全国工程爆破技术人员统一培训内容(5)

全国工程爆破技术人员统一培训内容中国工程爆破协会编汪旭光主编冶金工业出版社（2011）爆破设计与施工（5）第五章爆破工程地质5.1岩石性质及其分级5.2地质构造5.3地质条件对爆破的影响5.4爆破对工程地质条件的引言地球上有三大岩类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。随着地球的外力和内力地质作用，岩性可以相互转变。各类岩石经过风化、剥蚀作用而破坏，破坏产物经过搬运、沉积、固结成岩作用形成——沉积岩；沉积岩受到高温熔融作用又转变为——岩浆岩；岩浆岩和沉积岩都可以遭受变质作用转变成——变质岩。火成岩沉积岩变质岩外力作用变质作用变质作用熔融外力作用熔融图示岩石的转化三大类岩石不断相互转化，其演化过程各具有不同的形成环境和条件，而环境和条件又随地质作用的发生而变化。因此，在地质历史中，总是某些岩石在形成，而另一些岩石在消亡。5.1岩石性质及其分级由于岩石是一种非均质、各向异性的介质，爆炸本身又是一个高温高压高速的变化过程，炸药对岩石破坏的整个过程在几十微秒到几十毫秒内就完成了，因此，研究岩石爆破作用机理是一项非常复杂和困难的工作。所以要了解岩石的动态特性和可爆性。5.1.1岩石的物理性质主要了解与爆破破碎有关的岩石性质1、空隙度——指岩石中各空隙的总体积V0对岩石总体积V之比。空隙的存在削弱了岩石的强度。2、密度——有密度（ρ）和重力密度（）之分，ρ=M/(V-V0),=G/V；一般岩石的ρ和越大岩石越难以破碎，抛掷爆破时需消耗较多的能量克服重力。3、波阻抗——指岩石的密度ρ与该岩石中纵波波速cp的乘积。反应了岩石阻止波能传播的作用，通常认为炸药的波阻抗与岩石的波阻抗相匹配时，爆破能量传递最多，可获得较好的岩石爆破效果。4、碎胀性——岩石破碎后因碎片间孔隙增多而使体积增大的性质，(=V1/V)。岩石爆破破碎必须有一定的碎胀空间，包括外部空间和内部孔隙。5.1.2岩石爆破荷载特性即（）特性，或变形特性。爆炸荷载作用是一种动载，在岩石内引起应力、应变以波的形式在岩石中传播，即岩石内应力场随时间变化，呈动态应力场。1、加载速度不同时，岩石表现的变形性质不同，提高应变率，岩石将由塑性向脆性转化，弹性模量提高。2、爆炸荷载下，应力脉冲首先形成冲击波，迅速衰减为应力波。岩石中各点的应力、变形、位移均与时间有关，为动态应力场。E5.1.3爆炸荷载下岩石的强度特性1、同一岩石在不同受力状态下的强度其一般特性：三轴抗压＞双轴抗压＞单轴抗压＞抗剪＞抗拉不同岩石的强度差异性很大，即使是同一种岩石因其内部颗粒大小、胶结和生成条件不同，其强度差异亦很大。2、岩石的动态强度提高加载速度，岩石由弹塑性、塑性向脆性转化，其弹性模量增大、强度也随之提高。——动态抗压或抗拉强度；——静态抗压或抗拉强度；K——系数。上式表明：动载作用下岩石的强度与加载速度有关。jdgKdj3、岩石的动态弹性常数都与弹性波参数有关（波速、波阻抗）。总之：在爆炸动荷载作用下，岩石有如下动态特点：1）岩石由弹塑性、塑性向脆性转化；2）岩石的弹性模量增大；3）岩石的强度提高。5.1.4岩石的可爆性及可爆性分级可爆性——指岩石对爆破破坏的抵抗能力或岩石爆破破坏的难易程度。它是岩石自身物理力学性质、炸药和爆破工艺的综合反映。可爆性分级岩石坚固性分级：普氏分级，提出坚固性的概念，岩石对外力的抵抗作用是趋于一致的，并将岩石分成十个级。用普氏系数表示f=σc/10,σc岩石静态单轴抗压强度，（MPa），f=（0.3~20）。之后其学生巴隆进行了修正。f=σc/30+。岩石波速和波阻抗分级法：简便测定、便于计算，应用不太广。可爆性指数分级法：可靠性准确性好，方法复杂难推广。3c5.2地质构造5.2.1引言1、概念：地质构造是地壳运动的产物。原始沉积岩层在地壳运动引起的地应力作用下，发生变形或变位，形成褶皱和断裂等构造形迹，称为地质构造。2、类型：地质构造的表现形式是多种多样的，在一定范围内，可归纳为：两种最基本形式：褶皱、断裂。3、研究的意义：地质构造是地壳中常见的地质现象，是影响矿山生产的主要地质因素，研究它的形成和分布规律，对地质构造的发生和演化历史，矿产资源的形成和分布规律，矿山建设及环境监测等具有重要的理论意义和实际意义。4、岩层产状地质构造的形态往往是由岩层或岩石在空间上的位置变化表现出来的。因此，研究地质构造必须首先确定岩层或岩石的空间位置。沉积岩是地壳表层分布最广的岩层，具有原生层理构造，同一岩层一般由成分基本一致的物质组成。岩层形成之后，在地壳运动的影响下，其原始产状将程度不同地发生改变，有的近于水平，有的变成倾斜，直立，甚至倒转（如图5-1）。图5-1不同产状的岩层示意图（P、C、D、S—地层代号）（a）水平岩层；（b）倾斜岩层；（c）直立岩层；（d）倒转岩层1）岩层产状及产状要素概念：岩层的产状——岩层在地壳中的空间位置和产出状态，称为岩层的产状。表示方法——确定岩层在地壳中的空间位置，通常用岩层面的走向、倾向和倾角来表示。即产状要素：走向、倾向和倾角，也即几何要素。（1）走向倾斜的岩层面上，能作出很多水平平行线，平行线的两端指向岩层延伸的方向。走向线：岩层面与水平面的交线称为走向线。即是岩层面上的等高线。走向：表示岩层在空间中的水平延伸方向。走向线两端所指的方向（图5-2的AOB）。即走向线与地球子午线的夹角为岩层的走向，通常以其NE或NW端的方位来表示。图5-2岩层的产状要素（2）倾向倾斜线：沿岩层面，垂直走向线向下所引的直线称为倾斜线。（图5-2中的ON）。倾向线：倾斜线的水平投影线称为倾向线（图5-2中的ONˊ）。倾向：表示岩层的倾斜方向。倾向线与子午线的夹角为倾向。倾向有真倾向和视倾向之分。真倾向：垂直于走向线所引的层面倾斜线；视倾向：不垂直于走向线所引的层面倾斜线。视倾向有无数个，而真倾向只有一个方向，且与走向垂直。（3）倾角倾角：表示岩层的倾斜程度，它是岩层层面与水平面的锐夹角。倾向有真、视之分，因此，倾角亦有真倾角和视倾角。真倾角：是指在真倾向方向上层面与水平面的夹角；视倾角：则是指视倾向方向上层面与水平面的夹角。视倾角有无数个，真倾角只有一个，而且真倾角恒大于视倾角。（4）测量方法用罗盘测量岩层产状三要素的方法见下图所示：图5-3地质罗盘测量产状示意图（5）产状表示方法在地质平面图中，岩层产状的符号表示含义：长线表示走向、短线表示倾向、数字表示真倾角。如图所示：（a）30°30°（d）（c）（b）图5-4岩层产状符号示意图（a）水平岩层（b）倾斜岩层（c）直立岩层（c）倒转岩层5.2.2褶皱构造岩层或岩体在地应力长期作用下形成的波状弯曲称为褶皱，褶皱在地壳中分布广泛，形态各异，规模大小相差悬殊，大者延伸几十至几百公里，小者可在手标本上见到，甚至表现为显微构造。褶皱岩层中的一个弯曲称为褶曲，它是褶皱构造的基本单位（图5-5）。5-5褶皱与褶曲剖面示意图1、褶曲要素为了描述褶曲在空间的形态和特征，将它的各个部位分别规定了一个名称。总起来称为褶曲要素。主要有：核部、翼部、枢纽、轴面、轴，如图。图5-6褶曲要素翼部核部2、褶曲的基本类型褶曲的基本形式可分为两种，即背斜和向斜。1）背斜背斜是岩层向上弯拱的褶曲，核部是老岩层，两侧是新岩层，且对称重复出现，两翼岩层一般相反倾斜。2）向斜向斜是岩层向下弯拱的褶曲，核部是新岩层，两侧是老岩层，且对称重复出现，两翼岩层一般相对倾斜。(a)(b)5-7背斜、向斜立体示意图a、背斜b、向斜5.2.3断裂构造断裂构造——岩层受力后产生变形，当应力达到或超过岩层的强度极限时，岩层的连续完整性遭到破坏，在岩层一定部位和一定方向上产生的破裂（脆性变形的产物）称为断裂构造。分类：根据岩层破裂面两侧岩块有无明显位移，可将断裂构造分为：节理、断层1、节理节理——岩层断裂后，两侧岩块未发生显著位移的断裂构造称为节理，又叫裂隙。节理的破裂面称为节理面。1）节理形态——可以是平直的，也可以是弯曲的。节理面的产状有直立的、倾斜的或水平的。运用地质罗盘可以测定其走向、倾向和倾角。节理在岩层中总是成群出现，表现为一定的组合规律。通常把同一时期形成的，具有同一力学性质的，且相互平行或大致平行的一组节理，称为节理组。把同时期具有成因联系的两个或两个以上的节理组称为节理系。节理的规模大小不等，小者数厘米，大者几十米，甚至更长。2）节理的力学性质分类（1）张节理指构造运动产生的张应力作用而形成的节理。常分布在背斜的转折端，穹窿的顶部，褶曲枢纽的急剧倾伏部位，与褶曲有关的张节理常见的有两组，一组是与褶曲轴垂直的节理称为横张节理；另一组是与褶曲轴平行的节理称为纵张节理。（图4-26）（2）剪节理指构造运动所产生的剪切应力作用形成的节理，剪节理分布广泛，不论是水平岩层，还是倾斜岩层，都较发育。2、断层断层——岩层受地应力作用后发生破裂，在力的继续作用下，两侧岩块沿破裂面发生显著相对位移的断裂构造称为断层。断层的规模大小不一，其形态和类型繁多，分布较广。是最重要的地质构造，对矿山设计和生产都有很大的影响。1）断层要素断层要素——为描述断层的空间形态和性质，将断层的各个基本组成部分冠以一定的名称。这些断层的基本组成部分，称为断层要素。主要包括：断层面、断层线、断盘、交面线、断层位移。图5-8断层要素示意图下盘交面线断层线上盘交面线煤层上盘（下降盘）下盘（上升盘）地面地面（1）断层面断层面——指岩层断裂后发生位移的破裂面。断层面的形态——有水平的、倾斜的，也有直立的。断层面的产状——也可以用走向、倾向和倾角三要素来表示。有的断层找不到一个完整的断层面，而是一个断层破碎带或破裂带。破碎带的宽度一般为数十厘米至数十米。（2）断盘断盘——断层面两侧相对位移的岩块称为断盘。※当断层面倾斜时，位于断层面上方的岩块称为上盘；位于断层面下方的岩块称为下盘。※相对上升的岩块称为上升盘；相对下降的岩块称为下降盘。显然上、下盘均可相对上升或下降。（3）断层线断层线——断层面与地面的交线称为断层线。若地面平坦断层线的方向代表断层的走向。若地面起伏不平，断层在地表的出露线就不能反映断层的延伸方向。断层线有时呈直线，有时呈曲线，主要取决于断层面的形状及地形起伏情况。（4）断层位移断层位移——指断层两盘岩石沿断裂面的相对错动。断距——断层两盘同一岩层面相对位移的距离称为断距。断距可反映断层规模大小，它对矿山生产影响极大。通常，断距是根据不同方向剖面上岩层被错开的相对位置来确定的。常用的几个断距术语：铅直断距：指断层两盘上对应岩层中某一对应点之间的高程差，它反应了斜断距的垂直分量。落差：指垂直于断层走向的剖面上的铅直断距。水平断距：指断层两盘上对应岩层中某一对应点之间的水平距离，它反应了斜断距的水平分量。平错：指垂直于断层走向的剖面上水平断距。图5-9落差、平错示意图ab——落差；bc——平错g0fHHHabc2）断层分类根据断层两盘相对位移方向分类：正断层——上盘相对下降，下盘相对上升的断层。逆断层——上盘相对上升，下盘相对下降的断层。平移断层——两盘岩块沿断层面作水平方向相对移动的断层。图5-10断层位移分类a—正断层b—逆断层定c—平移断层abc5.3地质条件对爆破的影响在露天工程爆破中，爆破工程地质是爆破方案和参数设计、爆破效果和爆破安全控制的基础和依据。爆破工程地质主要研究：地形、地质条件与爆破效果、爆破安全之间的相互关系，其目的是既要为爆破工程本身提供爆区地质条件，作为爆破设计的依据。还要为爆破后的工程设施提供工程地质条件变化的资料，以便使这些工程设施能适应爆破后的工程地质环境。与爆破关系较密切的地质条件是：地形、岩性、地质构造、水文地质和特殊地质等。1、地形条件地形条件是影响爆破效果和经济指标的重要因素。所谓地形条件——就是爆破区的地面坡度、临空面个数和形态，山体高低及冲沟分布等地形特征。这些条件是进行爆破设计必须充分考虑的重要因素。因为爆破方法及爆破范围的大小、爆破方量、抛掷方向和距离、堆积形状、爆破后的清方工作以