爆炸荷載下巖體破裂影響因素研究

王發青

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春 130021）

爆炸荷載下巖體破裂影響因素研究

王發青

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春 130021）

為研究巖體在爆炸荷載作用下裂紋擴展的影響因素，采用ANSYS/LS-DYNA動力軟件對砂巖爆破裂紋擴展機理進行數值模擬，并考察地應力、自由面和節理等因素對爆破裂紋擴展的影響。結果表明：爆生氣體與應力波聯合作用下的裂隙區半徑是應力波單獨作用下裂隙區半徑的1.85倍，爆生氣體的存在使破巖過程更為有效；當側壓系數不變時，隨著初始應力的增加，裂隙區擴展半徑減??；自由面產生的反射拉伸應力波導致平行于自由面的裂紋產生；自由面與節理平行或垂直對爆破裂紋的分布有很大影響。

巖體；動力學特性；爆破裂紋；數值模擬

鉆爆技術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。在爆破開挖中，巖石斷裂面的大小完全取決于巖石的性質。與爆破效果相關聯的巖石性質包括密度，彈性模量，孔隙率等參數。在巖石爆破過程中，巖石加載速率為100~104S-1，和巖石的力學性能相比加載速率下的靜載荷更加復雜。長久以來通過對爆破機理的分析，發現巖石爆破主要取決于巖石的拉伸強度。然而，對于巖石爆破效果的數值和理論計算，不同學者就巖石的動態抗拉強度取值觀點并不一致。

1 對爆破破巖影響因素的探究

1.1 爆破破巖受地應力的影響

地應力是由于巖石發生改變而引起的內部的作用力，它存在于地殼中。其中鉛垂應力與上覆巖層的重度成正比，而水平地應力是由兩部分構成：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，是地質構造力，隨深度的增加而增大。

對同性巖體而言，應力是相同的在x向和z向之間，100，400，800和1 600m，這4種工況分別對藥包埋深進行模擬，以觀測爆破效果的影響地應力對巖體的影響。建立300m× 300m的模型，對其施加重力，研究埋藏400m的初始應力情況。對于其他方案，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。通過使用ANSYS的隱含分析，爆破過程由LS-DYNA分析，由DRELAX文件連接。

1.2 邊界條件對爆破破巖的影響

在自由面處運用霍普金遜效應，全部被反射回來或收緊的應力波部分，使拉伸應力波造成方向相反。這時，產生疊加的入射壓應力波與反射拉應力波的拉應力達到一定強度時，造成更大范圍的破壞。這種損傷與存在的自由表面有關，而且與自由表面的孔的投影面積有關。建立10m×10m的“準二維”模型，研究炮孔在自由面的投影面積對爆破效果的影響。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。為簡化模擬，炮泥的材料參數與巖體一致。b為60°和90°時，上表面為自由邊界，其他面為透射邊界；b為0°時，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，孔數增加；平行于自由表面，巖石是最簡單的，自由的表面投影面積最大，效果優于前兩者。因此，自由面增加，使所需消耗的爆炸物顯得減少。這也是當使用爆破時在周邊孔中使用非耦合電荷的原因。在單個自由表面的條件下，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，為快速發展的技術提供了新的途徑。

2 爆炸負荷影響分析

為了研究爆炸荷載對深部圍巖斷裂的影響，對軸向載荷下爆破開挖和靜態開挖（突然移除嵌入部件）的影響進行了比較，應變實驗結果，正應變值表示拉伸應變，負應變值表示壓縮應變。

在兩種挖掘條件下，模型巷道周圍部分，側壁和底部的徑向應變為拉伸應變。研究表明，爆炸負荷會對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，在爆破開挖條件下，拱頂幾乎來自墻壁三個應變門，側壁更靠近兩壁，底壁更靠近墻壁應變測量點的徑向應變值明顯大于靜態開挖條件，其他測量點的徑向應變值明顯小于靜態開挖條件下的徑向應變值。實驗表明，爆炸荷載對墻體附近的周圍巖石造成了一定的破壞，同時也引起了地面應力的調整?？梢钥闯?，爆破開挖過程中的地應力調整對開挖斷裂帶的形成有重要影響。

3 結束語

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

1）伴隨著初始應力的加強，破碎帶的范圍不變，破裂帶的裂紋發展受到抑制。這主要是因為動態應力波的影響，應力對高靜電場施加時，應力對動態應力波的影響是明顯的。

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

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[4] 李潤.循環荷載作用下節理巖體邊坡疲勞劣化及其錨固效應研究[D].福州：福州大學，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

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