爆破工程第一章巖石的性質(zhì)及其分級(jí)第一章

巖石的性質(zhì)及其分級(jí)

第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)巖石的分級(jí)第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的礦物成分及組織特征巖石：是由一種或多種礦物組成的集合體，這里的巖石是個(gè)廣義概念，包括礦石。礦物：是自然界存在的單質(zhì)或化合物。第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的礦物成分及組織特征1.巖石礦物對(duì)巖石性質(zhì)的影響從礦物成分來講，如含石英的巖石（石英巖，花崗巖等）它的硬度和強(qiáng)度就高（石英的莫氏硬度為7）。2.巖石的組織特征對(duì)巖石性質(zhì)的影響結(jié)構(gòu)：巖石中礦物的結(jié)晶程度、結(jié)晶顆粒的大小和形狀及彼此的組合方式。構(gòu)造：巖石中礦物集合體之間，礦物集合體與其他組分之間的排列方式和充填方式。第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)堅(jiān)固性：表征對(duì)不同的方法，巖石破碎的難易程度，它是一個(gè)綜合指標(biāo)，是各種物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反映

一、巖石的礦物成分及組織特征（1）巖石的結(jié)構(gòu)不同，其堅(jiān)固程度不同巖漿巖：絕大多數(shù)是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。其堅(jiān)固性主要取決于晶粒之間結(jié)合的牢固程度。組成巖石的晶體顆粒。愈細(xì)，愈致密，顆粒大小愈均勻。沉積巖：絕大多數(shù)為碎屑結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固性主要取決于膠結(jié)物的強(qiáng)度。硅質(zhì)膠結(jié)＞鐵質(zhì)膠結(jié)＞鈣質(zhì)膠結(jié)＞泥質(zhì)膠結(jié)。變質(zhì)巖：變晶結(jié)構(gòu)，其堅(jiān)固程度主要取決于變質(zhì)程度以及原來的巖石結(jié)構(gòu)。第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的礦物成分及組織特征（2）巖石的構(gòu)造不同，其堅(jiān)固程度不同巖漿巖：一般塊狀構(gòu)造，幾乎各向同性，堅(jiān)固性較強(qiáng)。沉積巖和變質(zhì)巖具有層理和片理狀構(gòu)造，成各項(xiàng)異性，非常容易沿層理破壞。層理對(duì)爆破作用有很大的影響第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的礦物成分及組織特征第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)一、巖石的礦物成分及組織特征3．地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖石性質(zhì)的影響地質(zhì)構(gòu)造：巖石中存在的節(jié)理、裂隙及斷層等方面等都稱為地質(zhì)構(gòu)造。一方面，節(jié)理裂隙的存在，大大消弱了巖石的堅(jiān)固性，強(qiáng)度減低，需要的爆破能量減少，可以認(rèn)為是有利的；另一方面，正由于節(jié)理裂隙的存在，巖石爆破時(shí)很容易沿著節(jié)理裂隙破壞，或者說沒有裂隙的地方就不易被破壞，所以巖石的爆破塊度受節(jié)理裂隙的控制。第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)二、巖石的孔隙度、密度和容重

1．巖石的孔隙度式中：V0——孔隙的體積；

V——巖石的體積。第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)2．巖石的容重和密度容重：原巖的重量與其體積之比

密度：原巖的質(zhì)量與其體積之比容重用γ來表示

（g/cm3）密度用ρ來表示（t/m3）或（g/cm3）式中：G——巖石的重量；M——巖石的質(zhì)量第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)三、巖石的碎脹性巖石破碎后，由于孔隙的增加，體積要增大，這種破碎后體積增大的性質(zhì)叫做巖石的碎脹性，用碎脹系數(shù)表示：式中：V1——巖石破碎后的體積；V——巖石破碎前的體積；可見K>1第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)四、波阻抗巖石的密度與在巖石中傳播的彈性縱波速度之乘積叫做巖石的波阻抗。假設(shè)巖石的彈性縱波速度用Cp來表示，波阻抗為ρCp，巖石的波阻抗實(shí)際上表征了巖石的力學(xué)性質(zhì)，一種巖石確定后，巖石的密度是確定的，所以波阻抗就是確定的。

第一章

巖石的性質(zhì)及其分級(jí)

第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)

第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)巖石的分級(jí)一、巖石的靜載荷變形特征

靜載荷加載特點(diǎn)加載速度無限小。加載時(shí)間無限長(zhǎng)，趨近于無窮大。低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線一類巖石可稱之為彈脆性體。

另一類稱為彈塑性體。一般把曲線變緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為屈服極限，實(shí)際上只有少數(shù)較軟的沉積巖才是彈塑性體。

巖石在靜載荷作用下，在彈性范圍內(nèi)，符合胡克定律，其彈性常數(shù)與其它材料一樣。彈性模量E，剪切模量G，波松比μ，體積模量K對(duì)于層狀巖石，E表現(xiàn)出明顯的各向異性

E增大，變形愈難，消耗在變形上的能量變小，可以說對(duì)爆破有利

二、巖石的動(dòng)載荷變形特征

1．沖擊載荷和應(yīng)力波

沖擊荷載的特點(diǎn)：加載速度很大，加載時(shí)間很短波：擾動(dòng)的傳播應(yīng)力波：應(yīng)力應(yīng)變改變的傳播就叫應(yīng)力波。

巖石在沖擊載荷作用下，巖石內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)（

，

，v

）表現(xiàn)為：對(duì)于某一點(diǎn)而言（

，

，v）＝f(t)對(duì)于某時(shí)刻（

，

，v）＝f(x，y，z)即巖石的應(yīng)力狀態(tài)（

，

，v）即是坐標(biāo)的函數(shù)，又是時(shí)間的函數(shù)巖石的應(yīng)力在巖體中的分布叫做巖石的應(yīng)力場(chǎng)

由炸藥的爆炸作用而引起的沖擊載荷稱為爆炸載荷；由爆炸載荷的作用，在固體介質(zhì)中引起的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)的改變的傳播――稱之為爆炸應(yīng)力波。

當(dāng)炸藥在無限均質(zhì)巖體中爆炸時(shí)，會(huì)在巖石中產(chǎn)生應(yīng)力波，根據(jù)應(yīng)力波的振幅的大小，從爆源開始，一般將應(yīng)力波分成三段：沖擊波、壓縮波、地震波。

2．爆炸應(yīng)力波的特性

（1）沖擊波

沖擊波的波陣面處介質(zhì)狀態(tài)的變化是突躍的，波陣面比較陡

巖石中的沖擊波，具有以下特性：①具有非常陡的波陣面；壓力上升時(shí)間

t升≈0，壓力下降時(shí)間

t降≠0>>t升

②作用范圍非常?。辉O(shè)=距離（到爆源中心）/藥包直徑，稱為比例距離，則≈3～15

③對(duì)巖石作用非常強(qiáng)烈，可使巖石熔化產(chǎn)生塑性流動(dòng)，壓碎、破裂；④傳播速度>聲速（巖石中）；

⑤應(yīng)力衰減極快，一般的

＝0.1～0.45，n＝2.11～2.82

（2）壓縮波

或稱為應(yīng)力波

沖擊波通過衰減，變成了壓縮波，具有以下特性：

①波陣面的狀態(tài)參數(shù)變化較緩

t升≠0t升<t降

②作用范圍較大，一般為十幾～幾十倍的藥包半徑

③對(duì)巖石的作用減弱，但仍然能夠引起巖石破壞及殘余變形

④傳播速度＝巖石中的聲速

⑤應(yīng)力衰減速度變慢，μ=0.1~0.45，n=1.18~1.89

（3）地震波傳播特性

壓縮波再衰減，就變成地震波了。

①t升＝t降②作用范圍從幾十倍～幾千倍的藥包半徑。③只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)（具有周期性壓縮波和沖擊波沒有），但當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度很大時(shí)，可使地表的建筑物或構(gòu)筑物發(fā)生破壞。④傳播速度等于聲速⑤應(yīng)力衰減與距離呈線性關(guān)系

3．應(yīng)力波的分類巖石當(dāng)中的應(yīng)力波按其傳播的途徑和位置不同分為體積波和表面波兩種

（1）體積波：在介質(zhì)內(nèi)傳播的波按波的傳播方向與介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向的相互關(guān)系又分為：縱波和橫波?？v波又叫做膨脹波，或叫P波；橫波又叫畸變波、剪切波、S波，橫波在巖石中產(chǎn)生前切應(yīng)力。

（2）表面波：沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?/p>

表面波分為瑞利波和勒夫波。

（3）這里需要說明的幾點(diǎn)

①縱波是爆破破壞巖石的主要原因。

②同一個(gè)波，按不同的分類，有不同的名稱。

③在爆破近區(qū)（強(qiáng)沖擊波區(qū)）由于壓力極高，巖石產(chǎn)生塑性流動(dòng)，近似于流體，沒有剪應(yīng)力——無剪切波（橫波）。④沖擊波或壓縮波中有負(fù)值部分，表明應(yīng)力為拉應(yīng)力，稱為拉伸相，一般不稱為拉伸波，因?yàn)榫驼麄€(gè)波而言，主要是壓而不是拉。

⑤如果傳播的應(yīng)力改變?cè)趶椥詷O限內(nèi)，稱為彈性波。

4．應(yīng)力波的傳播

①假設(shè)，當(dāng)我們所研究的某點(diǎn)距爆源很遠(yuǎn)時(shí)，波陣面是平面

②假設(shè)質(zhì)點(diǎn)只沿x軸方向發(fā)生位移，則由波動(dòng)方程

式中：σ，τ

——介質(zhì)中某點(diǎn)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力

ρ——介質(zhì)的密度，

cp，cs——在介質(zhì)中傳播的縱波、橫波波速

vp，vs——縱波橫波介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度。

③對(duì)于彈性波（在彈性介質(zhì)中傳播）縱波和橫波的波速分別是：在一維桿件中5．應(yīng)力波向介質(zhì)交界面垂直入射時(shí)的反射與透射設(shè)：入射波應(yīng)力為σi質(zhì)點(diǎn)速度vi透射波應(yīng)力為σt質(zhì)點(diǎn)速度vt反射波應(yīng)力為σr質(zhì)點(diǎn)速度vr

先規(guī)定，應(yīng)力，壓為正，拉為負(fù)。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度vp與波的傳播方向一致時(shí)，取正值，相反時(shí)，取負(fù)值，波速cp取絕對(duì)值，假定σi、σt、σr均為正值。分析M點(diǎn)：

應(yīng)力：σi+σr=σt

質(zhì)點(diǎn)速度：vi+vr=vt根據(jù)公式：σ=ρcpvp有：σi=ρ1cp1vi；

σr=ρ1cp1vr；σt=ρ2cp2vt

將以上5式聯(lián)立求得：令：則有：通過推導(dǎo)，還可以得出入射波所攜帶的能量與反射波及透射波所攜帶的能量之間的關(guān)系：下面就無因次量K分幾種情況加以討論①K＝1，ρ1cp1=ρ2cp2σr=0，σt=σ，沒有反射應(yīng)力，透射應(yīng)力＝入射應(yīng)力Er=0，Et=Ei沒有反射能量，能量全部透射②K=0，ρ2cp2=0

σr=-σi，σt=0，有反射應(yīng)力，而沒有透射應(yīng)力（有反射波，沒有透射波，反射波為拉伸波；Er=

Ei，Et=0能量全反射，沒有透射能量

假設(shè)有兩種介質(zhì)一邊是巖石，一邊是空氣，那么這個(gè)巖石所面臨的是空氣，這個(gè)巖石表面稱作臨空面，又叫自由面。如果波在巖石中向自由面入射，顯然ρ1cp1>>ρ2cp2③K→∞，ρ1cp1→0σr=σi，σt=2σi，反射應(yīng)力＝入射應(yīng)力，透射應(yīng)力＝2倍的入射應(yīng)力，（入射波為壓縮波，反射波也為壓縮波，沒有透射波）Er=

Ei，Et=0，能量全反射，而沒有透射

相當(dāng)于向剛體入射，或者從空氣中向巖石入射。

④

K≠0，1，∞

0<K<1時(shí)，ρ1cp1>ρ2cp2。相當(dāng)于由硬巖向軟巖入射。

σr與σi反號(hào)，即有反射波，為拉伸波,σt與σi同號(hào)且σt<σi，也有透射波，為壓縮波,0<(Er，Et)<Ei，能量既有反射，也有透射。

1<K<∞時(shí)ρ1cp1<ρ2cp2，相當(dāng)于由軟巖向硬巖入射。σr與σi同號(hào)，且σr<σi，有反射波，為壓縮波，σt與σi同號(hào)且σt>σi，也有透射波，為壓縮波，0<(Er，Et)<Ei，能量既有反射，也有透射。

小結(jié)應(yīng)用舉例①自由面的作用爆炸應(yīng)力波→自由面，反射成拉伸波σr=-σi，Er=Ei，反射拉伸波在巖石中產(chǎn)生拉應(yīng)力

②求孔壁上的最大壓力（壓力峰值）令炸藥的波阻抗為ρeD

③解釋節(jié)理裂隙對(duì)爆破的影響節(jié)理裂隙的存在，相當(dāng)于應(yīng)力波從巖石Ⅰ→空氣（軟巖）→巖石Ⅱ，在此過程中，消耗了大部分能量，從而使應(yīng)力波衰減加快，使后面的巖石不容易破壞

6．應(yīng)力波向介質(zhì)交界面傾斜入射不論是縱波，還是橫波，當(dāng)其向介質(zhì)交界面傾斜入射時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生反射的縱波和橫波以及透射的縱波和橫波。7．巖石的變形能巖石的變形能實(shí)際分為兩部分：變形勢(shì)能和變形動(dòng)能：?jiǎn)挝惑w積總的變形能為單位體積內(nèi)的變形勢(shì)能和變形動(dòng)能均之和：三、巖石的強(qiáng)度特征

巖石的強(qiáng)度指巖石在外力作用下抵抗外力破壞的能力。1．根據(jù)外力的形式可分為抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度，其中

R壓>R剪>R拉對(duì)于抗壓強(qiáng)度又分為三向抗壓，雙向和單向。

R壓3>R壓2>R壓12．由于巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，各向異性，巖石的強(qiáng)度也呈各向異性，如層狀巖石，R||<R⊥

3．隨著加載速度的增加，強(qiáng)度增加，R動(dòng)>R靜

四、巖石的硬度

巖石表面抵抗工具侵入的能力叫做巖石的硬度。

巖石的硬度又分為靜壓入硬度和沖擊壓入硬度。

靜壓入硬度：以靜壓力壓入巖石的表面，使之產(chǎn)生殘余變形或破碎時(shí)，用單位面積上的壓力值來表示。沖擊壓入硬度：用沖錘以一定的速度沖擊巖石表面時(shí)，用沖錘回彈高度作為沖擊壓入硬度的指標(biāo)。硬度越高，工具侵入越難，鑿巖速度越低。

五、巖石的磨蝕性

巖石對(duì)工具的磨蝕能力，叫做巖石的磨蝕性。巖石的磨蝕性直接影響著鑿巖工具的損耗率，影響磨蝕性的主要原因，礦物的硬度，結(jié)晶顆粒，結(jié)晶狀態(tài)，例如礦物顆粒大，礦物硬度高，結(jié)晶程度好，腐蝕性就強(qiáng)。

第一章

巖石的性質(zhì)及其分級(jí)

第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)

第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)巖石的分級(jí)巖石分析的方法1．以巖石的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)為準(zhǔn)則的爆破性分級(jí)方法，普氏分級(jí)，日本隧道界以抗爆強(qiáng)度為指標(biāo)對(duì)巖石進(jìn)行分級(jí)。2．以炸藥單耗為準(zhǔn)則的爆破性分級(jí)方法。以標(biāo)準(zhǔn)條件下爆破單位體積巖石所消耗的炸藥量作為衡量巖石爆破難易的標(biāo)準(zhǔn)。3．以工程地質(zhì)參數(shù)為準(zhǔn)則的