地应力对含裂隙岩体爆破影响分析研究*

岳万友，李建国，柴修伟，王文科

(1.中铁大桥局集团 第五工程有限公司，九江 332000；2.武汉工程大学 资源与安全工程学院，武汉 430073)

随着地表浅部资源开采殆尽，为了适应经济发展的需求，能源开采呈现全面向深部进军的趋势。深部开采地质环境和应力环境的复杂性不同于地表浅部，诸多学者和专家从理论分析、数值模拟和实验等方面开展了地应力对开采过程中影响研究，戴俊等通过理论分析的方法研究对地应力条件下的爆破参数进行分析推导[1]。陈明等基于地应力下的爆炸产生的爆生裂隙，认为地应力对生成爆生裂隙有显著影响[2]。褚怀保等应用断裂力学、损伤力学理论对煤体在爆破过程中的应力波、爆生气体、瓦斯压力作用过程进行深入分析[3]。王立武等研究深部围岩在爆炸载荷或卸荷下的损伤特性，认为侧压力系数增加抑制围岩损伤破坏[4]。魏晨慧等对地应力条件下切缝药包爆破进行数值分析，发现地应力与切缝的方向关系对裂纹扩展有较大的的影响[5]。郭双等基于DDA 对双向等压和不等压应力条件下的爆破模型进行分析[6]。杨建华等采用SPH+FEM耦合算法，研究了初始应力场对爆破岩石开裂地震波能量的影响，同时基于应力场研究了双孔爆破的裂纹传播和贯通情况以及炮孔周围的应力场情况[7,8]。陈洋等通过试验和数值模拟结合的方法对在应力场作用下的岩石爆破应变特征进行分析[9]。蔡济勇等应用数值模拟方法对地应力下岩石爆破的频率特性进行分析[10]。李新平等对地下深部工程中掏槽爆破过程中的应力波进行研究分析[11]。李萧翰等分析在不同地应力下的爆破，认为不同侧压力系数对于岩石水平和垂直质点振动速度不同[12]。肖正学等对几种材料在不同初始应力下进行室内试验和矿山爆破实验，认为初始应力场改变裂纹发展方向和应力波传播规律[13]。刘殿书等通过光弹实现方法研究初始地应力对应力波形传播过程的影响[14]。谭卓英等进行实地测量，揭示了断层附近处地应力场特性[15]。张西良等对不同深度下的岩体开展不同围压实验研究其对爆破损伤范围[16]。

上述研究发现，在地应力作用下对含裂隙的岩体进行爆破动力分析有待于更细致的研究，可为深部开采穿越高应力破碎带提供理论指导。

1 爆生气体和应力波综合作用理论

理论认为爆生气体理论和应力波理论是相辅相成的，体现在爆炸不同的阶段。爆轰波使岩体产生初始的岩体径向和环向裂隙，爆生气体楔入裂隙对裂隙进行膨胀做功，促进裂隙进一步扩展与环向裂隙沟通交错切割岩体，进一步切割的岩体在爆生气体的膨胀压力下飞出槽腔。这表明裂隙在岩土爆破过程的重要性，不论是岩土爆破过程中产生的径向、环向裂隙还是原生存在于岩土体内的裂隙，都会在裂纹面尖端产生极强的应力集中，这有助于在爆生气体楔入使得裂纹进一步扩展，以及在裂纹面处应力波产生反射、透射破坏作用等。根据断裂力学原理在岩土爆破过程中裂纹尖端的应力场受到应力强度因子的影响，而应力强度因子受控于岩体的应力场，不同的应力场对其裂纹尖端应力强度影响不同。

2 含裂隙岩体破坏数值模拟

2.1 模型建立

结合某矿山基建巷道掘进工程的基本情况，采用ANSYS/LS-DYNA软件建立基于地应力的含裂隙岩体爆破模拟数值模型，为了便于分析研究，将模型简化为平面应变模型，采用cm-g-μs基本单位制。模型具体尺寸为80 cm×80 cm×0.25 cm(分别对应长(X)、宽(Y)、高(Z))，裂缝尺寸为60 cm×1 cm×0.25 cm分别对应长(Y)、宽(X)、高(Z))，如图1所示。本模型中，岩石选用Lagrange网格,空气和炸药材料选用Euler网格，通过关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID来实现各部分物质的相互作用。模型建立分两部分完成：隐式分析+显式分析。隐式分析：1)单元类型采用SOLID185；2)模型左侧和下侧施加位移约束；3)上部和右侧施加压力荷载；4)由于用的是平面应变模型，因此，在厚度方向施加Z方向位移约束。显式分析：1)空气和炸药模型施加无反射边界条件以有限域模拟无限空间；2)厚度方向施加Z方向位移约束。模型材料采用2号岩石乳化炸药参数如表1所示，石灰岩岩石的力学参数如表2所示。

表 1 炸药参数Table 1 Explosive parameters

表 2 岩石力学参数Table 2 Rock mechanical parameters

图 1 单元应力监测点示意图Fig. 1 Schematic diagram of unit stress monitoring points

2.2 含裂隙岩体数值模拟结果对比分析

2.2.1 双向等压分析

图2中20-20、40-40、60-60(a)图是0时刻的应力云图，可从炮孔周围附近和裂隙附近尤其是裂纹两端，看出模型在地应力作用下的应力集中程度，同时发现随着预应力的加大岩体发生了变形，其中60-60的图(a)受到的夹制作用最大。图2中20-20、40-40、60-60(b)图是50 μs后的应力云图，可以发现在应力波的作用下20-20中的(b)图炮孔周围以及裂纹周围破坏最为剧烈。

注：20-20、40-40、60-60分别为竖向应力20、40、60和水平应力20、40、60，单位：MPa图 2 各向等压应力云图Fig. 2 Cloud diagram of isostatic stress in all directions

岩土爆破中，地质裂隙、弱面等改变岩石物理性质也影响炸药和岩石的相互作用过程，为了研究爆炸应力波和地应力对含有裂隙的岩体的影响，现引入3条测线，分别布置在炮孔右侧和裂隙左侧(测线1)、裂隙右侧区域(测线2)以及炮孔左侧区域(测线3)。最后应用Lsprepost软件对获得的数据进行分析处理。

图3(a)、(b)、(c)分别是对炮孔左侧测线、炮孔右侧和裂隙左侧测线以及裂隙右侧的三条侧线上的应力进行的分析。

注：20-20、30-40分别表示水平压力是20 MPa、竖向压力是20 MPa，水平压力是40 MPa、竖向压力是30 MPa，也即是侧压系数分别为1和1.33，其它的参数意义据此依次类推。为了便于描述，在图3中，左侧图表正值反映的是单元的压应力。右侧图表正值反映的是拉应力负值反应的是压应力。图 3 双向等压模型单元应力分析Fig. 3 Stress analysis of bidirectional isobaric model element

图3(a1)表明在爆破过程中，压力仅在炮孔附近和裂隙附近较大，在该条测线上其它单元应力没有随围压增加有显著的提升，测线上的单元应力曲线呈现凹型。在临近裂隙处压应力逐渐增大且地应力越大压应力越大，压应力较大主要原因是此处属于爆炸应力波、地应力还有裂隙的共同作用区，裂隙的存在对能量起到阻隔限制作用；图3(a2)表明，围压为20 MPa时的工况拉应力明显大于围压是40 MPa和围压是60 MPa应力工况，再结合图3(a1)可得，在炮孔附近随围压增加拉应力逐渐减小而压应力绝大部分区域没有大的提升。

图3(b1)表明在爆破过程中，围压的增加与单元体压应力的增加呈现正相关关系，靠近裂隙处的应力不为0，即自由面处的应力不为0，这种现象与应力状态相关，此处应力状态是三部分组成：围压(预应力)+爆炸应力波的透反射+应力集中，故应力较大。图3(b2)表明围压的增加与拉应力呈现负相关关系且低围压下的拉应力明显大于高围压下的拉应力。

图3(c1)表明在爆破过程中，炮孔左侧的单元压应力在三种围压的情况下其衰减规律保持一致。不同围压下的单元压力最小值是模型边界处施加的围压值，这与爆破应力波的传播规律有关，距离爆心越远，炸药爆炸对介质做功越小。对比发现测线上的单元都有不同程度的震荡特征，这与爆炸应力波在预应力场中的传播有关。图3(c2)表明在爆破过程中，随着围压的增大单元受压应力的比例较大，符合在爆破过程中期望岩石所受拉应力大和压应力小的情况，这与岩石具有抗压不抗拉的物理性质有关。

结合图3(a)、图3(b)、图(c)，在岩土爆破过程中，围压的增加显著的提高单元的拉应力而单元的压应力并未显著的提升，围压越大在爆破过程中压应力对单元破坏做功越明显，这显然不符合爆破工程实践的要求。

2.2.2 双向不等压分析

图4中30-20、30-40、30-60中(a)图均是0时刻的应力云图，从炮孔周围和裂纹两端附近两个方面研究地应力作用下的应力集中程度，发现随着侧压力系数的增加，岩体的变形加大，在30-60的图(a)受到的预应力作用最为明显。图4中30-20、30-40、30-60的(b)图是50 μs后的应力云图，发现在应力波的作用下30-60中的(b)图炮孔周围以及裂纹周围破坏程度最为剧烈。随着应力波的传播发现图(c)、(d)的应力云图亦符合上述情形，炮孔附近破坏范围和裂隙处的破坏程度均较剧烈。

注：30-20、30-40、30-60分别为竖向应力30、30、30和水平应力20、40、60，单位：MPa图 4 不等压工况应力云图Fig. 4 Stress cloud diagram under unequal pressure conditions

图5(d)、(e)、(f)分别是在不同围压下对炮孔左侧测线，炮孔右侧、裂隙左侧和炮孔右侧、裂隙右侧的三条侧线上的单元应力进行分析。

对于图5(d1)、(e1)、(f1)为3条不同围压下不同测线的单元压应力曲线，可以发现测线1和测线3处的压应力曲线形态与等围压情况基本一致，在测线2处，在距离裂隙一定距离处均出现不同程度的应力下降，这显然与侧压力有关且侧压力系数越小其值较小，与各向等围压形成鲜明对比。

对于图5(d2)、(e2)、(f2)为3条不同围压下不同测线的单元压应力曲线，可以发现测线2和测线3处的压应力的曲线形态与等围压情况基本一致。在不等压情况下，发现测线1处出现围压为30-40(侧压系数为1.33)的单元拉应力大于围压为30-20(侧压系数为0.67)单元的拉应力的情况。表明在爆破过程中，不同侧压系数以及裂隙对围岩形成的的应力状态与各向等压工况有所不同。

图 5 双向不等压模型单元应力分析Fig. 5 Element stress analysis of bidirectional unequal pressure model

3 结论

在深部开采爆破过程中，含裂隙岩体有助于爆生气体楔入使得裂纹进一步扩展。通过分析裂隙岩体爆生气体和应力波作用特性，采用有限元软件进行数值模拟计算，得出地应力场作用下裂纹体对爆炸应力波的影响规律，在各向等压和各向不等压地应力场下的裂纹体对爆炸应力波影响的两种情形进行细致的分析和研究。

(1)在各向等压地应力场的环境下，随着围压的增加导致单元的拉应力有所降低而单元的压应力并未得到显著的提升。

(2)在各向等压下的地应力场下，在裂隙右侧与围岩之间且靠近裂隙的局部区域单元压应力达到该测线的峰值且压应力随围压增大而增大。

(3)在各向不等压的地应力场下，当测压系数为1.33时，在炮孔与裂隙之间测线单元拉应力达到了峰值。