岩石可爆性和可钻性文档格式.docx
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4.5
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%（—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。
表1.2是用雷管模拟爆破和用材料试验机加载试验所得的几种岩石的动、静
强度。
从表中可见，动载强度比静载强度为大。
岩石的抗压极限强度（0压）最大，抗剪（0剪）次之，抗拉（0拉）最小。
一般有如下关系：
0拉=（1/10〜1/50）0压，0剪=（1/8〜1/12）0压因此，尽可能使岩石处于受拉伸或剪切状态下，以利于爆破破碎，提高爆破效果从表中可见，动载强度比静载强度为大。
表1.2几种岩石动、静载强度试验结果
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貯曲
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抗匡蟲度
（MPn）
动讎度（MPafs）
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大厘石
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3700-5900
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30-肿
第二节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。
一、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。
二、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一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7x7x7cm）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。
表1.3普氏分级与苏氏分级（爆破性）的对比参考表
普氏分级
苏氏分级
代表性
岩石
坚固性系数
（f）
等级
坚固程度
爆破性
等级
二号硝铵炸药单耗q（kg/m3）
1
8.3
致密微晶石英岩
20
I
最坚固
最难爆
2
6.7
极致密无氨化物石英岩
3
5.3
最致密石央岩和玄武岩
18
4
4.2
极致密安山岩和辉绿岩
15
n
很坚固
很难
5
3.8
石英斑岩
12
6
3.0
极致密硅质砂岩
10
出
坚固
难
7
2.4
致密花岗岩、坚固铁矿石
8
川a
2.0
致密砂岩和石灰岩
IV
相当坚固
中上等
9
1.5
砂岩
IVa
1.25
砂质页岩
V
中等
11
1.0
不坚固的砂岩和石灰岩页岩、致密泥质岩
Va
0.8
屮
相当软弱
中下等
13
0.6
软页岩
Wa
14
0.5
无烟煤
vn
软弱
易爆
0.4
致密粘土、软质煤岩浮石、凝灰岩
vna
16
vrn
土质
一
——
IX
松散
不用爆
流沙
三、新提出的岩石爆破性分级
岩石爆破性是岩石本身物理力学性质和炸药爆破参数、爆破工艺的综合效应,它们之间既有其内在联系，又受外因的控制，有明显的因果关系，因而岩石爆破性不是岩石单一的固有属性，而是岩石在爆破过程中诸因素的综合反映，并影响着爆破数量和质量的具体效果。
通过试验研究和实践证明，能量平衡准则是岩石爆破最普遍、最根本的准则，它表征了岩石爆破性的本质。
爆破漏斗是一般爆破工程的根本形式。
炸药爆炸释放的能量传递给岩石，岩石吸收能量导致岩石的变形和破坏。
由于不同岩石破坏所消耗的能量不同，当炸药能量及其它条件一定时，
爆破漏斗体积的大小和爆破块度的粒级组成，均直接反映能量的消耗状态和爆破效果，从而表征了岩石的爆破性。
此外，必须指出，岩石的结构特征（如节理、
裂隙）也是影响岩石爆破的重要因素之一，由于岩体结构影响着岩石爆破的难易，更影响着爆破块度的大小，所以，声测指标（如岩石弹性波速、岩石波阻抗、岩石结构裂隙细数等）也是岩石爆破性分级的重要判据之一。
这就综合考虑了上述影响岩石爆破性的主要因素一包括岩石的结构（组分）、内聚力、裂隙性、岩石物理力学性质、特别是岩石的变形性质及其动力特性。
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。
1•测定方法
（1）爆破漏斗与块度的测定
在矿山现场选择典型的矿岩地段，用凿岩机垂直自由面打眼，钎头直径
45mm，眼深1m,用2号岩石硝铵炸药，药量450g,药卷直径32mm,连续柱状装药，炮泥填塞，一支8号雷管起爆。
爆破后量取爆破漏斗体积，清理岩块，进行块度分析。
分别称量，计算容积，求出大块（大于300mm）、小块（小于50mm）、平均合格块度（300—200mm,200一100mm,I00—50mm）的百分率，并且据此
核算出爆破漏斗的总体积。
（2）声测
用声波速度测定仪测定现场岩体的声波速度及岩块试样的声波速度，求得岩
石裂隙性和岩体波阻抗（岩体密度与波速的乘积）。
2.岩石爆破性指数
通过电子计算机运算，最终求得岩石爆破性指数
67.227.422.03
e.K,（1.01）（:
C）
-In38.44V1.894.75
eK2K3
m3
根据爆破漏斗体积、大块率、小块率、平均合格率和岩体波阻抗的大量数据,运用数理统计的多元回归分析，
式中V—岩石爆破漏斗体积,
K1—大块率，%；
K2—平均合格率，%；
K3—小块率，％;
（pC—岩体波阻抗，kPa.s/m
e-自然对数之底。
通过模量识别，结合现场调查，定出岩石爆破性分级表，见表1.4
表1.4岩石爆破性分级表
级别
爆破性指数N
爆破性程度
代表性岩石
<
29
极易爆
千枚岩、破碎性砂岩、、泥质板岩破碎性白云岩
I2
29.001~38
n1
38.001~46
角砾岩、绿泥岩、米黄色白云岩
n2
46.001~53
in1
53.001~60
阳起石石英岩、煌斑岩、大理岩灰白色白云岩
in2
60.001~68
V1
68.001~74
难爆
磁铁石英岩、角闪岩长片麻岩
V2
74.001~81
81.001~86
极难爆
矽卡岩、花岗岩、浅色砂岩
>
86
第三节岩石的可钻性
岩石的可钻性表示钻头在岩石上钻眼的难易程度。
它是合理选择钻进方法、
钻头规格及钻进规程参数的依据，同时也是制定钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础以及考核生产效率的根据。
由于岩石可钻性的影响因素较多，科研工作者从不同角度提出了各自的分级方法及相应的评价指标。
根据所用的分级评价原
则不同，可以得到不同的分级。
目前岩石的可钻性分级主要有以下几种。
按凿碎比功分级、按岩石的A、B
值分级、按岩石硬度、切削强度和磨蚀性分级、按点荷强度分级、按断裂力学指标分级、按岩石的主要声学指标分级、按最小体积比能分级、按岩石的单轴抗压强度分级等等。
下面着重介绍前三种分级方法。
1、按凿碎比功分级
在现场或实验室内采用实际或缩小比例的微型模拟钻头进行钻眼试验，并以
钻速、钻一定深度炮眼所需的时间和钻头的磨损量、凿碎比功耗等指标来表示岩
石的可钻性。
但这些指标不仅决定于岩石本身的性质，还决定于所采用的钻眼方法、钻机、钻具、钻眼工艺参数（冲击力、冲击频率、转数、轴压）、钻眼参数（钻眼直径、深度、方向），和清除钻粉的方式等钻眼条件。
因此，为比较不同岩石的可钻性，必须规定统一的钻眼条件，称为标准条件。
为固定钻眼条件和方便迅速地确定出岩石的可钻性，东北大学（原东北工学
院）设计出了一种岩石凿测器。
凿测器锤重4公斤，落高1米，采用直径40±
毫米的一字形钎头，镶YG-11C（K013型）硬合金片，刃角110°
，每冲击一次转15°
角，测定每种岩样共冲击480次，每凿24次清一次岩粉。
冲击完后，计算比功耗和用带专用卡具的读数显微镜读出钎刃两端向内4毫米处的磨钝宽度，作为
岩石可钻性和磨蚀性（磨损钻头的能力）分级的指标。
用两项指标来衡量岩石的可钻性：
（1）、凿碎比功一凿碎单位体积岩石所消耗的功
ANA0
-一
V二D2H
410
式中a—凿碎比功，J/cm3;
A—总冲击功，实际为18816J
V—破碎岩石体积，cm3；
A0—落锤单次冲击功，39.2J次；
D—凿眼直径，眼径约比钎头直径大1mm,D=4.1cm；
H—凿480次后的净凿眼深度，mm;
只要用深度卡尺量取净深H后，由上式便可求出a值的大小。
按凿碎比功的不同将岩石可钻性分成七级，见表1.5。
表1.5岩石凿碎比功分级
VD
凿碎比功
186
187—284
285—382
383—480
481—578
579—676
677
可钻性
极易
易
中难
极难
（2）、钎刃磨钝宽度b—落锤480次后，钎刃上从刃锋两端各向内4mm处的磨钝宽度平均值。
钎刃磨钝宽度b时用读数显微镜和专用卡具量得的。
按钎刃磨钝宽度b,将岩石的磨蚀性分成三类，见表1.6。
表1.6岩石磨蚀性分级
类别
钎刃磨钝宽度（mm）
0.2
0.3—0.6
0.7
磨蚀性
弱
中
强
综合表示岩石可钻性时，用罗马数字表示岩石凿碎比功的等级；
用阿拉伯数字左右下标；
表示这种岩石的磨蚀性。
如川1，系表示该岩石为中等可钻性的弱磨蚀性。
二、按岩石的A、B值分级
中南大学鲁凡教授认为：
难钻的岩石，它对钻头的磨损有大有小，容易钻进的岩石，同样，它对钻头的磨损也有大有小。
因此，岩石钻进的难易程度与钻头磨损（岩石的研磨性）没有固定关系，不能用单一的指标表示。
建议用双指标来表示岩石可钻性。
即：
⑴用A值表示岩石的钻进难易程度；
（2）用B值表示岩石的研磨性。
A值的测量原理为：
用金刚石锯片同时切割直径相同的耐酸瓷棒（比较标准）与岩样，以它们的切割深度比来表示用金刚石磨削的难易程度（A值）。
岩样的切割深度大于瓷棒，说明岩样的磨削难度低于瓷棒。
岩样的切割深度较瓷棒大得越多，岩样的A值也较瓷棒低得越多。
这样，岩样的可钻性A值是以瓷棒的标准进行对比的，不是以锯片为标准确定的。
图1.1锯片切割对比示意图
测量出切槽深度，用下式计算岩样可钻性A值：
A=（Lp/Lr）8
式中:
Lp—在瓷棒上切割出来槽的深度
Lr—在岩样上切割出来槽的深度
将深度比值乘以8，目的是把瓷棒的可钻性系数A值定为8,因为估计瓷砖与十二级分级法的8级岩石可钻性相当。
B值测量原理为：
用“微钻对比法”测量B值，实质是用一微型钻头，以恒速并按“耐酸瓷砖一岩样一耐酸瓷砖”顺序钻进，并用精密天平测量出钻进后的钻头磨损。
以下公式计算B值：
B=钻进岩样后的钻头磨损/钻进瓷砖后的钻头磨损平均值
用极速钻进，是为了消除时效
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