收稿日期:2004-06-21　作者简介:陈立群(1970-),男(汉族),辽宁丹东人,辽宁省有色勘察研究院工程师,岩土工程专业,从事岩土工程技术工作,辽宁省沈阳市和平区柳州街17号;戴长冰(1963-),男(汉族),山东昌邑人,辽宁省有色地质局教授级高级工程师,东北大学博士后,水下爆破专业,从事水下爆破技术工作,辽宁省沈阳市和平区柳州街17号辽宁省有色地质局。

岩体结构对岩石爆破效果的影响陈立群1,戴长冰2,3,宋守志3(1.辽宁省有色勘察研究院,辽宁沈阳110002;2.辽宁省有色地质局,辽宁沈阳110002;3.东北大学,辽宁沈阳110006)摘　要:分析了爆破冲击波的传播特点,指出了对岩石破坏最大的是拉伸应力波,并对岩体结构对岩石爆破效果的影响进行了探讨。

关键词:岩体结构;应力波;岩石爆破中图分类号:T D235.1 文献标识码:A 文章编号:1672-7428(2004)12-0050-03E ffects of R ock Mass Structure on R ock B lasting /CHEN Li 2qun 1,DAI Chang 2bing 2,3,SONG Shou 2zhi 3(1.Liaoning N on fer 2rous Reconnaissance Institute ,Shenyang Liaoning 110002,China ;2.Liaoning N on ferrous G eology Survey Bureau ,Shenyang Liaoning 110002,China ;3.N ortheastern University ,Shenyang Liaoning 110006,China )Abstract :T ransmit peculiarity of dynamite shock wave was analyzed.That the tensile stress wave is mainly breakage force was pointed out.The effects of rock mass structure on rock blasting results were discussed.K ey w ords :rock mass structure ;stress wave ;rock blasting 在大型地下岩石工程的开挖施工中,岩石爆破无疑是当今各种地下开挖手段中惟一有效而高速的施工方法。

炸药爆炸破碎岩体的过程是一个瞬间完成的动力学过程,一般可分为两个阶段:第一阶段是爆炸冲击波和应力波作用阶段,作用结果是在岩体中造成初级破裂;第二阶段是爆炸气体产物膨胀作用阶段,作用结果是使岩体中形成的裂隙起动、扩展、贯通,并转化为一定的能量使岩体进一步破碎和产生抛掷。

在这一系列过程中,岩体的结构对应力波的传递起着至关重要的作用,即对岩石爆破的效果起着很大的影响。

1　爆破应力波在岩石爆破时的作用机制(1)爆破应力波和其他波动一样,如果在它的传播过程中遇到岩石中的层面、节理面和自由面或者在传播过程中介质发生了变化时,将会在界面发生反射、折射现象,同时沿结构面和自由面产生表面波、瑞利波、拉夫波带走一部分能量,结构面越多,则表面波带走的能量就愈多。

(2)应力波垂直入射时,波的反射部分和透射部分的应力大小取决于不同介质的边界条件,即:在边界面的两侧,其应力状态必须相等;垂直于边界面方向的质点运动速度必须相等。

σi +(-σr )=σtV i +V r =V t式中:σi 、σr 、σt分别为入射波、反射波、透射波的应力,kPa ;V i 、V r 、V t 分别为入射波、反射波、透射波质点振动速度,cm/s 。

V i =σi /(ρ1C P 1)V r =σr /(ρ1C P 1)V t =σt /(ρ2C P 2)σi /(ρ1C P 1)+σr /(ρ1C P 1)=σt /(ρ2C P 2)σr =ρ2C P 2-ρ1C P 1ρ2C P 2+ρ1C P 1σiσt =2ρ2C P 2ρ2C P 2+ρ1C P 1σi 通过上述公式可以看出:(1)如果ρ1C P 1=ρ2C P 2,则σr =0,σt =σi ,此时入射的应力波在通过交界面时没有发生波的反射,入射的应力波全部透射入第二种介质,没有波能的损失。

(2)如果ρ2C P 2>ρ1C P 1时,既会出现透射的压缩波,也会产生反射的压缩波。

(3)如果ρ2C P 2<ρ1C P 1时,既会出现透射的压缩波,也会产生反射的拉伸波。

(4)如果ρ2C P 2=0,则σt =0,σr =σi ,在这种条5探矿工程(岩土钻掘工程) 2004年第12期　件下,入射波全部反射成拉伸波。

由于岩石抗压强度一般都比较高,因此(1)、(2)两种情况都不大可能产生岩石破坏。

由于岩石的抗拉强度大大低于它的抗压强度,因此(3)、(4)两种情况都可能引起岩石的破坏,特别是第(4)种情况,这充分说明自由面对提高爆破效果的重要作用。

当应力波在含弱面岩体中传播时,首先将在第一组弱面处发生反射、折射,同时沿交界面产生面波,带走一部分能量;当透射波遇到第二组弱面时,再次发生上述过程,此过程往复循环,下至岩石、水界面。

应力波能量将依次衰减,在前期应力波衰减过程中,反射拉伸波足以使岩石产生新的裂缝,可以产生内部剥落,而在这以后,随着反射拉伸波强度减弱,将只能使岩体沿弱面处破裂。

从而导致实际岩体爆破块度将由于距离爆源不同而存在较大差异。

药包近处岩体在高压作用及应力波作用下产生强烈破碎;远处岩体主要沿天然弱面破开,块度分布为爆前天然弱面切割成的块度。

2　岩体的结构面在岩石爆破中的作用2.1　爆破漏斗形状与弱面分布状态的关系试验研究发现(参见图1～5):炮孔排列方向与弱面平行时爆破效果最好,而斜交时效果较差;弱面间距越大,应力波引起岩体内部层裂作用越弱;爆破作用阻力越大;当弱面间距中等或偏小时,岩体破碎受弱面的影响较大,此时若抵抗线>最大允许碎块尺寸>弱面间距,则炸药单耗较小,且可减少二次破碎。

2.2　岩体结构对应力波传播规律的影响图1　层理面与最小抵抗线平行图2　层理面与最小抵抗线垂直图3　层理面与最小抵抗线斜交图4　弱面通过最小抵抗线对爆破的影响图5　5X 型节理对爆破的影响 岩体结构类型可分成整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构、散体状结构。

其中整体状结构岩体可按理想均质弹性体考虑,应力波的传播不受影响,在此仅就后4种情况分别进行讨论。

2.2.1　块状结构岩体例如岩体均一坚硬的火成岩、厚层沉积岩和变质岩,其构造简单,岩性完整,仅节理发育,裂隙一般闭合。

且其间没有低速介质充填,裂隙两侧岩体相互紧密接触,应力波的波长λ与裂隙宽度L 相比甚大,这使得岩体可以认为是均匀介质。

这种情况下,只要岩体尺寸远大于波长,应力波的传播规律服从均匀介质中波的传播一般规律,这类岩体的应力波衰减最小。

2.2.2　层状结构岩体例如层状或薄层状沉积岩或变质岩、软弱岩和软硬相间的互层状岩体,它们呈板状、片状结构体,互相叠合,层面基层面错动面发育,沿层面方向的线度与波长相比相差甚大,即可以认为各层面是无限延伸的,但各层的声学特性相互不同,则以某一角度入射到岩体上去的应力波传播路径将发生弯曲(如图6),这类岩体中的应力波存在着明显的各向异性。

垂直于层面方向的应力波传播速度比第一类岩体低,衰减也大。

15　2004年第12期 探矿工程(岩土钻掘工程)图6　应力波在层状岩体中的传播路径2.2.3　碎裂状结构岩体例如风化破碎岩体、岩脉穿插破碎岩体、压碎岩带、断裂密集带等,其裂隙张开并充填泥水,岩石破碎成碎块或板片状,其间有夹泥耦合,局部夹有块状岩矿结构体。

对于这类岩体,如每个块体的尺寸远大于波长,那么在这块体内,可按无限均匀介质来考虑应力波的传播规律。

而块体与块体之间的夹层,及低速薄层介质,要视其长度D、宽度L与波长λ间的关系而定,当D远大于波长λ时,各块体与薄层可视为无限延伸,只要L大于波长的一半,应力波每通过一裂隙,其幅值按下式减小一次:A2=A124c os2(K2L2c osα2)+(δ+1δ)2+sin2(K2L2c osα)K2=(2πf)/C2式中:α1入射角;α2薄层内的折射角;A1入射波的振幅;A2透射波的振幅;f波的频率;K2介质的体积弹性模量;L2介质的宽度;C1波在介质1中的传播速度;C2波在介质2中的传播速度。

如果裂隙长度Dνλ,则它的存在几乎不影响应力波的传播;如果Dµλ,裂隙内除水介质外无其它充填物,则应力波传播速度降低,同时传播方向将改变。

总之,对于碎裂结构体,其应力波传播速度降低较多,衰减加快。

2.2.4　散体结构岩体例如强风化破碎岩体、区域性或工程区的大断裂带、软弱岩层挤压错动带、胶结不良的断层交叉带,此种情况下的岩体极度破碎,成碎块、岩粉、碎屑、鳞片状,有大量断层泥充填,呈松散堆积和压密状态。

频率高、波长短的应力波在这类岩体中传播不仅存在折射,还出现多次反射和散射等现象。

这样应力波无法按原有射线方向传播,衰减也加快,在这类岩体中应力波传播速度最低,衰减最大,此时爆破效果受切割岩体的各种弱面的形状位置、数量的影响最大。

2.3　节理对岩石爆破的影响节理面的产状与炮孔网参数的相互关系对爆破质量有着重要的影响作用,对于含一组节理面的层状岩体爆破,当自由面平行于节理面或沿节理面方向倾斜时,爆破质量会大大改善。

当炮孔的排列方向与节理面平行时,爆破质量较好,而斜交时,爆破效果较差。

节理面间距越大,应力波引起岩体内部层裂作用越弱,爆破作用阻力越大;当节理面间距中等或偏小时,岩体破碎受节理面的影响较大。

3　结论(1)在炸药爆炸岩石破碎过程中,当应力波传到岩体弱面时,从弱面反射成拉伸应力波,此拉伸应力波在岩石爆破破碎过程中起主要作用。

(2)岩体的结构直接影响着应力波的传播和衰减。

(3)岩体的结构对岩石的爆破效果起着至关重要的作用。

参考文献:[1]　王中黔.水下爆破冲击波[A].水下爆破论文集[C].北京:人民交通出版社,1980.[2]　徐小荷.岩石破碎学[M].北京:煤炭工业出版社,1984.[3]　杨光煦.水下工程爆破[M].北京:海洋出版社,1992.(上接第49页)(2)建议寻找有效的室内试验方法,找出PDC 切削齿复合层厚度与岩性之间的关系,建立数学模型,利用测井资料,可更加有效地对金刚石钻头进行优选。

参考文献:[1]　D.H.Z ijsling.Analysis of tem perature distribution and performance ofPDC bit under field drilling conditions[J].SPE13260,1987,(9). [2]　D.A.G lowka.The use of single2cuttur data in the analysis of PDC bitdesign[J].SPE15619,1986,(9).[3]　杨进,高德利.一种钻头选型新方法研究[J].石油钻采工艺,1998,20(5):38-40.25探矿工程(岩土钻掘工程) 2004年第12期　。