖石波阻抗的哈氏分級法51

(4)東北大學巖石分級法東北大學的研究者在綜合考慮爆破材料、工藝、參數等條件，進行爆破漏斗實驗和巖石聲波測定，根據爆破漏斗的體積、大塊率、小塊率、平均合格率和波阻抗等大量實驗數據，運用數理統(tǒng)計多元回歸分析得出了巖石可爆性指數f的計算公式：

式中：f為巖石可爆性指數；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：具有合理性。缺點：項目繁雜；現場實施不同礦巖體中的爆破漏斗試驗，難度大。應用情況：極少。(4)東北大學巖石分級法52

表4-5東北大學巖石可爆性分級級別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)北京科技大學巖體爆破分級法巖體可爆性判據指標，是指巖體本身所具有的一些屬性參數，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程中發(fā)生破壞的難易程度。該方法認為巖石密度ρ、巖石抗壓強度σc、巖石抗拉強度σt、巖體的完整性系數ξ四個參數個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，采用這四個參數作為巖體可爆性的指標（四個參數的權值分別取為0.3、0.3、0.1、0.3），并采用聚類分析方法計算具體巖體的可爆性分級。1)爆破分級指標

①巖石密度在爆破工程中，需要克服礦巖體的慣性力，使礦巖產生位移甚至拋擲運動，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動消耗炸藥能量的多少，與其密度（或者重度）直接相關。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指標。(5)北京科技大學巖體爆破分級法54②巖石抗壓強度沖擊壓縮是炸藥爆炸時對周圍巖石產生的直接作用。因此，可以認為礦巖的可爆性與其抗壓強度直接相關。③巖石抗拉強度在爆破過程中，拉伸破壞是巖石產生破壞的主要形式。因此，可將巖石的抗拉強度視為衡量巖石爆破難易程度的一個重要指標。④巖體的完整性系數巖體是巖塊的集合體，巖塊間程度不同地存在著節(jié)理裂隙等各種地質結構面。這種結構面越密集，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作為對巖體可爆性進行評價的另一個指標。巖體的完整性系數可定義為:

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