岩石深孔梯段爆破侧向破裂范围计算分析探讨.pdf

第2 1 卷第2 期 2 0 0 4 年2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 1N o ．2 J u n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 0 4 0 2 0 0 2 5 一0 3 岩石深孑L 梯段爆破侧向破裂范围计算分析探讨 林云1 ，程康2 ，梁四年3 1 ．四川华电杂谷脑水电开发有限责任公司，四川成都6 1 0 0 3 6 ；2 ．武汉理工大学，湖北武汉4 3 0 0 7 0 ； 3 ．华东交通大学，江苏南京3 3 0 0 1 3 摘要根据爆炸气体等熵膨胀理论和应力波传播理论，推导了孔壁压力计算公式．以及由应力波传播和爆 炸气体引起应力状态的计算公式。同时根据现场实际资料，进行了混装乳化炸药在岩石深孔梯段爆破中的侧 向破裂范围的实际计算，计算结果对实际工程有一定的参考应用价值． 关键词爆炸气体；应力波；深孔梯段爆破；破裂范围 中圈分类号1 1 ] 2 3 5文献标识码A C a l c l l l a t i o na n dA n a l y s i so fL a t e r a lS p l i t t i n gS c o p e o fR 0 c kD I e e p h o l eB e l n c hB l a s t i n g L 州№，z 1 ，c 旺N ‰寸，L 工A 『G 辩咒如咒3 1 ．S i c h u a l lH u a d i a nZ a g u n a oH y d I o p o w e rE h e l o p m e n tC 0 ．L t dL i a b i l i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 3 6 ，C h i m ； 2 ．W u l l a I lU m v e r S i t yo fR c h ∞l O g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ； 3 ．E a s tC h i n aJ i a o t o n gU n i v e 商t y ，N a n j i n3 3 0 0 1 3C h i n a A b ；b 徼t C ht h eI a s i so ft h ee q u i 一叽廿o p y 。【p a n s i o n ．t h e 。吖a n ds 仃e 豁w a v ep r o p a g a t i o nt h ∞r yo fe x p l 0 6 i v eg 鹤，c a l ． c u 王a t i o nf 0 玎n u l a eo fp r e 黛u r e ∞t h eh 0 I ew a I I 趴dp r e s s u r ef o r c es t a t ec a u s e db ys t r e 胬w a v ea n de x p I o s i v eg 笛a r ed e d 删． C 砸b ．m i n g 、而t ht h ep m c t i c a l 幽协，出eh t e r a ls p h t t i n gs ∞p eo fr o c kd e e p } d ek m c hb l 罄t ．m gu s i r l gt h em i x l o a d 锄u l S i o n e 【p I 嘣v 曙迪∞k 妇e d ．I th sap r a 吐i c a lv 8 l u ei np r a c t i c d 饥西n e 吖讧培s ． K e yw o r d s e 】【p k 6 i v eg 够；s t r 瞵啪v e ；d 髓p 埘eb e n c hb l a S t 沁；S p U t t i n gs ∞p e l概述 算方法提出了计算模型。 炸药在岩石中爆炸，由于炸药中传播的爆轰波作 用，在岩体中诱发冲击波 应力波 ，冲击波通过岩石 不断传播开去；紧接着岩石又要受炮孔内均匀分布的 准静态气体压力的作用。因此。在岩石中爆炸所引起 的应力状态由两部分组成，一种是通过岩体中传播的 应力波产生的应力状态，另一种是在爆生气体准静态 气压作用下产生的应力状态。岩石的爆破破裂是由 这两种应力状态组合的结果，本文对这两种状态的计 收稿日期2 0 0 4 0 2 一1 6 ．． 作者简介林云 1 9 6 3 一 。男；成都四川华电杂谷脑水电开发有限 责任公司高级工程师． 2 炸药爆炸时孔壁压力计算 2 ．1 爆生气体的状态方程 工程爆破中，装药结构一般采用耦合装药和不偶 合装药。对于不耦合装药，炸药首先爆轰形成高温高 压气体，再臌胀作用到孔壁上，形成爆炸冲击应力波 和准静态气体压力的作用。炮孔内爆生气体的膨胀 过程视为等熵过程，见下式 P 矿 常数 1 式中，P 为气体压力，V 为气体的体积，y 为等熵指 数。 爆生气体膨胀时的初始压力按爆生气体在炸药 万方数据 2 6爆破2 0 0 4 年6 月 原有体积内的初始压力 即炸药爆压 计算，由于初始 压力很高，随着气体的膨胀，压力不断下降，故在计算 爆生气体膨胀最终压力时，通常将膨胀过程按l I 缶界压 力P I ．分为两个阶段1 当爆生气体压力高于临界压 力 P P I ． 时，采用凝聚态炸药状态方程P V ，l 常 数 咒 3 ；2 当爆生气体压力低于临界压力 P V 1 只睨 尸| r 0 睨 V L 、，2 3 式中，P 枷为孔壁峰值压力；V 1 为单位长炮孔体积。 根据式 2 、式 3 可得到不耦合装药时，孔壁峰 值压力的计算公式 P r n 0 只 砜／V 1 ” V L V 1 P r n 0 只 、，L ／y 1 7 K ／V L ” 、，L 、，l 4 F％ 隆风歪 k ．萝‰ 图1 炮孔装药结构示意图 2 ．3 孔壁压力和爆生气体作用形式 根据资料，孔壁压力按指数衰减规律计，爆生气 体准静态作用在孔壁压力峰值的1 0 ％～2 0 ％时为标 准计算。孔壁压力随时间的衰减规律见式 5 和图 2 b 壁压力 只 P r n 0 e 一“M e 一“压 5 ∞ 拒l n 2 C L ／ 3 ．6 4 r o 6 式中，c t ，为波形参数，C L 为岩石纵波速度，翔为药包半 径。 图2 孔壁压力和爆生气体作用形式示意图 3 爆破时岩石内的应力状态 炸药在岩石内爆炸，产生两种状态一种是通过 岩体中传播的应力波产生的应力状态；另一种是在静 态气压作用下产生的应力状态。前一种应力状态受 炸药和岩石力界面上爆轰波诱发产生的应力波波形 的控制，其特征是作用压力的大小随时问而变化。而 作用 且也随传播距离而异，即是所谓动态应力状态。与此 相反，后一种应力状态，只要炮孔容积无变化，作用的 气压可以认为大致一定，与时间无关，仅由其所在位 置确定，即是所谓静态应力状态。 3 ．1 岩石内应力波传播引起的应力状态 由爆轰波在岩体中激发的冲击波，以其本身的传 播规律在岩体中继续往前传播。冲击波在传播过程中 万方数据 第2 1 卷第2 期 林云等 岩石深孔梯段爆破侧向破裂范围计算分析探讨 2 7 的衰减规律与许多因素有关，诸如炸药的性质，药包的 形状，岩石的性质和传播距离等。根据资料，冲击波在 岩体传播时，其波阵面上的压力衰减规律可以用下列 经验公式来表示 p P ，，I o 粤 。 7 式中，P 为距药包的距离为，．处的冲击波压力，l 溉；只。o 为冲击波初始的波峰压力。k P a ；r 为距药包的距离，m ； r o 为药包的半径，m ；乜为衰减指数，口 2 _ L ，冲 击波作用区取“ ”，压缩应力波作用区取“一”；弘为岩石 的泊松比。 J Z ，自由面． ， ◆黻7 W ， 图3 应力波到达岩石体中A 点的传播途径 在自由面附近产生的应力，以任意点A 为 例，则为3 种应力波产生的应力合成值。从爆源直接入 射A 点的纵波产生的应力％；从由自由面反射的纵波 产生的应力盯币，以及反射横波产生的应力d 。。因而，若 对于一个适当的坐标轴求出各种波的应力，并进行坐 标变换，将这些应力描绘在共同的坐标轴上进行合成。 就可以研究该点产生的应力状态。 3 ．2 岩石爆生气体压力引起的应力状态 爆生气体作用引起的应力状态，按准静态考虑；作 用力的大小根据本章2 ．3 节的研究成果，以峰值压力 的2 0 ％计。因此引起的应力状态按弹性力学的分析解 计算【J ，具体计算公式见下式和图 4 。 r i c r r 一{ 加 8 ， 棵 盯o2 j 户1 9 r I o r o r 0 1 0 4 岩石爆破破裂范围计算 4 ．1 岩石爆破破裂强度理论 根据脆性材料断裂破坏的格里菲斯强度理论。取 r 轴上任意点的应力状态进行强度考核，可以推导出最 大破裂范围r 的计算公式。 盯l 一盯3 2 一S c 盯l 盯3 O 1 1 式中，s c 为岩石单向轴动压强度，M P a ；d l ，玎3 分别为最 大和最小主应力，M P a 。 “即 套 兮 P l 奄 r o r謦r o 瞄 1 J 1 ≮．多 、 b 图4 爆生气体用引起的应力状态 4 ．2 模型计算参数 现场试验岩性为下统茅口组 R m 灰岩，根据资 料提供的岩性物理力学特性和炸药特性的现场测试， 模型计算参数见表、，表2 。另外，表1 中提供的是岩石静 态参数，根据研究结果表明爆炸加载速率为1 0 9 ～ 1 0 1 1 k P a ．S - 1 ，其动抗压强度和抗拉强度与静抗压强度和 抗拉强度为郎 1 ．7 9 仃p 0 ，仃。 1 ．2 口旬。 表l 岩石特性参数袅 极限抗 岩性压强度 名称 饱和 住佻 极限抗 纵波 变形 拉强度速度 比重模量泊松比 ／N 母a ／ m ．s 一1 ／G P a 表2 炸药特性参数表 鋈荛凳 - ．o4 0 0 耦台 - - o 4 ．3 计算结果 将岩石参数和炸药参数代人公式 1 ～ 9 ，就可 以得到孔壁压力和爆生气体作用压力，以及岩石爆破 裂范围等值，其计算结果见表3 。 裹3 模型计算结果表 5 结论 从计算结果可以看出，爆破最大破裂范围为1 ．9m 左右，与现场实际测试结果比较偏小。由于模型计算 中假定岩石为连续均质体，没有考虑节理裂隙的影响， 结果偏小属于正常，如何合理考虑岩石节理裂的影响， 是今后进一步完善数学模型的研究方向。 万方数据