可爆性分级在露天矿生产中的应用

岩石的主要物理性质有密度、孔隙率、岩石的风化程度、岩石波阻抗等;岩石物理力学性质的不同呈现在弹性、塑性、脆性性质，在同种外力作用下，不性质岩石也将产生不同的作用效果。脆性是坚硬岩石的固有特征。岩石通常是各项异性、不均匀性、非线性变形等，体现了岩石在微观层面上组成成分、结晶、结构等差异。岩体弹性和塑性过渡并不明显，有的岩石甚至在变形初期就进入塑性变形状态。随着外力逐步增大，当外力达到某一数值时，岩石便开始破坏，此时的应力值记为岩石极限强度。岩石方式的不同而有抗拉、抗剪、抗压等极限强度、通常其应力应变曲线是随动塑性的，从数值上看，岩石具有较高的抗压强度，较小的抗剪和抗拉强度。在岩体爆破中，炸药爆炸后将产生 1 个非常的冲击型荷载，持续时间极短，但加载速率极高，在这种情况下，岩石的力学性质生很大变化，其屈服极限、强度极限与同等静载条件的屈服极限、强度极限有明显差别，变形模量也明显增大，但由于在这方面影响因素很多，还缺少系统的定量数据[2]。

2 可爆性分级判据指标

2.1 国外学者的判据指标

根据什么判据指标进行岩石分级，这是一个非常关键的问题。最早的岩石可爆性分级是 17 世纪霍夫曼提出的，按开挖方法和开挖工具的不同将岩石分为 6 类。1889 年齐哈提出按开挖工具和开挖消耗的炸药量和人工将岩石分为 4 类 9 级。1926 年前苏联普氏提出了以岩石试块的静载极限抗压强度 R(MPa)为岩石分级的判据，即普氏岩石坚固性系f=R/10。普氏认为岩石的坚固性在各方面的表现趋于一致。根据 f=0.3 ~ 20 将岩石分为 10 级，f 值大，则难钻、难爆破、岩石稳定;反之，f 值小，则易钻、易爆破、岩石不稳定。该方法由于简单易用，至仍被工程界广泛应用。但实际中岩石的可钻性、可爆性并非完全一致，且岩石的单轴静载抗压强度并不能表征岩石在爆炸冲击作用下的物理行为。20 世纪 50年代开始，日本提出以弹性波速、岩石裂隙间距、龟裂系数、抗剪强度等因素对岩石进行分级。美国则以破碎功指数，岩石弹性变形能系数为指标的岩石爆破性分级。这一时期，前苏联则出现了苏哈诺夫以炸药单耗为指标、巴隆以岩石表面能为指标，哈努卡耶夫以岩石波阻抗为指标的爆破性分级。苏氏分级是以崩落 1 m3 岩石所消耗的炸药量或单位炮眼长度将岩石的爆破性分为 16 级，同时，规定了系列的测试标准条件。炸药单耗多、单位炮眼长，则岩石难爆;反之，则易爆。其未能很好地反映爆破块度这一重要爆破效果。因此，苏氏分级并不能确切地表征岩石的可爆性。由此可见，对岩石进行爆破性分级的难度与复杂性[3]。

2.2 国内学者的判据指标

我国岩石爆破性分级走过了爆破性指数分级，稳健模糊动态分级和矿岩可钻性、可爆性和稳定性综合分级等研究历程，按观点和分级准则的不同，可以分为以岩石强度、单位炸药消耗量、弹性波速度、工程地质参数以及岩石爆破能量等为准则的 5 类。有学者并未能够区分岩石坚固性和可爆性的差别，认为岩石坚固性是表征岩石的凿岩性和爆破性可爆性并非一致。这里的实质是未能区分塑性与脆性的差异，造成概念不清晰。致密坚硬的岩石难以凿岩，但脆性大时，爆破反而容易;相反，某些岩石虽然凿岩性好，而爆破时由于产生塑性变形，要多吸收部分能量，爆破性反而不佳。在现实条件下，存在坚固性强又具有很好可爆性的岩体，例如灰岩、凝灰岩，同时也有坚固好但可爆性差的岩体，例如花岗岩。近几十年来，国内外学者对岩石的可爆性进行分级做了大量工作，主要是基于岩石强度、单位炸药消耗量、工程地质参数、岩石弹性波速度、岩石波阻抗、爆破岩石质点位移、临界速度、爆破功指数、岩石弹性变形能系数等参数作为分级依据。因为它们能够从不同的侧面反映岩石的爆破性特点。但是这些指标并没有阐明爆破性的真正含义，没有建立完整的分级体系，所以迄今为止国内外尚无一种公认的岩石爆破性分级方法[4]。以单位炸药量表征岩石的可爆性具有一定的离散性，不能真实反映可爆性特征。这是因为单位炸消耗量受岩石性质、炸药性质和用量等多因素影响影响，对于爆破作用的阻力完全不同的岩石，可能消耗相同的炸药量。岩体地质结构特征对岩石爆破性有重大地质参数作为分级判据是可取的。鉴于目前尚不能方便、准确、定量地表达和区分原生裂隙和次生裂隙及其性状，例如美国的洛勃申和巴托也只是强调了工程地质参数的作用，而没有直接和爆破效果联系。岩石弹性波速不但可以判断岩体的地质结构性状，而且也是岩石的动力属性，可以作为岩石物理力学特征的综合度量。因此，岩石弹性波速度作为岩石的爆破性分级的判据之一是可行的。。

3 可爆性分级方法及在露天矿中的应用

目前岩石可爆性分级确定方法可归纳为 2 类[5]：①爆破技术人员根据个人经验对不同岩石的可爆性进行分级;②对岩石某一或某些物理力学特性参数进行分析处理，最终根据处理结果对岩石的可爆性进行分级表征。第 1 种方法难以避免人为因素的影响，爆破效果难以得到有效控制;第 2 种方法又可详细分为[6]：单一指标分类法、多指标综合评判、运用系统工程理论进行分级。可爆性分级方案或实践多样，分别对应不同的指标选用与分级方法。如普式分级采用抗压强度单一指标分级;勒科谢达洛夫分级采用节理裂隙单一指标分级;哈努恰耶夫分级采用抗压强度、单耗、波阻抗指标的综合评判分级;库图佐夫分级采用抗压强度、单耗、节理裂隙指标的综合评判分级;苏氏分级采用密度、抗压强度、节理裂隙的综合评判分级;岩体可爆性分类的模糊聚类分析研究分级与岩体可爆性分级的加权聚类分析方法分级采用抗压强度、单耗、波阻抗、节理裂隙指标的聚类分析分级;岩可爆性分级物元分析模型及其应用与大冶铁矿一次成井爆破的岩体可爆性评价分级及灰色关联分析在岩体可爆性分级中的应用采用抗压强度、单耗、波阻抗、节理裂隙指标进行物元分析与回归分析分级;南芬露天铁矿的岩体可爆性分级方法及其应用分级与一种基于加权聚类分析的岩体可爆性分级方法分级采用容重、冲击动载强度、抗拉强度、完整性系数指标的聚类分析与灰色关联分级;基于物元分析理论的岩体可爆性分级采用密度、抗压强度、抗拉强度、纵波速度指标的物元分析分级;基于模糊识别的岩体可爆性分采用密度、抗拉强度、完整性系数指标的模糊识别分级;岩体可爆性分级判别的属性测度模型及其应用分级采用密度、单耗、波阻抗、节理裂隙指标的属性识别分级;岩体可爆性分级数学模型及其应用分级采用密度、冲击动载强度、抗拉强度、完整性系数指标的聚类分析分级;程潮铁矿采场可爆性模糊综合评价采用抗压强度、单耗、波阻抗、节理裂隙指标的模糊识别分级[7]。石可爆性分级在露天矿中的应用主要在于为炸药单耗理论选取提供依据。目前，炸药单耗的选取主要考虑岩石坚固性系数与爆破粒径要求。岩石可爆性分级表见表 1。可爆性分级不仅虑了岩石的基本性质，而且考虑了为获取最好的爆破破碎效果，对所采用的炸药品种和炸药单位消耗量做了相应规定。确定炸药单耗选取后可根据装药量公式理论计算孔排距，直接决定爆破施工的经济技术指标。为爆破施工提供理论依据[8]。坚硬岩石代表种类有花岗岩、玢岩、闪长岩、玄武岩、片麻岩等。中等坚硬岩石代表种类有白云岩、石灰岩、大理岩、砂质砾岩、页岩等。松软岩石代表种类有泥灰岩、片岩等。

4 结 语

分析了岩石的物理力学性质参数特征，岩体地质结构特征和岩石弹性波速对岩体可爆性有较大影响。从现有理论出发，结合工程实际，提出了可爆性分级表，为爆破施工提供理论依据。