巖石動力學在工程爆破中的研究現狀與展望

代 豪，田 銳，李銘松，邊貞伊

（遼寧科技大學 礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051）

目前，巖石動力學領域的專家學者主要針對巖石動態力學性質以及本構關系、應力波傳播與衰減規律、巖石的聲學特征、爆破效果與破巖機理、數值分析與數值計算、巖爆與沖擊地壓機理、巖石動力學在工程中的應用等方面開展了大量的工作和研究[1]。

以王武林等[2]為例，采用拉格朗日的多個基準點進行測定以及相關的分析方法，對大理巖在室內進行球面波爆炸實驗所得到的結果進行了數值方面的計算，得到大理巖材料在彈塑性區域內的本構關系。王占江、李孝蘭等[3]通過一系列實驗，并將化爆實驗作用于花崗石上，由此得出并證明了自由場應力波的傳播方式，與此同時與核爆炸實驗相比較得出結論。

王明洋、錢七虎等[4]將實際的地質特征和巖體裂隙中應力波傳播理論相結合，提出了基于破壞帶和節理破壞帶的幾何關系來計算Q值的方法并研究出了遞減的規律。王靖濤[5]提出了切削脈沖負荷法的新型理論概念，并利用鉆頭邊緣張力波彎曲理論說明了一些裂縫的發生機制，指出了鉆頭側裂紋的數量是由脈沖載荷的增加時間來界定的，推翻了其他學者提出的加載概率。

1 巖石動力學理論發展

1.1 巖石動態力學性質與本構關系研究

對在地震運動作用下巖石結構破壞的各種動力荷載是如何作用的進行分析研究，對建筑物的巖石結構性損傷進行估測，巖石結構的爆炸損傷估計，并對這些結構進行合理設計的需求，要求我們在做動力學研究的時候需要全面了解其力學性質及本構關系。

特別是在爆炸荷載的影響下，巖體的動態力學性質和組成條件會發生怎樣的變化以及會呈現出怎樣的規律，了解這些變化和規律對于確定這些結構如何設計是非常重要的。王禮立等[6]基于使用的傳統拉格朗日分析方法來對于速度型材料的動態力學性能進行研究，對Fowles等提出的傳統的Larlgrangian分析方法，在理論分析和基于速率的數值模擬本構模型之間執行檢驗分析并建立拉氏分析和ZWT定量分析的傳統拉朗日分析方法。錢七虎、戚承志等[7]從理論上研究了巖石強度對拉伸速度的依賴性及其機理，即莫爾庫倫標準，并考慮了強度對拉伸速度的依賴性、廢料尺寸與巖體拉伸速度之間的關系。討論了幾個關于時間的誤差標準，闡明了它們之間的內在關系，最后在幾個地方解釋討論了動態強度理論的應用。

1.2 應力波傳播與衰減規律研究

對應力波在巖石介質中的傳播和阻尼定律的研究認為，爆炸波對地下工程和建筑物的損害很小，減少了爆炸波對地下工程和建筑物的破壞。

因此，研究應力波在巖土介質中的傳播和衰減對國防建設方面和經濟發展方面的意義是十分巨大的。王占江等[8]在花崗巖上進行了1kg～150kg TNT系列連續爆炸的模擬試驗。

與核爆炸試驗所得出的結論相對比的話，化學爆炸試驗中的電壓波下降得更快。

原因是一個小的爆炸性定量爆炸將應力波傳播到整個巖石上，有人指出，這種情況下大量破裂的張波展開對巖體狀況更為敏感,從粒子速度的實測值轉換出的應力比直接實測值能更好地反映巖體的張波展開狀態。

1.3 巖石聲學特征研究

通過使用聲學方法在研究巖石的物理和力學特性方面的應用是聲學與巖石力學之間重疊所得到的結論。席道瑛、蔡忠理[9]對于巖石在單軸壓縮下巖石的聲學性質以及波速與應力在單軸壓縮下的關系進行了細致的研究。

1.4 爆破效應與破巖機理研究

王明洋等[4]在研究爆破和采石的影響時是基于有關輻射會對巖石破裂造成影響的研究領域中作出的，調查巖體中的爆炸和沖擊破壞，以及巖體中爆炸和沖擊所導致的變形和破壞的實際過程，是在微觀的物理和中觀物理原理基礎上來建立統一的并與逐步發展的物理原理相結合。

1.5 數值分析與數值計算

動態有限元方法在中國的發展研究于1970年初開始，其應用背景是基于核爆炸和化學爆炸的技術效果。盧文波、旭浩等[10]在研究過程中利用了大型有限元計算軟件LSDYNA，對柱狀裝藥的爆破過程進行了數值的模擬實驗，將數值模擬實驗的結果與利用Starfield疊加法得到的柱狀裝藥爆破漏斗參數的理論解進行對比，根據研究結果發現了：逆向起爆的破壞效果是最好的，正向起爆的破壞效果是最差的。近十年來數值計算和數值模擬都經歷了前所未有的發展。

1.6 巖爆與沖擊地壓機理研究

潘一山[11]在根據對中國巖爆分布和沖擊地壓布局研究的基礎上，將巖爆分為了幾個基本類型，例如煤體壓縮型、頂板破裂型和斷層錯動型三個基本形式，分別對其發生的狀態和條件進行研究，提出預防和控制沖擊地壓的措施。注水、減壓輻射、機械振動會改變碳素體的性質，導致巖石破裂，從而改變煤層的特性。

通過消除自由層、高壓水噴流鉆孔和自由煤柱衰減，修復措施可以防止壓縮型崩塌，設置碳柱改變頂板運動規則，防止頂板型巖爆，限制誤差運動，防止了錯誤的鎖定爆裂和其他目標控制措施。

除此之外還有不少研究工作者是將巖石破碎和在我國容易發生巖爆的礦山結合在一起，得出了系統且富有成果的研究。

1.7 巖石動力學在工程中的應用

巖石動力學最為核心的研究主題也就是安全防護和地震方面技術的研究。隨著經濟結構和經濟力量的快速發展，巖石力學研究的成果在許多方面都會用到，比如巖土工程的基礎技術。

目前我國在有關巖土工程中高層，大型，深層和復雜結構工程建設的不間斷的增加，巖土工程的研究成果越來越多，中國深層的復雜的巖土項目正在出現新的研究成果。黃潤秋等[12]在研究汶川地震引起的山坡坍塌的機理，在實地調查過程中表明，導致山體滑坡，松散的原因，除了地震外，還有一個十分主要的原因是巖體具有強大的動力學特性，也就是由于強大的動力特性，巖體上部巖石會發生高速拋擲，從而導致山體出現滑動。

他們站在動力學的角度提出了巖體的發育過程及其穩定性的控制原理。

2 工程爆破中巖石動力學發展方向展望

工程爆破中巖石動力學的研究和發展未來可以集中在巖石動力學和本構關系上。

巖石（體）中應力波的傳播與反演，巖石材料的斷裂與破碎，數值模擬與智能化等方面。