《爆破工程地质》PPT课件.ppt

土石方爆破工程是直接在岩土中进行的，所以爆破与地质关系密切。因此，在爆破过程中，必须一方面要考虑到地质条件对爆破作用的影响，另一方面也要考虑到爆破作用对爆破区的地质条件所带来的深远影响。与爆破关系密切的地质条件有地形；岩性；地质构造；水文地质；特殊地质。在工程爆破工作中，通常是用凿岩设备在岩体内进行穿孔并装入炸药进行爆破的方法来破碎岩石或矿石。要有效地开展工程爆破工作，必须先了解岩石、岩体的基本性质，主要是与工程爆破有关的物理性质和力学性质。4 爆破工程地质爆破工程地质 4.1岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 (1)岩石的物理性质岩石的物理性质与爆破有关的岩石的物理性质主要包括孔隙率、容重、密度、硬度、碎胀性、裂隙性等。1)1)孔隙率孔隙率孔隙率，是指岩石中孔隙的总体积V0与岩石的总体积V之比，用百分率表示。岩石孔隙的存在，能削弱岩石颗粒之间的粘结力而使岩石强度降低，孔隙率越大，岩石强度降低得就越严重。岩石孔隙的存在，一方面使所需要的炸药能量降低，但另一方面会因炸药爆炸的能量会从孔隙逸出而使爆破效果受到影响。2)2)密度及容重密度及容重密度(g/cm3),是指构成岩石的物质质量M对该物质所具有的体积V-V0之比，即：容重(t/m3),是指岩石的重量G对包括孔隙在内的岩石体积V之比，即：岩石的密度、容重主要影响岩石的抛掷、堆积和装运。一般地说，岩石的密度和容重越大，就越难以破碎，在抛掷爆破时需消耗较多的能量去克服重力的影响。几种岩石孔隙度、密度、容重见表4-1。表表4-1 4-1 几种岩石的孔隙度、密度、容重几种岩石的孔隙度、密度、容重岩石名称孔隙度（%）密度（g/cm）容重（t/m3）花岗岩 玄武岩 辉绿岩 石灰岩 白云岩 砂 岩 页 岩 板 岩 片麻岩 大理岩 石英岩 粘 土 砂 子0.51.5 0.10.2 0.61.2 5.020 1.05.0 5.025 1030 0.51.5 0.52.0 0.10.8 45 30502.62.7 2.83.0 2.853.0 2.712.85 2.52.6 2.582.69 2.22.4 2.32.7 2.93.0 2.62.7 2.652.9 1.62.1 1.51.72.562.67 2.752.90 2.82.9 2.462.65 2.32.4 2.472.56 2.02.3 2.12.57 2.652.85 2.5 2.542.85 1.62.0 1.41.6 3)3)硬度硬度岩石的硬度是指岩石抵抗工具侵入的能力。凡是用刃具切削或挤压的方法凿岩，首先必须将工具压入岩石才能达到钻进的目的，因此研究岩石的硬度具有一定的意义。一般地说，硬度越大的岩石越难以凿岩和爆破，但值得注意的是，某些硬度较大的岩石往往比较脆，因而也容易爆破。4)4)岩石的碎胀性岩石的碎胀性 岩石破碎成块后，因碎块之间存在空袭而使总体积增加，这一性质称为岩石的碎胀性，它可用碎胀系数(松散系数)K表示(其值一般在1.21.6之间)。K是指岩石破碎后的总体积V1与破碎前总体积V之比，即：K=V1/V 5)5)岩石的裂隙性岩石的裂隙性岩体被认为是“由结构面和岩石组成的地质体”，所以岩体的弹性模量、波传播速度不同于岩石试件。泊松比大，弹性模量及波速小。岩体与岩石波速比值的平方来评价岩体的完整性，称为岩体的完整系数。岩体的性质由岩块和结构面共同决定。岩石的裂隙性对爆破能量的传递影响很大，并且由于岩石裂隙存在的差异性很大，使岩体的受力破坏问题更加复杂。(2)岩石的力学性质岩石的力学性质用炸药爆炸来破碎岩石是爆破工程的主要内容，而炸药爆炸加载于介质的载荷是冲击载荷，属于动力学范畴，因此，对岩石的力学性质研究不仅要研究其一般力学性质，还要对其动力学性质进行研究。1)1)岩石的静力学性质岩石的静力学性质a.岩石的强度岩石的强度是指岩石抵抗外力破坏的能力。岩石的强度主要有：抗压、抗拉、抗弯、抗剪。由于在爆破工程中，岩石承受的是冲击载荷，因而其强度只是用来说明岩石坚固性的一个方面，岩石的可爆性不能完全根据岩石的强度指标来确定。b.静载变形特性岩石在外力作用下产生变形，其变形性质可用应力应变曲线表示。岩石的应力应变曲线弹性在弹性变形范围内，当外载去掉后，岩石恢复原形的性质,遵守虎克定律。线性弹性变形非线性弹性变形塑性屈服变形延性破坏比例极限脆性破坏弹性变形区塑性变形区脆性岩石没有产生显著的永久变形就开始破坏的性质，一般岩石呈脆性破坏。塑性与脆性相反，在破坏前有较明显的永久变形，如泥页岩，高岭土矿，巷道底鼓。弹性模量：E=/。剪切模量：G=/泊松比：=2/1G，E，的关系，根据材料力学的理论有：G=E/2（1+）弹性后效：在弹性区内，应力消除后，应变并不能立即消失，而需要经过一段时间才能恢复，这就叫弹性后效。2)2)岩石的动力学性质岩石的动力学性质炸药爆炸加载于介质的载荷是冲击载荷，冲击载荷能引起介质中产生波的传播，在岩石动力学中常把应变率大于104/s的载荷称为动载荷，岩石在动应力作用下的一般力学性质表现为：动抗压、抗拉强度随加载频率提高而明显增加；动抗压与动抗拉强度之比非恒定值(表4-2)；在抗压试验中，除初始阶段外，加载速率和应变速度的对数呈线性关系；变形模量随加载速度增加而提高；岩性越差，风化越严重，强度越低，受加载速度的影响越明显。岩石种类应力波的平均传播速度（m/s）抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）加载速度(Mpa/s)载荷持续时间（ms）静态动态静态动态大理石 和泉砂岩 多湖砂岩 群马砂岩 辉绿岩 石英-闪长岩45006000 37004300 18003500 41005700 53006000 3700590090110 100140 1525 200240 320350 240330120200 120200 2050 350500 700800 30040059 89 23 1623 2232 11192040 5070 1020 2030 5060 2030107108 107108 106107 107108 107108 1071081030 2030 50100 1020 2050 3050表表4-24-2几种岩石的动、静强度表几种岩石的动、静强度表应变速率104载荷状态试验方法流变稳定加载静态夜压机加载准静态气动式快速加载准动态霍金逊杆加载动态爆炸或冲击加载 a.炸药爆炸的载荷性质根据介质的应变速率(表4-3)、冲击速度和加载速度的不同，载荷性质可分为动载荷和静载荷。表4-3载荷状态分类应变速率是指应变随时间的变化率，即：(单轴弹性变形内)。b.岩石的波阻抗 岩石密度与纵波在该岩石中的传播速度Cp的乘积，称为岩石的波阻抗。波阻抗的大小除与岩石性质有关外，还与作用于岩石界面的介质性质有关。炸药的波阻抗值与岩石的波阻抗值相接近(相匹配)时，爆破传给岩石的能量就多，在岩石中所引起的应变值就大，可获得较好的爆破效果。c.岩体在爆炸冲击载荷作用下的力学反应岩体在爆炸冲击载荷作用下产生应力波，它在岩体中传播，能够引起岩体的变形乃至破坏。这种动力学反应的特点是：炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩体表明产生变形和运动。由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万兆帕，会在岩体表面产生冲击波。岩体中某局部被激发的压力脉冲使得岩体中产生明显的应力不均现象。岩体中各点产生的应力呈动态，即所发生的变形、位移和运动随时间而变化。载荷与岩体之间有明显的“匹配”作用。4.2岩石工程分级岩石工程分级为使工程爆破的设计施工人员对岩石的性质有一个整体把握，以选择最佳方法和设备来破碎各种不同的岩石，达到最佳的经济效果和最高的劳动生产率，国内外岩土界专家学者采取不同方法对岩石进行工程分级。(1)按岩石坚固性分级按岩石坚固性分级这种分级方法是前苏联学者普洛吉亚柯夫于20世纪20年代提出的。这种分级根据岩石单轴抗压强度值确定岩石坚固性系数，并按岩石的坚固性系数将岩石分为十个等级（表4-4）。岩石坚固性系数为：f=R/10,式中,f为岩石坚固性系数，R为岩石单轴抗压强度(MPa)。表4-4普氏岩石分级表等级坚实程度岩 石 名 称容重（kg/m3）极限抗压强度（MPa）f值非常坚实最坚实，致密，强韧的石英岩及玄武岩，非常坚实的其它岩石2800300020020很坚实很坚实的花岗岩类，石英斑岩，很坚实的花岗岩，硅质页岩，石英岩，最坚实的砂岩，石灰岩2600270015015坚实致密的花岗岩和花岗岩类，很坚实的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚实的砾岩，很坚实的铁矿2500260010010a坚实石灰岩（坚实），不坚实的花岗岩，坚实的大理岩，白云岩，黄铁矿2500808尚坚实普通砂岩，铁矿2400606a尚坚实砂质页岩，页状砂岩2300505中等坚实的砂质页岩，不坚实的砂质岩和石灰岩，软的砾岩24002800404a中等各种页岩（不坚实），致密的泥灰岩24002600303尚软软质页岩，极软石灰岩，白垩，岩盐，石膏，冻土，破碎砂岩，胶结的卵石与砾石，石质土壤2200260020152a尚软碎石土壤，破碎页岩，卵石与碎石的交互层，硬化粘土220024001.5软粘土（致密），粘土类土壤200022001.0a软轻型沙质粘土，黄土，砾石180020000.8实际上有的岩石单轴抗压强度达到300MPa,为了保持原来普氏系数最大值f=20,1995年苏联的巴隆修正普氏坚固性系数公式为：,式中各符号意义同前。普氏岩石坚固性系数分级方法抓住了岩石抵抗各种破坏方式能力趋于一致的这个主要性质，并从数量上用一个简单明了的岩石坚固性系数f表示这种共性，所以在工程爆破中被广泛采用。但是这种方法忽视了各岩石特性的特殊性和差异性，因此有一定的误差，显得有些片面和笼统，如难凿的岩石不一定难爆。(2)(2)东北大学岩石分级法东北大学岩石分级法我国目前岩石分级状况，在概念上是普氏分级，而普氏分级系数f值的确定离散值很大，为了适应岩石分级的需要，东北大学综合考虑了爆破材料、工艺、参数等条件，进行了爆破漏斗实验和声波测定，根据爆破漏斗的体积、大块率、小块率、平均合格率和波阻抗等大量实验数据，运用数理统计多元回归分析及电算处理，得出了岩石可爆性指数f的公式：式中：f为岩石可爆性指数；kd为大块率,%;kx为小块率,%；kp为平均合格率,%；c为岩石波阻抗，g/(cm2s)105。并按f值的大小将岩石划分为五级，见表4-5。表4-5东北大学岩石可爆性分级级别f爆破性程度代表性岩石II1I286极难爆矽卡岩、花岗岩、矿体浅色砂岩、石英片岩 (3)(3)其它分级方法其它分级方法 a.铁路隧道工程分级法我国铁路隧道围岩分类法(该方法的特点是考虑岩石强度、岩体破碎程度、地下水、风化程度等因素)为基础，增加了K1(完整性系数)、Jv(体积节理数(条/m3)、RQD(岩石质量指标()、Is(岩石点荷载强度(MPa)、Vpm(岩体声波或地震波纵波速度(m/s)等定量指标，又有工程地质条件的定性描述，提出了以岩体质量数(RMQ)作为划分岩体级别的主要综合定性指标的新方案。按RMQ值的多少将隧道岩体分为五级。b.苏氏岩石分级方法前苏联苏哈诺夫认为用不同方式破岩时,由于破岩机理不同,岩石表现的坚固性也未必趋于一致。所以他根据实际采用的采掘方法,并规定理论标准条件下的钻速、单位耗药量等对岩石进行分级,以表征岩石的坚固性,还给出了非标准条件下的修正系数。普氏强调各种破岩方式的共性、同一性，而苏氏强调个性、差异性。苏氏岩石分级方法虽然现场可自行测定，但因其过于烦琐而很少采用。c.哈努卡耶夫岩石分级方法前苏联的哈努卡耶夫根据岩石的弹性纵波速度是岩石的动态属性，可以作为岩石物理力学性质的综合量度，又可以观测裂隙的影响，提出了岩石波阻抗是岩石可爆性分级的依据。d.利文斯顿爆破漏斗岩石分级方法美国的利文斯顿认为，能量准则是研究岩石破坏的根本准则，它最能反映消耗能量的大小和爆破效果的好坏，从而也能表征岩石的可爆性。4.3地质条件对爆破的影响 这里所讲的地质条件，主要是指岩石的物理力学性质和地质构造等。它们对爆破设计参数、药包位置、爆破方法、爆破范围以及爆破效果等都有影响。(1)岩石性质对爆破的影响 1)岩石的物理力学性质对凿岩爆破的影响硬度：一般而言，硬度愈大，凿岩愈困难，强度：岩石抵抗压缩、拉伸及剪切作用的性能。岩石一般抗压强度最大，抗拉仅为抗压强度的1/101/50，而抗剪强度仅为抗压强度的1/81/12。其中抗压强度是决定岩石等级的主要指标之一。弹塑性：因为岩石在变形过程中，要稍耗大量的能量，所以在爆破中，塑性变形大对凿岩爆破有不良影响。韧性：它取决于岩石颗粒彼此之间以及颗粒与胶结物之间的凝聚力的大小。韧性大的岩石，凿岩困难，不易破碎。脆性：岩石不经过显著的残余变形而破坏的性能，因岩石变形过程中能量损失铰小，容易破碎。密度：岩石的密度影响到岩石的破坏过程，和爆炸冲击波在岩体内的传播速度，以及在不同密度岩层中的应力分布。容重：岩石容重是决定计算单位耗药量值的主要指标之一，因为施工现场极易测定，所以在爆破工程中得到普遍采用。2)岩石物理力学性质对爆炸波能量传播的影响 爆炸冲击波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性模量有关，而冲击波所携带的能量的分布，则与动力刚度的比值有关(动力刚度H是介质的弹性模量与密度乘积的平方根,即:)。当冲击波通过不同密度和性质的介质时，冲击波能将受到阻碍或削弱,也就是说，当岩体中存在软弱夹层时，冲击波的传播速度将受到阻碍，当软弱夹层为极稀疏物质时，冲击波将会被阻断。(2)(2)地质构造对爆破的影响地质构造对爆破的影响 严重影响爆破效果和爆破设计参数的地质构造，主要是岩层层理、断层、节理、不整合面、沉积间断面、岩浆岩与围岩的接触面以及各种成因的软弱夹层等，这些地质构造几乎到处存在。因此，在爆破设计时充分摸清爆破地段内所有构造的分布、产状等特征，研究其影响，是达到合理利用其有利条件和化不利影响为有利条件的主要方法。1)断层对爆破的影响 实践证明，在药包爆破作用范围内的断层（fault）或大裂隙能影响爆破漏斗的大小和形状，从而减少或增加爆破方量，使爆破不能达到预定的抛掷效果甚至引起爆破安全事故。图4-2 药包布置在断层中 图4-3药包布置在断层下1-药室；F-断层；R1-实际下破裂线R2-设计下破裂线；R1-实际上破裂线R2-设计上破裂线图4-2中的药包布置在断层的破碎带中。图4-3中的药包位于断层的下面。2)溶洞对爆破效果的影响 在岩溶地区进行大爆破时，地下溶洞对爆破效果的影响不容忽视。溶洞能改变最小抵抗线的大小和方向，从而影响装药的抛掷方向和抛掷方量（图4-4）。爆区内小而分散的溶洞和溶蚀沟缝，能吸收爆炸能量或造成爆破漏气，造成爆破不匀，产生大块。溶洞还可以诱发冲炮、塌方和陷落，严重时会造成爆破安全事故。对于深孔爆破，地下溶洞会使炮孔容药量突然增大，产生异常抛掷和飞石（图4-5）。图4-4 溶洞对抛掷方向的影响 图4-5溶洞对深孔爆破的影响 3)层理对爆破的影响 在生产实践中，遇到最多和对爆破作用影响较大的是岩层层理和层理裂缝，特别是在石灰岩、板岩、片岩等不同种类岩石相间的岩层中尤为突出。层理一般对爆破漏斗的形状，爆破力量、抛掷方向和抛掷距离等有一定影响。药包最小抵抗线与层理面平行，爆破时不改变抛掷方向，但减小爆破方量，即爆破效果降低，爆破漏斗不是圆锥形，而是沿层理面形成的方形坑。这种情况下，抛掷距离一般较远，有可能沿层理面发生冲炮。图4-6 最小抵抗线与层理平行 药包最小抵抗线与层理面垂直，爆破时不改变抛掷方向，但将扩大爆破土石方量，抛掷距离变小。图4-7 最小抵抗线与层理平行 层理面与最小抵抗线斜交时，爆破抛掷方向将受到影响，爆破方量多数减少，有时也可增加。图4-8 最小抵抗线与层理斜交 4)节理对爆破的影响 有些岩体中的节理，虽然组数较多，但常仅有一组或两组起主导作用，这样它们对爆破作用的影响主要由这一两组决定。当岩体仅受到一组主节理的切割时，其对爆破作用的影响与层理的影响相似。大的节理对爆破的影响则与断层的影响相似。当岩体受到两组主节理的切割时，它们的影响作用就与层理的影响有明显差别，这时爆破抛掷方向一般不容易改变，爆破方量可能受到一定的影响（有可能大，也有可能小，取决于最小抵抗线与节理的方位）。当岩体受到多组发育程度相同的节理所切割时，岩体被切成碎块，各节理面不起主导作用，而只是破碎程度影响爆破设计及爆破效果。5)自由面对爆破效果的影响 在爆破工程中自由面的作用是非常重要的。有了自由面，爆破后的岩石才能向这个面破坏和移动。增加自由面的个数，可以在明显改善爆破效果的同时，显著地降低炸药消耗量。合理地利用地形条件或人为地创造自由面，往往可以达到事半功倍的效果。图4-9 很形象地说明了自由面个数对爆破效果的影响。图中（a）表示只有一个自由面时的情况，图中（b）表示具有两个自由面时的情况。如果岩石是均质的，而且其它条件相同，那么图中（b）条件下所爆下的岩石体积几乎为（a）条件下的两倍。图4-9 自由面对爆破效果的影响 (3)地形条件对爆破的影响 对于大规模的硐室爆破来说，地形条件是影响爆破效果和经济指标的重要因素。爆区的地形条件主要包括地面坡度、临空面个数和形态、山体高低及冲沟分布等地形特征。这些条件是进行爆破设计必须充分考虑的重要因素。1)地形对爆破岩土抛掷方向的影响 地形决定了药包最小抵抗线的方向，爆破后岩土沿最小抵抗线方向抛出。在平地爆破，土岩抛出方向是向上的；斜坡地面爆破，土岩主要沿斜坡面法线方向抛出（沿最小抵抗线方向）；斜坡地面爆破的抛掷现象又与山坡纵向形态有关，如图410所示。图a为平直山坡，岩石主要沿最小抵抗线方向抛出；图b为凸面山坡，最小抵抗线方向并不是唯一的，药包在很多方向上至坡面的距离都接近最小抵抗线，所以岩土为发散抛射；图c是凹面山坡，岩土是定向集中抛射。图410 山坡纵向形态对抛掷效果的影响a平斜坡；b凸山坡；c凹山坡 2)地形对爆破岩土量的影响 鼓包地形有利于爆破，爆破岩土量大，而山沟洼地由于地层夹制作用不利于爆破，爆破岩土量小。本章小结本章小结 本章主要介绍工程地质条件对爆破的影响。现将其中的要点归纳如下：1.岩石的物理力学性质。2.岩石分级。3.工程地质条件对爆破的影响。