瞬时爆破中岩石破碎机理的探讨

（南京大学地球科学与工程学院 江苏南京210000；2江西省昌水建设工程有限公司 江西南昌330095）

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岩石爆破产生的破碎效应是工程效益指标之一，对土建工程、水利工程以及矿山工程等均有一定的影响。岩石破碎直接影响着铲装与运输等施工工序的效率以及成本，同时还影响着钻井作业、道路工程、堤坝工程的渗透性与沉降性。因此岩石破碎机理的研究一直都是岩石研究领域中的热点，本文笔者对瞬时爆破中岩石破碎机理的相关内容，做了简单的论述。

瞬时爆破岩石破碎机理理论分析

岩石的硬度比较高，并且耐研磨性强，这些特性对钻井作业中岩石破碎工作增加了一定的难度，而且一些机械设备的钻头适应性比较差，造成岩石破碎的效率低，所以在实际岩石破碎工程中，通常采取瞬时爆破的方法，这种岩石破碎方法虽然可以提高破碎效率，但是在实际应用前要充分了解岩石的机理。

1 岩石破碎机理研究现状

根据岩石破碎的机理划分破岩方法，主要可以分为以下几种：水射岩石流破法、爆炸破碎岩石法、热力破碎岩石法以及机械破碎岩石法等。其中水射流破碎法主要包括低压大流量以及高压小流量。其中低压大流量的实际压力要低于2×107Pa，此种方法多被应用在水力煤矿开采作业中。而高压小流量的压力为几亿帕，常被应用在切割岩石作业中。热力破碎法指的是：在岩石内部形成高温梯度，利用高温产生的热应力，将岩石破碎。常用的加热方法包括铝离子焰、微波、红外线照射、电流、激光等。机械破岩法主要分为切削、冲凿、碾压、研磨这四种。

其中瞬时爆炸破碎（爆炸破碎），通过科学合理的配比炸药或者其他爆炸物，在一瞬间完成爆炸，在爆破的瞬间释放的能量可以岩石破碎。瞬时爆破中岩石破碎机理问题一直都是学者争议的热点，近年来该种方法常被应用于煤矿开采作业中，对提高煤矿的开采效率有着重要的作用，本文主要是对该种方法中岩石破碎的机理进行分析。

2 以岩浆岩为例分析岩石爆破机理

2.1 岩石的物理学特性

本文以松辽盆地北部岩浆岩分布特征分析岩石破碎机理，经过取心井统计数据最终可以得出：松辽盆地北部岩浆岩类型主要为两种，包括熔岩类、火山碎屑岩。

采取体积密度法，做岩石干密度测量实验，将岩石试样放置在110-115℃温度下，持续烘干1天-2天，烘干结束后将试样放到干燥器中，待其冷却后，称量烘干后的试样，在测量的过程中将数据精确到0.01g，再计算岩石块体的单位体积质量，表1是其中一部分岩石密度的测量结果。

表1 部分岩石密度测量结果

2.2 岩石的硬度与塑性

在瞬时爆破岩石作业中，主要考虑的是岩石的硬度与塑性，将岩石的这两大机理特征作为爆破作业的数据参考，确定炸药的使用量以及爆破技术的应用。岩石硬度指的是岩石破碎时，其接触面单位面积所承载的负荷，本文采用圆柱压入方法，使用钢制压膜试件，其直径为3mm、硬度为HRC60-62，实验结果主要以压头侵入岩石后，首次发生的破碎压强数作为指标。实验设备包括岩石自动切片机、恒温干燥箱、位移传感器以及动态应变仪等。

实验流程：将圆柱形岩心使用岩石自动切片机，做端面切割处理。其长度保持在30mm-70mm范围内，岩石端面平行度的误差要控制在0.04mm以下。在岩样制备后，将试件置于100℃干燥箱内，烘烤2小时左右。把制备的样品置于圆柱型压模下加压，利用数据采集系统收集数据并绘制载荷-吃入深度关系曲线图，在岩石发生首次跃进式破碎后，结束实验。每块岩样做5次重复实验。

实验结果：经过实验结果发现岩石硬度形态有三种，如图1所示，其中横坐标代表的是压头侵入深度，纵坐标代表的是压头施加的载荷。图中曲线分是：脆性岩石、塑脆性岩石和塑性岩石。根据取点实验测试得出：岩石硬度分布1340Mpa～4115.7Mpa，其平均硬度是2459MPa。

图1 岩石变形曲线图

岩石的硬度Py即为脆性破碎时接触面上单位面积上的载荷，用下式计算：

公式中：Py为产生破碎时压头的载荷，S则为压头的面积。

公式中：AF是岩石破碎前消耗的总功，则AE为岩石弹性变形功。

2.3 不确定模型

近年来，爆破理论中模型研究已经引入了非线性科学理论，非线性研究的主要是利用分形、混沌计、灰色系统等理论，其主要应用如下：利用模糊数学将矿岩爆破区域分区；利用分形几何原理，预测爆破块度的具体分布；使用分形维数描述岩体结构。这些方法应用于岩石爆破作业中，已经取得了不错的成就，非线性方法受到了众多学者的青睐。

3 结语

现代爆破技术已经有了极大的改观，但是在实际岩石爆破工作中，还需要加大岩石破碎机理的研究力度，瞬时爆破技术应用时需要充分考虑岩石的物理机理。

[1]朱海燕,刘清友,邓金根,王国荣,廖建华.冲旋钻井条件下的岩石破碎机理 [J].应用基础与工程科学学报,2012（04）.

[2]吴其干.岩石可钻性及岩石破碎机理探讨 [J].西部探矿工程,2015（01）.

[3]孔祥松,刘响钟,周纪军,夏宇,单鹏.岩石工程爆破破碎的机理研究 [J].矿业研究与开发,2013（04）.

瞬时爆破中岩石破碎机理的探讨

■孙金柱1罗烈飞2

P[文献码]B

1000-405X（2016）-10-347-1