第22卷 第4期2005年12月爆 破 BLASTI NG
V o.l 22 N o .4
D ec .2005
文章编号:1001-487X (2005)04-0008-06
爆破荷载作用下岩石边坡动态
响应的FLAC 3D
模拟研究
陈占军,朱传云,周小恒
(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072)
摘 要: 已有的岩石边坡爆破动力响应分析多用有限单元法。作者尝试运用FLAC 3D 的动力分析模块进行岩石边坡爆破动力响应分析。建立了能够反映主要地质构造的三维岩石边坡数值模型。介绍了三维有限差分程序FLAC 3D 动力分析的理论基础,包括边界条件的设定、动力荷载的输入、阻尼的选取以及岩体本构模型的选择。采用FLAC 3D 模拟了该岩石边坡在爆破荷载作用下的动态响应。分析了爆破结束后边坡体内位移场、应力场、速度场以及塑性区的分布情况,并与爆破前进行对比。将计算结果与实测数据进行了比较,结果表明FLAC 3D 用于爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的数值模拟是可行的。关键词: 爆破荷载; 岩石边坡; 动态响应; FLAC 3D 模拟中图分类号: TD 235.1 文献标识码: A
FLAC
3D
Si m ul ation for Dyna m ic Res ponse of
Rock Sl ope under Expl osi on
C HEN Zhan-jun,Z H U Chuan-yun,Z HOU X iao -heng
(State K ey Laboratory o fW ater Resources and H ydropo w er Eng i n eeri n g
Science ,W uhan Un i v ersity ,W uhan 430072,China)
A bstract : The dyna m ic response of b l asti ng for rock sl ope is si m u lated by dyna m i ca lly ana l y zi ng the m odu l e o f
FLA C 3D progra m.A 3-D rock sl ope mode l that can re fl ect itsm a i n g eo log ica l structure is established .The theoretical bas i s of dyna m ic analysis by the FLAC 3D prog ram is i ntroduced ,i nc l ud i ng setting bounda ry conditions ,inpu tti ng dy -nam ic l oadi ngs ,choosi ng damp i ng and the physicalm odel of the rock sl ope .The FLA C 3D progra m is u tilized to si m -ulate the dynam i c response o f the rock slope under exp l os i on .T he distributi ons o f stress fi e l d ,displace m ent field ,ve l oc ity fie l d and p l astic zones i n t he ro ck s l ope are analyzed a fter b l asti ng.The si m u lati on resu lts are co m pared w it h the site mon itoring resu lts .Resu lts shows that the FLAC 3D progra m can be used to si m u late the dyna m ic response o f rock slope under explosion e ffecti ve ly .
K ey words : expl o si on l oadi ng ;ro ck slope ;dyna m ic response ;FLAC 3D si
m ulati on 收稿日期:2005-09-11.
作者简介:陈占军(1980-),男;武汉:武汉大学水利水电学院研究
生.
1 引 言
爆破荷载对岩石边坡稳定性的影响是极其复杂
的岩石工程地质力学问题,涉及到岩石动力学、工程
地质学等相关学科。其影响主要有两个方面
[1]
:一
是/弱化作用0,即由于爆破荷载的反复作用,引起岩体结构面的张开、扩展和拉裂,以及岩体的松动变
形,造成岩体强度指标降低;二是/附加荷载0作用,即爆破振动引起的惯性力导致边坡整体的下滑力加大,降低了边坡的安全系数。因此,研究爆破荷载下岩石边坡的动力响应特征,并据此提出相应的控制
措施,对于实际工程有重要的指导意义。
FL AC
[2]
(Fast Lagrang ian Ana l y sis of C ontinua ,
连续介质快速拉格朗日分析)是由Cunda ll 和美国I T ASCA 公司开发出的有限差分数值计算程序,主要
适用于地质和岩土工程的力学分析。由于其在材料的弹塑性分析、大变形分析和施工过程模拟等领域有独到的优点,近年来,广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下洞室、施工设计(开挖、填筑等)、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工程、矿山工程等多个领域。目前,利用FLAC 3D
进行静力稳定分析及开挖过程模拟的文献[3~6]较多,而用其进行岩石边坡动力响应研究的文献较少,为此,作者尝试利用FLAC 3D
对岩石边坡在爆破荷载下的动态响应进行数值模拟。讨论了边坡动态响应分
析时边界条件的设定、阻尼的选取以及爆破荷载的输入等关键问题,计算结果表明:FLAC 3D
用于爆破荷载下岩石边坡动态响应的数值模拟是可行的。
2 工程地质概况
图1为某矿山采场岩石边坡的地质剖面图。该边坡走向与爆破开采山体岩层的走向一致。根据相关地质资料,靠近坡角的岩体为变粒、浅粒构造变质岩,其中含有倾角约为-29b 的层理面,并含有锰土层面和炭质片岩两处软弱结构面;远离坡角的岩体为花岗片麻岩,强度较构造变质岩高,其中含有倾角约为-26b 的层理面。完整岩石材料和节理的动态力学参数分别见表1,表2
。
图1 边坡地质剖面图
F i g 1
G eo log i ca l secti on of the rock sl ope
表1 完整岩石的力学参数
Tab le 1 Properties of i n tact rock m ater i als
岩层密度/(kg #m -3)
体积模量/GP a
剪切模量/GPa
花岗片麻岩
261025.00020构造变质岩
2610
16.667
10
表2岩体结构面的力学参数Table 2 Properties of rock sections
结构面名称法向刚度/(G Pa #m -3)
切向刚度
/(G Pa #m -3)
内摩擦角/(b )粘聚力
/M P a 抗拉强度/M Pa
炭质片岩0.713
0.498
30.50.0270.000锰土层面0.9130.69832.00.0600.000层理面11.0000.50034.90.2000.010层理面2
1.200
0.600
39.2
0.300
0.0293
3 计算模型的建立
根据该岩石边坡的地质剖面图,截取一定范围
如图2所示,建立三维数值模型如图3所示。根据文献[7]的研究结果,网格剖分的尺寸受输入波动的最短波长控制。设网格的最大尺寸为$l,输入波
9
第22卷 第4期 陈占军 等 爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的FLAC 3D 模拟研究
动的最短波长为K ,则$l 必须小于(1/10~1/8)K 。考虑到此因素,网格剖分时最小尺寸取为2m,经验算,满足条件
$l <(1/10~1/8)K (1) 模型共剖分节点5820个,单元4806个。建模时,先采用前处理功能强大的有限元软件ANSYS 建立三维模型,然后通过读取自编的/ansys to flac 0程
序,将模型导入FLAC 3D
。模型中采用不同的颜色表示不同岩层,从左至右依次为:花岗片麻岩、层理面1、层理面2、锰土层面、炭质片岩和构造变质岩,分别命名为group1~group6
。
图2 计算模型的边界条件
F i g2 Boundary cond i tions of t he ca l culati ng
model
图3 边坡岩体动力分析模型
F i g 3 T he dyna m ic ana l y ti ca lm ode l o f the slope
3.1 边界条件的设定
FL AC 3D
中求解动力问题的边界条件设置有远
置人工边界和粘滞边界2种[8]
。远置人工边界条件的办法在处理弹性波的能量逸散时,沿用静力条件下边界的设置,这样的边界对入射波起着完全反射的作用,即既不传播,也不吸收任何能量。而粘滞边界其功能和LS -DYNA 中无反射边界相同,即将模型的边界取得足够远,把模型的范围取得足够大,使边界对入射波的反射尽可能减少,如此一来便可减小边界条件对计算结果产生的影响。
在FL AC 3D 动力分析中,粘滞边界是通过在边界
的法线方向和水平方向施加独立的粘滞力来实现的[9]
。其法向粘滞力f n 和剪切粘滞力f s 的计算式
为
f n =-Q c p v n
(2)
f s =-Q c s v s
(3)
式中,v n ,v s 分别为边界上的法向和切向速度分量;Q 为岩体密度;c p ,c s 分别为P 波和S 波的波速。当波动入射角小于60b 时,粘滞边界对于体波的吸收是有效的。
3.2 动力荷载的输入
爆破动力荷载的确定是进行爆破荷载下岩石边坡动力响应研究的基础,也是一大难点。目前,在实际的工程应用中,炮孔压力变化历程的选取有半经验、半理论的炮孔压力指数衰减公式,如文献[10]将作用在结构上的爆破荷载简化为具有线性上升段和下降段的三角形荷载。也有的将炮孔压力变化历程简化为级数形式。
然而,简化的三角形或级数形式爆破荷载与实际情况有较大的误差。为避免此误差,数值模拟中,爆破动力荷载直接采用现场实测的爆破振动速度时程曲线
[11]
输入,如图4所示。
图4 实测爆破振动速度时程曲线
F i g 4 T m i e history of vel oc it y obtai ned by site m onitor i ng
值得注意的是,对于粘性边界,在输入动荷载时,须将速度时程曲线转化成应力时程曲线,可通过下式进行转化
R n =2(Q c p )v n (4)R s =2(Q c s )v s
(5)
式中,R n 、R s 分别为正应力和剪应力;Q 为岩体密度;c p 、c s 分别为P 波和S 波的波速;v n 、v s 分别为质点在法向和切向的振动速度,即分别为现场实测的水平
和竖直向振动速度。
10爆 破 2005年12月
3.3 阻尼的选取
进行动力响应分析时,FLAC 3D
提供了2种可供选择的阻尼型式,即瑞利(R ay l e i g h)阻尼和局部(lo -ca l)阻尼。其中,瑞利阻尼应用较多,其通过下式确定
C =A M +B K
(6)
式中,A 、B 分别为质量阻尼系数和刚度阻尼系数。
设置瑞利阻尼时,须确定一个中心频率(center fre -quency)f m i n ,其值由式(7)给出
f m i n =X m in /2P
(7)
本例中,输入动荷载的主频为46.7H z ,其f m in 为7.8,在加载时,用命令/set dyn da m p ray leigh 17.80来实现。
3.4 岩体本构模型的选取
FL AC 3D
中提供了由空单元模型、弹性模型和塑性模型组成的共10种基本的本构模型。模拟时选取M ohr -Cou l o mb(莫尔-库伦)弹塑性模型。该模型通常用于描述土体和岩石的剪切破坏。模型的破坏包络线和M ohr -Coulo m b 强度准则(剪切屈服函数)以及拉破坏准则(拉屈服函数)相对应。图5所示即为M ohr -Coulo m b
强度准则示意图。
图5 M ohr -Coul omb 强度准则示意图F i g 5
Intensity pr i nci p le o fM ohr -Cou l omb model
4 模拟结果及分析
应用FLAC 3D
进行动力响应分析前,须进行静力条件下的边坡稳定分析。为此,该数值模拟分二步进行:第一步,施加自重,分析该岩石边坡在初始应力条件下的应力和变形;然后,将第一步计算的位移初始化为零,再输入动力荷载,分析其在爆破荷载作用下的动态响应特征。以下为部分计算结果。4.1 初始状态
图6为边坡岩体在初始状态下的位移矢量场分布示意图。从图6中可以看出,初始状态下边坡体
的位移很小,最大处仅有8.5mm ,其在初始地应力
作用下是稳定的。相比之下,边坡体在坡脚和坡顶处的位移略大于其他地方,因此这2个区域可看作边坡体的危险区域。为研究边坡体在爆破荷载作用下的动态响应,下面的结果分析特选取这2个区域
的质点作为研究对象。
图6 初始状态下边坡的位移矢量图
F i g 6 T he dis p l ace ment vector o f rock slope i n i n itial state
4.2 动态响应
爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的分析包括应力、位移、速度矢量的分布,以及塑性区的分布特征。下面分别就这几项对模拟结果进行动力分析。4.2.1 应力场分布
在爆破荷载作用下,边坡体内竖向应力分布如图7所示。从图中可以看出:在爆破荷载作用下,边坡体内各点应力均较小,最大处(软弱层理面)仅为0.30M Pa 。这说明,爆破后,边坡整体仍处于稳定状态,这与爆破后边坡稳定状态的宏观观测结果吻合
[11]
。
图7 爆后坡体竖向应力分布示意图F i g 7 V erti ca l stress o f rock slope a fter blasting
4.2.2 位移场分布
计算终态时,边坡体内的竖向位移分布如图8所示。从图8中可以看出:在爆破荷载作用下,边坡体内坡脚处和坡顶处的竖向位移较其他部位明显大很多。坡脚处最大竖向位移为2.5c m,坡顶处最大竖向位移也达到了2.2c m 。且随着时间的推移,坡体的位移呈现处稳定趋势,即产生了永久位移。
11
第22卷 第4期 陈占军 等 爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的FLAC 3D 模拟研究
图8 爆后坡体竖向位移分布示意图
F ig 8 V ertical disp l ace m ent of rock sl ope after b l asti ng
4.2.3 塑性区分布
计算终态时,边坡体内塑性区分布如图9所示。从图9中可以看出:边坡体内塑性区主要集中在岩体软弱带内,且多为受剪应力屈服(图中的红色单元)和受拉应力屈服(图中的绿色单元),这说明在爆破荷载作用下,冲击应力波对边坡体的破坏作用是从降低其抗拉强度和抗剪强度开始的,这与岩体的力学试验
[12]
所得结论吻合。
图9 爆后边坡体内塑性区分布示意图F i g 9 P l asti c zones o f rock slope a fter blasting
4.2.4 速度场分布
计算终态时,边坡体内y 向速度场分布如图10所示。从图10中可以看出:在爆破荷载作用下,边坡体内坡脚和坡顶处速度较其他地方明显大很多,在坡脚处其最大值达0.41m /s 。计算中,选取坡脚
处一点,跟踪记录其振动速度峰值,其结果与实测值
[13]
的比较见表3。从表3中可以看出,计算值与
实测值间的误差在20%以内,属较小范畴,因此可以认为此次数值模拟计算是有效的。图11为该点垂直向振动速度计算值与实测值的对比曲线图。
表3 坡脚处质点振动速度计算结果与实测结果比较T ab le 3 Co m par ison of peak par ticle ve l oc ity b et w een
calcu l ating resu lts and site m on itoring resu lts 比较项坡脚点计算值
/(c m #s -1)
坡脚点实测值
/(cm #s -1)
误差/%水平向速度峰值16.2413.7717.93
图10 爆后边坡体内竖向速度分布示意图F i g 10 V e rtica l ve l o city o f ro ck slope a fter blasti ng
图11 坡脚点垂直向计算与实测速度时程曲线F i g 11 V vertical ve l oc ity history o f slope t o e obta i ned by co m putation and sites m onitor i ng
5 结 论
作者尝试运用FLAC 3D
进行岩石边坡在爆破作用下动态响应的数值模拟。详细讨论了数值模拟时边界条件的设定、阻尼的选取、爆破动力荷载的输入等关键问题。经计算分析,爆后边坡体内位移、应力、速度及塑性区分布等动态响应特征,并与实测结
果进行比较,误差较小,结果说明FLAC 3D
用于进行爆破作用下边坡动态响应的数值模拟是可行的。
参考文献
[1] 朱传云,卢文波.岩质边坡爆破振动安全判据综述
[J].爆破,1997,14(4):13~17.
Zhu C Y,Lu W B .G enera l Study on Contro lli ng S tandard o f B l asti ng Sa f e ty fo r R rock S l ope [J].B l asti ng ,1997,14(4):13~17.
[2] 黄润秋,许 强.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡
工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,1995,(14):346~354.
H uang R Q,Xu Q.Appli cation of Exp lica ted F ast La -grang i an A na l y si s o f Conti nua in Ro ck Slope Eng i neer i ng [J].Ch i nese Journal o f Ro ck M echanics and Eng i nee r -1995,(14):346~354.
12爆 破 2005年12月
[3]丁秀美,黄润秋.FLAC-3D前处理程序开发及其工程
应用[J].地质灾害与环境保护,2004,(2):33~35.
D i ng X M,Huang R Q.D eve l op m ent o f P re-processi ng
Soft w are for FLAC3D and Its A pp licati on to Eng i nee ri ng
[J].Journa l o fG eo l og icalH azards and Env iron m ent P res-
ervation,2004,15(2):33~35.
[4]杨典森,陈卫忠.龙滩地下洞室群围岩稳定性分析
[J].岩土力学,2004,25(3):5~8.
Y ang D S,Chen W Z.Stability A na lysis of Surroundi ng
R ock M ass o f L ong tan U nderg round Caverns[J].R ock
and So ilM echanics,2004,25(3):5~8.
[5]寇晓东,周维垣,杨若琼.三维快速拉格朗日法及其在
拱坝稳定分析中的应用[J].水利水电技术,2000,
31(7):4~7.
K ou X D,Zhou W Y,Y ang R Q.Th ree-di m ensi onal Fast
Lag rang ian M ethod and ItsA ppli cation on S tab ilit y A naly-
si s of t he A rch D a m[J].W ater R esources and H ydropow-
er Eng i neering,2000,31(7):4~7.
[6]谢和平,周宏伟,王金安,等.FLA C在煤矿开采沉陷
预测中的应用及对比分析[J].岩石力学与工程学报,
1999,18(4):397~401.
X ie H P,Zhou H W,W ang J A,et a.l Contrast A na lysis
and A pp licati on o f FLAC i n I mme rsion P red icti on for C oal M ine D eve l op m ent[J].Ch i nese Journa l o f R ock M echan-
ics and Eng i nee ri ng,1999,18(4):397~401.
[7]K uh le m ey er R L,L ys me r J.F inite E l ementM e t hod A ccu-
racy f o r W ave P ropagati on P roble m s[J].J So ilM ech&
Founda ti ons D i v,A SCE,1973,99(5):417~421.
[8]刘春玲,祁生文.利用FLAC3D分析某边坡地震稳定性
[J].岩石力学与工程学报,2004,23(16):
2730~2733.
L i u C L,Q i S W.S tab ilit y A na l ysis o f Slope under Earth-
quake w ith FLAC3D[J].Ch i nese Journal of Ro ckM echan-
ics Eng i neeri ng,2004,23(16):2730~2733.[9]Itasca Consu lti ng G roup Inc.FLA C-3D(F ast L agrang i an
A na l y si s of Conti nua i n3D i m ensi ons),V ers i on2.10,
U se rs M anua l(V o l u m eⅤ)[R].U S A:Itasca Consu lti ng
G roup Inc,1997.
[10]刘国华,王振宇.爆破荷载作用下隧道的动态响应和
抗爆分析[J].浙江大学学报(工学版),2004,38(2):
15~18.
L i u G H,W ang Z Y.D ynam ic R esponse and B lasti ng-
R esistance A na l ysis of a T unne l Subjected t o B lasti ng
Loadi ngs[J].Journal o f Zheji ang U niversity,2004,
38(2):15~18.
[11]刘亚群,李海波.爆破荷载作用下黄麦岭磷矿岩质边
坡动态响应的U DEC模拟研究[J].岩石力学与工程
学报,2004,23(11):42~45.
L i u Y Q,L i H B.UDEC S i m u l a ti on on D ynam ic R e-
sponse o f R ock Slope o fH uang m a ili ng Phosphor ite M i ne
U nder Exp l o si on[J].Ch i nese Journal of Ro ckM echan i cs
and Eng i nee ri ng,2004,23(11):42~45.
[12]徐国元,古德生.爆破破岩机理的试验研究[J].中南
工业大学学报,1997,(12):61~63.
X u G Y,Gu D S.Expe ri m en tal Investigati on on M echa-
n i s m of Rock F ragmentation by Blasti ng[J].Journal of
Centra l South U n i versity,1997,(12):61~63.
[13]中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程检测中
心.黄麦岭磷矿采场爆破振动监测、声波检测及爆破
设计优化报告[R].武汉:中国科学院武汉岩土力学
研究所,2000.
Institute of R ock and SoilM echanics,The Chinese A cad-
emy o f Science,T he Eng i neer i ng T esti ng Cente r.R eport
on Op ti m izi ng B l asti ng D esign i ng and t he M on itoring of
B l asti ng V i brati on o f H uangma ili ng Pho spho rite M i ne
[R].W uhan:Institute o f R ock and So ilM echan i cs,T he
Ch i nese A cademy o f Science,2000.
(上接第3页)
4)介质参与后对爆生气体做功能力和冻土爆破中爆破参数的影响及如何确定这些参数也有待研究。
参考文献
[1]周幼吾,郭东信,邱国庆.中国冻土[M].北京:科学出
版社,2000.[2]王省身.矿井灾害防治理论与技术[M].徐州:中国矿
业大学出版社,2000.
[3]高尔新,杨仁树.爆破工程[M].徐州:中国矿业大学
出版社,1999.
[4]杨振声.工程爆破文集[C].深圳:海天出版社,1997.
[5]韩修栋,白宝库.刚性被筒炸药的研究[J].爆破器材,
1991,(1):17~19.
13
第22卷第4期陈占军等爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的FLAC3D模拟研究
黄志强 （桂林工学院，广西，桂林541004） 【摘 要】岩体的软弱层面会影响到爆破破碎效果，如何确定岩石材料的缺陷在爆破破碎中的影响因子是研究岩石破碎机理的关键。通过对当前岩石爆破破碎的研究现状进行综合分析、评述，讨论了岩石爆破破碎机理研究的要点以及今后的研究重点，为后续相关研究指出了方向。 【关键词】岩石破碎；爆破机理；损伤 【中图分类号】TD231.1 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2007)12-0086-02 岩石爆破的破碎效应是影响交通土建、水利、矿山等工程效益的重要指标，它影响到生产过程中的铲装、运输和粗碎等工序的效率和成本，也影响到道路、堤坝等基础工程的渗透性、沉降性和稳定性。因此，岩石爆破破碎理论的研究一直是岩石动力学和岩石爆破研究领域的一个热点问题，研究并揭示爆破作用下岩石破碎机理对促进爆破理论和相关技术的发展、提高工程质量和效益具有十分重要的理论和实际意义。 （一）当前研究成果 岩体由于其材料的特殊性，内部具有较多的节理、裂隙、层理等不连续层面，这些不连续面对爆破破碎效果会产生严重的影响，主要体现在应力集中、应力波反射增强、能量耗散、高压爆生气体外逸等。因此在岩石爆破设计、施工中如何处理岩石中的不连续面对爆破效果的影响，是当前研究岩石爆破破碎机理的主要问题。 国内外学者进行的大量研究指出：裂隙岩石的破碎是由爆炸冲击波与爆生气体共同作用的结果，但与均匀介质材料爆破相比，岩体的破碎主要是爆炸应力波作用的结果，裂隙岩体的爆炸气体膨胀压力较小，只是当应力波将岩石破碎成块以后，起到促使碎块分离的作用；应力波在裂隙岩体的传播过程中，在裂隙之间传播的扰动将会产生新的破裂；由于裂隙的发展速度有限，爆炸载荷的速率对裂隙的成长有较大的作用，而高应变率载荷容易产生较多的裂隙。 在此基础之上，当前的相关研究主要在两方面展开，一是追求普遍适用于各种爆破计算和分析、旨在建立相关计算模型的理论研究；一是结合一定工程实践，适用于一定范围的具体工程设计和参数优化的实验研究。在理论研究方面，从岩石破碎研究的发展历程来看，可将其分为弹性理论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段和分形损伤理论4个阶段。 1.弹性理论阶段 弹性力学模型将岩石视为各向同性的均质、连续的弹性体，岩石在爆炸荷载作用下的破坏是因其内部最大应力超过岩石应力极限引起的。在破碎之前，岩石处于弹性状态。这种理论以弹性力学及有限元方法为基础，运用现代计算机技术可方便的简化工程问题、建立力学模型并加以分析计算。由于这种理论模型不考虑岩石的材料缺陷，其理论基础与实际情况有一定的差距。 2.断裂理论阶段 断裂力学模型认为岩石中的裂纹扩展及断裂破坏是影响岩石爆破破碎效果的主要因素。与弹性模型不同的是该类模型将岩石视为含有微裂纹的脆性材料，岩石的破化过程就是其内部裂纹产生、扩展和断裂的过程。但断裂力学模型仍将裂纹周围看作是均匀的连续介质，因而其仅适用于宏观裂纹形成之后的断裂阶段，对材料开始劣化到宏观裂纹形成之间的力学行为和物理过程并未进行分析描述，其适用范围只限于宏观裂纹已形成的有层理或沉积类岩石。 3.损伤理论阶段 1980年美国Sandia国家实验室的Kipp和Grady开始进行岩石爆破损伤模型的研究，他们认为岩石中存在着大量随机分布的原生裂纹，在爆破作用下部分原生裂纹将被激活并发生扩展，激活的裂纹数服从指数分布。他们运用损伤因子D表示这些岩石裂纹开裂及损伤程度。经过 Seamen、Grady、Kipp、Kus 等人的努力，最后，由 Throne 进一步完善建立了一个能 【收稿日期】2007-10-29 【作者简介】桂林工学院青年扶持基金项目，桂工院科［2007］4号 【作者简介】黄志强（1977－），男，四川武胜人，桂林工学院讲师，主要从事工程力学相关科研工作。 岩石爆破破碎机理研究
岩石爆破技术的现状与发展 要：结合笔者对爆破技术的研究，对近几年来国内外较为先进的岩石爆破技术的理论及控制爆破技术方面进行简要的介绍，随着岩石爆破技术的不断发展，爆破工程机械化程度的提高，人们对工程爆破作业有害效应更加的专注。岩石爆破技术的发展对爆破施工发挥起到了重要的作用。 关键词：岩石爆破技术；爆破理论；现状；发展 在破岩的过程中采用最为普遍也是效果最好的手段就是爆破。岩石爆破技术的发展不仅仅取决机械设备、测量工具等硬件设备的发展，而且还需要依托爆破理论学、岩石力学等方面的理论成果。随着岩石爆破技术的不断发展以及爆破力学的不断深入，以及测量设备的不断改进、计算机技术在爆破中的普及应用，推动了我国爆破技术向着机械化、智能化方面发展，其只要体现在下面几个方面：一是岩石爆破中使用的各种机械设备逐渐的完善，爆破施工的机械化水平快速发展；二是在对岩石等相关材质的分析上广泛的采用了全新的扫描技术和分析处理技术，根据分析出的岩石的性质来选择与之相符的爆破方案；三是爆破的规模在不断的扩大，爆破的工艺也在不断的更新；四是在爆破的过程中更多的考虑到了环境保护，采用各种控制爆破技术，尽可能的降低岩石爆破对环境及生态造成的影响。五是在岩石爆破过程中开始普遍的应用计算机进行辅助爆破，或者进行计算机模拟爆破，特别是将计算机与GPS 定位系统结合之后发展了数字钻爆系统。这些方面的特点都对我国岩石爆破技术的发展起到深远的影响。
1 岩石爆破理论 所谓的岩石爆破就是利用炸药在爆炸的过程中产生的能量来破碎岩石的方法。岩石爆破理论可以系统的分为两个部分来进行概述：一是岩体中的爆破应力波，岩土在炸药爆炸的过程中，岩体会收到冲击和扰动，而在岩体中传播的波，在波的影响下岩体的内在状态会随之发生变化，因此我们将在固定中传播的扰动波称之为应力波；二是岩石爆破破碎机理，爆破机理的研究是一个较为复杂的课题，由于岩石爆破是也在一个高压、高温、高速的三高环境下发生的，在现有的科技条件下是无法进行测试的，而岩石的状态又是不定的，目前也找不到一个合适的状态方程来对岩石的变化进行科学合理的描述，因此，对岩石爆破作用机理的研究还仅仅停留在定性的阶段，现在实际采用的都是多年积累的经验，并没有科学的根据。虽然这个两种不通的机理，但是在实际的爆破过程中这两者都发挥着作用，只是在不通岩石材质下两者发挥的作用程度不一样。 岩石得以破坏是因为在爆破的过程中产生的应力超过了岩石本身多能够承受的最大限度，岩石的破坏与爆炸时产生的能量大小和岩石的力学特性有着紧密的联系。也就是说，要想对岩石进行破坏，在假定装药的型号、形式及自由面相同的条件下，药包装药的多少只要是由岩石的力学特性决定的。在岩石爆破技术的研究过程中，岩石的力学特性与爆破破碎的关系一直都是研究的一个重点。在一定程度上岩石的力学特性决定了这次岩石爆破的难易程度，它主要表现在岩石的抗压、抗拉、抗剪等方面。炸药的单耗与岩石的这些特性是成正比关系的，对于大多
岩石爆破施工方案 （1）爆破方案选择 根据本露天矿采剥工艺，结合采装设备对岩石破碎块度、疏散度的要求，考虑到岩石的软硬程度，确定本矿山岩石层破碎方式为台阶松动爆破。 煤层顶板岩层厚度（即穿孔工作面到煤层的高度）若不足一个标准台阶高度，可采用小台阶爆破法处理，做到“分爆分采”，减少废石混入和降低贫化。 部分爆破区的炮孔穿透含水层，水孔装药应使用乳化炸药。 掘沟工程可根据掘沟高度即掘沟宽度单独进行爆破设计。（2）标准台阶孔网参数设计（爆破对象为一般难爆岩石，达到爆破松动的效果，采用“经验法”设计） 矿山生产标准台阶高度10m，本矿爆破岩石厚度3-8m，本设计采用爆破最大用药量,用8m计算，使用的穿孔设备时KY120型履带式露天潜孔钻机，穿孔直径d=120mm。 根据矿区岩层可爆性分析，结合类似矿山的爆破经验，炸药单耗 kg。施工过程中可根据不同爆破区的岩石硬度、初步确定为q=0.40 3 m 可爆性、岩石结构、层理发育程度的因素进行适当的调整，以期达到最佳爆破经济效果。 1）、孔径?=110mm; 2）、台阶高度H=8.0m 3）、炮孔超深取h=1.5m
4）、炮孔深度L=H+h=9.5m 5）、填塞长度ho=3.0m 6）、单孔装药量Q=qabW kg 7）、实际单孔单耗q=0.43m 8）、布孔方式：穿凿竖直孔，一般采用梅花形布孔方式。 a=5m b=5m Q后排=Q前排（1.1≈1.2） 9）、总孔数n=50 10）、药量数Q总=50×60=3.0T 在采剥过程中由于开采的需要，有时采取低台阶爆破法，孔网及装药参数计算方法同上，即在保证爆破质量的前提下算出不同的孔网、装药参数，经设计计算得出不同条件下的参数如下表。 表1：经过计算调整后的低台阶爆破穿、爆参数成果表
收稿日期:2004-06-21 作者简介:陈立群(1970-),男(汉族),辽宁丹东人,辽宁省有色勘察研究院工程师,岩土工程专业,从事岩土工程技术工作,辽宁省沈阳市和平区柳州街17号;戴长冰(1963-),男(汉族),山东昌邑人,辽宁省有色地质局教授级高级工程师,东北大学博士后,水下爆破专业,从事水下爆破技术工作,辽宁省沈阳市和平区柳州街17号辽宁省有色地质局。 岩体结构对岩石爆破效果的影响 陈立群1,戴长冰2,3,宋守志3 (1.辽宁省有色勘察研究院,辽宁沈阳110002;2.辽宁省有色地质局,辽宁沈阳110002;3.东北大学,辽宁沈阳110006) 摘 要:分析了爆破冲击波的传播特点,指出了对岩石破坏最大的是拉伸应力波,并对岩体结构对岩石爆破效果的 影响进行了探讨。 关键词:岩体结构;应力波;岩石爆破中图分类号:T D235.1 文献标识码:A 文章编号:1672-7428(2004)12-0050-03 E ffects of R ock Mass Structure on R ock B lasting /CHEN Li 2qun 1,DAI Chang 2bing 2,3,SONG Shou 2zhi 3(1.Liaoning N on fer 2 rous Reconnaissance Institute ,Shenyang Liaoning 110002,China ;2.Liaoning N on ferrous G eology Survey Bureau ,Shenyang Liaoning 110002,China ;3.N ortheastern University ,Shenyang Liaoning 110006,China ) Abstract :T ransmit peculiarity of dynamite shock wave was analyzed.That the tensile stress wave is mainly breakage force was pointed out.The effects of rock mass structure on rock blasting results were discussed.K ey w ords :rock mass structure ;stress wave ;rock blasting 在大型地下岩石工程的开挖施工中,岩石爆破无疑是当今各种地下开挖手段中惟一有效而高速的施工方法。炸药爆炸破碎岩体的过程是一个瞬间完成的动力学过程,一般可分为两个阶段:第一阶段是爆炸冲击波和应力波作用阶段,作用结果是在岩体中造成初级破裂;第二阶段是爆炸气体产物膨胀作用阶段,作用结果是使岩体中形成的裂隙起动、扩展、贯通,并转化为一定的能量使岩体进一步破碎和产生抛掷。在这一系列过程中,岩体的结构对应力波的传递起着至关重要的作用,即对岩石爆破的效果起着很大的影响。 1 爆破应力波在岩石爆破时的作用机制 (1)爆破应力波和其他波动一样,如果在它的传 播过程中遇到岩石中的层面、节理面和自由面或者 在传播过程中介质发生了变化时,将会在界面发生反射、折射现象,同时沿结构面和自由面产生表面波、瑞利波、拉夫波带走一部分能量,结构面越多,则表面波带走的能量就愈多。 (2)应力波垂直入射时,波的反射部分和透射部分的应力大小取决于不同介质的边界条件,即:在边界面的两侧,其应力状态必须相等;垂直于边界面方向的质点运动速度必须相等。 σi +(-σr )=σt V i +V r =V t 式中:σi 、σr 、σt 分别为入射波、反射波、透射波的应力,kPa ;V i 、V r 、V t 分别为入射波、反射波、透射波质点振动速度,cm/s 。 V i =σi /(ρ1C P 1) V r =σr /(ρ1C P 1)V t =σt /(ρ2C P 2) σi /(ρ1C P 1)+σr /(ρ1C P 1)=σt /(ρ2C P 2) σr =ρ2C P 2-ρ1C P 1ρ2C P 2+ρ1C P 1σi σt = 2ρ2C P 2 ρ2C P 2+ρ1C P 1 σi 通过上述公式可以看出: (1)如果ρ1C P 1=ρ2C P 2,则σr =0,σt =σi ,此时入射的应力波在通过交界面时没有发生波的反射,入射的应力波全部透射入第二种介质,没有波能的损失。 (2)如果ρ2C P 2>ρ1C P 1时,既会出现透射的压缩波,也会产生反射的压缩波。(3)如果ρ2C P 2<ρ1C P 1时,既会出现透射的压缩波,也会产生反射的拉伸波。(4)如果ρ2C P 2=0,则σt =0,σr =σi ,在这种条 5探矿工程(岩土钻掘工程) 2004年第12期
第24卷 增1 岩石力学与工程学报 V ol.24 Supp.1 2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，2005 收稿日期：2005–05–11；修回日期：2005–06–21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50374063，50439030)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705) 作者简介：李俊如(1965–)，女，硕士，1987年毕业于重庆大学矿山工程物理专业，现任副研究员，主要从事岩石动力学方面的研究工作。E-mail ：jrli@whrsm. https://www.doczj.com/doc/586684037.html, 。 核电站基岩爆破开挖损伤区研究 李俊如1，夏 祥1，李海波1，王晓炜2，周青春1 (1. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2. 中广核工程有限公司，广东 深圳 518124) 摘要：根据岭澳核电站二期工程基岩爆破现场进行的4组声波试验，并基于爆前爆后声波波速变化率确定的损伤门槛值得到了各次爆破岩体的损伤范围。研究结果表明，周围岩体在爆孔的装药区段深度范围内，损伤程度最大，而近地面和爆孔底部以下的岩体损伤则较小；距爆区越近，岩体损伤变量越大，爆孔底部以下的损伤深度也越大；爆破作用下岩体的损伤深度要小于水平方向的损伤范围，其比例大约为1∶3；岩体的损伤范围随单孔药量增大的趋势明显。 关键词：岩石力学；损伤范围；核电站；声波测试； 基岩爆破 中图分类号：TU 459+.3 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增1–4674–05 STUDY ON BLAST-INDUCED BEDROCK DAMAGE EXTENSION FOR A NUCLEAR POWER STATION PROJECT LI Jun-ru 1，XIA Xiang 1，LI Hai-bo 1，WANG Xiao-wei 2，ZHOU Qing-chun 1 (1. Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan 430071，China ； 2. China Guangdong Nuclear Power Station Engineering Co.，Ltd.，Shenzhen 518124，China ) Abstract ：Four groups of sonic wave tests have been performed in the bedrock blasting excavation at the Ling ′ao nuclear power station project of Guangdong Province ，China. The changes of sonic wave speed before and after the detonation are obtained. Based on the relationship of sonic wave changing ratio and the critical damage parameter ，the damage extention of each blast and sonic wave test is determined. It is found that surrounding rock in the depth of charging section is the most seriously damaged. In the area adjacent to the ground and beneath the bottom of the charge hole ，the rock is less damaged under blasting. The damage parameters and depth under the bottom of charge holes increase clearly with the decreasing distance from the donation. It has also been observed that the horizontal damage distance of rock under explosion is approximate 3 times of the damage depth. The blast-induced damage extention distinctly increases with the single charge weight. Key words ：rock mechanics ；damage extension ；nuclear power station ；sonic wave testing ；rock blasting 1 引 言 广东岭澳核电站厂址位于深圳市东南45 km ，位于大亚湾核电站东北方向1～2 km 的沿海地带，设计总装机容量为360×104 千瓦，分两期进行，其中一期(1# ，2# )两台机组已先后于2002年和2003年 投入使用。即将营建的二期工程3#，4#两台机组， 将布置在一期1#，2#机组以东约340 m 处，场平标高7.00 m PRD 。根据现场地质勘察报告，二期工程场区基岩未发现断裂，主要由长英角岩、堇青石角岩和钠长石化细粒斑状花岗岩、细粒花岗岩构成，原岩是晚泥盆世春湾组碎屑岩。根据设计要求，需要对基岩爆破开挖，而爆破会对下卧基岩造成一定
爆破技术的发展现状及发展趋势 采矿10-1高宇 10010 2 摘要: 随着爆破技术和相邻学科的发展, 爆破理论的研究也有了长足的进步。特别是岩体结构力学、岩石动力学和计算机模拟爆破技术的发展, 使爆破理论的研究更实用化, 更系统化了。 关键字: 爆破技术爆破理论 引言: 当今岩体力学已从以材料力学为基础的连续介质岩体力学发展为以工程地质为基础的非连续介质岩体力学。岩体结构面特征对爆破的影响日益引起人们的重视。 岩石动力学作为爆炸力学、冲击力学与爆破工程相结合的一门边缘学科, 它的产生和发展无疑对岩石爆破破碎原理的研究是一种推动力量。 计算机模拟爆破技术的发展, 不但能够预算出最优的爆破效果, 而且能够在计算机上再现岩石爆破的动态过程, 从而大大减少现场试验所消耗的人力、物力, 并能准确地查明各种因素对爆破效果的影响。它代表着90年代爆破技术的最高水平, 也是爆破技术由工艺过渡到科学的重要标志之一。可是, 从总体上看, 爆破理论的发展依然滞后爆破技术的要求, 理论研究和生产实际仍有不小的差距。再加上爆破过程的瞬时性和岩石性质的模糊性、不确定性、致使爆破理论众说纷法, 争论不止。美国矿业局W．L．福尔内( Faurney) 等人认为: ”岩石破碎的过程依然没有阐明, 在公开文献中尚有许多混乱和相互矛盾的论点……”南非的C．V．B．坎宁安( Cunninghan) 在论及岩石爆破过程中动压与静压哪个占主导地位时谈到”60年代以来, 一直为人们所争论, 毫无疑问, 今后仍将争论一段时间”。南非矿业研究会高级工程师J．R布里克曼( Brinkman) 在 1987年召开的第二届爆破破岩国际会议( 2nd International Symposium on Rock Fragmentation byBlasting) 上谈到: ”岩石爆破破碎机理当前仍存在着相互矛盾的观点”。
武汉大学 博士学位论文 岩体爆破理论模型与应用研究 研究生姓名： 指导教师姓名、职称：教授 学科专业名称：岩土工程
研究方向：工程爆破 2005年4月日
Theory Model of Rock Mass Blasting and Its Application Ph.D.Candidate: Yao Jinjie Mentor: Prof.Zhu Yiwen April,2005
郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文如有剽窃、抄袭、假造等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律后果和法律责任，特此郑重声明。 学位论文作者(签名)： 年月日
摘要 本文对岩体爆破的理论模型及其应用进行了研究。在回顾岩体爆破理论模型研究发展的历史和成就的基础上，建立了一种新的爆破损伤统计演化理论模型、建立了爆破参数设计的神经网络模型、建立了损伤岩体控制爆破的计算模型、建立了爆破器材优化的理论模型，理论模型用于生产实践取得了初步成果。 人类进行岩石爆破的历史已经有二百多年，岩体爆破是目前岩土工程中对岩石开挖所采用的最有效的主要方法，岩石爆破技术在国民经济建设的很多领域得到了广泛应用；在目前迅速发展的国民经济建设中，爆破工程的应用程度范围越来越广泛，在水利水电、矿山、交通等各个行业的应用带来了巨大的社会效益和经济效益；长期以来，岩体爆破的理论模型研究一直是岩体爆破和岩石动力学研究领域的的一个热点课题，并且日益受到工程爆破学术界和工程应用部门的关注，岩体爆破理论模型的研究具有非常重要的理论和实践意义。 回顾岩石爆破的理论的发展历程，先后经过了经验理论、弹性理论、断裂理论和损伤理论几个阶段的发展。经验理论阶段比较著名的理论有炸药量与岩石破碎体积成比例理论、L.W.利文斯顿的爆破漏斗理论、冲击波拉伸破坏理论等；在上世纪70～80年代出现的Harries模型和Favreau模型是具有代表性的弹性爆破理论模型，他们都将岩石视为均质弹性体处理；随着断裂力学的发展和岩石断裂理论研究的深入，岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也渗入了爆破理论研究领域，断裂理论爆破模型主要有BCM模型和NAG－FRAG模型；美国Sandia国家实验室从上世纪80年代初就开展了岩石爆破损伤模型的研究，Kipp和Grady提出了最初的损伤模型，杨军等在分形岩石力学研究的背景下，提出了一种岩石爆破分形损伤的理论模型。 岩体具有复杂的地质构造结构，岩体中普遍存在的结构面形成了岩体的初始损伤。损伤力学中对损伤参量的定义是指损伤面积与有效面积之比，已有的岩石爆破损伤模型对损伤参量的定义分为两种，一种是表示为(体积)弹性模量的降低，一种是表示为已经破裂的结构面面积与潜在的节理面结构面面积之比。 本文将岩体的损伤与岩体爆破之后的块体总表面积联系起来，引入爆堆块体的总表面积S∑，把S∑作为有效面积，损伤量W的定义仍然表示为损伤面积与有
岩石爆破理论模型 摘要：岩石爆破模型的研究是爆破理论和技术发展的关键，通过研究爆破过程 及其参数的变化规律可揭示爆破作用的本质，为完善和发展爆破理论及技术提供基础。 关键词：岩石爆破模型;弹性;断裂;损伤 1、岩石爆破机理 在岩石爆破机理研究中，一般认为造成岩石破坏的原因是冲击波和爆炸生成气体膨胀压力共同作用的结果；但是关于爆炸冲击波和爆炸生成气体准静态压力哪个起主要作用，目前仍存在着两种不同的观点。一种观点认为冲击波的作用只表现在对形成初始径向裂纹起先导作用，而大量破碎岩石则是依靠爆炸生成气体膨胀压力作用。另一种观点则认为爆破过程中哪种载荷起主要作用要取决于岩石的阻抗波，即高波阻抗岩石应力波起主要作用，低波阻抗岩石爆炸生成气体起主要作用；对于均质岩体以应力波作用为主；对于整体性不好、节理裂隙发育的岩体，以爆炸生成气体作用为主。 爆生气体膨胀作用炸药爆炸生成高温高压气体,膨胀做功引起岩石破坏。爆生气体膨胀力引起岩石质点的径向位移,由于药包距自由面的距离在各个方向上不一样,质点位移所受的阻力就不同,最小抵抗线方向阻力最小,岩石质点位移速度最高。正是由于相邻岩石质点移动速度不同,造成了岩石中的剪切应力,一旦剪切应力大于岩石的抗剪强度,岩石即发生剪切破坏。破碎的岩石又在爆生气体膨胀推动下沿径向抛出,形成一倒锥形的爆破漏斗坑。 按理论基础可将爆破模型分为以下几类:以弹性理论处理爆破问题的弹性力学模型;以断裂理论特别是线弹性断裂力学为基础的断裂力学模型;以研究损伤演化特别是细观损伤演化为框架的损伤力学模型;以及将岩石由损伤累积而导致的破坏视为一种逾渗转变的逾渗模型。 2、弹性力学模型 2、1 G.Harries模型 G.Harries模型是建立在弹性应变波基础上的高度简化的二维模型,将岩石视为均质连续的弹性介质。假设岩石为以炮孔轴线为中心的厚壁圆筒,爆炸应力波使与炮孔轴线垂直的平面内质点产生径向位移,当径向位移派生出的切向应变值超过岩石的动态极限抗拉应变T时,岩石中形成径向裂隙。径向裂隙数由下式决定: N=εθ/T 式中 N为径向裂隙条数;εθ为作用于炮孔上的最大切向拉应变。采用MonteCarlo方法确定爆破裂纹分割的块度。该模型首次解决了物理模型使用的局限性和难以定量的问题,但由于没有考虑天然节理裂隙对应力波传播和破碎块度的影响,所以不可避免地影响计算结果的准确性和可靠性。 2、2 R.F.Favreau模型 R.F.Favreau模型是在爆炸应力波理论基础上建立的三维弹性模型,以岩石动态抗拉强度为破坏判据。该模型不仅充分考虑了爆炸应力波和爆生气体综合作
第4章岩石爆破理论 4.1 岩石爆破特性及爆炸应力波 岩石爆破理论的发展 岩石爆破理论在20世纪70年代确立了冲击波拉伸破坏理论、爆炸气体膨胀压碎破坏理论、冲击波和爆炸气体综合作用理论。随着爆破技术和相邻学科的发展，特别是岩体结构力学、岩石动力学、断裂、损伤力学和计算机模拟爆破技术的发展，使爆破理论的研究更实用化，更系统化。计算机模拟，用以研究裂纹的产生、扩展。但是，从总体上看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研究和生产实际仍有不小的差距。岩石爆破理论的研究内容应该包括：（1）岩石特性，包括岩体结构、构造特征和岩石动力学性质及其对爆破效果的影响； （2）炸药能量向岩石的传递效率； （3）岩石的动态断裂与破坏； （4）爆破过程的数值模拟，预测爆破块度和爆堆形态。 岩石中的爆炸应力波 在介质中传播的扰动称为波。由于任何有界或无界的质点是相互联系着的，其中任何一处的质点受到外界作用而产生变形和扰动时，就要向其他部分传播，这种在压力状态下介质质点的运动或扰动的传播称为应力波。炸药在岩石和其他固体介质中爆炸所激起的应力扰动（或应变扰动）的传播称为爆炸应力波。 应力波分类 （1）按传播速度分类 按传播途径不同，应力波分为两类：在介质内部传播的应力波称为体积波；沿着介质内、外表面传播的应力波称为表面波。体积波按波的传播方向和在传播途径中介质质点扰动方向的关系又分为纵波和横波。 纵波又称P波，其特点是波的传播方向与介质质点运动方向一致，在传播过程中引起压缩和拉伸变形。因此，纵波又可分为压缩波和稀疏波。 横波又称S波，特点是波的传播方向与介质质点运动方向垂直，在传播过程中会引起介质产生剪切变形。
第20卷 第3期爆炸与冲击Vol.20,No.3 2000年7月EXPLOSION AND SHOC K WAVE S Jul.,2000 文章编号:1001-1455(2000)03-0247-06 岩石爆破损伤断裂的细观机理 杨小林1,王树仁2 (1.焦作工学院,河南焦作 454100; 2.中国矿业大学北京校区,北京 100083) 摘要:基于现有岩石爆破机理和岩石细观损伤力学,认为岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸 应力波的初期动态损伤演化阶段和后期爆生气体作用下的准静态损伤演化阶段,并分别建立了这 两个阶段的损伤模型和断裂准则,阐述了岩石爆破损伤断裂的细观理论。 关键词:岩石爆破;应力波;爆生气体;损伤机理 中图分类号:TD235 1+1 文献标识码:A 1 引 言 以往采用的经典固体力学方法解释岩石在爆炸载荷作用下的力学行为,无法揭示岩石爆破破碎的全过程,也难以确定岩石内的损伤和破坏程度;而采用细观力学方法则是深入了解岩石内部从损伤到破碎全过程的有效手段。 岩石爆破损伤断裂过程包含有爆炸应力波动作用和爆生气体准静态作用两个阶段,由于岩石对动态和静态加载的响应差别较大,因此其损伤断裂机理也有所不同;而且爆生气体对岩石的损伤断裂作用在爆破近区和中远区又不相同。在爆破近区气体可能要渗入岩石内部裂纹中,裂纹的扩展以气体驱动下的模式扩展;而在爆破中远区的微裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力作用下发生的。现有的岩石爆破损伤模型[1~2]只考虑了应力波作用下的岩石内部由于微裂纹扩展所造成的损伤问题,显然不能全面合理地反映岩石爆破损伤断裂的实际情况。在现有岩石爆破损伤模型和岩石细观损伤力学的基础上,我们探讨了岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下损伤断裂的基本理论。 2 岩石爆破损伤断裂过程 岩石爆破损伤断裂的细观机理是以岩石爆破机理和岩石细观损伤力学为理论基础的。岩石爆破理论包含两部分内容:一是爆炸应力波的动作用机理;二是爆生气体的准静态作用机理。尽管基于二者之一发展了不同的岩石爆破机理,但目前已基本上得到共识,认为岩石的爆破破坏是二者共同作用的结果,只是在不同的岩石和装药条件下,二者的作用程度不同。 根据岩石爆破理论[3],炸药在无限大的岩体中爆炸时,在岩石内部将产生爆炸冲击波作用下的粉碎区(近区)、爆炸应力波和爆生气体作用下的裂隙区(中区)以及爆炸振动波的弹性振动区(远区)。由于在爆破近区,岩石被强烈压缩破碎,且作用范围小,而爆破远区是弹性振动 收稿日期:1999-08-18;修回日期:1999-12-31 作者简介:杨小林(1963 ),博士,副教授。
岩石爆破技术的现状与发展 结合笔者对爆破技术的研究，对近几年来国内外较为先进的岩石爆破技术的理论及控制爆破技术方面进行简要的介绍，随着岩石爆破技術的不断发展，爆破工程机械化程度的提高，人们对工程爆破作业有害效应更加的专注。岩石爆破技术的发展对爆破施工发挥起到了重要的作用。 标签：岩石爆破技术；爆破理论；现状；发展 在破岩的过程中采用最为普遍也是效果最好的手段就是爆破。岩石爆破技术的发展不仅仅取决机械设备、测量工具等硬件设备的发展，而且还需要依托爆破理论学、岩石力学等方面的理论成果。随着岩石爆破技术的不断发展以及爆破力学的不断深入，以及测量设备的不断改进、计算机技术在爆破中的普及应用，推动了我国爆破技术向着机械化、智能化方面发展，其只要体现在下面几个方面：一是岩石爆破中使用的各种机械设备逐渐的完善，爆破施工的机械化水平快速发展；二是在对岩石等相关材质的分析上广泛的采用了全新的扫描技术和分析处理技术，根据分析出的岩石的性质来选择与之相符的爆破方案；三是爆破的规模在不断的扩大，爆破的工艺也在不断的更新；四是在爆破的过程中更多的考虑到了环境保护，采用各种控制爆破技术，尽可能的降低岩石爆破对环境及生态造成的影响。五是在岩石爆破过程中开始普遍的应用计算机进行辅助爆破，或者进行计算机模拟爆破，特别是将计算机与GPS定位系统结合之后发展了数字钻爆系统。这些方面的特点都对我国岩石爆破技术的发展起到深远的影响。 1 岩石爆破理论 所谓的岩石爆破就是利用炸药在爆炸的过程中产生的能量来破碎岩石的方法。岩石爆破理论可以系统的分为两个部分来进行概述：一是岩体中的爆破应力波，岩土在炸药爆炸的过程中，岩体会收到冲击和扰动，而在岩体中传播的波，在波的影响下岩体的内在状态会随之发生变化，因此我们将在固定中传播的扰动波称之为应力波；二是岩石爆破破碎机理，爆破机理的研究是一个较为复杂的课题，由于岩石爆破是也在一个高压、高温、高速的三高环境下发生的，在现有的科技条件下是无法进行测试的，而岩石的状态又是不定的，目前也找不到一个合适的状态方程来对岩石的变化进行科学合理的描述，因此，对岩石爆破作用机理的研究还仅仅停留在定性的阶段，现在实际采用的都是多年积累的经验，并没有科学的根据。虽然这个两种不通的机理，但是在实际的爆破过程中这两者都发挥着作用，只是在不通岩石材质下两者发挥的作用程度不一样。 岩石得以破坏是因为在爆破的过程中产生的应力超过了岩石本身多能够承受的最大限度，岩石的破坏与爆炸时产生的能量大小和岩石的力学特性有着紧密的联系。也就是说，要想对岩石进行破坏，在假定装药的型号、形式及自由面相同的条件下，药包装药的多少只要是由岩石的力学特性决定的。在岩石爆破技术的研究过程中，岩石的力学特性与爆破破碎的关系一直都是研究的一个重点。在一定程度上岩石的力学特性决定了这次岩石爆破的难易程度，它主要表现在岩石
A爆破技术员应知应会的基本原理 一、岩石炸药单耗确定原理和方法 1岩石炸药单耗确定之经验法 2岩石炸药单耗确定之类比法 爆破各种岩石的单位炸药消耗量K值表
3、岩石炸药单耗确定之爆破漏斗试验法 最小抵抗线原理：药包爆炸时，爆破作用首先沿着阻力最小的地方，使岩（土）产生破坏，隆起鼓包或抛掷出去，这就是作为爆破理论基础的“最小抵抗线原理”。 药包在有限介质内爆破后，在临空一面的表面上会出现一个爆破坑，一部分炸碎的土石被抛至坑外，一部分仍落在坑底。由于爆破坑形状似漏斗，称为爆破漏斗。若在倾斜边界条件下，则会形成卧置的椭圆锥体如图2.6.14 当地面坡度等于零时，爆破漏斗成为倒置的圆锥体（图2.6.15）。mDl称为可见的爆破漏斗，其体积V mDl与爆破漏斗V mOl之比的百分数E0，称为平坦地形的抛掷率；r0（漏斗口半径）与W（最小抵抗线）的比值n称为平地爆破作用指数。 当r0=W时，n=1，称为标准抛掷爆破。在水平边界条件下，其抛掷率E=27%。标准抛掷漏斗的顶部夹角为直角。 当r0>W，则n>1，称为加强抛掷爆破。抛掷率>27%。
漏斗顶部夹角大于90°。 当r0 岩石爆破如何降低爆破大块率 济南黄河爆破工程有限责任公司 王永升 一、爆破时产生大块的原因分析 1、根据以往的爆破施工实践总结统计，爆破时前排炮孔和炮孔充填上部位置容易产生大块，主要原因是台段上部及前部受前次爆破的破坏，而产生较多裂隙，爆破时裂隙很容易松动、扩张，爆炸冲击波的能量会因此衰减过快。 2、采用清渣爆破，前排部分在爆炸时无阻碍物，一部分爆炸能量只用于前排大块的向前运动而未用于破碎做功，爆破后的大块因前方临空而无挤压和碰撞，所以容易出现大块。 3、因为露天深孔爆破的充填深度受爆破安全距离、噪音控制等因素制约，爆破时炮孔充填上端部位岩层由于炮孔装药重心偏低，所获得的爆炸能量不足也易出现大块。 4、如孔网面积或台段前部抵抗线等爆破参数选取不合理（偏大），造成炸药单耗过低,炮孔中间及台段前底部也会由于爆炸能量达不到要求而产生大块。 5、边坡、削顶爆破过程中，地质构造复杂，有断层、裂隙、节理及层理发育地段，爆破时断层、裂隙又起到消耗爆炸能量作用，爆炸应力波会被快速衰减，甚至阻断。另外，过厚的土质夹层也会减弱爆炸冲击波和爆生气体破碎岩石的能量，夹层中的岩石在还没来得及破碎的时候就会被推到爆堆中而形成孤石大块。所以，在这些特殊岩层位置爆破时，爆破效果不好，大块率偏大。 二、降低大块率的主要技术措施 为提高爆破效果降低大块率，我们采用了如下技术措施： 1、在爆破前，认真观测当次爆破区域，从岩层结构、倾角、破碎带构造是否存在裂隙等情况来选择合理的孔网参数、装药结构、炸药单耗及起爆顺序等，如遇地质复杂区域，还需查证地质勘探资料予以核实。 2、选取合理的炸药单耗，炸药单耗是控制爆破效果的重要参数之一，偏大会造成爆破散石抛撒范围扩大且易产生飞石安全系数低，并增加矿石开采成本，偏小便会产生大块，确定当次爆破单耗前，应从爆破成本、二次爆破量、铲装效率、运输及破碎系统具体要求来综合考虑，使矿山的生产成本降到最低；另外，炸药单耗应根据不同地质条件做相应改变，目前在岩层结构简单的采场中部区域单耗值确定在0.21kg/t，而边坡及破碎带夹层位置单耗取值有时高达0.25kg/t 以上。 3、采用大孔距、小抵抗线（小排距）布孔，合理调整了孔网参数。通过大量实验和生产应用，改变了过去短孔距、宽排距的传统设计，目前，深孔爆破已使用毫秒微差爆破技术，而多排微差爆破时的抵抗线与孔网间距的参数确定极为重要。从改善爆破质量方面考虑，抵抗线越小越好，但会减少单孔爆破面积，所以，在台段高度一定的情况下，根据当次确定的炸药单耗，爆破区域的体积（孔网面积）必须保持不变。因此，减少抵抗线（孔间排距）就必须增大孔间距。这样爆破效果就会随着孔网的密集系数的增大而得到相应提高。孔网密集系数计算公式如下：ｍ＝a/w（ｂ） 高等岩石力学作业 简述岩石构造与性质对爆破的影响 简述岩石构造与性质对爆破的影响 【摘要】本文主要阐述了岩石的裂隙性和岩石的坚固性对岩石爆破影响，并提出相关的分析。 1、岩石分类 岩石是一种或几种矿物组成的天然集合体[1~2]，其种类很多，但按其成因，可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。另外，第四纪以来，由于风化作用、流水作用、风的作用等各种地质作用的结果，形成了各种堆积物，这些堆积物尚未硬结成岩，一般统称为松散沉积物。 2、与爆破相关的岩石性质 岩石介质对爆破作用的抵抗能力与其性质有关，对三种不同性质的岩石而言，一般的说岩浆岩可爆性较差（对爆破作用的抵抗能力最强），沉积岩和变质岩的可爆性较好。岩石的基本性质从根本上说决定于其生成条件、矿物成分、结构构造状态和后期地质的营造作用。用来定量评价岩石的物理力学性质的参数有100多个，但与爆破有关的主要参数，一般来说有10个[3~4]，如：密度、堆积密度、孔隙率、岩石的波阻抗、岩石的风化程度、岩石的抗冻性、岩石的变形特征、岩石的强度特征、弹性模量、泊松比[5~8]。 （1）密度 密度指岩土的颗粒质量与所占体积之比。一般常见岩石的密度在1400~3000kg/3m之间。 （2）堆积密度 堆积密度指包括孔隙和水分在内的岩土总质量与总体积之比，也称单位体积岩石质量。密度与堆积密度相关，密度大的岩石其堆积密度也大。随着堆积密度的增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力也增强，破碎岩石和移动岩石所耗费的能量也增加。 （3）孔隙率 岩石的孔隙率n是指岩石中孔隙率体积与岩石的总体积之比，也称孔隙度。常见岩石的孔隙率一般在0.1%~30%之间。随着孔隙率的增加，岩石中冲击波和 第5章 岩石爆破基本原理 第1节 爆破破碎原理 炸药在岩体内爆炸瞬间释放出巨大的能量，使岩体产生不同程度的变形和破坏。为了达到低能耗、高效率破碎岩体的目的，并能有效地控制爆破产生的各种危害，就必须了解爆炸荷载作用下岩体的变形与破坏规律，分析爆破破碎原理，指导爆破设计与施工。只有这样，才能合理地确定爆破参数和有效地控制爆破作用。 由于炸药的爆炸反应是高温、高压和高速的瞬态过程，岩体性质和爆破条件复杂多变，加之爆破工作具有较大的危险性，因此给直接观测和研究岩体的爆破破坏过程造成了极大的困难。迄今为此，人们对岩体爆破作用过程仍然了解得不透彻，尚不能形成一套完整而系统的爆破理论。 尽管如此，随着长期实践经验的积累和现代科学技术的发展，借助先进的爆破测试技术以及模拟爆破试验，对爆破作用原理的研究取得了较大的进展，提出了多种岩体爆破机理的观点，在一定程度上反映了岩体的爆破破坏规律，具有一定的指导意义和实用价值。 一、爆破作用的基本原理 1． 爆破破坏作用的基本观点 爆破破坏作用的观点很多，大致可归纳为如下三种： （1） 爆轰气体破坏作用的观点。从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量的高温、高压气体。这种气体膨胀产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移。当药包埋深不大时，在最小抵抗线方向（即地表方向），岩 1 石移动的阻力最小，运动速度最高。由于存在不同速度的径向位移，在岩体中形成剪切应力，当这种剪切应力超过岩石的动态抗剪强度时就会引起岩石破裂。在爆轰气体膨胀推力作用下，自由面附近的岩石隆起、开裂，并沿径向方向推出，如图5—1。这种观点不考虑冲击波的破碎作用。 （2） 应力波破坏作用观点。从爆炸动力学的观点出发，认为药包爆炸产生强烈的冲击波，冲击、压缩周围的岩体，造成邻近药包的岩体局部压碎，之后冲击波衰减为压应力波继续向外传播。当压应力波传播到岩体界面（自由面）时，产生反射拉应力波，若此拉应力波超过岩石的动态抗拉强度时，从界面开始向爆源方向产生拉伸片裂破坏，如图5—2所示。这种观点不考虑爆轰气体的膨胀推力作用。 a）b） 图5—1 爆轰气体剪力破坏作用 a）剪应力作用；b）爆轰气体膨胀推力破坏 图5—2 反射拉应力波产生片裂破坏图 2 摘要为了研究岩石在动态负载下断裂和失效机制，使用AUTODYN代码建立一个带有中心圆孔圆柱形岩石模型。根据材料特性和载荷条件,线性、冲击、压缩和理想气体4种状态方程（EOS），适用于在该数值模型中的四种材料。修改后的主应力失效准则确定材料状态，良性炸药，PETN，相对均匀的岩浆岩，闪长岩，被用在这个岩石模型。点燃位于中央的炸药使其对周围岩石生产动态载荷。这个数值模式应用到实际的爆破条件。首先分析动态负载下的岩石破裂机制，然后讨论以下因素对岩石断裂的影响：（1）耦合介质，（2）约束，（3）边界条件，（4）炸药柱起始位置及（5）空气起伏。结果表明，所有这些因素对动态负载下的岩石破裂有显著的影响。 关键词动态断裂爆破数值模型应力波裂纹扩展 裂纹的萌生和扩展的重要性。Ma等人[12] 使用AUTODYN代码，模拟地下爆炸引起冲击波通过岩体中的传播。其数值结果与独立进行的实地测试获得的结果极其相近。为了验证钻孔击穿诱发的动态断裂机制，Cho和Kaneko[13] 建立数值模型分析不同的井眼压力动态断裂过程。通过使用电子设计竞赛代码，Chen 和Zhao[14]模拟节理岩体中爆炸波传播，Gong等人[15-16] 使用TBM滚刀研究缝间距和方位与岩石碎片的关系。 普遍认为,在岩石爆破中，应力波和爆炸气体的压力两种类型的载荷，操作周围的岩石[17-20]。应力波从引爆钻孔里炸药柱开始向外传播，它后面紧跟着一个持续时间较长的气体压力荷载[21-22]。两个负荷在岩石断裂和破碎发挥非常重要的作用。本文研究将集中在应力波加载过程，因为在我们对爆破破岩的理解中，应力波作用下岩石破裂是关键的一步。应力波载荷下破裂过程被认为是所有后续裂纹扩展的性质的关键阶段作，分支和合并将主要受应力波加载所产生的初始裂纹模式。这些理论在实际爆破岩石断裂和破碎的控制和预测具有非常重要的作用。 在这项研究中应用AUTODYN的数值代码[23-24]，它是通常用于解决各种各样的固体，液体和气体动力学非线性问题的有限差分法的代码。AUTODYN代码已经被Ma等[12]Zhu等人[25]成功地应用在研究岩石破裂中。在本文研究中，应用拉格朗日处理方法，对于空气耦合的情况，应用非常适合模拟的流体和气体流动问题的欧拉法处理。更多关于子网格交互，如拉格朗日-拉格朗日和拉格朗日-欧拉耦合之间的相互作用，可以在文献[23][24]中查找。AUTODYN代码中所采用的控制方程有质量守恒，动量守恒和能量守恒。 为了研究应力波加载作用下岩石动态断裂机制，Zhu等人[25] 通过使用AUTODYN代码开发了一个中间单一钻孔的圆形岩石的动态数值模型。在爆破过程中三种基本的断裂带，即破碎带、裂隙带和钻孔周围初期破裂区以及圆周剥落裂缝，已经被成功地模拟。并对爆破荷载作用下的断裂机制进行了分析，岩石断裂的影响因素进行了讨论。本文将继续以前研究，这里考虑的模型是一个圆柱形的岩石中含有一个单一的中央位置的线源的爆炸。根据载荷条件和材料特性，，线性，冲击，压缩和理想气体4种状态方程（EOS），施加到该数值模型中采用的四种材料。修改后的主应力失效准则确定物质状态，这是适合用来描述材料的拉伸失效或剪切失效。从位于中心的单一线源爆炸产生的动态荷载用数值表示。为了尽量减少炸药和岩石的各种变量和相关的不确定性，在这个模拟中用良性的炸药，PETN，和一个相对均匀的岩浆岩，闪长岩。介绍从爆炸开始随时间变化的岩石模型的材料状态和分析岩石破裂机制。最后，研究一些因素对岩石破裂的影响，并提出一些结论。在整个工作，拉伸应力为正，压缩应力为负。 2 一个圆柱形的岩石模型 在这项研究中，有一个圆柱形的岩石中含有一个单一的位于中心的线源的爆炸和耦合介质（参见图1）。筒状的岩石测量直径100毫米和长度130毫米。炸药的线源包含一个核心负载PETN炸药（1.1克/米，直径1.08毫米），由薄的聚乙烯护套包围，总直径为2.36毫米。耦合介质被填充在井眼壁与炸药之间的地方，它可以减少随后高压爆炸气体对裂缝进一步发展的影响。这是因为本文的目的是研究冲击或应力波诱发岩石开裂，而不是爆炸气体迫使岩石开裂。因为模型是二维轴对称的，筒状的岩石的轴向截面被选作二维计算模型。为了限制钻孔中所产生的的爆炸气体，填充材料被放置在钻孔的任一端或两端。未限制的状态表示爆气体的条件下在钻孔的开口端允许逃脱。在后者的应力波作用下岩石破裂情况，将所得的断裂模式的主要机理。岩石爆破如何降低爆破大块率
岩石构造与性质对爆破的影响
第五章 岩石爆破基本原理
圆柱形的岩石爆破损伤数值研究
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