岩体开挖方式主要有钻爆法和TBM法，而钻爆法施工更为灵活、经济和高效，因此在实际工程中应用更加广泛（Cheng et al.，2022；李启月等，2019；金鹏等，2021；李祥龙等，2021）。在均质性较好、岩性单一的岩体中采用钻爆法通常能够取得理想的爆破效果。然而，当待开挖岩体地质条件复杂，地下水丰富，破碎带较多以及各向异性明显时，单一设计参数的爆破开挖将很难获得理想的破岩效果（康后金，2021；马俊杰等，2021；戴林等，2021；陈学松等，2021）。为对现有爆破方案进行优化从而提升爆破效果，对区域内岩石开展力学试验研究是关键（Gu et al.，2019；Zhao et al.，2019）。虽然通过室内试验获取岩石力学参数的方法可靠性高，但是高成本、耗时长及操作复杂等固有弊端限制了该方法的大范围使用。而采用回弹仪开展岩体回弹测试，通过岩体回弹值估测其力学参数则很好地弥补了岩石力学室内试验的缺点，同时对于开展大范围岩石力学研究具有重要价值。

自20世纪60年代开始，岩石回弹仪相关研究逐渐成为国内外岩土工程领域学者关注的热点研究问题（Day et al.，1977；Aydin et al.，2005；袁广祥等，2017；王凯笛，2020a）。Bilgin et al.（2016）通过大量的回弹试验，定义了一种与节理产状和节理间距相关的施密特锤强度折减系数，进而提出一种煤炭可挖掘性分类系统。龙德育等（2010）开展了大量的单轴压缩试验和回弹现场试验，建立了针对红层（岩性主要是泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩）的单轴抗压强度与回弹强度之间的相关关系。邱思检等（2021）在粤北丹霞组砂岩和砾岩岩体中使用基于N型回弹仪进行原位回弹试验，并通过线性拟合方式获得了岩体回弹值与单轴抗压强度及弹模之间的关系。回弹检测在混凝土质量检测中也有广泛运用。熊鹏飞等（2019）利用回弹仪对2年龄期的混凝土试件进行了力学性能检测，结果表明回弹抗压能很好地反映混凝土的真实抗压强度。高望清等（2021）同样利用回弹仪对混凝土的抗压强度开展了试验研究。利用回弹值与岩石点荷载强度之间的关系来快速确定岩体的质量等级是一种创新的研究思路，丁黄平等（2008）通过现场试验数据很好地拟合了点荷载强度与回弹值的相关关系。

当前关于回弹试验的研究中所使用的回弹仪种类繁杂，且研究对象也具有很大的差异（Pga et al.，2021；王凯笛，2020b；王睿等，2018），因此利用现有文献中回弹值与岩石力学参数的关系函数来预测国内露天铜矿岩体的力学强度存在一定误差。为此，本文采用L型回弹仪对国内某露天铜矿南北采场内的矽卡岩和斑岩开展原位测试，并通过钻孔取芯开展室内岩石力学试验，建立岩体回弹值与纵波波速、单轴抗压强度及弹模之间的关系函数。该研究成果可为该采场内的爆破参数优化提供可靠的评价参数。

回弹仪测定材料强度特性参数的原理：一个坚硬物体的表面受到另一个物体的撞击时会发生弹性变形，恢复力会使得撞击物体发生回弹现象。回弹仪测试岩石强度的具体过程如图1所示。回弹仪内的弹簧在突然释放状态下驱动弹击杆撞击岩体表面，所产生的瞬时弹性变形的恢复力反过来压缩弹簧使弹击杆弹回，回弹仪的数字显示器中显示弹击杆回弹的距离。通过回弹值作为岩体抗压强度相关的指标之一，来推断岩石的抗压强度。回弹值实际反映的是岩体的表面硬度。岩石强度越高，表面硬度也越高，二者之间具有一定的相关性。岩体表面的风化也会影响回弹值的大小。因此，使用回弹仪测定岩体表面硬度后就可以根据测区岩体强度换算公式，推测出岩石的单轴抗压强度和弹性模量。

回弹仪按照冲击动能可划分为L型和N型。N型回弹仪的冲击动能为2.207 Nm，该类型回弹仪在表面不规则的岩体测试中敏感度更低，因此更适用于野外测试。而L型回弹仪在测试强度低且风化严重的岩体时能够获得更精准的试验结果。综合考虑待测岩体的基本力学性质和风化程度，本研究决定采用瑞士Screening Eagle 科技公司研发的HM-82L型数显回弹仪（图2），其标称冲击能量为0.735 Nm。

HM-82L型回弹仪基本参数如表1所示。该回弹仪同时具有数显和统计功能，RockSchmidt系统中自带不同的统计方式，同时用户可以自定义统计方式，自带统计方式有：

（1）WG（风化度）法：需要在相同测试位置冲击2次，然后计算并显示2次冲击值的差值。

（2）ASTMD 5873法：要求取10次冲击的平均值，去除差值（与计算的平均值相比）超过7的冲击，然后取剩余数值的平均值。

（3）ISRM法：需要20个读数，不删除异常值，如果连续10个读数的差值为±2，则停止该序列。在完成之后，RockSchmidt会计算平均值和范围。一旦下载到个人计算机上之后，RockLink还会计算中值和模式。同时，用户可以在Rocklink中定义不同的拟合曲线，通过拟合曲线设置不同的单位制度，若不设置曲线则RockSchmidt上显示单位为回弹值R。

本研究的工程背景为国内某露天铜矿，该矿区内矿石构造以块状、浸染状和细脉浸染状为主，大致可划分为褐铁矿、含铜黄铁矿、单硫、斑岩矿、辉铜矿、泥夹石、高黏土和风化岩。矿区地下水丰富，破碎带较多。岩石坚固性系数f=6~15，岩石坚固性跨度大，各向异性明显。该铜矿矿石采用钻爆法进行回采，由于岩石物理力学特性变化大，当前爆破回采过程中面临以下2个方面的问题：

（1）矿区地质条件复杂，凿岩过程易出现卡钻、不成孔和塌孔现象，穿孔难度很大，导致穿孔合格率低，爆破效果差；

（2）矿区西南部岩体强度高且硬度大，区域爆破大块、根底多，对采剥正常推进影响大，是目前回采区域内的主要难爆区。

为了改善矿区西南部矿石回采过程中的爆破效果，有必要开展系列研究以便对现有爆破方案进行优化。获取现场岩体的基本物理力学参数是实现爆破方案优化的前提。基于回弹仪进行的原位强度试验具有操作简便、测试效率高且结果精确可靠等优点，因此被广泛应用于岩体强度特性测试中。

根据铜矿采场盘区的分布情况和采场施工进度，整个测试从北面台阶开始，经南面台阶，由浅部至深部进行。在台阶上选择块体较为完整且表面相对平整的岩体，在清理岩体表面的粉尘和氧化层后，对其进行回弹测试。测试时采用用户自定义方案，在一个台阶范围内根据台阶面积选取10~20个测量点，并在每个测量点50 cm×50 cm范围内测量20个单点数据。现场测试过程如图3所示。

在现场使用HM-82L型回弹仪测量岩体强度时应遵循如下测试原则和注意事项：

（1）一般情况下，每一待测岩体的测区数应保证至少有10个，而当某岩块一侧的尺寸小于4.5 m且另一侧小于0.3 m时，待测区的数量可适当减少，但应保证至少有5个，对于连续岩体而言测区数量越多则测量结果越精确。

（2）岩体强度测点在测区内应均匀分布，保证相邻两测点的净距离小于2 cm，同一点只能回弹一次。此外，每一测区记录20个岩体回弹值，回弹值精确到0.1。

（3）在测试之前应使用高压水枪或风管对待测试岩体表面进行清理，清除残留的粉末或碎屑，使岩体表面保持干净和平整。

（4）测区选择应遵循以下原则：在测量时，所选测区可使回弹仪处于水平方向且测区应尽量位于待测矿岩侧面；退而求其次，在测量时所选测区可使回弹仪处于非水平方向且测区应尽量位于待测岩体的表面或底面。实际测试中回弹仪的轴线应始终垂直于待测岩体的表面，测量时要缓慢对回弹仪进行施压并快速复位以获得准确的读数。

为了获得岩石回弹值与单轴抗压强度之间的关系，从回弹试验所在区域采集了风化程度和岩性均不同的典型岩块，在室内对岩石进行了钻芯、切割和打磨，并严格按照ISRM ROCK TEST标准（试样两端不垂直度和不平行度小于0.02 mm）将岩块加工成Ф50 mm×100 mm的圆柱体标准试件，如图4（a）所示。室内试验开展之前对每一块试样的结构尺寸和基本物理参数进行测试。

本次单轴压缩试验使用中南大学高等测试中心的MTS-322液压伺服试验机［图4（b）］，其最大载荷为500 kN。试验时，首先必须使试件的摆放位置能够保证轴心与试验机压块的轴心相重合以使试样均匀受压，然后施加2 kN的预荷载将岩石固定在试验机中心，最后以0.15 mm/min的位移加载速率持续加载至试样破坏。试验过程中同步采集压力—应变、变形和位移数据，得到岩石单轴压缩破坏全过程的应力—应变曲线，并计算得出其单轴抗压强度。

采用L型回弹仪在该铜矿进行岩体回弹值现场测试的部分结果如表2所示。根据该铜矿现场情况，对现场测试所得到的数据进行处理，具体处理方式为：将单个测点测试得到的20个原始数据进行排序，删除数据组中的最大值和最小值后求得平均值，用于测点强度和矿岩弹性模量回归计算。回归计算选取合适的回归曲线，得到最终的测点强度和弹模。每个台阶取10~20组测点，每组取3~5个测点，通过回归值可得到对应每个采场中矿岩的强度和弹性模量。

岩石试样单轴抗压强度被定义为在无侧向压力的情况下，岩石受轴向荷载发生破坏时的最大压强，即试件的最大荷载与横截面积的比值。在本研究中将岩石的弹性模量定义为50%岩石强度时应力—应变曲线上的切线斜率，也称为切应变。根据以上定义计算各类岩石的单轴压缩强度和弹性模量，结果如表3所示。

由表3可知，采区南端台阶上的岩石密度和波速相对北端台阶上的岩石更大，S-82台阶中采集的岩石波速平均值为4 854 m/s，比N-58台阶中采集的严重风化矽卡岩的波速平均值大1 487 m/s。不同区域内采集到的岩石特性不同，不仅表现在密度和波速基本物理参数上，而且表现在岩石的力学特性中。S-82台阶中的岩石单轴抗压强度平均值为119.15 MPa，比S-70台阶中采集到的岩石单轴压缩强度平均值大23.18 MPa。

至采场北端，岩石的力学特性进一步弱化，N-70台阶的岩石单轴压缩强度平均值为74.28 MPa，同侧N-58台阶的岩石单轴压缩强度平均值仅为54.54 MPa。由不同风化程度矽卡岩的力学试验结果可以推测，长期的物理风化会严重影响岩石的力学特性，除此之外斑岩和矽卡岩的试验结果显示岩石的力学特性与物理特性之间呈一定的正相关关系。图5所示为斑岩和矽卡岩在单轴压缩试验下的岩石破坏形态。由图5可知，斑岩和矽卡岩的破坏均为剪切破坏，其中斑岩整体上呈单斜面的剪切破坏，矽卡岩表现为共轭剪切破坏。

岩石的纵波波速能在一定程度上反映密度和完整性的大小，而岩石的强度又受到完整性的影响，所以在一般规律上可以通过岩石的纵波波速反映岩石的强度特性。图6所示为岩石纵波波速与回弹值之间的关系。由图6可知，随着回弹值N的增大，岩石波速呈线性增大的趋势，岩石波速与回弹值之间呈正相关关系。根据相关系数R²=0.9619可知波速与回弹值之间具有很强的线性关系。此外，由图6可以看出，采场南区的岩石回弹值和纵波波速相对北区而言均较大，进一步对岩石类型和风化程度展开分析可获得以上变量对岩石物理力学特性的影响规律。

为了研究该铜矿南北采场内岩体力学特性与回弹值之间的关系，将表2与表3中的试验结果进行拟合，得到回弹值与单轴抗压强度及弹模之间的关系曲线如图7所示。由图7（a）可知，随着单轴抗压强度σ_c的逐渐增大，回弹值N也相应增大，岩体单轴抗压强度与回弹值之间的拟合相关系数R²=0.958，二者之间呈良好的线性关系，表明通过线性拟合表达式获取该铜矿南北矿区的岩体单轴抗压强度是可靠的。线性拟合表达式为

如图7（b）所示，岩体弹性模量与回弹值之间呈指数函数关系，指数函数的表达式为

在该铜矿南北采区的测点范围内，岩体的弹性模量随着回弹值的增大而逐渐增大，但是当岩体回弹值增大至40以上时，弹模的增长速率明显开始降低，表明岩体弹模不会随着回弹值的增大而无限增大。另外，弹模与回弹值拟合曲线的相关系数R²=0.874，小于单轴抗压强度与回弹值之间的相关系数，但是在可接受范围之内，同样表明可通过式（2）来计算岩体的弹模。

以国内某露天铜矿的岩体为研究对象，采用HM-82L型回弹仪进行现场试验，并通过波速测试和室内岩石力学试验对比分析了单轴抗压强度、弹模、波速与岩体回弹值之间的关系，得到如下结论：

（1）在该铜矿现场测试区域内岩体回弹值为32.5~65.0，南区斑岩的回弹值大于北区矽卡岩的回弹值。岩体风化程度越大，回弹值越小，岩体基本力学性能也更差。

（2）测试区域内岩石纵波波速范围为3 026~5 030 m/s，该铜矿内岩石纵波波速与回弹值之间呈线性正相关关系，相关系数为0.962，因此可通过测试回弹值快速、准确地获取岩石的波速大小。

（3）岩体单轴抗压强度为49.02~123.32 MPa，弹性模量为13.81~36.31 GPa，二者与回弹值分别呈线性增大和指数增大趋势，拟合曲线的相关系数分别为0.958和0.874，表明通过回弹值可以快速无损地获取岩体的单轴压缩强度和弹模大小。