爆炸荷載下巖體破裂影響因素研究

王發(fā)青

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春 130021）

爆炸荷載下巖體破裂影響因素研究

王發(fā)青

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春 130021）

為研究巖體在爆炸荷載作用下裂紋擴(kuò)展的影響因素，采用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力軟件對(duì)砂巖爆破裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬，并考察地應(yīng)力、自由面和節(jié)理等因素對(duì)爆破裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明：爆生氣體與應(yīng)力波聯(lián)合作用下的裂隙區(qū)半徑是應(yīng)力波單獨(dú)作用下裂隙區(qū)半徑的1.85倍，爆生氣體的存在使破巖過(guò)程更為有效；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)不變時(shí)，隨著初始應(yīng)力的增加，裂隙區(qū)擴(kuò)展半徑減小；自由面產(chǎn)生的反射拉伸應(yīng)力波導(dǎo)致平行于自由面的裂紋產(chǎn)生；自由面與節(jié)理平行或垂直對(duì)爆破裂紋的分布有很大影響。

巖體；動(dòng)力學(xué)特性；爆破裂紋；數(shù)值模擬

鉆爆技術(shù)作為巖體挖掘的主要手段，為大型地下洞室施工：如水利水電，地鐵工程和采礦工程等。在爆破開(kāi)挖中，巖石斷裂面的大小完全取決于巖石的性質(zhì)。與爆破效果相關(guān)聯(lián)的巖石性質(zhì)包括密度，彈性模量，孔隙率等參數(shù)。在巖石爆破過(guò)程中，巖石加載速率為100~104S-1，和巖石的力學(xué)性能相比加載速率下的靜載荷更加復(fù)雜。長(zhǎng)久以來(lái)通過(guò)對(duì)爆破機(jī)理的分析，發(fā)現(xiàn)巖石爆破主要取決于巖石的拉伸強(qiáng)度。然而，對(duì)于巖石爆破效果的數(shù)值和理論計(jì)算，不同學(xué)者就巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度取值觀點(diǎn)并不一致。

1 對(duì)爆破破巖影響因素的探究

1.1 爆破破巖受地應(yīng)力的影響

地應(yīng)力是由于巖石發(fā)生改變而引起的內(nèi)部的作用力，它存在于地殼中。其中鉛垂應(yīng)力與上覆巖層的重度成正比，而水平地應(yīng)力是由兩部分構(gòu)成：①由上覆巖層的重力作用引起；②和上覆巖層的壓力成一定正比，是地質(zhì)構(gòu)造力，隨深度的增加而增大。

對(duì)同性巖體而言，應(yīng)力是相同的在x向和z向之間，100，400，800和1 600m，這4種工況分別對(duì)藥包埋深進(jìn)行模擬，以觀測(cè)爆破效果的影響地應(yīng)力對(duì)巖體的影響。建立300m× 300m的模型，對(duì)其施加重力，研究埋藏400m的初始應(yīng)力情況。對(duì)于其他方案，按容重25kN/m3，以平布荷載的形式將上覆巖層的重力施加在模型表面。通過(guò)使用ANSYS的隱含分析，爆破過(guò)程由LS-DYNA分析，由DRELAX文件連接。

1.2 邊界條件對(duì)爆破破巖的影響

在自由面處運(yùn)用霍普金遜效應(yīng)，全部被反射回來(lái)或收緊的應(yīng)力波部分，使拉伸應(yīng)力波造成方向相反。這時(shí)，產(chǎn)生疊加的入射壓應(yīng)力波與反射拉應(yīng)力波的拉應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，造成更大范圍的破壞。這種損傷與存在的自由表面有關(guān)，而且與自由表面的孔的投影面積有關(guān)。建立10m×10m的“準(zhǔn)二維”模型，研究炮孔在自由面的投影面積對(duì)爆破效果的影響。其中裝藥直徑為32mm，深度為1m，封孔深度（炮泥長(zhǎng)度）為1m。考慮炮孔與自由面的夾角b分別為0°、60°、和90°三種工況。為簡(jiǎn)化模擬，炮泥的材料參數(shù)與巖體一致。b為60°和90°時(shí)，上表面為自由邊界，其他面為透射邊界；b為0°時(shí)，上表面和右表面為自由邊界，其他面為透射邊界。

自由面上的炮孔投影的面積越大，那么夾制作用就越小，爆破效果好，巖體的粉碎水平越高。裝藥于自由面垂直時(shí)的炮孔中，形成的投影面積較小，巖體的破碎程度困難；炮孔與自由面斜交比垂直更有利于爆破，碎偏減少，孔數(shù)增加；平行于自由表面，巖石是最簡(jiǎn)單的，自由的表面投影面積最大，效果優(yōu)于前兩者。因此，自由面增加，使所需消耗的爆炸物顯得減少。這也是當(dāng)使用爆破時(shí)在周邊孔中使用非耦合電荷的原因。在單個(gè)自由表面的條件下，孔與自由表面傾斜，可以獲得比孔和自由表面更好的破碎效果，但是礫石投擲距離更大。因此，在道路切割爆破中，為了避免直切和斜切的缺陷，專家提出了直線切割技術(shù)，為快速發(fā)展的技術(shù)提供了新的途徑。

2 爆炸負(fù)荷影響分析

為了研究爆炸荷載對(duì)深部圍巖斷裂的影響，對(duì)軸向載荷下爆破開(kāi)挖和靜態(tài)開(kāi)挖（突然移除嵌入部件）的影響進(jìn)行了比較，應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，正應(yīng)變值表示拉伸應(yīng)變，負(fù)應(yīng)變值表示壓縮應(yīng)變。

在兩種挖掘條件下，模型巷道周圍部分，側(cè)壁和底部的徑向應(yīng)變?yōu)槔鞈?yīng)變。研究表明，爆炸負(fù)荷會(huì)對(duì)爆破孔附近的周圍巖體造成破壞，并在墻體附近的周圍巖體中產(chǎn)生大量微裂紋，孔周圍的爆破破壞程度減弱。在模型的徑向變形中，可以看出，在爆破開(kāi)挖條件下，拱頂幾乎來(lái)自墻壁三個(gè)應(yīng)變門(mén)，側(cè)壁更靠近兩壁，底壁更靠近墻壁應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的徑向應(yīng)變值明顯大于靜態(tài)開(kāi)挖條件，其他測(cè)量點(diǎn)的徑向應(yīng)變值明顯小于靜態(tài)開(kāi)挖條件下的徑向應(yīng)變值。實(shí)驗(yàn)表明，爆炸荷載對(duì)墻體附近的周圍巖石造成了一定的破壞，同時(shí)也引起了地面應(yīng)力的調(diào)整。可以看出，爆破開(kāi)挖過(guò)程中的地應(yīng)力調(diào)整對(duì)開(kāi)挖斷裂帶的形成有重要影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS/LS-DYNA軟件，模擬巖體在爆炸荷載作用下的裂隙擴(kuò)展機(jī)理，分析影響巖體爆破裂紋擴(kuò)展的因素，主要結(jié)論如下：

1）伴隨著初始應(yīng)力的加強(qiáng)，破碎帶的范圍不變，破裂帶的裂紋發(fā)展受到抑制。這主要是因?yàn)閯?dòng)態(tài)應(yīng)力波的影響，應(yīng)力對(duì)高靜電場(chǎng)施加時(shí)，應(yīng)力對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力波的影響是明顯的。

2）自由面對(duì)爆破有很大的沖擊，隨著自由表面，爆破單位增加，爆炸巖的體積明顯減少。在單個(gè)自由表面的條件下，孔與自由表面傾斜，破碎效果優(yōu)于孔和自由表面垂直。

[1] 佘詩(shī)剛，林鵬.中國(guó)巖石工程若干進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，（3）：433-457.

[2] 崔臻，侯靖，吳旭敏，等.脆性巖體破裂擴(kuò)展時(shí)間效應(yīng)對(duì)引水隧洞長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，（5）：983-995.

[3] 崔峰.復(fù)雜環(huán)境下煤巖體耦合致裂基礎(chǔ)與應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[4] 李潤(rùn).循環(huán)荷載作用下節(jié)理巖體邊坡疲勞劣化及其錨固效應(yīng)研究[D].福州：福州大學(xué)，2014.

Study on Influencing Factors of Rock Mass Rupture under Explosive Load

Wang Fa-qing

In order to study the influence factors of crack propagation under explosive loading，ANSYS/LS-DYNA dynamic software was used to simulate the crack propagation mechanism of sandstone，and the factors such as ground stress，free surface and joint were investigated.The impact of expansion.The results show that the radius of the fracture zone under the combined action of the explosive gas and the stress wave is 1.85 times of the radius of the fracture zone under the action of the stress wave.The existence of the explosion gas makes the rock breaking process more effective.When the lateral pressure coeff i cient is constant，With the increase of the initial stress，the radius of the fracture zone decreases，and the ref l ection tensile stress wave produced by the free surface leads to the crack generated parallel to the free surface.The free surface and the joint parallel or vertical have a great inf l uence on the distribution of the burst.

rock mass；dynamic characteristics；blasting crack；numerical simulation

TU45；TU751.9

A

1003–6490（2017）03–0218–02

2017–03–05

王發(fā)青（1979—），男，青海海東人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。