瞬時(shí)爆破中巖石破碎機(jī)理的探討

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

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

巖石爆破產(chǎn)生的破碎效應(yīng)是工程效益指標(biāo)之一，對(duì)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(yùn)輸?shù)仁┕すば虻男室约俺杀荆瑫r(shí)還影響著鉆井作業(yè)、道路工程、堤壩工程的滲透性與沉降性。因此巖石破碎機(jī)理的研究一直都是巖石研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，本文筆者對(duì)瞬時(shí)爆破中巖石破碎機(jī)理的相關(guān)內(nèi)容，做了簡(jiǎn)單的論述。

瞬時(shí)爆破巖石破碎機(jī)理理論分析

巖石的硬度比較高，并且耐研磨性強(qiáng)，這些特性對(duì)鉆井作業(yè)中巖石破碎工作增加了一定的難度，而且一些機(jī)械設(shè)備的鉆頭適應(yīng)性比較差，造成巖石破碎的效率低，所以在實(shí)際巖石破碎工程中，通常采取瞬時(shí)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(shí)際應(yīng)用前要充分了解巖石的機(jī)理。

1 巖石破碎機(jī)理研究現(xiàn)狀

根據(jù)巖石破碎的機(jī)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(jī)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(shí)際壓力要低于2×107Pa，此種方法多被應(yīng)用在水力煤礦開采作業(yè)中。而高壓小流量的壓力為幾億帕，常被應(yīng)用在切割巖石作業(yè)中。熱力破碎法指的是：在巖石內(nèi)部形成高溫梯度，利用高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)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(jī)械破巖法主要分為切削、沖鑿、碾壓、研磨這四種。

其中瞬時(shí)爆炸破碎（爆炸破碎），通過(guò)科學(xué)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(shí)爆破中巖石破碎機(jī)理問(wèn)題一直都是學(xué)者爭(zhēng)議的熱點(diǎn)，近年來(lái)該種方法常被應(yīng)用于煤礦開采作業(yè)中，對(duì)提高煤礦的開采效率有著重要的作用，本文主要是對(duì)該種方法中巖石破碎的機(jī)理進(jìn)行分析。

2 以巖漿巖為例分析巖石爆破機(jī)理

2.1 巖石的物理學(xué)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(jī)理，經(jīng)過(guò)取心井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(cè)量實(shí)驗(yàn)，將巖石試樣放置在110-115℃溫度下，持續(xù)烘干1天-2天，烘干結(jié)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(cè)量的過(guò)程中將數(shù)據(jù)精確到0.01g，再計(jì)算巖石塊體的單位體積質(zhì)量，表1是其中一部分巖石密度的測(cè)量結(jié)果。

表1 部分巖石密度測(cè)量結(jié)果

2.2 巖石的硬度與塑性

在瞬時(shí)爆破巖石作業(yè)中，主要考慮的是巖石的硬度與塑性，將巖石的這兩大機(jī)理特征作為爆破作業(yè)的數(shù)據(jù)參考，確定炸藥的使用量以及爆破技術(shù)的應(yīng)用。巖石硬度指的是巖石破碎時(shí)，其接觸面單位面積所承載的負(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果主要以壓頭侵入巖石后，首次發(fā)生的破碎壓強(qiáng)數(shù)作為指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括巖石自動(dòng)切片機(jī)、恒溫干燥箱、位移傳感器以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等。

實(shí)驗(yàn)流程：將圓柱形巖心使用巖石自動(dòng)切片機(jī)，做端面切割處理。其長(zhǎng)度保持在30mm-70mm范圍內(nèi)，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(nèi)，烘烤2小時(shí)左右。把制備的樣品置于圓柱型壓模下加壓，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并繪制載荷-吃入深度關(guān)系曲線圖，在巖石發(fā)生首次躍進(jìn)式破碎后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。每塊巖樣做5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖石硬度形態(tài)有三種，如圖1所示，其中橫坐標(biāo)代表的是壓頭侵入深度，縱坐標(biāo)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(jù)取點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)接觸面上單位面積上的載荷，用下式計(jì)算：

公式中：Py為產(chǎn)生破碎時(shí)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(lái)，爆破理論中模型研究已經(jīng)引入了非線性科學(xué)理論，非線性研究的主要是利用分形、混沌計(jì)、灰色系統(tǒng)等理論，其主要應(yīng)用如下：利用模糊數(shù)學(xué)將礦巖爆破區(qū)域分區(qū)；利用分形幾何原理，預(yù)測(cè)爆破塊度的具體分布；使用分形維數(shù)描述巖體結(jié)構(gòu)。這些方法應(yīng)用于巖石爆破作業(yè)中，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成就，非線性方法受到了眾多學(xué)者的青睞。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代爆破技術(shù)已經(jīng)有了極大的改觀，但是在實(shí)際巖石爆破工作中，還需要加大巖石破碎機(jī)理的研究力度，瞬時(shí)爆破技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要充分考慮巖石的物理機(jī)理。

[1]朱海燕,劉清友,鄧金根,王國(guó)榮,廖建華.沖旋鉆井條件下的巖石破碎機(jī)理 [J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2012（04）.

[2]吳其干.巖石可鉆性及巖石破碎機(jī)理探討 [J].西部探礦工程,2015（01）.

[3]孔祥松,劉響鐘,周紀(jì)軍,夏宇,單鵬.巖石工程爆破破碎的機(jī)理研究 [J].礦業(yè)研究與開發(fā),2013（04）.

瞬時(shí)爆破中巖石破碎機(jī)理的探討

■孫金柱1羅烈飛2

P[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-10-347-1