条形药包爆破块度模型初探(1).pdf

第1 9 卷第l 期 2 0 0 2 年3 月 爆破 B L A S T I N G V o I 】9N u1 M a r2 0 0 2 文章编号I 0 I 4 8 7 xC 2 0 0 2 叭o 1 40 3 条形药包爆破块度模型初探 向文飞，舒大强 武汉大学，湖北武汉4 3 0 0 7 2 摘要讨论了裂隙岩体与爆破块度的关系，分析了争形药包爆破的特征，提出了建立务形药包爆破块度 模型的基末思路。 关键词条形药包；块度；分彤；损伤 中圈分类号T D 2 3 54 7文献标识码A D i s c u s s i o na b o u tt h eR 0 c kF r a g m e n t a t i o n M o d e lo fL i n e a rE x p l o s i V eC h a r g e s X l A N Gw c n 一和i ，S H Ud n q i n n g w 吐h a nU n i v e r s i t y ，w u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h j n a A b s t r a c t T h er e I a t i 。1 1 s pb c t w e c nc r a c kr o c km a s sa n db l a s “n gf r a g m e n t a i o ni sd l s c L 幽e da n dt h ec 1 1 a r a c t e r 。f l i n e a r c x p J 删ec h a ‘g e sl sa n a l y z c dT h e nt h eb a s i cm i n dt oe s t a b l l s ht h er o c kf r a g n l e n t a t i o nm o d c l0 fU n c a re x p l o ． s l v ec h a r g c sI sp u tf o r w a r d ． K e yw o r d s L i n e a re x p l o 面“ c h a r g e s ；F r a g m e n t a t i 。n ；F r a c t a l ；D 删g e 1引言 目前在矿山、水电等工程领域迫切需要一种能 满足一定块度要求的快速石料开采方法。如水电工 程中面板堆石坝工程，一方面需要足够的石料满足 坝体填筑强度，以达到快速施工的目的；另一方面对 坝料级配有较为严格的要求，以确保坝体稳定。 传统的集中药包洞室爆破装药量多，一次爆破 方量大，成本低，曾经在各类工程建设中发挥了重要 作用。但集中装药爆破震动大，对周围建筑物和居 民生活会带来较大危害，同时由于爆破能量过分集 中，使得爆后岩石块度级配条件差。鉴于上述两方 面的原因，集中药包洞室爆破已经很难适应工程需 要。， 收稿日期2 0 0 1 1 1 3 0 作者简介向文飞 1 9 7 6 ，男；武汉武汉大学水电学 院硕士研究生 深孔梯段爆破由于装药量小，且普遍采用了微 差技术，爆破震动小，爆后岩石块度分布均匀，在各 个领域得到了广泛应用，已经发展得相当成熟。但 是，深孔爆破由于钻孔机具设备的限制，钻孔能力4 i 高，其爆破开采强度一直很难提高。 条形药包爆破同时具有集中药包爆破和深孔爆 破的优点，即在确保较高开采强度的前提下，保证爆 后岩石的块度均匀。近年来．条形药包爆破在许多 重要工程中得到了成功运用，积累了很多有益的经 验。但是，对于条形药包爆破破岩的理论研究工作 还有待于进一步深入。 从大量的实际工程经验来看，对于岩石裂隙发 育、岩体天然破碎较好的岩体，采用条形药包爆破能 够获得良好级配的石料。本文将充分考虑岩体裂隙 性对爆破效果的影响，结合条形药包爆破作用机理， 分析建立条形药包爆破块度模型的方法。 万方数据 第1 9 卷第1 期向文飞等条形药包爆破蚨度模型初探 2 天然裂隙对爆破效果的影晌 炸药爆炸对岩石有两个方面的破坏作用一是 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；二是使岩石原生的或次生的裂隙 扩展而破坏。前者取决于岩石本身的坚韧程度，后 者受岩石裂隙性所控制。在许多工程中，如堆石坝 石料开采工程，岩石本身强度较高．所以岩体裂隙性 在很大程度上决定了爆后岩体块度分布，实际工程 统计结果也证明了这一结论。对攥后不合格大块的 研究发现【1 它们大多数没有新鲜的开裂面；在有5 ～6 个侧面的岩块中，带有新鲜开裂面的不合格大 块经常不超过其总数的3 ％～5 ％。因此岩体裂隙 性是影响爆破效果的根本因素。 2 ．1 裂隙岩体破碎基本规律 对于裂隙岩体的破碎，目前一致认为主要是应 力波作用的结果。现有裂隙岩体的爆破破碎规律可 概括为两点【2 j 1 裂隙岩体的破碎主要是应力波作用的结果。 在应用波到达自由面时，初始的岩块尺寸已被划定。 应力波不仅使岩石在自由面产生片落，而且通过岩 体原生裂隙激发产生新的裂隙。或者促使原生裂隙 进一步扩大。上述作用在气体膨胀压力作用之前即 已完成。 2 与均匀介质爆破相比，裂隙岩体的爆炸气体 压力对岩石破碎作用很小，只是当应力波将岩体破 碎成块以后，起到促使岩石破碎分离的作用。若没 有爆炸气体的膨胀作用，岩体只可能破裂而不能破 碎、分离。 22 裂隙岩体中的应力波传播规律 岩体中大量存在的裂隙对爆破作用的影响表现 在两个方面一方面这些裂隙破坏了岩体的完整性， 使弱面易于破裂、崩落，而且弱面又增加了爆破应力 波的反射作用，有利于岩石的破碎；另一方面，裂隙 可能导致爆生气体泄漏和压力下降，降低爆破能量 的作用，影响爆破效果。 条形药包由于空腔的存在，炸药爆轰时爆压不 是直接作用在岩壁上，而是首先经空气缓冲后再传 到岩壁．这样瞬时储存一部分能量．故直接作用在药 室壁上的压力相对减少，同时延长了做功时间，提高 了爆炸能量利用率；另外，条形装药的特点使爆炸能 量沿装药方向均匀分布。在建立爆破块度模型时， 可以认为条形药包爆炸应力波是以柱面波的形式传 播的。在均匀介质中，除了端部外，垂直于药包轴向 的各断面的应力波衰减规律一致。在裂隙岩体中爆 破时，应力波能量主要消耗于岩体开裂、破碎和被岩 体天然缺陷所“吸收”，所以应力波的衰减规律与岩 体的裂隙发育程度即岩体的天然损伤有关。 已经知道，裂隙岩体爆破破碎过程中应力波起 主要作用，而应力波在裂隙岩体中的传播却是一个 十分复杂的过程。应力波在岩石中传播，如遇到节 理、层理、断层等裂隙时，或者介质性质发生变化时， 应力波的一部分会从交界面反射回来，另一部分则 透射过交界面进入第二种介质。由于岩石中的各种 裂隙分布复杂，使得定量计算应力波在每条裂隙交 界面的透、反射的大小不可能实现。另外，岩体破裂 也必然伴随着应力波能量的损失。 目前，广泛采用的方法是以一个衰减系数从宏 观上描述应力波在岩体中的衰减规律．这与损伤力 学中以一个损伤变量来描述岩体中各种初始损伤的 思路是一致的。需要指出的是，损伤变量是岩体中 各种裂隙力学效应的宏观表现，而应力波的衰减规 律应该和岩体中的裂隙分布密切相关，所以应力波 衰减系数与损伤变量之间存在某种关系。 2 ．3 裂隙岩体的分形特征 岩体中的裂隙一方面影响着应力波的传播，同 时也对爆后岩石块度分布有很大影响，所以准确描 述岩体中各种裂隙的分布规律．具有重要的意义。 在实际工作中．为了尽可能掌握被爆岩体中裂 隙分布规律，多采用现场取样调查的方法，以某一个 参数 如节理密度、节理间距 来描述整个岩体的裂 隙性质。E i n s t e n 、P r i e s t 等人以实测数据为基础，经 过统计分析．得出节理间距的分布形式为负指数的 结论，并且理论值与实测值符合较好。 最新的研究认为”】，岩体中各种裂隙分布具有 分形特征，并可以用分形维数描述。岩体的各种断 裂构造，无论是大、小断层还是大、小节理以及微裂 隙，其分布状态或几体形状在一定的测度范围内均 有较好的统计自相似特征，可用分维数描述其形状 的复杂程度。并且在相同测度变化比例条件下．不 同规模的断裂之间能用分维数进行定量对比分析。 盒维数是应用晟广泛的分形维数之一，图形的 盒维数可以通过改变测度的方法求得。具体方法 是用间隔维d 的格子把平面分割成边长为8 的正 方形，数出图形与格子相交的个数，记为N ∞，如 果对d 进行各种变化，当N 引e cd “’的关系得到 满足时，图形的维数为D 。上述条件等价于N 8 与 8 在双对数座标系中具有线性关系，其斜率的绝埘 值即是分维数D 。 人们在用上述定义的分形维数研究爆后岩石的 万方数据 1 6爆破 块度分布时发现，从几体形状的自相似和分形的统 计意义两方面看．爆后岩石的块度分布也是一个分 形结构。 由裂隙岩体爆破前后的分形特征可以发现，爆 破过程实际上是一个岩体分形维数发展演化的过 程．岩石破坏过程的分形维数与损伤断裂耗散能存 在线性正比关系【“ Dr D 。K y 1 式中，D 。、为岩石初始裂纹分形维数；K 为由实验确 定的参数；D ，为爆破过程中的分形维数；y 为岩石 损伤能量耗散率。 因此，可以根据爆破的实际情况，建立爆破前后 分形维数的关系，即通过对裂隙岩体的分形描述，在 了解爆炸荷载具体作用情况后，确定爆后岩石块度 的分形分布。 一些对岩样的简单加载试验也表明，随着外荷 载的增加，岩样中的裂纹不断扩展，损伤程度增加， 直到破坏。同时，在试验数据的基础上，通过回归分 折总结出了爆后岩石块度分维数和主要爆破参数 如炸药单耗、抵抗线 的线性关系，且相关性较好， 其一般关系式为 D 口 厶O 2 式中，D 为爆后岩块度分维数；n 、6 为常数；Q 为爆 破参数。 上式中岩石块度分维数和爆破参数 如炸药单 耗、抵抗线 的关系在实际爆破中并不一定能严格成 立，但其中所隐含的爆破过程实质是建立一般性爆 破模型的关键。炸药在岩体中爆炸，释放出的能量 以应力波和爆炸气体的形式在岩体中传播，岩体在 爆炸能量的作用下破坏开裂，损伤加剧，分维数增 大，与此同时．爆炸能量衰减。所以， 2 式说明了爆 后岩石块度分维数和爆炸能量存在某种关系。 3 条形药包爆破块度模型的基本思路 岩石爆破理论模型经历了弹性阶段、断裂阶段 和损伤阶段。损伤模型的突出特点是不研究单个裂 纹的力学行为，而注重研究裂纹集合的宏观力学效 应，这显然更加适合岩石介质的特性和岩石爆破破 碎的特点。 条形药包一次装药量较多，爆炸荷载相对较大， 对于裂隙岩体的破碎来说，其应力波作用足以使岩 体破裂。所以，在条形药包爆破块度模型中，认为应 力波在到达自由面反射之前，已经完成r 岩体块度 的划分，可以不考虑爆炸气体膨胀作用的影响。 为确定被爆岩体的爆后岩石块度分布．必须对 岩体进行分区，以条形药包轴线为中心将爆区分为 若干个单元，对每一个具体的单元进行块度预报，在 确定各单元内的岩石块度分布之后，即可知道整个 爆区的岩石块度分布。单元应采取不均匀划分，在 离药包距离较近的区域．爆炸荷载以冲击波为主，其 衰减速度快，单元应划分得小而密；在离药包距离较 远的区域．爆炸荷载衰减为应力波，随着距离的增 加，单元可以划分得大一些。具体到每一个单元，认 为其内部的应力分布为常数。 针对每个具体单元，在确定其内部的应力波作 用状态之后．即可建立单元内岩石损伤发展方程束 描述岩体爆破破碎过程。由于岩体天然裂隙和岩石 爆破块度具有分形特征，岩石爆破损伤演变可以看 成是在应力波能量的作用下，岩体分形维数发展演 化的过程。由分形的演化发展规律可知爆后岩石的 分维数，从而确定块度分布。对每个单元进行分析 时。认为单元内部岩体初始分形维数为常数。 建立条形药包爆破块度模型的核心思想是岩 体裂隙性是影响爆破块度分布的主要因素，应力波 作用是裂隙岩体爆破破碎的主要动力；条形药包爆 破应力波为柱面波，其衰减与岩体损伤程度有关；岩 体裂隙和爆后岩石分布具有分形特征，岩体爆破过 程伴随着分形维数的演化，其演化规律与爆炸能量 有关。 本文只是提出了建立条形药包爆破模型的基本 思路．要使该模型进一步完善，尚有许多具体工作有 待于开展。 参考文献 [ 1 ] A ．H ．哈努卡耶夫．矿岩爆破物理过程[ M ] ，北京冶 金工业出版杜．1 9 8 0 ． [ 2 ]汪旭光，于亚伦．岩石爆破理论研究的若干进展[ A 工程爆破文集 第七辑 [ c ] ．2 0 叭． [ 3 ]张继春．岩体爆破的块度理论及其应用[ M ] ．成都西 南交通大学出版社，2 0 1 ． [ 4J 杨军岩石爆破理论模型及数值计算[ M ] ．北京科学 出版社，1 9 9 9 [ 5 ] 贾光辉．爆炸过程中有关应力波传播问题探讨[ J ] ，爆 破．2 0 0 “1 5 7 ． 万方数据