利用地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查方法確定裂隙巖體爆破最小抵抗線方向

胡建軍,余 斌,郭利杰

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

巖石爆破技術(shù)廣泛應(yīng)用于邊坡開挖、隧道掘進和礦產(chǎn)開采等各個領(lǐng)域，天然巖體由于含有大量的斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，致使其并非表現(xiàn)均質(zhì)體，而是具有顯著的各向異性。這一地質(zhì)特征會使爆破過程中爆炸能量分布不平衡，嚴(yán)重阻礙應(yīng)力波的傳播，影響爆破效果[1]。巖體中結(jié)構(gòu)面的存在對爆破效果的影響，一直是國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究重點[2-8]，其對改善露天邊坡巖體爆破效果具有重要意義。

巖體的結(jié)構(gòu)面形態(tài)特征和力學(xué)特征往往是最小抵抗線方向選擇的主要依據(jù)，合理的最小抵抗線方向?qū)β短毂朴惺掳牍Ρ兜淖饔茫粗畷a(chǎn)生爆破過程中炸藥浪費、塊度不合理等現(xiàn)象[9-13]，因此露天爆破前研究結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與爆破最小抵抗線方向關(guān)系具有重要意義。

1 最小抵抗線方向與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀關(guān)系

由于結(jié)構(gòu)面的存在必將影響爆炸應(yīng)力波的傳播，如結(jié)構(gòu)面的走向、傾向、傾角、結(jié)構(gòu)面間距、剛度、摩擦角、膨脹角、抗拉強度、結(jié)構(gòu)面中填充物的性態(tài)等均會對應(yīng)力波傳遞產(chǎn)生影響，在這些影響因素中結(jié)構(gòu)面的幾何特征影響最大，即結(jié)構(gòu)面的走向、傾向、傾角對爆破效果起關(guān)鍵作用，因為這些幾何特征將導(dǎo)致爆炸應(yīng)力波的傳播方向改變。

巖體爆破中的應(yīng)力包括由沖擊波、應(yīng)力波產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力和爆炸氣體膨脹壓力產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力。爆破過程中巖石破碎分兩個過程，即巖石初始裂紋的形成過程和初始裂紋進一步發(fā)展、貫通直至整個巖體破壞的過程，這兩個過程實質(zhì)上是動態(tài)應(yīng)力和準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力共同作用的產(chǎn)物，而初始裂紋形成主要由動態(tài)應(yīng)力決定[14]，最小抵抗線的方向是影響動態(tài)應(yīng)力的主要因素，因此，需研究動態(tài)應(yīng)力作用下最小抵抗線方向與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀關(guān)系。

現(xiàn)場爆破結(jié)果證實，巖體在結(jié)構(gòu)面切割作用下形成菱形塊體，所有的菱形塊體都具有明顯的短軸。如圖1所示兩組結(jié)構(gòu)面，文獻(xiàn)[14]指出應(yīng)力波傳到由兩組結(jié)構(gòu)面組成的邊界進行反射，其反射拉應(yīng)力σr，大小為：

σr=P1C1Vr·sinβ/2

式中,P1為結(jié)構(gòu)面介質(zhì)容重；C1為質(zhì)點振動速度(假設(shè)兩方向均相等)；Vr為結(jié)構(gòu)面波阻抗；β為節(jié)理面夾角。

由圖1看到，反射拉應(yīng)力σr與節(jié)理面夾角β相關(guān)，在短軸方向，β>90°時的短軸方向進行破巖是綜合阻力最小方向。因此，在現(xiàn)場確定最小抵抗線方向時，應(yīng)先測出主結(jié)構(gòu)面方向，確定菱形塊體最短軸方向為最小抵抗線方向。

圖1 結(jié)構(gòu)面切割呈菱形體示意圖

2 巖體構(gòu)造調(diào)查

巖體結(jié)構(gòu)面的存在對巖體穩(wěn)定性有著控制作用[15-16]，通過現(xiàn)場巖體構(gòu)造調(diào)查可以了解某一工程巖體的結(jié)構(gòu)面特性。采用詳細(xì)線法對出露面進行構(gòu)造調(diào)查是一種適用的巖體構(gòu)造調(diào)查方法[9]，該方法通過記錄巖體構(gòu)造特征，借助數(shù)理統(tǒng)計分析方法，實現(xiàn)對巖體結(jié)構(gòu)面分布特征的評價。

江西某大型露天礦巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，主礦體部位分布有花崗巖冷凝收縮產(chǎn)生的原生節(jié)理，主要為張開性裂隙，礦體完整性較差，形成如大塊堆積的塊狀結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，該礦露天邊坡爆破效果較差，大塊率偏高。

本研究對該礦主爆區(qū)域構(gòu)造面進行了現(xiàn)場踏勘，在現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上，共確定了4條有代表性的測線，4條側(cè)線均處于西側(cè)邊坡主爆區(qū)內(nèi)，可以代表該區(qū)總體結(jié)構(gòu)面分布情況。測線的布置情況參見表1。

表1 測線布置情況

3 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的統(tǒng)計分析

巖體結(jié)構(gòu)面的整理統(tǒng)計一般采用的圖形分析方法有玫瑰圖、極點圖和等密度圖[17]，圖形分析法最大的優(yōu)點是可以直觀的看出節(jié)理結(jié)構(gòu)面的分組數(shù)目。由于各構(gòu)造調(diào)查測線分別布置于有代表性的不同位置，能夠真實反映西側(cè)邊坡主爆區(qū)的結(jié)構(gòu)面分布情況，結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計工作也可得到可靠的結(jié)果。運用節(jié)理分析軟件DIPS程序進行統(tǒng)計分析，不同測線巖組中結(jié)構(gòu)面的節(jié)理統(tǒng)計玫瑰圖如圖2所示。從統(tǒng)計分析匯總結(jié)果可以看出，區(qū)域內(nèi)發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有兩組，即321°∠18°和127°∠89°(表2)，即該區(qū)域內(nèi)的主要菱形塊體由這兩組結(jié)構(gòu)面切割形成，菱形塊體的分布形態(tài)將對最小抵抗線方向選擇起指導(dǎo)作用。

表2 節(jié)理調(diào)查綜合對比分析

圖2 各測線節(jié)理統(tǒng)計玫瑰圖

4 露天邊坡爆破試驗

通過以上分析，繪制該礦節(jié)理切割圖如圖3所示，其中W1為短軸方向，是最優(yōu)最小抵抗線方向，W0為實際生產(chǎn)最小抵抗線方向，分析認(rèn)為，初始最小抵抗線方向不合理，現(xiàn)根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀確定調(diào)整W1方向為最終最小抵抗線方向，并對調(diào)整前后現(xiàn)場爆破效果進行了對比。

根據(jù)以上分析結(jié)果，分別于2008年8月、9月進行了兩次爆破試驗，爆破位置同處于+860臺階，布孔數(shù)量及爆破巖體范圍相當(dāng)，具有很好的可比性。從爆破后的效果來看，最小抵抗線沿W1方向布置的爆破效果明顯優(yōu)于沿W0方向布置(圖4)，炸藥單耗基本不變情況下降低了大塊率，且爆堆形狀規(guī)則、利于鏟裝，具體指標(biāo)如表3所示。

圖3 宜春坦鈮礦節(jié)理切割圖

圖4 爆破效果對比圖

表3 爆破效果對比

5 結(jié)論

1)露天爆破效果受巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響明顯，科學(xué)確定最小抵抗線方向?qū)α严稁r體爆破工程實踐具有現(xiàn)實意義。

2)利用地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查方法，找出裂隙巖體在結(jié)構(gòu)面切割下形成的菱形塊體，確定其最短軸方向為爆破最小抵抗線方向，能有效改善爆破效果，可為類似裂隙巖體爆破工程提供指導(dǎo)。

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