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 2021-11-05 10:11

英语原文共 218 页

第五章、岩石性质

岩石性质对爆破效果的影响往往大于用于爆破岩体的炸药的性质。不同的材料层、风化层、层理面、节理和其他不连续面在爆破设计中可能带来相当大的挑战。在某些情况下,这些地质特征使得大量的爆炸能量被浪费,而不是作用在岩石上。

紧密节理的岩石需要相对较低的炸药单耗才能达到满意的破碎、位移和桩体松散程度。在坚硬的块状岩石中需要相当高的炸药或能量单耗。在这种情况下,爆炸能量可以劈开并扩展少量已存在的裂缝,并且必须生成大量的新裂缝才能实现所需的破碎。

炸药的威力因岩石类型而异。在沉积地层中,如页岩或砂岩中,一种低能炸药(如铵油炸药)通常产生足够的应变造成足够的碎片。更坚固、密度更大的岩石需要更高的能量炸药。

岩石性质影响采矿作业的许多方面:

bull;bull;钻井设备和炸药的选择。

在大块岩石中可能需要足够的破碎而不是大直径的炮眼。在节理紧密的岩石中,容易产生细破碎,废桩松动往往成为爆破的主要目的。这种情况需要具有高抛掷能的炸药。

bull;操作过程。

在紧密连接或风化的岩石中,在爆破块附近钻孔的炮眼在爆破时可能会丢失。沿工作台连续钻孔是通常的做法。在某些情况下,模式可能与爆炸块的末端对齐。

bull;爆炸几何形状和延时定时。

更紧密的连接鼓励使用更大的炮眼直径、排距和炮眼间距、更长的封塞柱和相关装药之间更长的延迟。

bull;爆破的不良副作用。

随着风化作用、节理频率、方向和岩体含水量的增加,未开采的边坡和最终边坡的塌方可能性和潜在不稳定性增加。

爆轰和破碎

Orica爆炸物使用CPeX(爆炸物的商业性质)爆炸代码来计算爆炸物的“破碎能”和“抛掷能”。CPeX是第一个能有效考虑岩石性质和炮眼直径对炸药性能影响的准则。它认识到爆轰和岩石破碎过程有两个相当不同的阶段。

炮眼的扩张阶段

冲击波能量是在炮眼膨胀过程中传递到炮眼平衡点的。裂缝是由爆轰产生的高压缩应力波引起的。

气体膨胀阶段

气体能量是在气体膨胀阶段输送的。这种能量通过扩展裂缝进一步破碎,并抬升破碎的岩石。

岩石破碎过程

冲击能量

当炸药在炮眼内爆炸时,强烈的压缩应力波被传送到岩体中。当炸药产生的压缩应力波通过岩体时,径向压缩应力产生互补的拉应力。在炮眼周围,拉应力会形成致密的裂纹网络,当拉应力超过岩石的抗拉强度时,就会产生新的裂纹(图5.1)。

当压缩应力波冲击岩石的自由面或岩石的开口不连续面时,拉应力波被反射回炮眼,岩石也会发生剥落(图5.2)。

冲击波能不应被误认为碎裂能。碎裂也发生在岩石破碎的后续阶段,并不仅仅是岩石结构受拉破坏的结果。

气体能量

岩体中由拉应力引起的裂缝,在高压爆炸气体的作用下扩展到裂缝和节理中。裂缝进一步扩大,爆炸气体开始推动岩体向前移动。岩石破碎过程中所消耗的气体能量称为抛掷能量。

高压爆炸气体最终以100 MPa(1000个大气压)左右的压力逃逸到大气中,此时对岩体的有效作用停止。释放到这一点的总能量称为破碎能,等于相对有效能。

总而言之:

冲击能 气体能量=破碎能源

气体能量=抛掷能量

自由面影响

自由面和张开节理在岩石破碎过程中起着重要作用。使用小型炮孔和部分Powergel药筒爆开一个圆石(有许多自由面),可以令人满意地以0.05 kg/m3的粉末率破碎。相比之下,在同一块岩石中,一个紧窄的沟槽或斜坡,一个自由面,可能需要超过0.7 kg/m3的粉末系数才能得到足够的结果。

自由面-位于炮眼的最佳距离,使炸药能量对岩体进行最大的工作。如果一个爆炸有两个自由面而不是一个,那么它的效率会更高。

负荷过多

如果到合理的自由工作面距离太大(负担过重),爆炸能量的大部分会在炮孔附近的岩石被过度破碎时消散,更多的能量会以振动的形式释放出来(图5.3 (a))。由于缺乏运动的自由度,爆炸气体不能使裂纹扩展,从而导致破碎和堆渣松动。

负荷过少

负荷不足导致高压爆炸气体过早排出,从而产生鼓风和飞石(图5.3 (b))。

负荷适当

最佳自由工作面爆破要求到自由工作面(可能包括工作台顶部)的距离足以容纳爆炸气体,但又足够短,足以发生激波引起的裂纹和剥落(图5.3 (c))。这迫使爆炸气体做有用的工作,使岩石破碎。岩体的性质决定了炮眼的正确位置。即使在同一矿区,岩石特性的变化也会影响理想的爆破几何形状。

缓冲爆破

在缓冲爆破中,前一次爆破产生的破碎岩石与坚硬的岩石表面发生碰撞。因此,有效负荷比钻孔负荷大。这增加的负荷(正如“看到”的爆破费用),减少运动的爆破岩石和一些岩石破碎过程不能发生。因此,破碎作用可能不明显,但岩石的松散性和可挖性降低。为了保持生产效率,常常需要更高的炸药单耗。

岩石性质的影响

影响爆破最重要的岩体性质包括:

bull;岩石强度和完好的岩石性质;

bull;岩体结构(节理和或层面);

bull;岩体的可变性。

岩石强度

通过对现场岩石样品的采集、检验和测试,对影响爆破效果的物理特性进行量化。表5.1总结了澳大利亚地表煤矿岩石的一些典型性质。

压缩/拉伸强度

岩石的动态抗压强度远远大于动态抗拉强度,因此在爆炸过程中产生的新断裂面中,抗拉破坏占了绝大部分。

动态抗压

强度岩石的动态抗压强度可达其静态抗压强度的10倍。当岩石的动态抗压强度较低时,爆炸能量的较大比例被消耗在炮眼周围岩石的破碎和变形中。在高动态抗压强度的岩石中,炮眼破碎最小(几毫米),炸药应变能的更大比例用于产生裂缝网络(图5.4)。

动态拉伸强度

岩石的抗拉强度值随岩石类型的不同而有很大的差异。典型值如表5.1所示;动态拉伸强度可达静态拉伸强度值的10倍。

弹性和韧性

有些岩石能够承受相当大的压力和变形,然后才会破裂和断裂。岩石的弹性通常用杨氏模量(E)来描述

相对于应变或变形量施加的应力或压力的比值。杨氏模量低的岩石在破坏前变形更大,吸收更多的能量。杨氏模量对升沉性能也有影响;岩石越坚硬(E值越高)反应越快。杨氏模量的典型值如表5.1所示。

泊松比

泊松比定义为单向压缩或拉伸弹性材料的横向应变与轴向应变之比。任何岩石类型的静泊松比都可以通过无侧限抗压强度试验来确定。动态值由声速试验中测得的“PI”和“S”波速计算得到。

泊松比不能超过0.5,对于大多数弹性固体,泊松比大约为0.25。一般岩石类型的典型范围为0.2 ~ 0.3,高风化砂岩的极值为0.15,湿粘土材料的极值为0.35。

内部摩擦

软质多孔岩石内摩擦大,容易引起炮眼壁塑性变形。这导致应力波能量耗散率很高。几乎没有能量被带出炮眼的直接附近,而且在块内的破坏是有限的。在干燥、粗粒、胶结较弱的砂岩中,由于应力波能量的极高耗散,使炮眼壁膨胀,并在装药的直接附近将岩石压碎,因此炮孔趋向于“过饱和”。

内摩擦是通过在实验室中测试完整的岩石样品来确定的。现场测量能更准确地反映岩石对爆破的反应,但并不经常进行。

硬/软岩石性质摘要

如果岩石被简单地归类为硬/硬或中/软,那么有效地爆破硬、硬岩石;

bull;需要产生许多新的裂缝;

bull;要求炮眼压力大;

bull;增加噪音和飞岩的风险;

bull;最好使用具有高破碎能的炸药。

爆破介质/软质材料时;

bull;炸药装药周围经常发生塑性变形、破碎和鼓泡;

bull;不需要高峰值压力的炸药;

bull;破碎作用取决于气体渗透引起的裂纹和节理的张开;

bull;对于具有高抛掷能的炸药,采用地面振动衰减较快的方法是合适的。

密度、孔隙度和饱和度

高密度岩石需要更高的能量单耗,以克服岩体的惯性,使破碎的岩石隆起和松动。

岩体中的地下水密度增大,会影响地面沉降。然而,更重要的是水对炸药性能的影响。水对铵油炸药等炸药的损坏,因此这应该是喷枪人员首要关注的问题之一。裂纹和节理中的水有助于将冲击波从早期的点火电荷传播到可能受到不利影响的邻近的后期点火电荷。

岩石内部的孔隙率降低了炸药的气体压力,因为气体楔入岩石。由于裂缝在孔隙处终止,裂缝在岩体中的扩展也受到抑制。除非使用较高的炸药单耗,否则爆破效果较差。

节理面和裂隙

岩体中节理面的作用通常比岩体的力学和物理性质更为重要。预先存在的裂缝倾向于主导爆破诱导的裂缝类型。在所有爆破变量中,天然断裂频率对爆破破碎度和作业成本的影响最大。

密集的裂隙改善了岩石的破碎性,而在硬岩石中,会发生类似于软质低强度材料的行为。可以使用相对较低的粉体因素,岩石破坏到自然节理面会造成可接受的破碎。

节理是影响爆破岩石破碎程度和爆破成本的最重要变量。当岩体中含有三组相互垂直的紧密间隔的节理时,通常能达到良好的破碎效果。如果岩体被充分置换,它就会分解成结构控制良好的破碎体。

当主节理面平行于面时,通常可以获得最大的断裂(图5.5)。新形成的工作面往往是一个节理,因此炮眼间距大于炮眼的承载能力可以令人满意地使用。

当爆炸气体楔状裂缝张开时,倾斜的主节理平面会导致爆炸柱切断或回弹。这可能会对钻井产生不利影响,并导致下一排炮眼的底部负担过重。设计台架可从另一个方向接近岩体,从而改善钻孔和爆破的几何形状。

在节理间距较大的岩石中;

bull;以交错方式钻爆破孔;

bull;使用体积破碎能高的炸药;

bull;炸药柱底部的质料;

bull;用有棱角的碎石而不是钻屑进行爆破。。

显著的水平层理平面可以像关节平面一样隔离岩块。这对于封堵带的层理面和盖层尤其如此。通过在封堵柱内集中放置一个小袋装药,可以改善颈圈岩石的破碎性,但必须注意确保气爆可控(图5.7)。

岩体的变化

岩体变异性对爆破设计和爆破效果有重要影响。不同材料、风化层、节理等特征的岩体影响炮眼位置和起爆顺序。

不同岩石类型的岩层在垂直和倾角方向上的厚度可以从毫米到几十米不等。在小范围内,一种特殊类型的岩石可能具有不同的物理性质,这取决于风化程度、埋藏深度和变形程度。相关的岩石性质可以通过实验室测试来确定,但是如果要获得有意义的结果,可能需要从几个地点取样。

应在岩石横向变化显著的地区进行小爆破。这为挖掘设备提供了必要数量的爆堆,并允许密切观察可挖性。如果可挖性因覆盖层性质的变化而变化,则这些信息可用于修改后续爆炸的设计。

如果脆弱层与柔软层之间存在较强的岩层,则在较强层内确定炸药装药位置,可获得较好的爆破效果(图5.6)。如果硬岩石层很薄,高能炸药的小袋装药可能有效。

在由强、弱交替岩层组成的覆盖层中,可以在层间空间采用砾石充装或充气充装。高能炸药应放置在每一坚固层的中央,以最大限度地破碎。

盖层爆破

靠近工作台顶部的一层坚硬的岩石需要一个位于其内部和下方的炸药。这将有效地碎裂和提升坚固的材料。

如果爆破模式和炮眼直径太大而无法爆破盖层,可能需要在钻孔模式的中间增加一个孔。这被称为“卫星”或“刺孔”(图5.7):

在使用直径311毫米的炮眼钻出12米x12米(料层x间距)的正方形图样的典型情况下,在图样的中心钻出一个卫星孔。这个刺孔应该钻到盖层的底部,如果盖层非常薄,应该钻到盖层的底部以下。

小直径炮石钻在小的负担和小间距,往往用来确保炸药位于盖层内。

巨大的岩石

巨大的岩石需要在爆炸中产生大部分的裂缝。高能冲击炸药最大限度地提高岩石的应变,以改善破碎。为了改善大块岩石的应变能分布,应在等边三角形模式上钻孔爆破。

块状和水平层状岩石对超挖和岩壁控制技术反应良好。随着风化作用、滑移面、剪切面和光滑节理面等因素的增加,岩壁的塌方和失稳现象增加。

如果覆盖层从顶部到底部始终保持较强的强度,炮眼通常位于覆盖层/煤接触面上方。这有助于避免破坏煤层顶部。如果一层非常脆弱或柔软的物质正好位于煤的上方,炮眼通常可以在坚硬岩石的底部终止。

测量

为了确定完整岩石样品的物理特性和弹性行为,经常进行实验室测试和测量。静态抗压强度和抗拉强度试验结果为爆破设计和计算机模拟提供了有价值的信息。

小块完整岩石中含有微裂缝,不能反映影响爆破效果的主要不连续性的影响。为了补充资料,经常进行现场测量,而井间地震勘探则提供关于不连续点(如节理和层理面部)的频率、性质和方向的资料。炮眼测井提供了有关密度、声速和岩石质量变化的有价值的信息。这些度量提供了对整体更好的理解。

第六章、爆炸几何与设计

当开始工作新煤矿或现有矿山的新区域时,有必要为生产爆破开发一个或多个初始设计。 应该使用一些根据多年相关实践经验得出的“经验法则”来开发这些设计。 如果对岩体特性进行了详细评估,可以使用Sabrex建模来开发初始爆破设计。

然后必须逐步改进初始爆破设计以优化爆破结果和成本。 在某些情况下,爆破设计还必须最小化飞石,并控制地面空气振动。 爆破的这些环境方面将在第12章中介绍。

爆炸几何

爆破结果受到爆破块的形状和大小以及爆炸物分布的影响。爆破尺寸,边界几何形状和爆破孔位置对钻孔要求,破碎,堆积剖面和松散以及挖掘生产率具有显着影响。

岩块的形状和尺寸将显着影响整体爆破性能。当爆炸发射到单个自由面时,岩块末端的向前运动小于其中心附近的向前运动,因为静止的岩石旁边施加摩擦力的“拖曳力”。随着爆破块长度与前后宽度的增加,这种“借出效应”的幅度减小。如果沿着爆破块面的长度远小于其宽度,则向前移动受这些影响更大阻力。

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