瞬時爆破中巖石破碎機理的探討

（南京大學地球科學與工程學院 江蘇南京210000；2江西省昌水建設工程有限公司 江西南昌330095）

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巖石爆破產生的破碎效應是工程效益指標之一，對土建工程、水利工程以及礦山工程等均有一定的影響。巖石破碎直接影響著鏟裝與運輸等施工工序的效率以及成本，同時還影響著鉆井作業、道路工程、堤壩工程的滲透性與沉降性。因此巖石破碎機理的研究一直都是巖石研究領域中的熱點，本文筆者對瞬時爆破中巖石破碎機理的相關內容，做了簡單的論述。

瞬時爆破巖石破碎機理理論分析

巖石的硬度比較高，并且耐研磨性強，這些特性對鉆井作業中巖石破碎工作增加了一定的難度，而且一些機械設備的鉆頭適應性比較差，造成巖石破碎的效率低，所以在實際巖石破碎工程中，通常采取瞬時爆破的方法，這種巖石破碎方法雖然可以提高破碎效率，但是在實際應用前要充分了解巖石的機理。

1 巖石破碎機理研究現狀

根據巖石破碎的機理劃分破巖方法，主要可以分為以下幾種：水射巖石流破法、爆炸破碎巖石法、熱力破碎巖石法以及機械破碎巖石法等。其中水射流破碎法主要包括低壓大流量以及高壓小流量。其中低壓大流量的實際壓力要低于2×107Pa，此種方法多被應用在水力煤礦開采作業中。而高壓小流量的壓力為幾億帕，常被應用在切割巖石作業中。熱力破碎法指的是：在巖石內部形成高溫梯度，利用高溫產生的熱應力，將巖石破碎。常用的加熱方法包括鋁離子焰、微波、紅外線照射、電流、激光等。機械破巖法主要分為切削、沖鑿、碾壓、研磨這四種。

其中瞬時爆炸破碎（爆炸破碎），通過科學合理的配比炸藥或者其他爆炸物，在一瞬間完成爆炸，在爆破的瞬間釋放的能量可以巖石破碎。瞬時爆破中巖石破碎機理問題一直都是學者爭議的熱點，近年來該種方法常被應用于煤礦開采作業中，對提高煤礦的開采效率有著重要的作用，本文主要是對該種方法中巖石破碎的機理進行分析。

2 以巖漿巖為例分析巖石爆破機理

2.1 巖石的物理學特性

本文以松遼盆地北部巖漿巖分布特征分析巖石破碎機理，經過取心井統計數據最終可以得出：松遼盆地北部巖漿巖類型主要為兩種，包括熔巖類、火山碎屑巖。

采取體積密度法，做巖石干密度測量實驗，將巖石試樣放置在110-115℃溫度下，持續烘干1天-2天，烘干結束后將試樣放到干燥器中，待其冷卻后，稱量烘干后的試樣，在測量的過程中將數據精確到0.01g，再計算巖石塊體的單位體積質量，表1是其中一部分巖石密度的測量結果。

表1 部分巖石密度測量結果

2.2 巖石的硬度與塑性

在瞬時爆破巖石作業中，主要考慮的是巖石的硬度與塑性，將巖石的這兩大機理特征作為爆破作業的數據參考，確定炸藥的使用量以及爆破技術的應用。巖石硬度指的是巖石破碎時，其接觸面單位面積所承載的負荷，本文采用圓柱壓入方法，使用鋼制壓膜試件，其直徑為3mm、硬度為HRC60-62，實驗結果主要以壓頭侵入巖石后，首次發生的破碎壓強數作為指標。實驗設備包括巖石自動切片機、恒溫干燥箱、位移傳感器以及動態應變儀等。

實驗流程：將圓柱形巖心使用巖石自動切片機，做端面切割處理。其長度保持在30mm-70mm范圍內，巖石端面平行度的誤差要控制在0.04mm以下。在巖樣制備后，將試件置于100℃干燥箱內，烘烤2小時左右。把制備的樣品置于圓柱型壓模下加壓，利用數據采集系統收集數據并繪制載荷-吃入深度關系曲線圖，在巖石發生首次躍進式破碎后，結束實驗。每塊巖樣做5次重復實驗。

實驗結果：經過實驗結果發現巖石硬度形態有三種，如圖1所示，其中橫坐標代表的是壓頭侵入深度，縱坐標代表的是壓頭施加的載荷。圖中曲線分是：脆性巖石、塑脆性巖石和塑性巖石。根據取點實驗測試得出：巖石硬度分布1340Mpa～4115.7Mpa，其平均硬度是2459MPa。

圖1 巖石變形曲線圖

巖石的硬度Py即為脆性破碎時接觸面上單位面積上的載荷，用下式計算：

公式中：Py為產生破碎時壓頭的載荷，S則為壓頭的面積。

公式中：AF是巖石破碎前消耗的總功，則AE為巖石彈性變形功。

2.3 不確定模型

近年來，爆破理論中模型研究已經引入了非線性科學理論，非線性研究的主要是利用分形、混沌計、灰色系統等理論，其主要應用如下：利用模糊數學將礦巖爆破區域分區；利用分形幾何原理，預測爆破塊度的具體分布；使用分形維數描述巖體結構。這些方法應用于巖石爆破作業中，已經取得了不錯的成就，非線性方法受到了眾多學者的青睞。

3 結語

現代爆破技術已經有了極大的改觀，但是在實際巖石爆破工作中，還需要加大巖石破碎機理的研究力度，瞬時爆破技術應用時需要充分考慮巖石的物理機理。

[1]朱海燕,劉清友,鄧金根,王國榮,廖建華.沖旋鉆井條件下的巖石破碎機理 [J].應用基礎與工程科學學報,2012（04）.

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瞬時爆破中巖石破碎機理的探討

■孫金柱1羅烈飛2

P[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-347-1