可爆性分級在露天礦生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳 剛

（神華新疆吉木薩爾能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

目前，爆破法在金屬礦山和非金屬礦開采中較為常見。炸藥用量與巖體性質(zhì)直接相關(guān)，為改善爆破效果，獲取更多經(jīng)濟(jì)效益，爆破施工方需深刻理解巖石性質(zhì)，以便選擇炸藥單耗并確定合理的爆破參數(shù)。巖石可爆性指巖石在炸藥爆炸作用下發(fā)生破壞的難易程度。它是巖石自身特性對爆破參數(shù)與相應(yīng)爆破結(jié)果的1 種量化分級描述。在大型露天礦中，采場分部范圍大，通常巖體由多種類型巖石構(gòu)成，其力學(xué)性質(zhì)往往存在顯著差別，因此準(zhǔn)確確定巖體可爆性并對其分級劃分，對大型露天礦生產(chǎn)中爆破作業(yè)環(huán)節(jié)具有重要指導(dǎo)意義[1]。

1 巖石性質(zhì)

巖石的主要物理性質(zhì)有密度、孔隙率、巖石的風(fēng)化程度、巖石波阻抗等；巖石物理力學(xué)性質(zhì)的不同呈現(xiàn)在彈性、塑性、脆性性質(zhì)，在同種外力作用下，不同性質(zhì)巖石也將產(chǎn)生不同的作用效果。脆性是堅(jiān)硬巖石的固有特征。巖石通常是各項(xiàng)異性、不均勻性、非線性變形等，體現(xiàn)了巖石在微觀層面上組成成分、結(jié)晶、結(jié)構(gòu)等差異。巖體彈性和塑性過渡并不明顯，有的巖石甚至在變形初期就進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。隨著外力逐步增大，當(dāng)外力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，巖石便開始破壞，此時(shí)的應(yīng)力值記為巖石極限強(qiáng)度。巖石受力方式的不同而有抗拉、抗剪、抗壓等極限強(qiáng)度、通常其應(yīng)力應(yīng)變曲線是隨動塑性的，從數(shù)值上看，巖石具有較高的抗壓強(qiáng)度，較小的抗剪和抗拉強(qiáng)度。

在巖體爆破中，炸藥爆炸后將產(chǎn)生1 個(gè)非常強(qiáng)的沖擊型荷載，持續(xù)時(shí)間極短，但加載速率極高，在這種情況下，巖石的力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生很大變化，其屈服極限、強(qiáng)度極限與同等靜載條件下的屈服極限、強(qiáng)度極限有明顯差別，變形模量也明顯增大，但由于在這方面影響因素很多，還缺少系統(tǒng)的定量數(shù)據(jù)[2]。

2 可爆性分級判據(jù)指標(biāo)

2.1 國外學(xué)者的判據(jù)指標(biāo)

根據(jù)什么判據(jù)指標(biāo)進(jìn)行巖石分級，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。最早的巖石可爆性分級是17 世紀(jì)霍夫曼提出的，按開挖方法和開挖工具的不同將巖石分為6 類。1889 年齊哈提出按開挖工具和開挖消耗的炸藥量和人工將巖石分為4 類9 級。1926 年前蘇聯(lián)普氏提出了以巖石試塊的靜載極限抗壓強(qiáng)度R（MPa）為巖石分級的判據(jù)，即普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)f＝R／10。普氏認(rèn)為巖石的堅(jiān)固性在各方面的表現(xiàn)趨于一致。根據(jù)f＝0.3～20 將巖石分為10 級，f 值大，則難鉆、難爆破、巖石穩(wěn)定；反之，f 值小，則易鉆、易爆破、巖石不穩(wěn)定。該方法由于簡單易用，至今仍被工程界廣泛應(yīng)用。但實(shí)際中巖石的可鉆性、可爆性并非完全一致，且?guī)r石的單軸靜載抗壓強(qiáng)度并不能表征巖石在爆炸沖擊作用下的物理行為。20 世紀(jì)50年代開始，日本提出以彈性波速、巖石裂隙間距、龜裂系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等因素對巖石進(jìn)行分級。美國則以破碎功指數(shù)，巖石彈性變形能系數(shù)為指標(biāo)的巖石爆破性分級。這一時(shí)期，前蘇聯(lián)則出現(xiàn)了蘇哈諾夫以炸藥單耗為指標(biāo)、巴隆以巖石表面能為指標(biāo)，哈努卡耶夫以巖石波阻抗為指標(biāo)的爆破性分級。蘇氏分級是以崩落1 m3巖石所消耗的炸藥量或單位炮眼長度將巖石的爆破性分為16 級，同時(shí)，規(guī)定了一系列的測試標(biāo)準(zhǔn)條件。炸藥單耗多、單位炮眼長，則巖石難爆；反之，則易爆。其未能很好地反映爆破塊度這一重要爆破效果。因此，蘇氏分級并不能確切地表征巖石的可爆性。由此可見，對巖石進(jìn)行爆破性分級的難度與復(fù)雜性[3]。

2.2 國內(nèi)學(xué)者的判據(jù)指標(biāo)

我國巖石爆破性分級走過了爆破性指數(shù)分級，穩(wěn)健模糊動態(tài)分級和礦巖可鉆性、可爆性和穩(wěn)定性綜合分級等研究歷程，按觀點(diǎn)和分級準(zhǔn)則的不同，可以分為以巖石強(qiáng)度、單位炸藥消耗量、彈性波速度、工程地質(zhì)參數(shù)以及巖石爆破能量等為準(zhǔn)則的5 類。

有學(xué)者并未能夠區(qū)分巖石堅(jiān)固性和可爆性的差別，認(rèn)為巖石堅(jiān)固性是表征巖石的鑿巖性和爆破性相一致的綜合指標(biāo)，但實(shí)際上某些巖石的堅(jiān)固性與可爆性并非一致。這里的實(shí)質(zhì)是未能區(qū)分塑性與脆性的差異，造成概念不清晰。致密堅(jiān)硬的巖石難以鑿巖，但脆性大時(shí)，爆破反而容易；相反，某些巖石雖然鑿巖性好，而爆破時(shí)由于產(chǎn)生塑性變形，要多吸收部分能量，爆破性反而不佳。在現(xiàn)實(shí)條件下，存在堅(jiān)固性強(qiáng)又具有很好可爆性的巖體，例如灰?guī)r、凝灰?guī)r，同時(shí)也有堅(jiān)固好但可爆性差的巖體，例如花崗巖。

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對巖石的可爆性進(jìn)行分級做了大量工作，主要是基于巖石強(qiáng)度、單位炸藥消耗量、工程地質(zhì)參數(shù)、巖石彈性波速度、巖石波阻抗、爆破巖石質(zhì)點(diǎn)位移、臨界速度、爆破功指數(shù)、巖石彈性變形能系數(shù)等參數(shù)作為分級依據(jù)。因?yàn)樗鼈兡軌驈牟煌膫?cè)面反映巖石的爆破性特點(diǎn)。但是這些指標(biāo)并沒有闡明爆破性的真正含義，沒有建立完整的分級體系，所以迄今為止國內(nèi)外尚無一種公認(rèn)的巖石爆破性分級方法[4]。

以單位炸藥量表征巖石的可爆性具有一定的離散性，不能真實(shí)反映可爆性特征。這是因?yàn)閱挝徽ㄋ幭牧渴軒r石性質(zhì)、炸藥性質(zhì)和用量等多因素影響影響，對于爆破作用的阻力完全不同的巖石，可能消耗相同的炸藥量。

巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征對巖石爆破性有重大影響。與巖石爆破性密切相關(guān)。因此，以巖石裂隙性即工程地質(zhì)參數(shù)作為分級判據(jù)是可取的。鑒于目前尚不能方便、準(zhǔn)確、定量地表達(dá)和區(qū)分原生裂隙和次生裂隙及其性狀，例如美國的洛勃申和巴托也只是強(qiáng)調(diào)了工程地質(zhì)參數(shù)的作用，而沒有直接和爆破效果聯(lián)系。

巖石彈性波速不但可以判斷巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)性狀，而且也是巖石的動力屬性，可以作為巖石物理力學(xué)特征的綜合度量。因此，巖石彈性波速度作為巖石的爆破性分級的判據(jù)之一是可行的。。

3 可爆性分級方法及在露天礦中的應(yīng)用

目前巖石可爆性分級確定方法可歸納為2 類[5]：①爆破技術(shù)人員根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對不同巖石的可爆性進(jìn)行分級；②對巖石某一或某些物理力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析處理，最終根據(jù)處理結(jié)果對巖石的可爆性進(jìn)行分級表征。第1 種方法難以避免人為因素的影響，爆破效果難以得到有效控制；第2 種方法又可詳細(xì)分為[6]：單一指標(biāo)分類法、多指標(biāo)綜合評判、運(yùn)用系統(tǒng)工程理論進(jìn)行分級。

可爆性分級方案或?qū)嵺`多樣，分別對應(yīng)不同的指標(biāo)選用與分級方法。如普式分級采用抗壓強(qiáng)度單一指標(biāo)分級；勒科謝達(dá)洛夫分級采用節(jié)理裂隙單一指標(biāo)分級；哈努恰耶夫分級采用抗壓強(qiáng)度、單耗、波阻抗指標(biāo)的綜合評判分級；庫圖佐夫分級采用抗壓強(qiáng)度、單耗、節(jié)理裂隙指標(biāo)的綜合評判分級；蘇氏分級采用密度、抗壓強(qiáng)度、節(jié)理裂隙的綜合評判分級；巖體可爆性分類的模糊聚類分析研究分級與巖體可爆性分級的加權(quán)聚類分析方法分級采用抗壓強(qiáng)度、單耗、波阻抗、節(jié)理裂隙指標(biāo)的聚類分析分級；巖體可爆性分級物元分析模型及其應(yīng)用與大冶鐵礦一次成井爆破的巖體可爆性評價(jià)分級及灰色關(guān)聯(lián)分析在巖體可爆性分級中的應(yīng)用采用抗壓強(qiáng)度、單耗、波阻抗、節(jié)理裂隙指標(biāo)進(jìn)行物元分析與回歸分析分級；南芬露天鐵礦的巖體可爆性分級方法及其應(yīng)用分級與一種基于加權(quán)聚類分析的巖體可爆性分級方法分級采用容重、沖擊動載強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、完整性系數(shù)指標(biāo)的聚類分析與灰色關(guān)聯(lián)分級；基于物元分析理論的巖體可爆性分級采用密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、縱波速度指標(biāo)的物元分析分級；基于模糊識別的巖體可爆性分級采用密度、抗拉強(qiáng)度、完整性系數(shù)指標(biāo)的模糊識別分級；巖體可爆性分級判別的屬性測度模型及其應(yīng)用分級采用密度、單耗、波阻抗、節(jié)理裂隙指標(biāo)的屬性識別分級；巖體可爆性分級數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用分級采用密度、沖擊動載強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、完整性系數(shù)指標(biāo)的聚類分析分級；程潮鐵礦采場可爆性模糊綜合評價(jià)采用抗壓強(qiáng)度、單耗、波阻抗、節(jié)理裂隙指標(biāo)的模糊識別分級[7]。

巖石可爆性分級在露天礦中的應(yīng)用主要在于為炸藥單耗理論選取提供依據(jù)。目前，炸藥單耗的選取主要考慮巖石堅(jiān)固性系數(shù)與爆破粒徑要求。巖石可爆性分級表見表1。

表1 巖石可爆性分級表

可爆性分級不僅考慮了巖石的基本性質(zhì)，而且考慮了為獲取最好的爆破破碎效果，對所采用的炸藥品種和炸藥單位消耗量做了相應(yīng)規(guī)定。確定炸藥單耗選取后可根據(jù)裝藥量公式理論計(jì)算孔排距，直接決定爆破施工的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。為爆破施工提供理論依據(jù)[8]。

堅(jiān)硬巖石代表種類有花崗巖、玢巖、閃長巖、玄武巖、片麻巖等。中等堅(jiān)硬巖石代表種類有白云巖、石灰?guī)r、大理巖、砂質(zhì)礫巖、頁巖等。松軟巖石代表種類有泥灰?guī)r、片巖等。

4 結(jié)語

分析了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)特征，巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和巖石彈性波速對巖體可爆性有較大影響。從現(xiàn)有理論出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)際，提出了可爆性分級表，為爆破施工提供理論依據(jù)。