巖石的力學性質

    用炸藥爆炸來破碎巖石是爆破工程的主要內容，而炸藥爆炸加載于介質的載荷是沖擊載荷，屬于動力學范疇。因此，必須對巖石的動力學性質進行研究。沖擊載荷能使介質中產生波的傳播，這種波在介質中統稱為應力波。研究巖石動力學性質，首先應研究載荷性質、應力波性質及其傳播規律。

2.1.2.1  炸藥爆炸的載荷性質

    根據介質的應變速率（見表2—2）、沖擊速度或加載速度的不同，載荷性質可分為動載荷和靜載荷。

表2-2載荷狀態分類

應變速率是指應變隨時間的變化率；沖擊速度是指試件一端質點相對于另一端質點的運動速度；加載速度是指應力隨時間的變化率。

    由表2—2中可看出，炸藥爆炸時周圍巖石的應變速率達104以上，屬于動載荷。礦巖受到爆炸作用時，其力學特性為動力學特性。

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，即所謂對應力波傳播的阻尼作用。實驗表明，波阻抗值的大小除與巖石性質有關外，還與作用于巖石界面的介質性質有關。巖石的波阻抗值對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，爆破傳給巖石的能量就多，在巖石中所引起的應變值也就大，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生變形，其變形性質可用應力一應變曲線表示，如圖2-1所示。根據變形性質的不同，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。當應力值在比例極限之內時，應力與應變呈線性關系，并遵守胡克定律；當應力值超過比例極限時，則進入非線性彈性變形階段，其應力一應變關系不遵守胡克定律；當應力值超過極限抗壓強度（峰值）時，脆性材料則立即發生破壞．而塑性材料則進入具有永久變形特性的塑性變形區。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，在彈性區內，應力消除之后應變并不能立即消失，而需要經過一定時間才能恢復，這種現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，巖石就會出現如圖2-2所示的應力一應變曲線，其中加載與卸載圍成的環形，稱為巖石的彈性滯環。巖石破壞前不產生明顯殘余變形者，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巖石的應力σ-應變ε曲線

圖2-2反復加載與卸載的應力σ-應變ε曲線

2.1.2.4  巖體在爆炸沖擊載荷作用下的力學反應

    巖體在爆炸沖擊載荷作用下產生一種波，通常稱為應力波或縱波，它在巖體中傳播能引起巖體的變形乃至破壞。這種動力學反應的特點是：

(1)炸藥爆炸首先形成應力脈沖，使巖體表面產生變形和運動。由于爆轟壓力瞬間高達數千乃至數萬兆帕，會在巖體表面產生沖擊波。爆轟壓力的特點是突躍式上升、峰值高而作用時間短，并隨著沖擊波的傳播和衰減而變成應力波，如圖2-3所示。

圖2-3炸藥爆炸形成的應力波δ隨時間t變化曲線

    (2)巖體中某局部被激發的應力脈沖是時間和距離的函數。由于應力作用時間短，往往其前沿擾動才傳播了一小段距離而載荷已作用完畢，因此，在巖體中產生明顯的應力不均現象。

    (3)巖體中各點產生的應力呈動態，即所發生的變形、位移和運動均隨時間而變化。

    (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，爆轟壓力值與作用在巖體表面的應力值并不相等。這是由于介質或巖體的性質不同，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不同，匹配程度也不同，從而改變了作用結果和能量傳遞效率。