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岩石爆破效果影响因素的研究

摘要：虽然研究人员已经实现了小规模的物理岩石爆破现场测试不同程度的成功，但是大多数人认为最大的不确定性是由于不可控的字段变量造成的。由于遇到现场所处条件的不确定性，因此不存在存在成熟可靠的预测方法。同时由于缺乏足够的外部因素控制方法，这个物理模型并不是对所有的爆破形式都有长期用。

本文介绍在Hadjar Essoud采石场进行了测试的结果，调查与岩石的不连续性相关的问题，这是导致岩石在爆破中破碎效果降低的原因。但是，岩层节理、倾角和走向，和雷管之间的距离都对岩石的破碎效果都有显著影响。在本次试验中，我们研究了上述因素下150times;375times;450毫米石灰岩试件的实验效果。精确控制爆破，岩体的破碎效果在采石和采矿作业中相当重要，通过观测爆破过程来优化设计。我们将使用Kuznetsov-Rammler模型来衡量爆破效果，在Hadjar Essoud采石场的实试验中，它在控制变量方面给了很大的帮助。

关键词：破碎；岩石；建模；炮孔；拆除；爆破

1. 引言

所有实验样品来自于Azzaba (Algeria）郊区的Hadjar Essoud采石场，那里是一个露天的石灰岩矿区。不同岩石材料构成的可变地层会对采矿工作产生重要影响。我们的目的是选择合适的岩体，并测量其性能和破碎效果。爆破试验只采用石灰岩材料，使用的是3times;3m的洞形模型和典型的12m高的长椅式模型。用装有三个4.6立方米铲斗的卡特彼勒卡车装载岩石的卡特彼勒挖掘机处理工作面。根据已公布的意见和信息，与完整地层相比，节理是减少岩体爆破抵抗力的主要因素之一(R. L. Ash, 1973 et D. P. Blair and A. Minchinton, 1996)。节理对地层的影响在许多方面与其开裂的程度和相邻裂缝之间的距离,宽度,以及它们的相对位置有关(D. E. Fogelson, W. I. Duvall, and T. C. Atchison, 1958)。节理岩体出现破裂伴随整体岩体破碎的情况，在自然状态情况下经常发生。因此破碎的节理延伸到更深和更厚处，堆积块度变的越来越小(U. Langefors and B. A. Kihlstrom, 1963 et P. A. Rustan, 1990)。这是距离相对较小的节理之间最典型的岩体破碎系统的相互交叉现象。值得注意的是，物理和力学性能对破碎程度的影响较小。然而，如果由于交叉的节理已经形成大的岩块，它们之间的距离相对较大，岩体的破坏性特征将发生明显的变化 (G. Bjarnholt and H. Skalar, 1983 and G. Bjarnholt and H. Skalar, 1987)。其原因是应力爆炸冲击波在到达节理的表面会被反射回来，因此,爆炸效果只是对有限区间的裂隙岩体产生作用，冲击波在节理面上的反射的程度取决于节理的宽度。因此，爆破冲击波在通过节理的过程中强度急剧减弱。通常情况，岩体崩解一般在岩块的大小超出这些临界块度，而且只发生在的炸药爆炸后紧邻自然岩块的再次破碎(L. R. Fletcher and D. V. Drsquo;Andrea, 1986 and N. V. Melnikov, 1962)。

另一方面，在自然界中，岩体往往有具有分层结构，而且实际上，节理是平行排列的(H. R. Nicholls and W. I. Duvall, 1966 and Z. G. Yang, 1983)。这是典型的沉积岩（石灰岩、砂岩、页岩等）。在这种情况下，岩体的爆破效率也取决于除了相邻节理方向、距离外，以及和炸药（雷管）与节理的倾角和走向的夹角有关。

1. 模型的准备

为了确定变量的相关性，我们进行了物理模型爆破的实验测试。375times;450times;150毫米的长条形模型，由分隔板制成。在整个石灰石板坯（25毫米厚）的表面涂满粘合剂，使其有一个完整均匀的连接缝，如图1.

图1 石灰岩试件节理倾角模型

爆破前，石灰岩的材料性质通过静态和动态实验确定。测试的细节是K talhi等人给出的（2000）。实验结果总结见表1.

表1 16种模型材料的物理和声学试验结果

16个模型的爆破裂缝的倾角不同，同时台阶和节理的的倾角，以及雷管装药的位置都不同。节理与水平的夹角分别为0˚，30˚，60˚，90˚，150˚.在所使用的模型中，在每一块的中心钻一个直径9毫米的不穿透的垂直孔钻，如图1.每个模型都使用一个6段的电雷管。雷管被安置在模型的上部，中部，下部。所有的模型允许被接受的误差等于30毫米。

模型被橡胶包裹放置在350times;750times;800mm的钢制盒子里面，以避免二次破碎。

每一个模型破坏后，对破碎的岩体进行筛分分析，使用筛网孔径为0.5，1.7，5.1，12.7，25.4，50.8，和101.6毫米。由以下方程确定平均碎块大小(R. J. Pryors, 1965).

（2.1）

在等于保留在i和片段之间的质量（i-1）ST筛，和是第i个筛孔径大小。

然而这提供了额外的权重较大的碎块，这个值可以通过收集在顶部的两个筛子的材料确定。

对于预测，可以通过Kuz-RAM（Kuznetsov-Rammler）公式的平均碎块大小来了解C. Cunningham (1983)详细信息。

3.结果与讨论

实验结果使我们能够建立爆炸参数和爆破效果之间的关系。规划和执行本研究报告测试的类型给了我们对于今后模型爆破试验的宝贵经验。标准情况下，石灰岩材料的性质可以由纵波速度，横波速度，密度，压缩强度（单轴），拉伸强度（巴西试验），和剪切强度限制。结果的讨论分为两个部分:破裂分析和破碎效果的研究。根据对节理的方向与雷管的相互位置分析以此来解释在每个模型爆破后的断裂特性，如塌方、超挖和裂缝等。

3.1夹角alpha;=0°

3.1.1雷管位置在孔顶

在这个爆破实验中,整个垂直炮眼轴被炸开,模型上部形成120˚的坑。对爆破后碎片进行重组，在炮眼周围发现6个径向裂缝。在新断面上也发现一个环形裂纹。U. Langefors and B. A. Kihlstrom (1963)认为径向裂纹可以解释为拉伸应变的结果。看来,环形裂缝是由径向拉伸压力在岩层之间的径向运动造成的。含有炸药的第二层变形大于第一和第三层，是由于第一、第三层被第二层的粘结剂约束。

3.1.2 雷管位置在孔中心

在模型中出现了一个半圆形的坑和塌方。尽管发现了与雷管在孔上方的位置时类似的径向裂纹和环向裂纹，但上部被炸毁形成一个大坑。

3.1.3 雷管位置在孔底

径向裂纹和观察圆周裂纹类似于那些在其他水平层状模型。断裂的碎块所包含的环形裂纹在第二层到表面之间。将监测第三层模型的部件放在第二层，第二层的爆破效果比第三层的爆破效果要好。

3.2 夹角alpha;=30°

3.2.1雷管位置在孔顶

在模型中部产生一个小的120˚的坑。从第二层得到了薄片状的碎片，可能是由于剥落产生。模型上坑的形状很小,因为大多数的能量可能通过节理泄出。

3.2.2雷管位置在孔中心

爆炸后模型上部形成严重的裂缝和断裂现象。监测装置受节理的影响，爆破气体溢出，主要在第二层留下裂缝。气压的提升引起了超挖，同时气体的楔入作用在节理附近创造了一个空腔。从第二层得到的薄片状碎片揭示了剥落的效果。

3.2.3雷管位置在孔底

断裂形式和模型上部观察到这种现象和雷管在中部时的现象相似,但更严重的裂缝和断裂现象。第二层的裂缝和破碎效果更严重，因为监测部分在第三层。

3.3 夹角alpha;=60°

3.3.1雷管位置在孔顶

本次爆炸中，垂直于孔轴线完全被炸碎，并形成125˚坑。五个对称分布的径向裂缝在新断面发展。由于药卷放置在二层，观察平行的裂缝，在第二层被发现比在第三层多。

3.3.2雷管位置在孔中心

模型上部形成与雷管在上部是相似的坑，但裂缝和断裂更少。破碎后，碎片重组显示挤压效果和径向压裂裂缝主要在第二层。在模型中各层的破碎程度不相同是因为能量在节理交叉处损失。

3.3.3雷管位置在孔底

观测到现象与雷管在中部时相似。由于监测部分在第三层，几乎没有什么能量转移到第二层，因此大部分粗碎屑在第二层产生。

3.4夹角alpha;=90°

3.4.1雷管位置在孔顶

本次模型爆破中，爆炸产生了一个小的裂缝。断裂破碎后的断面揭示了弯曲、剥落和径向劈裂的综合作用。由于监测部分在第二层，爆破产生的气体扩散到第二层，从而形成一个空腔。

3.4.2雷管位置在孔中心

模型在爆破中产生的坑是不均匀的，并有严重的裂缝。因为监测部分在第三层，因此炸药的爆炸能量传导在第二层比较少，这就是第二层部分断裂和少量裂缝的原因。断裂形式重新组合后的碎片表明岩体的挤压出现在第二层。

3.4.3雷管位置在孔底

在孔底的效果与在孔中部的效果相似，由于监测部分在第三层，反射回的应力波在第二和第三层节理和严重断裂部分影响第三层内部剥落，从第三层收集剥落碎片显示对内部的影响，碎片表明第二层的挤压效果。后部分的断裂是严重的，可能是由于能量损失较少。

3.5夹角alpha;=120°

3.5.1雷管位置在孔顶

在这个模型中，破碎的宽度和断裂角都小于炮孔下面部分，第二层大面积破碎，第三层碎片没有移动，保持在裂缝位置，一些碎片突出。监测部分被放置在第三层，从二层和一层的节理裂隙反射到第三板应力波，导致严重破碎。这就是为什么第二层发现粗的碎屑，裂缝和突出可能是第二层提供的阻力。

3.5.2雷管位置在孔中心

这个模型爆炸形成的坑和雷管在上部很相似，但第三层影响较小，只出现了裂缝。由于检测部分放置在二层，似乎大部分爆炸能量消散。第三层仅出现裂缝，可能是因为二层的阻力和能量的损失。第三层剥落的影响可能是由于应力波的反射。爆破的效果和梁的弯曲断裂相似。

3.5.3雷管位置在孔底

观察到的结果和雷管在中部时相似，此次爆破甚至延伸到第四层。破碎片段挤压弯曲重排了一束类似于孔内雷管的中心位置。

3.6夹角alpha;=150°

3.6.1雷管位置在孔顶

本次爆炸在模型上形成一个小的坑和严重突起，由于监测部分在第二层似乎大部分爆炸的能量丢失了。由于第一层和第三层反射的应力波被第二层吸收，形成粗碎屑。

3.6.2雷管位置在孔中心

本次爆破产生了一个新的截面和一个大的坑，观察产生的位置可以发现是因为爆炸冲击波沿第二层扩展到二层与三层之间，产生挤压弯曲。爆破后的碎片重新排列可以发现二层的挤压弯曲作用。

3.6.3雷管位置在孔底

在这一模型中监测部分放置在第四层靠近三层节理附近，爆炸冲击波不能扩算到第二层节理，这就是为什么本次模型形成的坑洞小于雷管在中部时的原因。对爆破后碎片进行研究可以发现岩体断裂可能是因为荷载超过岩体弯曲极限。实验的结果可以建立一个破碎效果与岩体节理方向和其他条件的模型,图2,图3和4，结果总结在表2、3和4。

表2 雷管在炮孔上部实验结果

图2 破碎完全所占百分比

表3 雷管在炮孔中部实验结果

图3 破碎完全所占百分比

表4 雷管在炮孔下部实验结果

图4 破碎完全所占百分比

4.结论

软弱面（节理）的走向和其他性质对爆炸应力波的衰减和产生的径向裂纹的增长有决定性影响。通常节理还降低了岩石的强度，使应力波的传导受到阻碍，这就使得炮孔周围岩体的破碎效果下降。当雷管位置固定时，节理的倾向对实验结果有很大影响。小规模爆破的破碎效果可以用Kuz-Ram (Kuznetsov-Rammler)模型很好的表现。在接下来的实验中，在标准条件下，石灰岩材料的性质可以由纵波速度，横波速度，密度，压缩强度（单轴），拉伸强度（巴西试验），和剪切强度限制。这些性质可以人为地在地面进行控制，同时也为台阶爆破提供了相当宝贵的资料。例如，拉伸强度测试是必要的，因为在台阶爆破中主要部分岩体是被拉坏的。

参考文献

[1]. R.L. Ash.不连续性对岩石爆破的影响[D].密苏里大学罗拉分校, 1973, 87页.

[2]. G. Bjarnholt and H. Skalar.混凝土模型爆破检测[C].国际岩石爆破过程研究.于勒

奥理工大学 1983. 799-814页.

[3]. D. P. Blair and A. Minchinton.炮孔周围影响研究[C].第五全球会议，蒙特利尔爆

破破碎岩石，加拿大，1996. 121-130页.

[4]. C. Cunningham.通过Kuz-Ram模型预测爆破效果[C].国际爆破学术研讨会, 瑞典,

1983.8. 439 - 451页.

[5]. L. R. Fletcher and D. V. DAndrea,.爆破飞石控制研究[C].第12次会议，

爆破技术，亚特兰大，镓，炸药协会工程、蒙特维尔,1983.2.9-14. 167-1

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