利用地质构造调查方法确定裂隙岩体爆破最小抵抗线方向

2012-01-08胡建军郭利杰

中国矿业 2012年9期

胡建军,余斌,郭利杰

(北京矿冶研究总院，北京 100070)

岩石爆破技术广泛应用于边坡开挖、隧道掘进和矿产开采等各个领域，天然岩体由于含有大量的断层、节理、裂隙等结构面，致使其并非表现均质体，而是具有显著的各向异性。这一地质特征会使爆破过程中爆炸能量分布不平衡，严重阻碍应力波的传播，影响爆破效果[1]。岩体中结构面的存在对爆破效果的影响，一直是国内外众多学者的研究重点[2-8]，其对改善露天边坡岩体爆破效果具有重要意义。

岩体的结构面形态特征和力学特征往往是最小抵抗线方向选择的主要依据，合理的最小抵抗线方向对露天爆破有事半功倍的作用，反之会产生爆破过程中炸药浪费、块度不合理等现象[9-13]，因此露天爆破前研究结构面产状与爆破最小抵抗线方向关系具有重要意义。

1 最小抵抗线方向与结构面产状关系

由于结构面的存在必将影响爆炸应力波的传播，如结构面的走向、倾向、倾角、结构面间距、刚度、摩擦角、膨胀角、抗拉强度、结构面中填充物的性态等均会对应力波传递产生影响，在这些影响因素中结构面的几何特征影响最大，即结构面的走向、倾向、倾角对爆破效果起关键作用，因为这些几何特征将导致爆炸应力波的传播方向改变。

岩体爆破中的应力包括由冲击波、应力波产生的动态应力和爆炸气体膨胀压力产生的准静态应力。爆破过程中岩石破碎分两个过程，即岩石初始裂纹的形成过程和初始裂纹进一步发展、贯通直至整个岩体破坏的过程，这两个过程实质上是动态应力和准静态应力共同作用的产物，而初始裂纹形成主要由动态应力决定[14]，最小抵抗线的方向是影响动态应力的主要因素，因此，需研究动态应力作用下最小抵抗线方向与结构面产状关系。

现场爆破结果证实，岩体在结构面切割作用下形成菱形块体，所有的菱形块体都具有明显的短轴。如图1所示两组结构面，文献[14]指出应力波传到由两组结构面组成的边界进行反射，其反射拉应力σr，大小为：

σr=P1C1Vr·sinβ/2

式中,P1为结构面介质容重；C1为质点振动速度(假设两方向均相等)；Vr为结构面波阻抗；β为节理面夹角。

由图1看到，反射拉应力σr与节理面夹角β相关，在短轴方向，β>90°时的短轴方向进行破岩是综合阻力最小方向。因此，在现场确定最小抵抗线方向时，应先测出主结构面方向，确定菱形块体最短轴方向为最小抵抗线方向。

图1 结构面切割呈菱形体示意图

2 岩体构造调查

岩体结构面的存在对岩体稳定性有着控制作用[15-16]，通过现场岩体构造调查可以了解某一工程岩体的结构面特性。采用详细线法对出露面进行构造调查是一种适用的岩体构造调查方法[9]，该方法通过记录岩体构造特征，借助数理统计分析方法，实现对岩体结构面分布特征的评价。

江西某大型露天矿岩体节理裂隙发育，主矿体部位分布有花岗岩冷凝收缩产生的原生节理，主要为张开性裂隙，矿体完整性较差，形成如大块堆积的块状结构，由于结构面较为发育，该矿露天边坡爆破效果较差，大块率偏高。

本研究对该矿主爆区域构造面进行了现场踏勘，在现场踏勘的基础上，共确定了4条有代表性的测线，4条侧线均处于西侧边坡主爆区内，可以代表该区总体结构面分布情况。测线的布置情况参见表1。

表1 测线布置情况

3 结构面产状的统计分析

岩体结构面的整理统计一般采用的图形分析方法有玫瑰图、极点图和等密度图[17]，图形分析法最大的优点是可以直观的看出节理结构面的分组数目。由于各构造调查测线分别布置于有代表性的不同位置，能够真实反映西侧边坡主爆区的结构面分布情况，结构面统计工作也可得到可靠的结果。运用节理分析软件DIPS程序进行统计分析，不同测线岩组中结构面的节理统计玫瑰图如图2所示。从统计分析汇总结果可以看出，区域内发育的结构面主要有两组，即321°∠18°和127°∠89°(表2)，即该区域内的主要菱形块体由这两组结构面切割形成，菱形块体的分布形态将对最小抵抗线方向选择起指导作用。

表2 节理调查综合对比分析

图2 各测线节理统计玫瑰图

4 露天边坡爆破试验

通过以上分析，绘制该矿节理切割图如图3所示，其中W1为短轴方向，是最优最小抵抗线方向，W0为实际生产最小抵抗线方向，分析认为，初始最小抵抗线方向不合理，现根据结构面产状确定调整W1方向为最终最小抵抗线方向，并对调整前后现场爆破效果进行了对比。

根据以上分析结果，分别于2008年8月、9月进行了两次爆破试验，爆破位置同处于+860台阶，布孔数量及爆破岩体范围相当，具有很好的可比性。从爆破后的效果来看，最小抵抗线沿W1方向布置的爆破效果明显优于沿W0方向布置(图4)，炸药单耗基本不变情况下降低了大块率，且爆堆形状规则、利于铲装，具体指标如表3所示。