爆炸荷载下岩体破裂影响因素研究

王发青

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021）

爆炸荷载下岩体破裂影响因素研究

王发青

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021）

为研究岩体在爆炸荷载作用下裂纹扩展的影响因素，采用ANSYS/LS-DYNA动力软件对砂岩爆破裂纹扩展机理进行数值模拟，并考察地应力、自由面和节理等因素对爆破裂纹扩展的影响。结果表明：爆生气体与应力波联合作用下的裂隙区半径是应力波单独作用下裂隙区半径的1.85倍，爆生气体的存在使破岩过程更为有效；当侧压系数不变时，随着初始应力的增加，裂隙区扩展半径减小；自由面产生的反射拉伸应力波导致平行于自由面的裂纹产生；自由面与节理平行或垂直对爆破裂纹的分布有很大影响。

岩体；动力学特性；爆破裂纹；数值模拟

钻爆技术作为岩体挖掘的主要手段，为大型地下洞室施工：如水利水电，地铁工程和采矿工程等。在爆破开挖中，岩石断裂面的大小完全取决于岩石的性质。与爆破效果相关联的岩石性质包括密度，弹性模量，孔隙率等参数。在岩石爆破过程中，岩石加载速率为100~104S-1，和岩石的力学性能相比加载速率下的静载荷更加复杂。长久以来通过对爆破机理的分析，发现岩石爆破主要取决于岩石的拉伸强度。然而，对于岩石爆破效果的数值和理论计算，不同学者就岩石的动态抗拉强度取值观点并不一致。

1 对爆破破岩影响因素的探究

1.1 爆破破岩受地应力的影响

地应力是由于岩石发生改变而引起的内部的作用力，它存在于地壳中。其中铅垂应力与上覆岩层的重度成正比，而水平地应力是由两部分构成：①由上覆岩层的重力作用引起；②和上覆岩层的压力成一定正比，是地质构造力，随深度的增加而增大。

对同性岩体而言，应力是相同的在x向和z向之间，100，400，800和1 600m，这4种工况分别对药包埋深进行模拟，以观测爆破效果的影响地应力对岩体的影响。建立300m× 300m的模型，对其施加重力，研究埋藏400m的初始应力情况。对于其他方案，按容重25kN/m3，以平布荷载的形式将上覆岩层的重力施加在模型表面。通过使用ANSYS的隐含分析，爆破过程由LS-DYNA分析，由DRELAX文件连接。

1.2 边界条件对爆破破岩的影响

在自由面处运用霍普金逊效应，全部被反射回来或收紧的应力波部分，使拉伸应力波造成方向相反。这时，产生叠加的入射压应力波与反射拉应力波的拉应力达到一定强度时，造成更大范围的破坏。这种损伤与存在的自由表面有关，而且与自由表面的孔的投影面积有关。建立10m×10m的“准二维”模型，研究炮孔在自由面的投影面积对爆破效果的影响。其中装药直径为32mm，深度为1m，封孔深度（炮泥长度）为1m。考虑炮孔与自由面的夹角b分别为0°、60°、和90°三种工况。为简化模拟，炮泥的材料参数与岩体一致。b为60°和90°时，上表面为自由边界，其他面为透射边界；b为0°时，上表面和右表面为自由边界，其他面为透射边界。

自由面上的炮孔投影的面积越大，那么夹制作用就越小，爆破效果好，岩体的粉碎水平越高。装药于自由面垂直时的炮孔中，形成的投影面积较小，岩体的破碎程度困难；炮孔与自由面斜交比垂直更有利于爆破，碎偏减少，孔数增加；平行于自由表面，岩石是最简单的，自由的表面投影面积最大，效果优于前两者。因此，自由面增加，使所需消耗的爆炸物显得减少。这也是当使用爆破时在周边孔中使用非耦合电荷的原因。在单个自由表面的条件下，孔与自由表面倾斜，可以获得比孔和自由表面更好的破碎效果，但是砾石投掷距离更大。因此，在道路切割爆破中，为了避免直切和斜切的缺陷，专家提出了直线切割技术，为快速发展的技术提供了新的途径。

2 爆炸负荷影响分析

为了研究爆炸荷载对深部围岩断裂的影响，对轴向载荷下爆破开挖和静态开挖（突然移除嵌入部件）的影响进行了比较，应变实验结果，正应变值表示拉伸应变，负应变值表示压缩应变。

在两种挖掘条件下，模型巷道周围部分，侧壁和底部的径向应变为拉伸应变。研究表明，爆炸负荷会对爆破孔附近的周围岩体造成破坏，并在墙体附近的周围岩体中产生大量微裂纹，孔周围的爆破破坏程度减弱。在模型的径向变形中，可以看出，在爆破开挖条件下，拱顶几乎来自墙壁三个应变门，侧壁更靠近两壁，底壁更靠近墙壁应变测量点的径向应变值明显大于静态开挖条件，其他测量点的径向应变值明显小于静态开挖条件下的径向应变值。实验表明，爆炸荷载对墙体附近的周围岩石造成了一定的破坏，同时也引起了地面应力的调整。可以看出，爆破开挖过程中的地应力调整对开挖断裂带的形成有重要影响。

3 结束语

利用ANSYS/LS-DYNA软件，模拟岩体在爆炸荷载作用下的裂隙扩展机理，分析影响岩体爆破裂纹扩展的因素，主要结论如下：

1）伴随着初始应力的加强，破碎带的范围不变，破裂带的裂纹发展受到抑制。这主要是因为动态应力波的影响，应力对高静电场施加时，应力对动态应力波的影响是明显的。

2）自由面对爆破有很大的冲击，随着自由表面，爆破单位增加，爆炸岩的体积明显减少。在单个自由表面的条件下，孔与自由表面倾斜，破碎效果优于孔和自由表面垂直。

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[3] 崔峰.复杂环境下煤岩体耦合致裂基础与应用研究[D].西安：西安科技大学，2014.

[4] 李润.循环荷载作用下节理岩体边坡疲劳劣化及其锚固效应研究[D].福州：福州大学，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

王发青（1979—），男，青海海东人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。