循環(huán)爆破荷載作用下類(lèi)鈾礦巖損傷與氡析出規(guī)律的實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵問(wèn)題之一。在利用爆破進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程中，因爆破形成的沖擊波威力巨大，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)難免會(huì)對(duì)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(yán)重時(shí)甚至還會(huì)形成災(zāi)變。因此，研究循環(huán)爆破荷載作用下鈾礦巖損傷演化及氡析出特征具有現(xiàn)實(shí)意義。本文就循環(huán)爆破荷載作用下類(lèi)鈾礦巖損傷與氡析出規(guī)律的實(shí)驗(yàn)展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：類(lèi)鈾礦巖;循環(huán)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(chǎn)活動(dòng)中被廣泛應(yīng)用，但爆破動(dòng)載荷也不可避免地會(huì)對(duì)礦柱、巷道等地下巖體工程帶來(lái)不利影響。一直以來(lái)，爆破載荷下巖石的損傷規(guī)律都是研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)，也是礦山工程設(shè)計(jì)的重要參考。

1類(lèi)鈾礦巖爆破損傷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）類(lèi)鈾礦巖制備和爆破荷載的施加方法。遵循相似理論，獲取類(lèi)鈾礦巖樣相似材料的最佳配比，制備長(zhǎng)、寬、高分別為250mm、250mm、200mm的類(lèi)鈾礦巖試塊。根據(jù)原巖的物理力學(xué)性質(zhì)，將鈾尾砂、石英砂、水泥、微硅粉和精鐵粉等材料按一定質(zhì)量百分比混合攪拌，在混合攪拌過(guò)程中配合使用小型混凝土振動(dòng)棒，確保振搗均勻，并倒入模板中，人工養(yǎng)護(hù)28d。針對(duì)爆破過(guò)程的可控性較差以及在測(cè)量過(guò)程中容易受到人為因素干擾等特點(diǎn)，本次實(shí)驗(yàn)均按同一配比、在相同的條件下共制作6塊試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而確保被研究對(duì)象的一致性。爆破裝置采用304不銹鋼制作，尺寸為長(zhǎng)270mm、寬270mm、高250mm。根據(jù)該爆破裝置的特點(diǎn)，在養(yǎng)護(hù)成型的類(lèi)鈾礦巖試塊上表面中心處沿厚度方向鉆取炮孔，爆破時(shí)在中心鉆孔內(nèi)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(huán)爆破荷載作用，直至類(lèi)鈾礦巖試塊完全破裂，宏觀裂紋完全貫穿整個(gè)類(lèi)鈾礦巖試塊后，停止實(shí)驗(yàn)。（2）類(lèi)鈾礦巖爆破損傷測(cè)定與計(jì)算方法。采用損傷變量表征劣化程度，在損傷力學(xué)中，損傷變量實(shí)際上起著“劣化算子”的作用，它由大量的客觀統(tǒng)計(jì)特征來(lái)確定，從而定量描述損傷狀態(tài)量。爆破損傷的形成既包括了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化（微觀），也包括了某些物理力學(xué)性能的變化（宏觀），因此可以從不同的層面來(lái)定義損傷變量。微觀層面：通過(guò)統(tǒng)計(jì)裂紋密度、裂紋數(shù)量、裂紋長(zhǎng)度、裂紋面積和體積等來(lái)反映損傷;宏觀層面：通過(guò)統(tǒng)計(jì)彈性模量、屈服應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、密度等來(lái)反映損傷。目前，損傷模型不斷完善，損傷變量的選取也越來(lái)越有利于實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在現(xiàn)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(zhì)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(shù)變化定義法和分形維數(shù)變化定義法等。本文結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件，采用超聲波波速變化定義法來(lái)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，即采用損傷演化過(guò)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(zhì)的聲波速度，km/s。為了分析類(lèi)鈾礦巖爆破損傷演化規(guī)律，采用非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)量類(lèi)鈾礦巖爆破前后超聲波縱波波速，以過(guò)炮孔中心水平線和豎直線為基準(zhǔn)線，每間隔4cm為一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置，。

2爆破荷載作用下工程巖體損傷研究現(xiàn)狀

爆破作用機(jī)理以及爆破作用方式，作為工程爆破界的重要研究對(duì)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?jī)?nèi)容涉及爆破應(yīng)力波（強(qiáng)沖擊荷載傳播）與強(qiáng)沖擊荷載有害效應(yīng)等，在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為求解波動(dòng)方程的初、邊值問(wèn)題，因此研究爆破應(yīng)力波的傳播以及具體的作用機(jī)理一直是爆破巖體力學(xué)的研究交點(diǎn)，研究成果更有利于進(jìn)行工程爆破理論分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。在爆破荷載作用引起的巖體損傷與巖體聲波測(cè)試等方面：開(kāi)展了循環(huán)爆破作業(yè)下隧道結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題研究，分析了爆破荷載傳播過(guò)程會(huì)破壞隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。完善了循環(huán)爆破沖擊載荷作用下的巖體累計(jì)損傷的H一B準(zhǔn)則，并提出了損傷因子D和完整性系數(shù)Kv新概念。研究了在爆破沖擊荷載作用下地下采場(chǎng)裂隙的演化情況。通過(guò)獲取峰前圍壓卸荷條件下巖石的應(yīng)力一一應(yīng)變?nèi)^(guò)程參數(shù)，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(wěn)定性。通過(guò)建立邊坡失穩(wěn)模型，并利用聲波測(cè)試技術(shù)綜合分析了尖山磷礦邊坡的累積損傷效應(yīng)。在綜合巖石和煤體爆破技術(shù)與理論研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤體爆破機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)研究、并利用數(shù)值模擬軟件對(duì)煤體爆炸應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

3爆破損傷與氡析出測(cè)量實(shí)驗(yàn)

（一）類(lèi)鈾礦巖爆破損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

按照類(lèi)鈾礦巖爆破損傷實(shí)驗(yàn)方案，為了全面分析爆破損傷演化規(guī)律，根據(jù)損傷計(jì)算值繪制出爆破過(guò)程中損傷值隨爆破次數(shù)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(cè)點(diǎn)損傷值。

爆破損傷演化規(guī)律，根據(jù)損傷計(jì)算值繪制出爆破過(guò)程中損傷值隨爆破次數(shù)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(cè)點(diǎn)損傷值，如圖3～4所示。（1）第3列與第3行測(cè)點(diǎn)損傷值大于其他對(duì)應(yīng)行而且，第1列與第5列、第1行與第5行對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)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(xiàn)出相同規(guī)律。（2）從對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的損傷值來(lái)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(yuǎn)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(lái)看，各測(cè)點(diǎn)損傷值相對(duì)于第3行呈現(xiàn)對(duì)稱分布;從各列（豎向）來(lái)看，各測(cè)點(diǎn)損傷值相對(duì)于第3列也呈現(xiàn)對(duì)稱分布規(guī)律。第14次爆破后（該次爆破后，由于試塊完全破裂，沒(méi)有對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量），爆破加載終止。通過(guò)25個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得了13組數(shù)據(jù)，利用超聲波波速變化定義法得到13組損傷變量。根據(jù)數(shù)據(jù)分析的初步結(jié)果，以基準(zhǔn)點(diǎn)為例，即第3行、第3列的點(diǎn)，其損傷變量隨爆破次數(shù)增加而增大，在第13次爆破后損傷變量達(dá)到0.181，與《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖工程施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T5389—2007）規(guī)定的巖體損傷閾值D=0.19的標(biāo)準(zhǔn)基本一致，這也證明了上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果的正確性。

（二）類(lèi)鈾礦巖放射性氡氣探測(cè)實(shí)驗(yàn)。按照密閉腔體法測(cè)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(duì)內(nèi)部試塊破碎物體及爆破過(guò)程中作為邊界條件的細(xì)沙進(jìn)行清理，同時(shí)考慮到炮孔所在的上表面為爆破易損面（會(huì)有部分損壞，表面積增大導(dǎo)致氡析出量失真），為了分析內(nèi)部損傷演化和宏觀裂隙的貫穿過(guò)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(duì)稱面，只裸露另外的一組對(duì)稱面，并利用RAD7連續(xù)測(cè)氡儀測(cè)量其單次爆破前后累積氡濃度，此外在測(cè)量之前還需凈化RAD7連續(xù)測(cè)氡儀30min，去除其中的殘余氡含量并降低濕度，直至內(nèi)部氡濃度測(cè)量值與空氣本底值接近，并計(jì)算得出循環(huán)爆破前后放射性氡氣析出率。

結(jié)語(yǔ)

在爆破動(dòng)載荷影響的范圍內(nèi)，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(dǎo)致的增長(zhǎng)幅度在試驗(yàn)測(cè)試近區(qū)最大，中區(qū)次之，遠(yuǎn)區(qū)最小。

參考文獻(xiàn)

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