巖石的力學(xué)性質(zhì)

    用炸藥爆炸來破碎巖石是爆破工程的主要內(nèi)容，而炸藥爆炸加載于介質(zhì)的載荷是沖擊載荷，屬于動(dòng)力學(xué)范疇。因此，必須對(duì)巖石的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。沖擊載荷能使介質(zhì)中產(chǎn)生波的傳播，這種波在介質(zhì)中統(tǒng)稱為應(yīng)力波。研究巖石動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，首先應(yīng)研究載荷性質(zhì)、應(yīng)力波性質(zhì)及其傳播規(guī)律。

2.1.2.1  炸藥爆炸的載荷性質(zhì)

    根據(jù)介質(zhì)的應(yīng)變速率（見表2—2）、沖擊速度或加載速度的不同，載荷性質(zhì)可分為動(dòng)載荷和靜載荷。

表2-2載荷狀態(tài)分類

應(yīng)變速率是指應(yīng)變隨時(shí)間的變化率；沖擊速度是指試件一端質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于另一端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度；加載速度是指應(yīng)力隨時(shí)間的變化率。

    由表2—2中可看出，炸藥爆炸時(shí)周圍巖石的應(yīng)變速率達(dá)104以上，屬于動(dòng)載荷。礦巖受到爆炸作用時(shí)，其力學(xué)特性為動(dòng)力學(xué)特性。

2.1.2.2  巖石的波阻抗

    巖石密度p與縱波在該巖石中傳播速度C的乘積，稱為巖石的波阻抗。它有阻止波傳播的作用，即所謂對(duì)應(yīng)力波傳播的阻尼作用。實(shí)驗(yàn)表明，波阻抗值的大小除與巖石性質(zhì)有關(guān)外，還與作用于巖石界面的介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。巖石的波阻抗值對(duì)爆破能量在巖體中的傳播效率有直接影響，即炸藥的波阻抗值與巖石的波阻抗值相接近（相匹配）時(shí)，爆破傳給巖石的能量就多，在巖石中所引起的應(yīng)變值也就大，可獲得較好的爆破效果。

2.1.2.3  巖石的彈性與塑性

巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，其變形性質(zhì)可用應(yīng)力一應(yīng)變曲線表示，如圖2-1所示。根據(jù)變形性質(zhì)的不同，可分為彈性變形和塑性變形。彈性變形具有可逆性，即載荷消除后變形跟著消失，這種變形又分為線性變形和非線性變形兩種。當(dāng)應(yīng)力值在比例極限之內(nèi)時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，并遵守胡克定律；當(dāng)應(yīng)力值超過比例極限時(shí)，則進(jìn)入非線性彈性變形階段，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系不遵守胡克定律；當(dāng)應(yīng)力值超過極限抗壓強(qiáng)度（峰值）時(shí)，脆性材料則立即發(fā)生破壞．而塑性材料則進(jìn)入具有永久變形特性的塑性變形區(qū)。塑性變形是不可逆的，載荷消除后，部分變形將永久保留下來。但是，巖石與其他材料不同，在彈性區(qū)內(nèi)，應(yīng)力消除之后應(yīng)變并不能立即消失，而需要經(jīng)過一定時(shí)間才能恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為巖石的彈性后效。在彈性后效沒有消除之前，如果重新加載，巖石就會(huì)出現(xiàn)如圖2-2所示的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，其中加載與卸載圍成的環(huán)形，稱為巖石的彈性滯環(huán)。巖石破壞前不產(chǎn)生明顯殘余變形者，稱為脆性巖石。鐵礦山、有色金屬礦山的礦巖，大多屬于脆性巖石。

圖2-1巖石的應(yīng)力σ-應(yīng)變ε曲線

圖2-2反復(fù)加載與卸載的應(yīng)力σ-應(yīng)變ε曲線

2.1.2.4  巖體在爆炸沖擊載荷作用下的力學(xué)反應(yīng)

    巖體在爆炸沖擊載荷作用下產(chǎn)生一種波，通常稱為應(yīng)力波或縱波，它在巖體中傳播能引起巖體的變形乃至破壞。這種動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)是：

(1)炸藥爆炸首先形成應(yīng)力脈沖，使巖體表面產(chǎn)生變形和運(yùn)動(dòng)。由于爆轟壓力瞬間高達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬兆帕，會(huì)在巖體表面產(chǎn)生沖擊波。爆轟壓力的特點(diǎn)是突躍式上升、峰值高而作用時(shí)間短，并隨著沖擊波的傳播和衰減而變成應(yīng)力波，如圖2-3所示。

圖2-3炸藥爆炸形成的應(yīng)力波δ隨時(shí)間t變化曲線

    (2)巖體中某局部被激發(fā)的應(yīng)力脈沖是時(shí)間和距離的函數(shù)。由于應(yīng)力作用時(shí)間短，往往其前沿?cái)_動(dòng)才傳播了一小段距離而載荷已作用完畢，因此，在巖體中產(chǎn)生明顯的應(yīng)力不均現(xiàn)象。

    (3)巖體中各點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力呈動(dòng)態(tài)，即所發(fā)生的變形、位移和運(yùn)動(dòng)均隨時(shí)間而變化。

    (4)載荷與巖體之間有明顯的“匹配”作用。在炸藥與巖體緊密接觸的條件下爆炸時(shí)，爆轟壓力值與作用在巖體表面的應(yīng)力值并不相等。這是由于介質(zhì)或巖體的性質(zhì)不同，在不同程度上改變了載荷作用的大小。換言之，由于加載體與承載體性質(zhì)不同，匹配程度也不同，從而改變了作用結(jié)果和能量傳遞效率。