巖石爆破裂紋擴展機理試驗研究*

周 宇

(神華準格爾能源有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

爆破是地下礦山建設(shè)中最常用的施工方式，選擇合理的爆破方式以及參數(shù)非常重要?？刂票剖侵竿ㄟ^一定的技術(shù)措施控制爆炸產(chǎn)生的能量以及爆破規(guī)模，使爆破的聲響、振動、飛石等在規(guī)定限度以內(nèi)，故控制爆破技術(shù)可以大大減少巷道掘進中的超欠挖現(xiàn)象，光面爆破是應(yīng)用最為廣泛的一項控制爆破技術(shù)[1]。爆破荷載下巖石的破碎理論主要有3個：應(yīng)力波疊加理論、爆轟氣體準靜壓理論、應(yīng)力波與爆轟氣體共同作用理論[2-6]。MA等[7-9]對光面爆破新技術(shù)、光面爆破起爆線、光面爆破光面組參數(shù)的理論計算方法以及精度控制技術(shù)等方面進行了優(yōu)化研究；顧義磊等[10]研究得出了孔徑、孔深、最小抵抗線等參數(shù)的定量計算方法；戴俊等[11]采用分形維數(shù)研究了周邊孔起爆后的分形特征，證明了巖石定向斷裂周邊控制爆破技術(shù)可以減少超欠挖及對圍巖的損傷；趙劍[12]對潞安礦業(yè)公司某礦井的光面爆破參數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)光面爆破技術(shù)的關(guān)鍵是光爆孔孔距、單孔裝藥量、填塞方式等的選取以及起爆順序的設(shè)置，周邊孔之間添加空孔之后爆破效果更好且半孔率高、巖壁平整。

目前國內(nèi)外學(xué)者主要采用模型試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等方法研究光面爆破機理，得出了大量有價值的成果。但大都聚焦于試驗數(shù)據(jù)分析，對整個爆破過程的機理缺乏清晰認識。本文從爆破裂紋擴展機理入手，采用高速攝影技術(shù)完整呈現(xiàn)爆破全過程，模擬了光面爆破單孔爆破和炮孔有無填塞等工況，研究了孔距、炮孔封堵對爆破效果的影響，以期為光面爆破孔距參數(shù)選擇提供借鑒。

1 有機玻璃板單孔起爆試驗設(shè)計

1.1 模型材料

ROSSMANITH[13]等對均質(zhì)巖石與有機玻璃(PMMA)材料進行了等效爆破，發(fā)現(xiàn)二者在爆破荷載下的破壞形式大致相同，且PMMA具有各向同性以及較高的焦散光學(xué)常數(shù)。因此采用PMMA為試驗材料，研究了巖石在爆破荷載下的裂紋擴展規(guī)律及機理。PMMA的動態(tài)力學(xué)參數(shù)如表1所示。表1中，Cp表示膨脹波波速，Cs表示剪切波波速，Ed表示彈性模量，v表示泊松比，c表示應(yīng)力光學(xué)常數(shù)。

表1 PMMA動態(tài)力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗用藥

選擇疊氮化鉛作為起爆藥，疊氮化鉛的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 疊氮化鉛相關(guān)參數(shù)

試驗?zāi)Ｐ统叽鐬?00 mm×200 mm，厚度為10 mm，兩炮孔距離自由面邊界50 mm，孔徑為5 mm，炮孔間距為45 mm；試件邊界不施加任何約束，添加有夾具對炮孔進行封堵以及無夾具對炮孔進行封堵兩個變量。模型試件如圖1所示。

圖1 模型試件

2 爆破荷載下裂紋擴展機理

2.1 試驗方案描述

試驗采用疊氮化鉛單質(zhì)炸藥為起爆藥，單孔裝藥量為80 mg，單孔起爆，另外一個孔作為導(dǎo)向孔。采用空氣不耦合裝藥爆破，當爆破產(chǎn)生的爆轟壓力超過巖體的抗壓強度時，會在炮孔周邊產(chǎn)生壓碎區(qū)，雖然壓碎區(qū)的面積相對來說較小，但是為了達到破巖的目的其消耗的能量較大。為了盡可能減少壓碎區(qū)面積，使得炸藥起爆時產(chǎn)生的能量作用于爆生裂紋的擴展，所以選取不耦合系數(shù)為1.56的徑向裝藥。模型試件參數(shù)如表3所示。

表3 模型試件參數(shù)

2.2 試件最終破壞形態(tài)

試件破壞后裂紋類型(見圖2)分為3種：Ⅰ型張開型裂紋、Ⅱ型滑開型裂紋、Ⅲ型復(fù)合型裂紋。Ⅰ型張開型裂紋是拉應(yīng)力垂直作用在裂紋表面使裂紋在垂直方向產(chǎn)生的張開位移；Ⅱ型滑開型裂紋是由于剪應(yīng)力作用產(chǎn)生的相互滑開的位移；Ⅲ型復(fù)合型裂紋亦稱反平面剪切裂紋，其為在平行裂紋面且垂直裂紋擴展方向的剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋面左右錯開的現(xiàn)象。

(a)Ⅰ型裂紋 (b)Ⅱ型裂紋 (c)Ⅲ型裂紋

炸藥起爆后，不同參數(shù)的試件炮孔周邊的壓碎區(qū)和裂紋擴展情況不同，破壞效果如圖3所示。由圖3可知，在炸藥起爆后炮孔周圍形成了壓碎區(qū)、長裂紋以及各種復(fù)合型裂紋等。

(a)P-1試件 (b)P-2試件

爆后試件各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，P-1試件的裂紋擴展數(shù)量與長度均大于P-2試件，其中：空孔方向P-1試件比P-2試件多擴展2條裂紋，最長裂紋長度多5.9 mm；自由面方向多擴展了4條裂紋，最長裂紋長度多11 mm；無限介質(zhì)方向裂紋數(shù)量一致，但是P-1試件比P-2試件的最長裂紋多0.9 mm。因此，施加封堵情況下裂紋的擴展效果比未封堵情況下的好。

表4 爆后試件各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.3 裂紋擴展過程分析

巖石破碎是爆轟應(yīng)力波以及爆生氣體的共同作用所致，爆破的第一階段和第二階段均是爆轟應(yīng)力波形成的壓縮波以及邊界反射形成的拉伸波起主要作用，第三階段是爆生氣體起主要作用?；诖?，將試件的爆破過程圖與最終破壞效果圖結(jié)合分析。P-1試件的爆破過程圖如圖4所示。

圖4 P-1試件爆破過程圖

由圖4可知：炸藥起爆22.7 μs后，有大量亮光產(chǎn)生，炮孔內(nèi)部產(chǎn)生爆生氣體，炮煙向孔外逸散，應(yīng)力波從炮孔處開始向四周傳播；炸藥起爆45.4 μs后，由于沒有夾具對炮孔進行封堵，爆生氣體混雜著炮煙由炮孔端部逸散，爆破產(chǎn)生的亮光逐漸減弱，與此同時應(yīng)力波持續(xù)向四周傳播；炸藥起爆68.1 μs后，應(yīng)力波傳播至試件邊界，爆生氣體持續(xù)逸散，炮孔中依舊有微弱的亮光，此時的亮光不再是爆炸時產(chǎn)生的亮光，而是平行光路透過試件被高速攝影儀從逸散氣體的縫隙中捕捉到的亮光；炸藥起爆90.8～181.6 μs后，爆生氣體和炮煙完全從炮孔內(nèi)部逸散，炮孔表面的有機玻璃被應(yīng)力波破碎后被爆生氣體以及炮煙的逸散作用帶出，形成拋擲現(xiàn)象，由于炮煙逸散遮擋了視場，所以此時并未拍攝到應(yīng)力波的傳播或者應(yīng)力波的反射以及裂紋的擴展。通過對最終破壞效果的觀測發(fā)現(xiàn)，炮孔周邊產(chǎn)生了直徑為15.6 mm的壓碎區(qū)，炮孔左邊擴展出3.8 mm長的Ⅰ型細小裂紋；在炸藥起爆181.6 μs后，試件再未產(chǎn)生明顯變化，氣體的逸散已經(jīng)結(jié)束，應(yīng)力波作用終止。

2.4 試驗結(jié)果分析

通過對比P-1試件與P-2試件拍攝到的爆破過程以及最終爆破破碎效果可知，雖然兩者因爆破產(chǎn)生的壓碎區(qū)直徑相差很小，但是裂紋擴展長度相差較大。進一步推斷，在爆破荷載下裂紋擴展及巖石破碎過程中，爆轟應(yīng)力波的主要作用為破碎、致裂炮孔周邊形成壓碎區(qū)以及細小裂紋，爆生氣體沿著爆轟應(yīng)力波致裂的細小裂紋進入并在裂紋表面形成壓應(yīng)力推進裂紋擴展。在P-1試件中并未采取任何封堵措施，最終導(dǎo)致裂紋僅超出爆轟應(yīng)力波形成的壓碎區(qū)1～2 mm，且最長裂紋向鄰近空孔導(dǎo)向孔擴展，所以P-1試件的裂紋擴展是空孔導(dǎo)向孔產(chǎn)生的引導(dǎo)作用導(dǎo)致該處裂紋擴展較長；而其他方向的細小裂紋由于爆生氣體的大量逸散失去了推動裂紋擴展的動力，所以其他方向的裂紋并未發(fā)生明顯的擴展；在炮孔端部伴隨著爆生氣體的逸散，發(fā)生了拋擲現(xiàn)象，造成孔口部分產(chǎn)生直徑為8.3 mm的拋擲圈。

反觀P-2試件，由于起爆前施加了有效的炮孔封堵措施，爆生氣體及炮煙的逸散相對于P-1試件更少；雖然在P-2試件起爆孔的左側(cè)由于橡膠圈被爆生氣體的壓力推動向左邊偏移，并未形成如炮孔右邊一般良好的封堵，但是依舊有效地阻止了爆生氣體及炮煙的逸散；最終，在P-2試件自由面方向一側(cè)形成的Ⅰ型裂紋長度為21 mm，鄰近空孔方向形成了17.3 mm的Ⅰ型裂紋與長度為13.6 mm的復(fù)合型裂紋，該復(fù)合型裂紋的剪切性發(fā)育程度大于擴張性發(fā)育程度，其余方向亦形成了較為可觀的擴展裂紋。雖然在炮孔左邊發(fā)生了爆生氣體及炮煙的逸散，但是依舊形成了較長的爆生裂紋，原因是起爆孔左側(cè)鄰近空孔，所以該處裂紋應(yīng)是空孔導(dǎo)向作用與爆生氣體作用共同引起的，因此該處裂紋依舊擴展了17.3 mm的長度，并且在炮孔孔口產(chǎn)生了拋擲現(xiàn)象，沿著炮孔左側(cè)橡膠圈推移的空隙拋擲而出，所以在孔口部分左側(cè)的拋擲范圍相較于右側(cè)更大，擴展向鄰近孔方向的裂紋數(shù)量小于擴展向自由面方向的，所以自由面對于裂紋擴展的影響大于空孔。

綜合分析P-1、P-2試件，將爆破荷載下裂紋的擴展階段總結(jié)如下：

a.第一階段為爆轟應(yīng)力波的主要作用階段，該階段炸藥起爆后產(chǎn)生的爆轟應(yīng)力波的徑向壓縮作用，使得炮孔壁周圍產(chǎn)生壓碎區(qū)并產(chǎn)生致裂效果，在炮孔周邊形成了細小裂紋；

b.第二階段為爆生氣體的氣楔作用使得裂紋不斷擴展，同時由于爆生氣體的逸散使得炮孔孔口產(chǎn)生拋擲現(xiàn)象；在該階段，爆生氣體從細小裂紋進入裂紋表面產(chǎn)生壓縮作用，使得裂紋進一步擴展，在爆生氣體逸散方向因其作用力漸弱，導(dǎo)致裂紋在擴展到一定程度時止裂；

c.第三階段為爆轟應(yīng)力波到達邊界產(chǎn)生的反射拉伸波對裂紋的再次作用，在該階段爆生氣體的作用已很微弱，裂紋逐漸停止擴展，但在反射拉伸波到達裂紋尖端時，對裂紋表面形成的拉伸作用使得裂紋沿反射拉伸波傳播方向進一步擴展。

3 結(jié)論

a.空孔導(dǎo)向孔以及自由面對于裂紋的擴展有引導(dǎo)作用，促使裂紋向?qū)蚩追较蚣白杂擅娣较驍U展。

b.爆破荷載下裂紋擴展的第一階段為炸藥爆炸時產(chǎn)生的爆轟應(yīng)力波，其致裂炮孔壁、破碎孔口部分，且在炮孔周邊產(chǎn)生細小裂紋，但是并不能使裂紋擴展。

c.爆破荷載下裂紋擴展的第二階段為炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生氣體沿爆轟應(yīng)力波產(chǎn)生的細小裂紋進入裂紋尖端，并在其表面形成壓應(yīng)力，促進裂紋擴展；除此之外，無論封堵是否良好，爆生氣體依舊會產(chǎn)生一定程度的逸散，在逸散時產(chǎn)生的能量使孔口碎片伴隨爆生氣體及炮煙向孔外飛出，從而形成拋擲現(xiàn)象。

d.在爆破荷載下裂紋擴展的第三階段，爆生氣體對于裂紋的擴展作用因逸散而逐漸減小，反射拉伸波繼續(xù)推動裂紋擴展，裂紋的擴展速度迅速上升至新的速度峰值，且由于反射波與反射波、反射波與壓縮波、反射波與爆生氣體的共同作用，在主裂紋旁邊衍生出次生裂紋，次生裂紋與主裂紋相互貫通。第三階段后期爆生氣體的作用趨近于零，僅靠應(yīng)力疊加作用促進裂紋擴展直至巖層破壞。