岩石可爆性

岩石可爆性指岩石抵抗炸藥爆破破碎的難易程度的性能。它是岩石物理力學性質、岩體地質結構對炸藥、爆破參數和工藝等因素在爆破過程的綜合表現，並影響著爆破效果。按照岩石可爆性進行岩石分級，可預估炸藥消耗量，制定定額，並為爆破最佳化提供依據。

基本介紹

• 中文名：岩石可爆性
• 外文名：blastability of rock                        
• 學科：採礦工程
• 分級方法：普氏分級、蘇氏分級
• 定義：岩石抵抗炸藥爆破破碎的難易程度
• 影響因素：岩石結構等

介紹

岩石是爆破的對象，金屬礦山的絕大部分、非金屬礦及煤礦等礦山的不少礦岩都採用爆破方法進行破碎和採掘。為了取得良好的爆破效果，必須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學性質和炸藥、爆破工藝的綜合反映，它不僅是岩石的單一固有屬性，而且是岩石一系列固有屬性的複合體，,在爆破過程中表現出來，並影響著整個爆破效果。

20世紀50～60年代中國一般參照蘇聯普氏岩石堅固性係數和蘇氏分級的炸藥單耗(爆破1m礦岩所消耗的炸藥量)作為岩石可爆性指標，70年代以來各國的研究有了很大進展，主要指標有：炸藥單耗；工程地質參數(尤其是節理、裂隙等結構參數)，岩石的力學參數(包括抗壓、抗剪、抗拉強度)，岩石彈性縱波速度或波阻抗，破碎岩石所消耗的功等等。不同學者從不同側面表達了岩石的可爆性及其分級。但尚無一致公認的確切定義、定量指標、和通用的簡單而實用的測定方法。

判據和分級

岩石分級不同於岩石分類，通常岩石分類是指按照岩石成因或成分的不同，對岩石加以質的劃分，如地質學上按成因分為岩漿岩、沉積岩和變質岩三類，而岩石分級應該是以量的指標來劃分各種岩石的等級，根據採礦工程的不同要求，有鑿岩性分級、爆破性分級和穩定性分級等。

分級的判據

根據什麼判據和指標進行岩石分級，這是一個非常關鍵的問題。由於炸藥的“三高”（高爆溫、高爆壓、高爆速）特性、岩石結構構造的複雜性以及測試記錄手段的局限性等等，給研究工作帶來了不少困難。幾十年來國內外學者做了大量工作，根據岩石爆破性的主要影響因素，提出了各種各樣的判據、指標進行岩石分級。其主要判據有:岩石強度、單位炸藥消耗量、工程地質參數、岩石彈性波速度、岩石波阻抗、爆破岩石質點位移、臨界速度、爆破功指數、岩石彈性變形能係數等等，它們從不同的側面反映了岩石的爆破性。但是，這些指標並沒有闡明爆破性的真正含義，沒有建立完整的分級體系，所以迄今為止國內外尚無一種公認的岩石爆破性分級方法。

普氏分級和蘇氏分級

1、普氏分級

早在1926年前，普氏提出了用岩石試塊的單軸靜載極限抗壓強度、手工鑿1cm3岩石所消耗的功、手打眼每班生產率、掘進工生產率、在地面挖掘的生產率、巷道掘進速度、爆破1m3岩石的黑火藥消耗量等七項指標的平均值來表征岩石的堅固性。由於採礦科學技術的發展，普氏規定的幾項指標已失去了實際意義，只有一個最簡單的指標—以岩石試塊的靜載極限抗壓強度(R、MPa)為岩石分級的判據，即普氏岩石堅固性係數f=R/10。

根據f=0.3—20將岩石分為10級，f值大，則難鑽岩、難爆破、岩石穩定，反之，f值小，則易鑽岩、易爆破、岩石不穩定。普氏認為:岩石的堅固性在各方面的表現趨於一致。實際上岩石的鑽岩性、爆破性、穩定性並非完全一致，有的易鑽難爆，有的難鑽易爆，而且小塊的岩石試樣(如7 x 7 x 7cm)的單軸靜載抗壓強度並不能表征整體岩石受炸藥爆炸衝擊作用的爆破性。再者，其測定值的離散性較大，一般為15%—40%，個別達80%，所以普氏分級方法以其簡便的指標，雖曾在採礦工程中作為籠統的總的分級，得到普遍套用，但也正是由於上述缺點，它表征不了爆破工程實際所需的岩石爆破性分級。

2、蘇氏分級

蘇氏分級是蘇哈諾夫在30年代針對普氏分級而提出的岩石分級。他認為:決定岩石堅固性的基礎是在某一特定情況下，應當用實際被套用著的具體採掘方法。他用崩落1m岩石所消耗的炸藥量(kg/m)或單位炮眼長度(m/m)來表征岩石的爆破性，同時，規定了一系列的測試標準條件。根據單位炸藥消耗量和單位

炮眼長度將岩石分為16級。如果需要的炸藥單耗量多、單位炮眼長，則岩石難爆;反之，則易爆。必須指出，炸藥單耗是一個常量又是一個變數，影響因素很多，因而，蘇氏又提出了一系列非標準條件下的修正係數，非常繁瑣，也影響了岩石爆破性的真實性。再者，炸藥單耗沒有很好地反映爆破塊度這一重要爆破效果。因此，蘇氏分級方法並不能確切地表征岩石的爆破性。

據此，岩石爆破性分級的判據，是在爆破材料、參數、工藝等一定的條件下進行現場爆破漏斗試驗和聲波測定所獲得，然後計算出岩石爆破性指數，綜合評價岩石的爆破性，並進行岩石爆破性分級。

影響因素

影響岩石爆破性的主要因素，一方面是岩石本身的物理力學性質的內在因素另一方面是炸藥性質、爆破工藝等外在因素。前者決定於岩石的地質生成條件、礦物成分、結構和後期的地質構造，它表征為岩石密度或容重、孔隙性、碎脹性、彈性、塑性、脆性和岩石強度等物理力學性質;後者則取決於炸藥類型、藥包形式和重量、裝藥結構、起爆方式和間隔時間、最小抵抗線與自由面的大小、數量、方向以及自由面與藥包的相對位置等等。此外，還包括對爆破塊度、爆堆形式以及拋擲距離等爆破效果的影響。顯然，岩石本身的物理力學性質是最主要的影響因素。炸藥爆炸對岩石的爆破作用主要有兩個方面，其一是克服岩石顆粒之間的內聚力，使岩石內部結構破裂，產生新鮮斷裂面;其二是使岩石原生的、次生的裂隙擴張而破壞。前者取決於岩石本身的堅固程度;後者則受岩石裂隙性所控制。因此，岩石的堅固性和岩石的裂隙性是影響岩石爆破性最根本的影響因素。

一、岩石的結構（組分）、內聚力和裂隙性對岩石爆破性的影響

岩石由固體顆粒組成，其間有空隙，充填有空氣、水或其它雜物。當岩石受外載荷作用，特別是在受炸藥爆炸衝擊載荷作用下，將引起物態變化，從而導致岩石性質的變化。

礦物是構成岩石的主要成分，礦物顆粒愈細、密度愈大，愈堅固，則愈難於爆破破碎。礦物密度可達4g/cm3以上，岩石的容重不超過其組成礦物的密度。岩石容重一般為1.0～3.5g/cm3。隨著密度增加，岩石的強度和抵抗爆破作用的能力增大，同時，破碎或拋移岩石所消耗的能量也增加，這就是一般岩漿岩比較難以爆破的原因。至於沉積岩的爆破性，除了取決於其礦物成分之外，很大程度受其膠結物成分和顆粒大小的影響。例如，沉積岩中細粒有矽質膠結物的，則堅固，難爆破;含氧化鐵質膠結物的次之;含有石灰質和粘土質膠結物的沉積岩不堅固，易爆破。變質岩的組分和結構比較複雜，它與變質程度有關。一般變質程度高、質量緻密的變質岩比較堅固，難爆;反之則易爆破。

岩石又是由具有不同化學成分和不同結晶格架的礦物以不同的結構方式所組成。由於礦物成分的化學鍵各不相同，則其分子的內聚力也各不相同。於是，礦物晶體的強度便取決於晶體分子之間作用的內力、晶體結構和晶體的缺陷。通常，晶體之間的內聚力，都小於晶體內部分子之間的內聚力。並且，晶粒越大，內聚力越小，細粒岩石的強度一般比粗粒岩石的大。又因為晶體之間的內聚力小於晶體內的內聚力，所以，破壞裂縫都出現在晶粒之間。

岩石中普遍存在著以孔隙、氣泡、微觀裂隙、解理面等形態表現出來的缺陷，這些缺陷都可能導致應力集中。因此，微觀缺陷將影響岩石組分的性質，大的裂隙還會影響整體岩石的堅固性，使其易於爆破。

岩體的裂隙性，不但包括岩石生成當時和生成以後的地質作用所產生的原生裂隙，而且包括受生產施工、周期性連續爆破作用所產生的次生裂隙。它們包括斷層、褶曲、層理、解理、不同岩層的接觸面、裂隙等弱面。這些弱面對於爆破性的影響有兩重性:一方面，弱面可能導致爆生氣體和壓力的泄漏，降低爆破能的作用，影響爆破效果;另一方面，這些弱面破壞了岩體的完整性，易於從弱面破裂、崩落，而且，弱面又增加了爆破應力波的反射作用，有利於岩石的破碎。但是，必須指出，當岩體本身包含著許多尺寸超過生產礦山所規定的大塊(不合格大塊)的結構尺寸時，只有直接靠近藥包的小部分岩石得到充分破碎，而離開藥包一定距離的大部分岩石，由於已被原生或次生裂隙所切割，在爆破過程中，沒有得到充分破碎，在爆破震動或爆生氣體的推力作用下，脫離岩體、移動、拋擲成大塊。這就是裂隙性岩石有的易於爆破破碎，有的則易於產生大塊的兩重性。因此，必須了解和掌握岩體中裂隙的寬窄、長短、間距、疏密、方向、裂隙內的充填物、結構體尺寸和結構體含量百分率，以及它們與炸藥、爆破工藝參數的相互關係等等。例如，垂直層理、裂隙爆破時，比較容易破碎;而平行或順著層理、裂隙的爆破則比較困難。 此外，風化作用瓦解岩石各組分之間的聯繫，因此，風化嚴重的岩石，易於爆破破碎。

二、岩石容重、孔隙度和碎脹性對岩石爆破性的影響

岩石容重表示單位體積岩石的重量，其體積包括岩石內部的孔隙。岩石孔隙度，等於孔隙的體積(包括氣相或液相體積)與岩石總體積之比。可用單位體積岩石中孔隙所占的體積表示，也可用百分數表示。通常岩石的孔隙度為0.1%～50 %(一般岩漿岩為0.5%～2%，沉積岩為2.5%～15%)。當岩石受壓時，孔隙度減少，例如，粘土孔隙度50%，受壓後為7%。隨著孔隙度增大，衝擊波和應力波在其中的傳播速度降低。容重大的岩石難以爆破，因為要耗費很大的炸藥能量來克服重力，才能把岩石破裂、移動和拋扔。

岩石的碎脹性是岩體破碎後體積鬆散脹膨的性質;破碎後的岩石體積與破碎前的比值稱為碎脹係數。碎脹性與岩體結構及被破碎的程度有關，根據它可以衡量岩石破碎程度，用其計算補償空間的大小。

三、岩石彈性、塑性、脆性和岩石強度對岩石爆破性的影響
從力學觀點看，根據外力作用和岩石變形特點的不同，岩石可能表現為塑性、彈性、粘彈性、彈脆性和脆性等特徵。

塑性岩石和彈性岩石受外載作用超過其彈性極限後，產生塑性變形，能量消耗大，將難於爆破(如粘土性岩石);而脆性岩石(幾乎不產生殘餘變形)、彈脆性岩石均易於爆破(如脆性煤炭)。岩石的塑性和脆性不僅與岩石性質有關，而且與它的受力狀態和載入速度有關。位於地下深處的岩石，相當於全面受壓，常呈塑性，而在衝擊載荷下又表現為脆性。當溫度和濕度增加，也能使岩石塑性增大。通常，在爆破作用下，岩石的脆性破壞是主要的、大量的。相反，靠近藥包的岩石，卻易呈塑性破壞，雖然其破壞範圍很小，但卻消耗大部分能量於塑性變形上。
為了深入研究岩石爆破性與爆破載荷的關係，一般把岩石視作彈性體或粘彈性體，炸藥在岩體內爆破時，以衝擊波和彈性波的形式從藥包中心向周圍岩石傳播，並以彈性變形能或強度作為分析和探討岩石爆破性的依據。

岩石強度是表示岩石抵抗壓、剪、拉諸應力，從而導致岩石破壞的能力。它本來是材料力學中用以表示材料抵抗上述三種簡單應力的常量，往往是在單軸靜載作用下的測定指標。爆破時，岩石受的是瞬時衝擊載荷，所以應對岩石強度賦以新的內容，要強調在三軸作用下的動態強度指標。只有如此，才能真實地反映岩石的爆破性。