预裂爆破成缝机制及其影响因素的探讨.pdf

第2 7 卷第3 期 爆破 V o l 2 7N o 3 2 0 1 0 年9 月 B L A S T I N G S e p ．2 0 1 0 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 3 ．0 1 1 预裂爆破成缝机制及其影响因素的探讨木 唐海1 ，梁开水2 ，游钦峰3 1 ．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湘潭4 1 1 2 0 1 ； 2 ．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 ；3 ．I 匹I J t l 省泸州市徐永鑫福煤业有限公司后山煤矿，泸州6 4 6 4 1 5 摘要通过对预裂爆破成缝理论及岩石断裂模型的探讨，并结合断裂力学和损伤力学的有关理论。从岩 石爆生裂缝的成缝机理上分析了裂缝的起裂方位、起裂条件、裂缝扩展与止裂。同时，从炸药性质、装药结 构、炮孔间距、岩石物理力学性质、地质条件、孔径和岩体初始应力等方面的因素探讨了其对岩石预裂爆破成 缝的影响。 关键词预裂爆破；裂缝；成缝机理；影响因素 中图分类号T D 2 3 5 ．3 7 1文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 0 0 3 0 0 4 1 0 4 D i s c u s s i o no nM e c h a n i s ma n dE f i e c tF a c t o r so fC r a c k s R e s u l t e df r o mP r e - s p l i t t i n gB l a s t i n g T A N GH a i l ，L I A N GK a i s h u i 2 ，Y o uq i n - f e n 9 3 1 ．H u n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u n a nP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fS a f eM i n i n g T e c h n i q u e so fC o a lM i n e s ，X i a n g t a n4 11 2 0 1 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n d E n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ； 3 ．H o u s h a nc o a lm i n eo fS i c h u a nI _ n z h o uX u y o n gX i n f uc o a li n d u s t r yC oL t d ，L u z h o u6 4 6 4 1 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep a p e rd i s c u s s e so nt h et h e o r yo fc m c k sr e s u l t e df r o mp r e s p l i t t i n gb l a s t i n ga n df r a c t u r em o d e lo f r o c k ．U s i n gt h e o r yo fF r a c t u r eM e c h a n i c sa n dD a m a g eM e c h a n i c s ，t h ep a p e ra l s oa n a l y s e so r i e n t a t i o n ，b e g i n n i n g ，w i d - e r r i n ga n dc e a s i n go fc r a c kc a u s e di nt h ep r o c e s so fb l a s t i n g ，f r o mm e c h a n i s mo fb l a s t - i n d u c e dc r a c k si nr o c k ．A n d t h em a j o rf a c t o r sw h i c he f f e c td e v e l o p m e n to fc r a c k sr e s u l t e df r o mp r e - s p l i t t i n gb l a s t i n ga r es t u d i e d ．f r o mc h a r a c t e r i s - t i e so fd e t o n a t o r ，c h a r g i n gc o n s t r u c t i o n ，i m e n ，a lo fh o l e s ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c k s ，g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，p o r ea n di m t i a lr o c ks t r e s s ． K e yw o r d s p r c s p l i t t i n gb l a s t i n g ；c r a c k ；c r a c k i n gm e c h a n i s m ；e f f e c tf a c t o r s 0 引言 由于预裂爆破在开挖区和保留区之间预先形成1 条裂缝，使主爆区爆破时应力波传到预裂缝时，部分被 反射掉，从而减少透射到保留区应力波的强度，达到减 收稿日期2 0 0 9 0 9 3 0 作者简介唐海 1 9 7 0 一 ．男．博士，现为湖南科技大学能源与安 全学院教师，主要从事岩石动力学方面的研究和教学工 作，E - m a i l t a n g h a i 7 0 7 2 9 8 1 6 3 ．c o r n 。 基金项目湖南省教育厅资助科研项目 0 8 e 3 2 5 振的目的；另一方面，主爆区伸向保留区的裂缝，在预 裂缝处被切断，从而保护保留区岩体的完整性⋯。 成功的预裂爆破面不仅平整美观，超欠挖量少， 而且具有良好的减震作用。有不少研究表明，预裂 爆破的减振作用可达到6 0 ％一8 0 ％。因此，预裂爆 破在爆破工程中得到了广泛应用1 2 - sJ 。 工程实践中，多采用经验公式来设计和指导预 裂爆破施工，由于岩石预裂爆破成缝过程受岩石性 质、地质条件、装药量、孔间距等多种因素的制约，很 难用1 个精确的公式来表达各因素之间的关系，故 万方数据 4 2 爆破2 0 1 0 年9 月 造成岩石预裂爆破成缝不理想，经验公式很难推广。 因此，通过对预裂爆破成缝机理的探讨来分析其影 响因素，可为工程实践设计提供理论指导。 1 预裂爆破成缝机理 由于炸药爆炸反应的“三高” 高温、高压、高 速 特性、岩石介质的非均匀性、测试技术的局限 性，导致岩石爆生成缝机理的研究受到较大的限制。 但随着诸如高速摄影、动光弹、轻气炮实验等测试技 术的运用，并借助断裂损伤力学的有关理论，岩石预 裂爆破成缝机理的研究取得了较多的成果。预裂爆 破成缝理论主要有3 个H 引应力波叠加理论、爆炸 气体高压静力作用、应力波与爆炸气体的综合作用。 一般认为是爆炸应力波与爆炸气体联合作用的结 果，即在相邻2 个装药孔几乎同时爆炸的条件下，才 有可能发生应力波的叠加，但实际相邻2 个孔起爆 存在时差，相邻炮孔的贯穿裂缝通常不是应力波的 叠加所形成，而是各炮孔激起的应力波先在各自孔 壁产生初始裂缝，然后在爆炸气体静压力作用下扩 展贯穿形成裂缝面。 也有不少人把断裂力学和损伤力学理论引入岩石 力学，应用于预裂爆破成缝的研究睁m J ，如T C K 脆性岩 石损伤模型。庙延钢从微观角度分析了预裂爆破成缝 机理，杨军以K u s z m a u l 模型为基础构造了岩石爆破分 形损伤模型研究预裂爆破成缝机理等【8 ’1 卜1 引。 在现有成缝理论的基础上，对岩石预裂爆破机 理及相应的岩石爆破断裂模型大致可分为4 个阶 段弹塑性理论阶段、结构理论阶段、断裂理论阶段 和损伤理论阶段。 弹塑性理论阶段把岩体简化成各向同性的弹性 体，有线弹性模型、粘弹性模型、弹塑性模型和弹脆性 模型，如H a r r i e s 模型，F a v e a u 模型和B M M C 模型等。 定性简单，但假设条件太多，与实际情况相差较大。 结构理论阶段岩体是由结构体和结构面堆积 而成，且结构面沿对轭方向成对出现，岩体的成缝机 理仅是沿着受力方向上结构面的开裂。过分强调了 结构面在爆破效果中的控制作用，且因岩体结构面 繁杂，数学量化困难。 断裂理论阶段岩体原有裂隙在应力波的作用 下产生应力集中。当裂缝尖端强度因子大于断裂韧 度时，裂缝扩张，同时也考虑了爆生气体压力引起裂 缝进一步的扩展，目前已成为岩石爆破模型发展的 一个重要方向。 损伤力学理论阶段在爆炸载荷作用下岩石动 态断裂是连续损伤演化累积过程，其损伤断裂机制 可归结为岩石内部微裂缝动态演化。主要有N A G ． F R A G 模型、K i p p - G r a d y 模型和T C K 模型等。这些 模型考虑了岩石内部客观存在的微裂缝及其爆炸荷 载下损伤演化对岩石断裂和破碎的影响，较真实地 反映了岩石爆破破碎过程，但未考虑爆生气体在岩 石破碎中的作用，且存在岩石材料的损伤参数难以 确定和试验不足等问题。 2 裂缝的形成过程 2 ．1 预裂孔的起裂方位 岩石中的微观裂缝 G r i m t h 裂缝 能导致裂缝 成核。G r i f f i t h 裂缝存在于微小单元内，破坏了粒子 间的内力平衡，粒子间距离增大，相互作用力减小， 处于微弱的吸引状态，并使邻近粒子受到影响，当外 力作用这1 个单元时，微观的G r i f f i t h 裂缝发展成为 裂缝核或裂缝‘1 0 J 6 ．1 7 ] 。 G f i f f i t h 裂缝均匀分布在炮孔壁和空孔壁面，有 长有短，形态各异。这些裂缝在应力场作用下各自 发育程度不一，扩展方向也有所不同。在压应力、拉 应力或剪应力的作用下，有的裂缝闭合，有的裂缝扩 张。冲击波头的峰值最初瞬问波及到某1 个微小单 元，引起微小单元的体积缩小，三向受压导致部分裂 缝闭合。一旦峰值过后将有拉应力作用在微单元的 切向，又使裂缝张开。在2 个孔应力场未相遇之间 各炮孔的起爆仅在各自孔壁上产生不定向和不定量 的裂缝，由于相邻炮孔的存在改变了炮孔边缘附近 的环向应力分布，在炮孔连线方向产生应力集中，当 集中拉应力大于岩体动态抗拉强度时，则在炮孔连 线方向上首先产生裂缝，且发展很快。文献[ 1 0 ， 1 8 ] 运用断裂力学的有关理论分析了预裂爆破成缝 过程，得出了预裂炮孔裂缝开裂方位为炮孔连心线 方向，与起始裂缝是否在炮孔连心线上无关。 2 ．2 裂缝的起裂 根据岩石断裂力学理论和文献[ 1 2 ，1 5 ．1 7 ，1 9 ] 的 有关研究结果可知，在如图l 所示的断裂力学模型 中，裂缝尖端处的应力强度因子为K ／7 ／, 廊 n ／耵口口。 m ，n 均为应力强度几何修正因子 由于 残余切向拉应力矿。远小于爆生气体压力P ，故可忽 略其影响，则K 。 m , ／磊- p 在本模型中a 为r d ，r 为炮孔半径，理为裂缝长度 。即起裂前，裂缝尖端 处的应力强度因子 K l D P o ／7 1 , ／1 T r a o 1 式中K 。。表示动载平面应变断裂韧度；R 为炮孔初 始压力；m 为应力强度几何修正因子；％为起始裂缝 长度，其起裂条件 №焘o t o ㈣ m √仃L r ， 万方数据 第2 7 卷第3 期唐海，梁开水，游钦峰预裂爆破成缝机制及其影响因素的探讨 4 3 由于岩石的动态损伤，根据损伤断裂理论，岩石 爆破断裂时其起裂判据 K I ≥K I D 3 式中，K I ．为岩石有效应力强度因子，K I ． i _ g 巧1 D 为岩石拉伸损伤 。 图1 孔壁裂缝的断裂力学模型 2 ．3 裂缝的扩展与止裂 爆生气体尚未楔入时，由式 2 、式 3 可知，岩 石裂缝起始扩展的判据 K I ． 尚知而≥K I 。 4 在应力波的作用下，孔壁周围首先形成裂缝，随 着爆生气体的楔人，裂缝将不断扩展，爆生气体驱动 裂缝扩展模型可用图2 表示汹】。在工程计算上，径 向裂缝的初始长度常取为3 倍炮孔半径r b 即 L o 3 r 。，当裂缝长度远大于炮孔尺寸时，炮孔本身 可作为裂缝的一部分汹】。若沿裂缝长度方向爆生 气体的压强分布为p x ，￡ ，垂直于裂缝面方向的远 场应力为盯。，则在此模型下的裂缝尖端的有效应 力强度因子‘1 5 - 1 6 , 猢1 1 矸 南[ 半阱1 H 飞志等舞出 5 式中L t 为裂缝扩展长度；L 。 t 为爆生气体在裂 缝中的贯人长度。 若岩石的止裂韧度为丘，由 5 可知当矸 K 时，裂缝能稳定传播；K I ’ o ，K l ’ K I D 才 表明裂缝扩展停止。 3 影响因素 根据上述对预裂爆破成缝机理的分析和对大量 工程实践的总结∞圳。可从以下几个方面的因素 来探讨其对岩石爆生成缝的影响。 3 ．1 炸药性质 炸药性质包括炸药成份、爆速、爆轰阻抗、气体 体积和能量利用率等。炸药爆炸对岩石成缝的影响 一方面是克服岩石颗粒之间的内聚力，使岩石内部 结构破裂，产生新鲜断裂面；另一方面是使岩石原生 的或次生的裂隙扩展而破坏Ⅲ- 。 D 图2 爆生气体驱动裂缝扩展模型 在工程上，常用的炸药是岩石硝铵炸药、铵油炸 药、乳化炸药、水胶炸药等工业炸药。采用这些工业 炸药都曾有获得预裂爆破成功的先例，但并不等于它 们均适合各种岩石进行预裂爆破。对预裂爆破来说， 相邻炮孔贯穿裂缝的产生与发展，不仅与炮孔间距有 关，还与爆轰气体产生的准静压力有关。也有人认为 准静压力作用是形成最终裂缝的主要因素一瑚刃1 ，而 准静压力大小与不耦合系数 炮孔体积与炸药体积之 比 和炸药量有关。正是预裂爆破采用了不耦合装药 结构，能使岩石受力状态得到调整，这才是上述工业 炸药获得预裂爆破成功的主要原因。 在其他预裂爆破参数不变时，同1 种炸药性能 如爆速 发生变化时获得的爆破效果也不同。1 9 7 8 年，在湖南的东江水电站花岗岩的预裂爆破实验中， 在同1 条预裂线上，其中有l 段使用受潮的2 ’岩石硝 铵炸药 实测爆速l9 7 5m ／s ，爆后在地表上仅得到 l 条连贯的宽度不到ll n r n 的裂缝；另1 段换用新出 厂的同厂同类炸药 实测爆速27 0 0m ／s ，所有爆破 参数均未改变，但爆后在地表却出现了严重破坏，体 积达1 ．21 I “ 1 3 的大石被掀起旧1 。 由上述分析可知，能进行预裂爆破的炸药，都有 1 个适合于每种岩石的合适的装药量范围。当炸药 性能改变时，须重新调整装药量或炮孔间距。可见， 炸药、装药结构和炮孔间距对岩石预裂爆破成缝影 响较大。 3 ．2 岩石物理力学性质 岩石是由各固体颗粒组成，其间有空隙，充填有 空气、水或其它杂物。由于各颗粒成分的化学键各 不相同，其分子内聚力也就不同，克服颗粒之间的内 聚力做功也就不相同，所以岩石本身的性质包括风 化程度、波阻抗、动抗压、抗拉强度、动弹模、泊松比 和衰减系数等是影响成缝的主要因素。 万方数据 爆破2 0 1 0 年9 月 3 ．3 地质条件 一般而言，岩石愈完整均匀，愈利于预裂爆破， 而非均质、破碎和多裂隙的岩层不利于预裂爆破。 对破碎的岩石，预裂壁面的平整度通常不由爆破参 数决定，而由破碎面控制。与预裂面垂直的裂隙使 裂缝不能连接，构成齿状缝面，形成超挖；与预裂面 斜交的裂隙，易使裂缝偏离中心线，顺裂隙跑一段距 离后与另1 个孔连起来，有时甚至跳过许多孔再与 其他孑L 连起来，形成严重的超欠挖。岩石的非均质 性也影响裂缝的形成，顺岩层走向的预裂爆破易形 成裂缝，而垂直岩层走向的预裂爆破则较难成缝。 3 ．4 钻孔的孔径 在预裂爆破中，常常忽略的就是钻孑L 的直径，以 为孔径对成缝没有影响。模型实验及理论计算都表 明【2 1 | 在应力波作用下，围岩径向裂缝首先在1 2 倍炮孔半径外某区域范围内产生，并且该裂缝同时 沿径向和炮孔中心方向发展。另外，在工程中近似 计算裂缝尖端的强度应力因子时，当裂缝长度远大 于孔径，炮孔本身可作为初始裂缝的一部分[ 2 8 1 。可 见孔径对预裂爆破成缝是有影响的。 3 ．5 岩体初始应力 岩体初始应力在炮孑L 周围产生的环向应力集中 将抵消爆炸应力波，产生的环向拉应力集中，特别是 当垂直于炮孔连心线方向的岩体初始应力较大时， 将会使炮孔连心线方向的孑L 壁的拉应力优势转移， 使孔壁难以形成具有导向作用的初始径向裂缝。 在裂缝扩展过程中，岩体初始应力会产生不利于 裂缝扩展的阻裂作用，使表征裂缝扩展能力的墨值 降低，当爆生气体压力衰减到和岩石应力同一数量级 时，其阻裂作用更加显著，并使裂缝宽度明显减小。 4 结论 ‘运用断裂损伤力学有关理论，探讨了预裂爆破 成缝理论及岩石断裂模型，并分析了预裂爆破成缝 机理。讨论了炸药性质、装药结构、炮孔间距、岩石 物理力学性质、地质条件、钻孑L 的孔径和岩体初始应 力等因素对预裂爆破成缝的影响。 参考文献 [ 1 ] 高文远．兰尖铁矿露天边坡破碎带控制爆破技术研究 [ D ] ．昆明理工大学，2 0 0 1 ． [ 2 ]林苗苗，余德运．高速公路路堑边坡预裂爆破参数选 择[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 1 3 2 ．3 3 ． [ 3 ]闫军龙，陈先锋．复杂水文地蜃条件下预裂缝减震效 果监测与分析[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 3 1 0 0 ．1 0 2 ． [ 4 ] 祝树枝，吴森康，杨昌森，等．近代爆破理论与实践[ M ] ． 武汉中国地质大学出版社。1 9 9 3 ． [ 5 ]丁德馨．预裂爆破力学模型探讨[ J ] ．衡阳工学院学 报，1 9 9 4 2 1 _ 6 ． [ 6 ]李彬峰，潘国斌．光面爆破和预裂爆破参数研究[ J ] ． 爆破，1 9 9 8 ，1 5 2 1 4 1 8 ． [ 7 ]胥传辉．控界爆破技术的回顾及展望[ J ] ．西部探矿工 程，1 9 9 9 S 1 2 2 6 2 3 1 ． [ 8 ]张志呈．定向断裂控制爆破[ M ] ．重庆重庆出版社， 2 0 0 0 ． [ 9 ]王胜，关长青，陶项霖．预裂爆破断裂机理研究[ J ] ． 海南矿冶，1 9 9 5 2 1 - 4 ． 【1 0 ]庙延钢．预裂爆破的微观分析[ J ] ．爆破，1 9 9 9 ， 1 6 2 1 2 - 1 8 ． [ 1 1 ] 李彬峰，祁晨冰．预裂爆破成缝机理与参数设计[ J ] ． 西部探矿工程，2 0 0 0 3 7 8 - 7 9 ． [ 1 2 ] F C U M E YWL ．F r a g m e n t a t i o ns t u d i e sw i t hs m a l lf l a w s [ J ] ．R o c kF r a c t u r eM e c h a n i c s ，1 9 8 3 2 3 2 1 0 2 4 ． [ 1 3 ] B A D A LR ．C o n t r o l l e db l a s t i n gi nj o i n t e dl D c k s [ J ] ．h a tJ R o c kM e c hM i nS c i ＆G e o m e c h ，1 9 9 4 ，3 l 1 7 9 - 8 4 ． [ 1 4 ] S O E J I M A ．A n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fc r a c ki nc o k eo n t h ef r a c t u r e [ J ] ．J o u m a lo ft h eI r o na n dS t e e lI n s t i t u t eo f J a p a n ，2 0 0 1 ，8 7 5 2 4 5 - 2 5 1 ． [ 1 5 ] 钟冬望，马建军，段卫东，等．爆炸技术新进展[ M ] ． 武汉湖北科学技术出版社，2 0 0 2 ． [ 1 6 ] 程玉生，邵鹏，东兆星．平巷预裂成缝机理的理论 研究[ J ] ．建井技术，1 9 9 7 S 1 1 5 ．1 8 ． [ 1 7 ] 李庆芬．断裂力学及其工程应用[ M ] ．哈尔滨哈尔 滨工业大学出版社，1 9 9 8 ． [ 1 8 ] 蔡路军．高陡边坡减震控爆技术及其计算机辅助设 计的研究[ D ] ．武汉科技大学，2 0 0 1 ． [ 1 9 ]张志呈．岩石爆破裂缝的起裂、扩展、分岔与止裂 [ J ] ．爆破，1 9 9 9 ，1 6 4 2 l 珥． [ 2 0 ] 卢文波，陶振字．爆生气体驱动的裂缝扩展速度研究 [ J ] ．爆炸与冲击，1 9 9 4 3 2 6 4 - 2 6 8 ． [ 2 1 ] P E R R S O NPA ，L U N D B O R GN ，J O H A N S S O NCH ．T h e b a s i cm e c h a n i s m si nr o c kb l a s t i n g [ C ] ∥P r o c2 t hC o n g r I n tS o cR o c kM e c h ，B e o g r a d ，1 9 7 0 ，1 9 ．3 3 ． [ 2 2 ] 张正宇，张文煊，吴新霞，等．现代水利水电工程爆破 [ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 3 ． [ 2 3 ]皮尔切BC ．澳大利亚露天矿控制爆破工作与边坡稳 定性[ J ] ．国外金属矿山，1 9 9 8 6 4 1 4 6 ． [ 2 4 ] 史秀志．微节理裂隙对露天矿预裂爆破的影响[ J ] ． 河北煤炭，1 9 9 7 1 3 5 3 8 ． [ 2 5 ]张志呈，肖正学，郭学彬，等．裂隙岩体爆破技术 【M ] ．成都四川科学技术出版社，1 9 9 9 ． [ 2 6 ]钱叶甫．光面、预裂爆破成缝原理[ J ] ．重庆大学学 报，1 9 9 4 1 1 2 6 - 1 2 8 ． 【2 7 ] 吴晓峰，宋照尚，李廷春．预裂爆破中爆生裂缝扩展 的机理探讨及预裂炮孔间距的设计方法[ J ] ．中国港 湾建设。2 0 0 7 ，1 4 7 1 4 9 - 5 0 ，6 3 ． [ 2 8 ] 陆毅中．工程断裂力学[ M ] ．西安西安交通大学出 版社，1 9 8 7 ． 万方数据