岩体的节理裂隙对爆破块度分布的影响分析

刘　迪，徐全军，温尊礼，姜　楠，杨　涛

（1.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007；2.核工业南京建设集团有限公司，江苏南京210003）

岩体的节理裂隙对爆破块度分布的影响分析

刘迪*1，徐全军1，温尊礼2，姜楠1，杨涛1

（1.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007；2.核工业南京建设集团有限公司，江苏南京210003）

在同一组爆破参数条件下，不同位置的炮孔处，采用相同的炸药单耗量进行深孔爆破实验，利用Kuz-Ram预测模型中岩石爆破块度的分布与爆破参数之间的定量关系，观察到的实际块度平均尺寸与理论预测结果有很大的差距，表明岩体结构中节理裂隙、岩石性质等是影响块度级配分布的主要因素。在开采级配石料爆破中，需对地质结构的分布状态进行研究分析，这对确定合理爆破参数具有指导作用。

节理；裂隙；爆破块度；级配；预测模型

1　概述

目前，爆破块度和级配的分布是爆破工程上普遍采用的定量评价爆破质量的重要指标。筑坝工程的质量和进程取决于堆石料的供应。岩体石料的开采不仅考虑石料的最大粒径和块度均匀，而且对级配有很高标准的要求。控制爆破中坝体石料的块度和级配，爆破破碎岩石能一次直接应用于大坝、围堰是值得研究的课题。Kuz-Ram模型是较为成功的爆破块度模型之一［1-3］，该模型建立了各种爆破参数与爆破块度的定量关系，已经广泛应用堆石料开采等工程应用。但该模型因简便而忽略岩体节理裂隙、岩石性质等因素，对爆破块度分布的预测存在误差［4-5］，不能准确反映出实际情况。本文运用同组爆破参数条件下的实验，说明岩石裂隙、性质结构是影响爆破块度和石料级配的主要因素，并对岩体节理裂隙对块度分布的影响进行分析总结。

2　Kuz-Ram预测模型的应用

在此次实验中，使用TYL368A履带式气动潜孔钻机进行钻孔，钻孔直径范围为Ø105mm～Ø165mm，实验中钻孔直径约Ø110mm。采用深孔控制爆破技术和相同的爆破参数条件，包括最小抵抗线、孔距、排距、填塞长度、单位炸药消耗量、单孔装药量等，见表1。每孔二号岩石乳化炸药和多孔粒状铵油装药量共计74kg，乳化炸药药径Ø80mm。单孔装药量数学表达式为：

式中：Q——单孔装药量，kg；

q——单位炸药消耗量，kg/m3；

a——孔距，m；

b——排距，m；

H——孔深，m。

编号1、2位置处的炮孔均使用在同一孔网参数条件下孔距4.5m，排距3.3m，孔深14.5m，最小抵抗线为3.3m。均采用相同的不耦合连续装药形式，填塞长度均为4.5m，并计算出编号1、2位置处的单位岩石炸药消耗量均为0.344kg/m3。

Kuz-Ram模型建立了与各种爆破参数（最小抵抗线W，孔距a，炸药单位耗药量q，台阶高度H，凿岩精度e，炮孔直径d等）之间的定量关系。

Kuz-Ram模型给出的x50、n值的算法：

式中：A——岩石系数，取值大小与岩石节理、裂隙发育程度有关，中硬岩A=7，节理发育岩A=10，节理不发育坚硬岩A=13；

q——炸药单位耗药量，kg/m3；

e——钻孔精度标准差，一般取0.05H，m；

d——炮孔直径，mm；

Q——单孔装药量，kg；

E——炸药相对重量威力，2号岩石铵油炸药为100，TNT为115；

表1　编号1、2位置处炮孔爆破参数

x50——爆破岩块的平均粒径（筛下积累率），m；

n——块度均匀性指标；

m——炮孔间距系数，为孔距与最小抵抗线（或排距）的比值；

L——装药长度，m；

H——台阶高度，m。

通过式（2）、（3）给出的公式，计算出平均粒径x50和块度均匀性指标n，见表2。爆破设计中通常取块度均匀性指标n为0.8～2.2，高值表示爆破块度均匀，低值表示粉矿和大块占较大比率。根据Kuz-Ram模型提供的公式计算得出的n值为1.5716，爆破块度趋于均匀。在每个爆堆相邻的2个炮孔范围内拍照，取样照片面积为1m×1m。根据现场测量，利用标准照片对比法统计出编号1、2炮孔位置处破碎岩石的块度尺寸分别为25～30cm，10～25cm，见图1、图2；但预测的平均粒径为36.8cm，对比所计算的爆破平均粒径和爆破试验中采样的粒径，得出预测结果与实际结果有误差。即使在相同的爆破技术条件下，编号1、2炮孔位置爆破后的岩石块度分布也不同。这表明在深孔爆破过程中，影响爆破质量的因素不仅有爆破技术参数，而岩体节理裂隙、性质结构等因素也起到最主要的作用。爆破块度是爆炸作用和地质作用的共同作用的结果。

Kuz-Ram爆破块度预测模型已经广泛应用堆石料开采，只使用综合性很强的岩石系数A来反映岩石的物理力学特征及岩体的节理裂隙发育情况，但是没有考虑台阶岩体的节理裂隙分布对块度的影响作用，没有就岩体节理裂隙对爆破块度分布的影响机理进行深入细致的研究。爆破后堆石料的级配和块度与原始岩体中的裂隙分布具有很大的相关性［6］，这导致模型在理论计算上对矿山、围堰、堆石坝级配石料开采预测时有误差。

图1　编号1炮孔位置处的爆渣

图2　编号2炮孔位置处的爆渣

3　节理裂隙对爆破块度的影响分析

3.1节理分布特征的影响

天然岩体是非连续介质的地质结构体，它是由岩石材料构成并受到多种地质结构面切割而形成的多元体系，内部存在大量的节理裂隙，无法精确测量，因此岩体结构具有复杂性和特殊性的特点。大量研究和实验证实，节理是岩体中的小型断裂结构，数目极多，几何形状复杂，对岩体性质的影响最大。岩石断层是最大规模的结构弱面，而结构弱面本身更多则以节理裂缝、层面的形式出现，节理裂隙削弱岩石颗粒之间的连结力，弱化了岩体结构，使岩石分割为大小不等、形状各异的天然块体，破坏了岩体的完整性和连续性，造成了原始裂隙的形成，并且减小了岩石强度。弱面的数量越多，x50的值越小，产生的破碎体的体积也越大。岩体中客观存在的节理、裂缝、破碎带、断层、褶曲的分布状态改变了岩石单元体的受力状态，导致岩体沿其他方向的节理面破裂，以及岩石本身破裂爆区内和不同位置处岩体具有破碎程度不同的特点，使对岩体中的变形或破坏起控制作用，主导着爆破块度大小。其中岩体节理裂隙分布特征主要决定了爆破块度分布状态。

表2　50%重量的石料通过的筛孔直径x50理论值和块度均匀性指标n

为能达到控制块度和级配的目的，这需要准确地描述岩石的物理性质。通常采用岩石波阻抗表征爆破作用下的岩石性能。波阻抗较大的岩石，密度大，岩体裂隙较少，不容易爆破；波阻抗较小的岩石，密度较小，岩体裂隙较多，易破碎。岩石节理面阻抗与炸药的阻抗不匹配，会导致应力波大幅度衰减，距离炮孔某一距离位置的应力值减小，更重要的是使自由面处的应力减小，会直接影响破碎效果。为提高能量的利用率，需要根据不同性质的岩石选择不同性能的炸药，使两者的波阻抗相互匹配，减少大块率，得到适宜的块度级配。

3.2节理裂隙对块度产生的作用机制

节理不仅控制着岩石力学性质，使岩石密度降低，其强度也相应降低，而且控制着岩体的破坏形式极大影响爆破块度分布。在节理岩体中，主要的结构面与装药孔的相对位置会影响岩石的应力集中，使应力波迅速衰减或改变传播方向，爆生气体楔入结构弱面使其分离并扩宽，作用时间减少，因此爆破效果主要取决于节理间距和弱面的产状；装药孔穿过结构弱面条数越多，平均块度越少，爆破质量也越差。当具有控制作用的结构弱面与爆破作用方向位置不同会影响到裂隙的产生，爆轰气体能量沿结构面逸出越多，导致孔内压力急剧下降，不利于岩石的破碎。

岩石受力时，存在节理裂隙的不均匀分布软弱带或软弱面首先裂开，引起爆炸载荷的分布不均匀和卸载滞回，在应力波传播过程中，造成能量损耗，导致应力波衰减，使爆炸动作用和静作用没有充分发挥极致［4，7］，导致岩石破碎不均匀。岩体结构中有难以确定的原始裂隙，在爆破过程中，爆生的高温高压气体和应力波作用在岩体中，造成新鲜的断面和裂隙具有很强随机性；同时每一个节理破裂面和岩石破裂面的形成并相互贯通，岩体之间的相互作用，都对爆破块度和石料级配造成影响。应力波与结构面相互作用是岩石破碎的主要因素。

含有裂隙的岩石的杨氏模量小于岩石的固有杨氏模量，降低了岩石强度。岩石的有效泊松系数小于固有泊松系数，岩石的泊松系数决定了岩石破坏过程的类型［9］。岩石的破坏形式影响爆破技术参数的设计和炸药的选择。

4　其他地质条件对爆破块度的影响分析

地质条件主要包括岩石的性质、风化程度、节理裂隙以及断层破碎带等。除节理裂隙等因素对爆破块度级配分布外，组成岩石的矿物成分，矿物颗粒的大小、形状以及胶结状态，内部的孔隙率、孔隙流体的性质和岩石所处于的温度、压力、定力场等热力学环境的地质条件也是影响爆破块度级配的因素。

岩石中存在含有矿物的晶体，导致断裂路径非规则曲线出现，爆破破碎成大小不规则的块度。岩石软硬和风化程度影响爆破块度中细小粒径岩块含量。岩石力学强度较高，细粒含量相对较少，但节理裂隙的发育程度对粒径的影响是较小的。

岩层结构对爆破块度粒径的大小和形状有较大影响。岩石的松软或岩性的不均匀性，故易风化，不稳定，爆破之后形成较小的块度；而厚层结构或块状结构的岩体中，爆破块度多为三维立体状；互层越多，越不稳定；含软弱夹层的岩层最不稳定。这表明岩性软弱程度，风化强烈程度等都显著影响到岩石爆破块度级配。

由于岩体的地质形成原因的不同，所以岩石性质的变化具有不确定。在爆破施工现场，尽量获取不同深度的岩石性质，使装药施工过程的具有科学性，从而实现良好的爆破效果。

5　结语

通过此次爆破实验得出影响岩石块度和级配的主要因素不仅包括爆破技术参数，岩体的节理裂隙还起着重要影响。因为开采的工程场地千差万别，矿体节理发育程度不同，岩性变化较大，即使相同围岩级别的岩体的节理裂隙的分布有很大的差异，导致出现不同分布状态的块度和级配。Kuz-Ram模型没有考虑到台阶岩体的节理裂隙对块度级配产生的影响，应用时必须注重岩体地质的勘察评估山体的地层节理裂隙、岩层结构、风化程度等，对其分布的进行统计以及裂隙开裂过程进行研究，充分利用台阶的节理裂隙、结构弱面构成的块状网，正确选择合适的抵抗线和孔网参数，提高爆炸能量利用率从而获得理想的块度和级配。

［1］杨尹，蔡云，尹斌.Kuz-Ram爆破块度预报模型在Jatigede大坝堆石料爆破开采中研究与应用［J］.四川水力发电，2014，33（2）：32-35.

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［4］汪义龙，牛海成，李奇，等.节理岩体爆破块度预测模型分析［J］.建井技术，2006，27（4）：19-22.

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［6］傅志安，凤家骥.混凝土面板堆石坝［M］.武汉：华中理工大学出版社，1993.

［7］李建军，段祝平.岩体中节理裂隙对爆破影响的实验研究［J］.矿冶工程，2005，25（5）：1-3.

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［9］蔡恒学.试论裂隙对爆破效果的影响［J］.湖南有色金属，1989，5（2）：1-5.

Analysis on the Effect of Joints and Fractures of Rock Mass on Blasting Fragmentation Distribution

LIU Di1，XU Quan-jun1，WEN Zun-li2，JIANG Nan1，YANG Tao1
（1.Field Engineering Institute of the PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007 China；2.Nuclear Industry Nanjing Construction Co.，Ltd.Nanjing Jiangsu 210003，China）

On the condition of the same blasting parameters，conducting a deep-hole blasting test by adopting the same explosive consumption at different positions，quantitative relationship between the fragment-size distribution of rock blasting and blasting parameters from Kuz-Ram prediction model is used.By observing the obvious distinction between average sizes of practical fragmentation and theory forecast result，it showed that joints and fractures in rock mass and rock properties were the main factors affecting the blasting fragmentation distribution and gradation.In a exposure certain pellet proportion rock material exploitation，by analyzing the distribution the states of geologic structure，it would have a guiding function to set the blasting parameters.

joints；fractures；blasting fragmentation；gradation；prediction model

TV542

A

1004-5716（2016）03-0188-04

2015-03-10

刘迪（1988-），男（汉族），江苏徐州人，解放军理工大学野战工程学院在读硕士研究生，研究方向：爆破技术。