單向初始荷載下爆破漏斗破壞效應(yīng)試驗(yàn)研究

楊海濤 儀海豹 王廣成 張西良 周 健 李二寶 1

（1.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000；4.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司，安徽馬鞍山243000；5.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）

隨著淺部礦產(chǎn)資源開(kāi)采殆盡，國(guó)內(nèi)外眾多金屬礦山逐漸轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采階段。有別于露天礦山爆破開(kāi)采，深井礦山開(kāi)采通常面臨著高地壓、高地溫的復(fù)雜環(huán)境，高地應(yīng)力條件作用于爆破破巖過(guò)程，不僅增大了爆破開(kāi)采難度，也易于誘發(fā)巖爆、冒頂?shù)炔蓜?dòng)災(zāi)害。近年來(lái)，不少學(xué)者針對(duì)爆破開(kāi)采作業(yè)中地應(yīng)力對(duì)爆破效果的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。魏晨慧等［1］采用數(shù)值模擬方法分析發(fā)現(xiàn)，初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)爆生裂紋的擴(kuò)展具有一定的導(dǎo)向作用；陳明等［2］研究指出，在壓剪破壞模式下，爆生裂隙區(qū)比例半徑隨著地應(yīng)力的增大而減小；楊立云等［3］研究表明，在垂直于裂紋擴(kuò)展方向的壓應(yīng)力阻礙了裂紋擴(kuò)展；張宇菲［4］指出圍壓約束可以增加爆生裂紋在最大主應(yīng)力方向上的擴(kuò)展長(zhǎng)度；楊棟等［5］研究表明，隨著側(cè)壓力系數(shù)增大，爆破損傷區(qū)形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的方向性；岳中文等［6］研究指出，初始圍壓靜加載能夠在環(huán)向形成壓縮和拉伸預(yù)應(yīng)力，有助于降低和提高爆炸沖擊在環(huán)向的拉伸作用。上述研究主要從數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)角度分析無(wú)限空間或正向爆破漏斗狀態(tài)下初始應(yīng)力對(duì)裂隙的影響規(guī)律，有關(guān)初始荷載對(duì)側(cè)向爆破漏斗效果影響的研究涉及較少。

本研究在理論分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了單向荷載下側(cè)向爆破漏斗模型試驗(yàn)，分析初始荷載對(duì)爆破效果的影響機(jī)制，在此基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬手段揭示爆破漏斗形成過(guò)程，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為深井開(kāi)采爆破參數(shù)優(yōu)化控制提供理論依據(jù)。

1 初始荷載對(duì)爆生裂隙影響機(jī)制

根據(jù)爆破破巖理論，巖石破碎是爆炸沖擊波和爆生氣體膨脹壓力綜合作用的結(jié)果［7-8］；從產(chǎn)生時(shí)間上，爆炸沖擊波（應(yīng)力波）在前，使巖石產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)展；爆生氣體在后，使這些裂隙貫通、擴(kuò)大并形成塊體脫離。當(dāng)存在外部荷載時(shí)，則由爆炸動(dòng)載荷、爆生氣體和外部荷載共同作用。炸藥在無(wú)限均質(zhì)巖石中爆炸時(shí)，沿著炮孔中心向外形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)；隨著沖擊波向外傳播，應(yīng)力波迅速衰減［9-11］，當(dāng)切向、徑向拉伸應(yīng)力小于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，徑向裂縫和環(huán)向裂縫停止發(fā)展，形成徑向和環(huán)向裂縫相互交錯(cuò)的裂隙區(qū)，如圖1和圖2所示。

針對(duì)爆破裂隙區(qū)的范圍，諸多學(xué)者從理論分析角度并結(jié)合工程實(shí)踐開(kāi)展了相關(guān)研究工作。高金石等［12］提出巖體在爆破作用下形成的裂隙圈半徑在150倍裝藥半徑以?xún)?nèi)；宗琦［13］提出了徑向裂隙的擴(kuò)展半徑計(jì)算公式［13］

式中，RT為徑向裂隙半徑，cm；R0為粉碎區(qū)半徑，cm；λ為系數(shù)；ρm為原巖密度，kg/cm3；Cp為彈性縱波波速，m/s；ST為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa；α為應(yīng)力波衰減指數(shù)；a、b為由試驗(yàn)確定的常數(shù)。

外加荷載或者初始地應(yīng)力對(duì)爆生裂隙擴(kuò)展的影響受多個(gè)因素制約。在粉碎區(qū)，爆炸荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石的破裂強(qiáng)度，因此爆炸應(yīng)力場(chǎng)對(duì)其破裂起主要作用，而外加荷載的影響基本忽略不計(jì)；隨著爆炸應(yīng)力波進(jìn)一步衰減，當(dāng)其與外加荷載的數(shù)值接近時(shí)，外加荷載的作用將逐漸顯現(xiàn)。

巖石的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)抗拉強(qiáng)度較接近［14］，但分別遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)抗壓強(qiáng)度；而巖石裂隙區(qū)主要受控于抗拉強(qiáng)度。從裂隙形成的角度而言，當(dāng)爆炸應(yīng)力波和外加初始荷載疊加應(yīng)力等于巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，即為裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)的分界面。因此，外加初始荷載對(duì)爆破裂隙范圍的影響程度主要取決于爆炸荷載大小和巖石力學(xué)參數(shù)；在裂隙區(qū)范圍內(nèi)，外加初始荷載與爆炸應(yīng)力波同向作用時(shí)將有助于裂紋擴(kuò)展，且距離炮孔中心越近，爆炸荷載越大，初始荷載對(duì)裂隙的影響越??；反之，將對(duì)裂紋存在抑制作用。同時(shí)受巖石自身強(qiáng)度參數(shù)限制，對(duì)于分析受控于拉伸應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度關(guān)系的巖石裂隙區(qū)而言，外加初始荷載一般應(yīng)控制在巖石抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)，否則，巖石會(huì)發(fā)生受壓破壞。

2 單向荷載下爆破模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

（1）混凝土試塊。硅酸鹽水泥、鐵鋼砂、河沙按照1∶1∶0.3的比例制作爆破模型試塊，長(zhǎng)度×寬度×高度=40 cm×40 cm×20 cm；室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的試塊密度為2.41 g/cm3，養(yǎng)護(hù)28 d齡期、邊長(zhǎng)為7.07 cm的立方體試塊單軸抗壓強(qiáng)度為36.82 MPa。

（2）其他材料。自制的壓力加載裝置、高精度導(dǎo)爆管雷管、起爆器、網(wǎng)孔篩、鋼卷尺、電子天平（誤差為0.01 g）等。

2.2 試驗(yàn)方案

在靠近模型的一側(cè)鉆鑿孔徑8 mm的3個(gè)炮孔，孔深10 cm。采用長(zhǎng)度15 cm的薄壁管裝入起爆炸藥，每孔炸藥量0.42 g；外接高精度導(dǎo)爆管雷管，3個(gè)炮孔同時(shí)起爆。

采用自制的壓力加載裝置，在模型兩端分別加載0、5、10 MPa的單向初始荷載，研究初始荷載作用對(duì)側(cè)向爆破漏斗試驗(yàn)的影響規(guī)律（圖3）。爆破后采用0.5、1、3、5 cm 4種規(guī)格的網(wǎng)孔篩子進(jìn)行爆破塊度篩分（圖4）。

2.3 爆破塊度分析

爆破后試塊破壞情況如圖5所示，不同荷載下爆破塊度篩分結(jié)果見(jiàn)表1，篩下累計(jì)塊度質(zhì)量和塊度分布情況分別如圖6和圖7所示。

綜合分析表1、圖6和圖7可知：隨著單向載荷增大，爆破塊度總質(zhì)量和各尺寸塊度都呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明初始荷載對(duì)爆破的抑制效果明顯；相對(duì)于無(wú)荷載狀態(tài)，荷載5 MPa、10 MPa下的爆破塊度總質(zhì)量分別降低了26.92%和47.73%。前期試驗(yàn)測(cè)量的模型試塊密度為2.41 g/cm3，計(jì)算可得0、5、10 MPa荷載下模型的炸藥單耗分別為0.81、1.10、1.54 kg/m3；相對(duì)于無(wú)荷載狀態(tài)，兩種荷載下的炸藥單耗分別增大了35.80%和90.12%，即增大初始荷載降低了炸藥的能量利用率，不利于高效破巖。需要說(shuō)明的是，模型試驗(yàn)的炸藥單耗明顯高于常規(guī)露天爆破，主要是由于模型試驗(yàn)采用炮孔全長(zhǎng)裝藥、無(wú)堵塞段所致。爆破塊度呈現(xiàn)明顯的偏態(tài)分布規(guī)律，爆破塊度質(zhì)量主要集中于5～10 cm區(qū)間，塊度尺寸在5 cm以下的占比不足35%。以爆破塊度為自變量x，以篩下累計(jì)質(zhì)量百分比為因變量y，回歸分析得到了二者的函數(shù)關(guān)系（圖8），在此基礎(chǔ)上反算出衡量爆破塊度質(zhì)量的K50、K80值（K50、K80分別表示總質(zhì)量為50%和80%的塊度可以通過(guò)篩目的塊度尺寸）。

由圖8可知：同等篩下質(zhì)量條件下，10 MPa荷載下的爆破塊度略小于無(wú)荷載狀態(tài)；外加荷載增大到10 MPa時(shí)，K50、K80對(duì)應(yīng)的爆破塊度分別從無(wú)荷載時(shí)的7.29 cm和9.11 cm降低到7.17 cm和9.07 cm，降低幅度分別為1.65%和0.44%，說(shuō)明增加荷載在一定程度上可以降低爆破大塊率，有利于改善爆破塊度分布。

2.4 單向荷載抑制爆破原因分析

2.4.1 混凝土變形曲線特性

混凝土應(yīng)力變形試驗(yàn)是研究混凝土在荷載作用下變形特性的重要手段［15］。清華大學(xué)過(guò)鎮(zhèn)海教授通過(guò)研究，將混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線分為上升段曲線和下降段曲線兩部分。

HOGNESTAD E［16］認(rèn)為曲線的上升段為二次拋物線，下降段為斜直線，函數(shù)模型為

式中，fc為峰值應(yīng)力，MPa；ε0為峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，取2×10-3；εu為極限壓應(yīng)變，取3.8×10-3；σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變。

已有研究［16］表明，與巖石應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程相似，混凝土單軸受壓時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以進(jìn)一步細(xì)分為5個(gè)階段，如圖9所示。

對(duì)圖9可進(jìn)行如下分析：

（1）OC上升階段：①OA彈性階段，A點(diǎn)為比例極限，應(yīng)力σA取值一般為峰值應(yīng)力fc的30%，即σA=0.3fc；②AB彈塑性階段，裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段應(yīng)力σ=(0 .3～0.8)fc；③BC裂隙不穩(wěn)定發(fā)展階段，該階段應(yīng)力σ=(0 .8～1.0)fc。

（2）CE下降階段?；炷吝_(dá)到峰值強(qiáng)度后裂縫繼續(xù)擴(kuò)展、貫通，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體性受到嚴(yán)重破壞，超過(guò)拐點(diǎn)D后，結(jié)構(gòu)受力性質(zhì)發(fā)生本質(zhì)的變化，最后達(dá)到殘余應(yīng)力E點(diǎn)。

2.4.2 外加荷載抑制爆破原因分析

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)定，立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是指按標(biāo)準(zhǔn)方法制作、養(yǎng)護(hù)的邊長(zhǎng)150 mm的立方體試塊，在28 d或設(shè)計(jì)規(guī)定齡期以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度值。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的邊長(zhǎng)7.07 cm立方體試塊的抗壓強(qiáng)度為36.82 MPa，考慮到爆破模型混凝土的實(shí)體強(qiáng)度與立方體試塊強(qiáng)度之間的差異，參考有關(guān)規(guī)定及工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)試塊混凝土強(qiáng)度的修正系數(shù)取0.88，則爆破模型混凝土的抗壓強(qiáng)度為32.40 MPa，即對(duì)應(yīng)于混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的C點(diǎn)。據(jù)此計(jì)算，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的比例極限σA=9.72MPa，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為25.92 MPa。

本研究爆破模型試驗(yàn)加載至5 MPa時(shí)，初始荷載值還位于混凝土模型的比例極限范圍內(nèi)；當(dāng)加載至10 MPa時(shí)，基本等于混凝土模型的比例極限，屬于混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的彈性變形階段。由于混凝土模型的不均勻性，內(nèi)部不可避免地存在諸多的原生微觀裂隙；在試驗(yàn)加載壓力條件下，爆破模型試塊內(nèi)的原生微裂隙逐漸壓密，試塊內(nèi)部的應(yīng)變能隨荷載增大逐漸積累，尚未形成塑性變形?；炷猎噳K的原有微裂隙閉合后，有效提高了混凝土的密實(shí)度，增大了混凝土試塊裂紋擴(kuò)展的阻力，在一定程度上可以提高混凝土強(qiáng)度，同時(shí)受模型邊界約束限制，因此反映出單向荷載對(duì)爆破效果的抑制作用。試驗(yàn)中外加荷載在混凝土試塊上形成了初始應(yīng)力環(huán)境，這與陳明等［2］研究得到的“隨著初始地應(yīng)力的增大爆生裂隙區(qū)比例半徑減小”的結(jié)論相一致。

爆破破巖效果是外加荷載和炸藥爆炸共同作用的結(jié)果。爆破體積與外加荷載和混凝土強(qiáng)度參數(shù)有關(guān)；本研究推測(cè)認(rèn)為，繼續(xù)增加外加荷載達(dá)到混凝土彈塑性階段（AB段），甚至達(dá)到裂隙不穩(wěn)定發(fā)展階段（BC段），初始荷載增大了試塊內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，將對(duì)混凝土爆破破巖發(fā)揮促進(jìn)作用。受模型試驗(yàn)時(shí)間等因素限制，尚未開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)工作，有待于今后進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 不同荷載下側(cè)向爆破數(shù)值模擬

考慮爆破模型試驗(yàn)爆炸過(guò)程的瞬時(shí)性，難以揭示整個(gè)爆破漏斗形成規(guī)律，為此，本研究采用LSDYNA數(shù)值模擬軟件建立了相同尺寸的數(shù)值分析模型［17-20］，選取5、7.5、10 MPa 3種單向加載方案開(kāi)展了不同荷載下的爆破數(shù)值模擬研究，結(jié)果如圖10所示。

炸藥起爆后，沿著炮孔中心位置，爆炸應(yīng)力波向外傳播，在炮孔周?chē)纬煞鬯閰^(qū)、裂隙區(qū)，炮孔之間裂隙相互貫通，隨后在高壓爆生氣體的作用下，破碎巖體從模型上崩落下來(lái)，形成側(cè)向爆破漏斗，如圖11所示。

本研究提取了不同荷載下的爆破失效單元數(shù)量，來(lái)反映爆破體積大小，如圖12所示。分析該圖可知：隨著爆破時(shí)間增長(zhǎng)，爆破失效單元數(shù)量逐漸增大，呈現(xiàn)了整個(gè)爆破破巖過(guò)程，即爆破漏斗的形成過(guò)程；同一時(shí)間下，隨著單向荷載增加，爆破失效單元表現(xiàn)出減小趨勢(shì)，即荷載對(duì)于爆破破巖具有一定的抑制作用，有效約束或限制了爆破裂紋擴(kuò)展。爆破模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)論具有較好的一致性。

4 結(jié) 論

（1）巖石裂隙區(qū)主要受控于拉伸應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。在裂隙區(qū)范圍內(nèi)，外加初始荷載與爆炸應(yīng)力波同向作用時(shí)將有助于裂紋擴(kuò)展；反之，將對(duì)裂紋存在抑制作用，但外加初始荷載一般應(yīng)控制在巖石抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)，否則，巖石將發(fā)生受壓破壞。

（2）爆破模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著單向初始載荷增大，爆破體積呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；外加初始荷載對(duì)爆破效果具有一定的約束抑制作用，但也可以小幅度降低爆破大塊率，有利于改善爆破塊度分布。

（3）下一步將繼續(xù)增大爆破模型試驗(yàn)的外加荷載，加載至混凝土彈塑性階段和裂隙不穩(wěn)定發(fā)展階段，進(jìn)一步驗(yàn)證模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。