地应力对含裂隙岩体爆破影响分析研究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.008 地应力对含裂隙岩体爆破影响分析研究* 岳万友*,李建国2,柴修伟2,王文科2 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 摘要随着深部开采环境逐渐复杂，为实现安全高效的工程爆破施工，针对深部开采爆破作业所面临的 高地应力和穿越破碎带的问题展开分析研究。运用有限元分析软件ANSYS-LS/DYNA中的隐式-显式耦合 分析程序对双向等压、双向不等压下含裂隙岩体进行数值模拟，研究高地应力区对含裂隙、弱面等岩体进行 爆破开挖这一特殊工况。研究结果表明深部含裂隙岩体爆破开采过程中，在各向等压地应力场开采环境 下，随着围压增加单元的拉应力逐渐降低而单元的压应力并未得到显著提升，同时靠近裂隙右侧部分单元的 压应力达到该测线压应力的峰值，并且压应力随围压增大而增大;在各向不等压地应力场环境下，当侧压系 数为1.33时，炮孔与裂隙区域处该测线拉应力达到了峰值。因此■，在深部开采爆破过程中应重点关注含有 裂隙等破碎带处的地应力场，对爆破开挖的安全高效实施有着重大影响。 关键词高地应力；侧压系数；裂隙岩体；爆破开挖；隐显式耦合分析 中图分类号TD235.1 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0051 -07 Influence Analysis of Ground Stress on Blasting of Fractured Rock Mass YUE Wan-yo u1 ,LI Jian-guo2,, CHAI Xiu-wei2, WANG Wen-k e2 1. The 5t h En gin eer in g Co . ,Lt d . ,MBEC, Jiu jia n g 332000, Chin a ； 2. Sc ho o l o f Reso u r c e a n d Sa f et y En gin eer in g, Wu ha n I n st it u t e o f Tec hn o l o gy, Wu ha n 430073, Chin a Abstract As the deep mining environment becomes increasingly complex, the problems of high ground stress and passing through fracture zones were analyzed and studied in order to achieve safe and efficient deep mining blas ting construction. The implicit and explicit coupling analysis program in the finite element analysis software ANSYS- LS/DYNA was used to simulate the fractured rock mass under bidirectional equal pressure and bidirectional unequal pressure. Then, this program was used to study blasting excavation in the special condition of fractured rock mass with weak plane under high ground stress. The research results show that during the blasting mining process of deep frac tured rock mass, the tensile stress of the unit gradually decreases with the increase of the confining pressure, but the compressive stress of the unit does not increase significantly in an isobaric in-situ stress field in all directions. At the same time, the compressive stress of the element near the right side of the crack reaches the peak value of the survey line, and the compressive stress increases with the confining pressure. In anisotropic stress field environment, the ten sile stress of the survey line in the hole and crack area reaches its peak value when the lateral pressure coefficient is 1. 33. Therefore,in the process of deep mining and blasting,attention should be paid to the in-situ stress field in the fracture zone including cracks, which has a significant impact on the safe and efficient implementation of blasting ex cavation. Key Words high ground stress ； lateral pressure coefficient ； fractured rock mass ； blasting excavation ； implicit and explicit coupling analysis 52爆破2021年3月 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⑴。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⑵。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⑶。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⑷。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⑸O 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同o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0,8］。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⑼。 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［创。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⑴〕。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陀］。 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⑴］。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［⑷。谭卓英等进行实地测量，揭示了断层附近处 地应力场特性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口句O 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c m-g-jx s基本单位制。 模型具体尺寸为80 c m x 80 c m x 0. 25 c m（分别对 应长（X）、宽（V）、高（Z））,裂缝尺寸为60 c m X 1 c m x0.25 c m 分别对应长（F）、宽（X）、高（Z））, 如图］所示。本模型中，岩石选用La gr a n ge网格，空 气和炸药材料选用Eu l er网格，通过关键字* CON- STRAI NED_LAGRANGE_I N_SOLI D 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sol idus ；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。 收稿日期2020-12-24 作者简介岳万友（1980 -），男，高级工程师，主要从事土木工程施 工与管理的研究，（E-mail）37367562 qq. como 通讯作者柴修伟（1980 -），男，博士、副教授,主要从事爆破破岩理 论与技术、岩土工程与安全监测技术研究,（E-mail） xwchai wit. edu. cno 基金项目国家自然科学青年基金（NO. 51709257） 表1炸药参数 Ta bl e 1 Ex pl o sive pa r a met er s 密度p/爆速0/压力Pc/体积模量剪切模量 g cm-3cm |xsMPa X/MPaG/MPa 1.050.353.24E03 00 第38卷第1期岳万友，李建国,柴修伟,等 地应力对含裂隙岩体爆破影响分析研究53 表2岩石力学参数 Ta bl e 2 Ro c k mec ha n ic a l pa r a met er s 密度p/ g cm-3 弹性模量 E/MPa 泊松比 体积 模量/ MPa 剪切 模量/ MPa 抗拉 强度/ MPa 2.734.0E040.360.04.09.53 |裂缝左侧单元 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（）受到的夹制作用最大。图2中 20 -20,40-40.60 -60（b）图是 50 rs 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。 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Lspr epo st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。 cd abcd 40-40 abd 60-60 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 54爆破2021年3月 o o o o o o o o o o 0 5 0 5 0 5 0 5 2 1 1 2 1 1 4040 2020 裂纹左侧单元压应力分析 --2020 -- 4040 -- 6060 36420 36436 36456 36496 选取单元 al 裂纹右侧单元压应力分析 *2020 -- 4040 -- 6060 37862 37718 37526 37334 37226 37142 选取单元 bb \ \ / / 1 1 炮孔左侧单元压应力分析 K 2020 -- 4040 -♦-6060 45000 45043 45064 45105 选取单元 cl EdwH 出 1R1R 裂纹左侧单元应力分析 选取单元 a2 Q EdwH 出 1R1R 37862 37718 37526 37334 37226 37142 选取单元 b 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 1 1 1 1 - 1 1 1 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 炮孔左侧单元应力分析 45000 45043 45064 45105 选取单元 c2 o o o o 8 6 8 6 o o o o o o o o O o o o o o o O 2 0 8 6 4 2 2 0 8 6 4 2 c 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3a i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 阳表明，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切 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虬表明在爆破过程中，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3b2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35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3c2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3a 、图3b、图c ,在岩土爆破过程 第38卷第1期岳万友，李建国,柴修伟，等 地应力对含裂隙岩体爆破影响分析研究55 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 图心）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 rs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。 a b cd 30-20 dbc 30-40 30-60 d 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（d］）、（ei）、（f］）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（d 2）A（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处岀现围压为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。 56爆破2021年3月 6060 1 1 1 1 o O o O 2 8 2 8 1 1 1 1 40 O O 裂纹左侧单元压应力分析 t-3020 -3040 -- 3060 Edww田 1R1R 36420 36436 36456 36496 选取单元 dl 5 0 5 5 0 5 - 1 - 1 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 2 1 1 2 1 1 裂纹左侧单元应力分析 36420 36436 36456 选取单元 d2 36496 dd o o o o O O o o o o O O 9 7 5 3 1 9 7 5 3 1 *3020 - 3040 3060 E d M H 出 1R1R 舟 37862 37718 37526 37334 37226 37142 选取单元 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 2 1 1 2 2 1 1 裂纹右侧单元应力分析 3020 3040 -*--3060 37862 37718 37526 37334 37226 37142 选取单元 2, o o o o o o O o o o o o o O 2 0 8 6 4 2 2 0 8 6 4 2 炮孔左侧单元压应力分析 k t-3020 -3040 -- 3060 45000 45043 45064 45105 选取单元 ⑴ ⑴ e d w / z l re d w / z l r lRlR 炮孔左侧单元应力分析 4500045043 45064 45105 选取单元 ⑵ 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。 参考文献References [1] 戴 俊,钱七虎高地应力条件下的巷道崩落爆破参 数[J].爆炸与冲击,2007,273 272-277. 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