循環爆破荷載作用下類鈾礦巖損傷與氡析出規律的實驗研究

謝小娥

摘要：巖體在爆破載荷作用下的損傷程度和損傷范圍是影響礦山工程安全的關鍵問題之一。在利用爆破進行開采的過程中，因爆破形成的沖擊波威力巨大，在提高生產效率的同時難免會對保留的巖柱造成一定程度的破壞并形成損傷，增加鈾礦巖的氡氣析出率，情況嚴重時甚至還會形成災變。因此，研究循環爆破荷載作用下鈾礦巖損傷演化及氡析出特征具有現實意義。本文就循環爆破荷載作用下類鈾礦巖損傷與氡析出規律的實驗展開探討。

關鍵詞：類鈾礦巖;循環爆破荷載;巖石損傷;氡析出率

引言

鉆孔爆破作為硬巖礦山最主要的巖石破碎手段，在礦山生產活動中被廣泛應用，但爆破動載荷也不可避免地會對礦柱、巷道等地下巖體工程帶來不利影響。一直以來，爆破載荷下巖石的損傷規律都是研究者們關注的熱點，也是礦山工程設計的重要參考。

1類鈾礦巖爆破損傷實驗設計

（1）類鈾礦巖制備和爆破荷載的施加方法。遵循相似理論，獲取類鈾礦巖樣相似材料的最佳配比，制備長、寬、高分別為250mm、250mm、200mm的類鈾礦巖試塊。根據原巖的物理力學性質，將鈾尾砂、石英砂、水泥、微硅粉和精鐵粉等材料按一定質量百分比混合攪拌，在混合攪拌過程中配合使用小型混凝土振動棒，確保振搗均勻，并倒入模板中，人工養護28d。針對爆破過程的可控性較差以及在測量過程中容易受到人為因素干擾等特點，本次實驗均按同一配比、在相同的條件下共制作6塊試塊進行實驗，從而確保被研究對象的一致性。爆破裝置采用304不銹鋼制作，尺寸為長270mm、寬270mm、高250mm。根據該爆破裝置的特點，在養護成型的類鈾礦巖試塊上表面中心處沿厚度方向鉆取炮孔，爆破時在中心鉆孔內放置炸藥（用定做的鞭炮代替），起爆后施加爆破荷載，并模擬小劑量多次循環爆破荷載作用，直至類鈾礦巖試塊完全破裂，宏觀裂紋完全貫穿整個類鈾礦巖試塊后，停止實驗。（2）類鈾礦巖爆破損傷測定與計算方法。采用損傷變量表征劣化程度，在損傷力學中，損傷變量實際上起著“劣化算子”的作用，它由大量的客觀統計特征來確定，從而定量描述損傷狀態量。爆破損傷的形成既包括了內部結構的演化（微觀），也包括了某些物理力學性能的變化（宏觀），因此可以從不同的層面來定義損傷變量。微觀層面：通過統計裂紋密度、裂紋數量、裂紋長度、裂紋面積和體積等來反映損傷;宏觀層面：通過統計彈性模量、屈服應力、拉伸強度、密度等來反映損傷。目前，損傷模型不斷完善，損傷變量的選取也越來越有利于實驗測量。在現有爆破損傷模型中，損傷變量的定義主要有承載面積定義法、質量密度變化定義法、彈性模量定義法、超聲波波速變化定義法、CT數變化定義法和分形維數變化定義法等。本文結合現有的實驗室條件，采用超聲波波速變化定義法來進行測量和計算，即采用損傷演化過程中縱波波速減小的程度表示損傷變量D：式中v0和v分別為爆破前后介質的聲波速度，km/s。為了分析類鈾礦巖爆破損傷演化規律，采用非金屬超聲波檢測儀測量類鈾礦巖爆破前后超聲波縱波波速，以過炮孔中心水平線和豎直線為基準線，每間隔4cm為一個測點進行布置，。

2爆破荷載作用下工程巖體損傷研究現狀

爆破作用機理以及爆破作用方式，作為工程爆破界的重要研究對象，一直是爆破荷載作用下工程巖體損傷的分析手段，其具體的研究內容涉及爆破應力波（強沖擊荷載傳播）與強沖擊荷載有害效應等，在數學上可歸結為求解波動方程的初、邊值問題，因此研究爆破應力波的傳播以及具體的作用機理一直是爆破巖體力學的研究交點，研究成果更有利于進行工程爆破理論分析、計算和設計。在爆破荷載作用引起的巖體損傷與巖體聲波測試等方面：開展了循環爆破作業下隧道結構的疲勞問題研究，分析了爆破荷載傳播過程會破壞隧道結構的穩定性。完善了循環爆破沖擊載荷作用下的巖體累計損傷的H一B準則，并提出了損傷因子D和完整性系數Kv新概念。研究了在爆破沖擊荷載作用下地下采場裂隙的演化情況。通過獲取峰前圍壓卸荷條件下巖石的應力一一應變全過程參數，研究了爆破荷載作用下巖體的損傷特性。利用聲波法研究了礦柱的穩定性。通過建立邊坡失穩模型，并利用聲波測試技術綜合分析了尖山磷礦邊坡的累積損傷效應。在綜合巖石和煤體爆破技術與理論研究文獻的基礎上，對煤體爆破機理進行詳細試驗研究、并利用數值模擬軟件對煤體爆炸應力場進行分析。

3爆破損傷與氡析出測量實驗

（一）類鈾礦巖爆破損傷實驗結果。

按照類鈾礦巖爆破損傷實驗方案，為了全面分析爆破損傷演化規律，根據損傷計算值繪制出爆破過程中損傷值隨爆破次數的演化圖形。因篇幅所限，本文只展示了爆破1次和2次后的各測點損傷值。

爆破損傷演化規律，根據損傷計算值繪制出爆破過程中損傷值隨爆破次數的演化圖形。因篇幅所限，本文只展示了爆破1次和2次后的各測點損傷值，如圖3～4所示。（1）第3列與第3行測點損傷值大于其他對應行而且，第1列與第5列、第1行與第5行對應測點的損傷值接近。同樣的，第2列與第4列、第2行與第4行也呈現出相同規律。（2）從對應測點的損傷值來看，第2次爆破比第1次爆破的損傷值有了明顯增加，而且從距離炮孔位置最遠的第1、第5行（列）到最近的第3行（列），損傷值不斷增加。（3）從各行（橫向）來看，各測點損傷值相對于第3行呈現對稱分布;從各列（豎向）來看，各測點損傷值相對于第3列也呈現對稱分布規律。第14次爆破后（該次爆破后，由于試塊完全破裂，沒有對相關數據進行測量），爆破加載終止。通過25個測點獲得了13組數據，利用超聲波波速變化定義法得到13組損傷變量。根據數據分析的初步結果，以基準點為例，即第3行、第3列的點，其損傷變量隨爆破次數增加而增大，在第13次爆破后損傷變量達到0.181，與《水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范》（DL/T5389—2007）規定的巖體損傷閾值D=0.19的標準基本一致，這也證明了上述實驗過程及結果的正確性。

（二）類鈾礦巖放射性氡氣探測實驗。按照密閉腔體法測氡原理，將上述自制爆破容器作為放射性氡氣收集裝置。單次施加爆破荷載后對內部試塊破碎物體及爆破過程中作為邊界條件的細沙進行清理，同時考慮到炮孔所在的上表面為爆破易損面（會有部分損壞，表面積增大導致氡析出量失真），為了分析內部損傷演化和宏觀裂隙的貫穿過程，單次爆破后利用鋁箔紙包裹試塊的上表面和底面，以及試塊四周的一組對稱面，只裸露另外的一組對稱面，并利用RAD7連續測氡儀測量其單次爆破前后累積氡濃度，此外在測量之前還需凈化RAD7連續測氡儀30min，去除其中的殘余氡含量并降低濕度，直至內部氡濃度測量值與空氣本底值接近，并計算得出循環爆破前后放射性氡氣析出率。

結語

在爆破動載荷影響的范圍內，與爆源距離越小，巖體損傷的增量也越大。巖石爆破損傷隨距爆源距離減小而導致的增長幅度在試驗測試近區最大，中區次之，遠區最小。

參考文獻

[1]張國華.基于圍巖累積損傷效應的大斷面隧道施工參數優化研究[D].武漢：中國科學院研究生院武漢巖土力學研究所，2010.

[2]陳亞楠.多次爆破振動下巖體開挖累積損傷的研究[D].淮南：安徽理工大學能源與安全學院，2016.