爆破技术

随着科学技术的不断进步,岩石爆破理论也 日趋成熟。岩石爆破技术在水电、矿山、交通等各 个领域内获得了广泛应用,并且带来了巨大的经 济效益和社会效益。尤其是在葛洲坝、三峡工程 等巨型国家建设项目施工过程中,高质量爆破将 会有效地保护坝体周围岩体的安全稳定,因此,这 门学科的研究具有重要的现实意义。本文就岩石 爆破理论中的模型和数值计算、爆破技术等方面 的现状进行分析,并且就其研究发展趋势进行了 展望。 1 岩石爆破理论 岩石爆破理论是用来说明爆破时的破岩机理, 并指导岩石爆破工程进行合理设计和施工的一门 学科。爆破理论作为一门特殊的力学学科,是随着 炸药、起爆器材的发明和应用、爆破量测技术的进 步以及相邻学科发展而发展的[1 ] 。爆破理论的研 究也经历了萌生阶段和形成与发展阶段。 1. 1 爆破理论的萌生阶段 爆破理论的萌生阶段或早期发展阶段比较有 代表性的假说有:炸药量与岩石破碎体积成比例 假说;C. W. 利文斯顿爆破漏斗假说;流体力学假 说等。 (1) 炸药量与岩石破碎体积成比例假说 该理论首先给出了集中药包标准抛掷漏斗的 装药量计算公式: Q = q·W3 (1) 式中: Q 为标准抛掷爆破的装药量, kg ; q 为 破碎单位体积岩石的炸药消耗量,kg/ m3 ; W 为最 小抵抗线,m。 当装药深度不变,改变装药量的大小,破碎半 径及破碎顶角的数值也要变化。因此,根据几何相 似原理得出非标准抛掷漏斗的装药量计算公式: Q = f ( n) ·q·W3式中, n 为爆破作用指数。 关于f ( n) 的具体计算有许多经验公式, 应 用较多的是[2 ] : f ( n) = 0. 4 + 0. 6 n3 (3) 该假说只是通过装药量与岩石破碎体积成比 例的关系,来计算爆破时的参数(装药量) ,对爆破 作用的各种物理现象以及岩石是受到何种作用力 而破坏的爆破过程并未作实质性的说明。在计算 中没有考虑岩石的物理力学性质, 但是由于计算 公式比较简单,并且具有实践经验意义,所以该式 仍是工程爆破时计算装药量的基本公式。 (2) C. W . 利文斯顿爆破漏斗假说 C. W . 利文斯顿爆破漏斗假说是建立在大量 的爆破漏斗试验和能量平衡准则基础上形成的。 在不同的岩性、不同炸药量、不同埋深条件下进行 的大量试验表明:炸药在岩体爆炸时,传递给岩石 的能量取决于岩石性质、炸药性质、药包重量和药 包埋深等因素。当岩石性质一定时,爆破能量的 多少取决于炸药重量和埋藏深度。在地下深处埋 藏的药包, 爆炸后其能量几乎全部被岩石吸收。 当岩石吸收的能量达到饱和状态时, 岩石表面开 始产生位移、隆起, 破坏以及抛掷[3 ] 。在此基础 上, C. W . 利文斯顿建立了爆破漏斗的最佳药量 和最佳埋深公式: L j = Δ0 E( Q0) 1/ 3 (4) 式中: L j为最佳埋深,m; E 为弹性变形系数; Q0为最佳药包重量, kg;Δ0为最佳深度比。 C. W . 利文斯顿爆破假说属于实用爆破学范 畴,其广泛应用于露天和地下开采中,但该假说仅 对爆破结果进行了定量的描述而没有涉及岩石的 爆破机理。 (3) 流动力学假说 流体动力学假说是假设在坚硬介质中, 爆破 作用具有瞬时性以及爆炸介质具有不可压缩性, 把介质视为理想流体。因此,爆炸作用可视为爆 炸气体以动能形式将爆炸能量瞬间传给介质。经 过假设以后认为:炸药爆炸在岩石介质中产生的 速度势分布与电解液电位分布都遵守着相同的数 学规律—拉普拉斯方程: 92φ 9x2 + 92φ 9y2 + 92φ 9z 2 = C (5) 求解的结果可获得反映爆炸能量分布规律以 及应力分布特性的势速的分布特点及其大小,通 过水电动态相似模拟法可以方便地求出岩石破碎 块分布[1 ] 。 综上所述:三种具有代表性的早期爆破理各 有不同,但其共同点是均未涉及爆破过程的物理 实质,仅仅是一些经验计算公式而已。 1. 2 爆破理论的形成及发展 (1) 爆破理论基本框架 爆破理论基本框架是在冲击波拉伸破坏理论 和爆炸气体膨胀压破坏理论的基础上提出来的, 是一种关于冲击波和爆生气体综合作用的理论。 目前在对岩石爆破机研究中,关于爆炸冲击波和 爆生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生气体膨胀压力作用。 另一种观点则认为爆破过程中哪种载荷起主要作 用要取决于岩石的波阻抗,即高波阻抗岩石应力 波起主要作用,低波阻抗岩石爆生气体起次要作 用。对于均质岩体以应力波作用为主,而对于整 体性不好,节理裂隙发育的岩体,以爆生气体作用 为主[4 ] 。从爆破的实际作用来讲,该理论是符合 爆破岩过程的。但到目前为止该理论尚未建立起 系统和完善的计算方法。 (2) 长期以来,岩石爆破的力学模型研究一直 是岩石动力学和岩石爆破界研究领域的一个热点 课题。岩石爆破力学模型的发展经历了:弹性理 论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段。 ①弹性理论阶段 弹性理论阶段的研究工作开始于上个世纪 60 年代,具有代表性的Harries 模型和Favreau 模 型。Harries 模型是建立在弹性应变波基础上的 高度简化的准静态模型,该模型认为作用于孔壁 的爆生气体压力的切向拉应变是形成裂缝的主要 原因, 并以应变值大小决定径向裂纹个数, 用 Monte Carlo 法确定爆破裂缝分割的破碎块度。 Favreau 模型是建立在爆破应力波理论基础上的 三维弹性模型。该模型充分考虑了压缩应力波及 其在各个自由面的反射拉伸波和爆生气体膨胀压 力的联合作用效果,最终以岩石动态抗拉强度作 为破坏判据。该模型具有模拟炸药参数、空网参 数及岩石炸药匹配关系等爆破因素的综合能力, 并可预报爆破块度[4 ] 。1983 年我国马鞍山矿山 研究院推出的BMMC[5 ]露天矿台阶爆破三维数 学力学模型,该模型利用单位表面能理论作为破 坏判据,成为我国第一个完整的可以用于爆破数 第1 期 赵同彬等:岩石爆破理论与工程综述及其展望 1 09 值计算的模型。 ②断裂理论阶段 随着断裂力学的发展,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。在这方 面有代表性的爆破模型主要有BCM 模型[6 ] 和 NAG- FRAG 模型[4 ] 。NAG - FRAG 模型以应 力波使岩石中原有裂纹激活而形成裂缝,同时也 考虑了爆生气体压力引起的裂缝进一步扩展。该 模型认为爆炸作用下岩石破坏范围及破坏程度取 决于受应力波作用激活的裂纹数量和裂纹的扩展 速度。但用一维载荷作用下的裂缝发展情况来解 决三维应力场作用下的爆破过程显得过于简单。 BCM 模型也称层状裂缝岩石爆破模型,该模型是 在Criffth 裂纹传播理论基础上建立的,但预测得 到的爆破漏斗轮廓与实际出入较大。 ③损伤理论阶段 岩石爆破损伤模型因其考虑了岩石内部客观 存在的微裂纹及其在爆炸载荷作用下的损伤演化 对岩石断裂和破碎的影响,比以往的岩石爆破模 型更能反映岩石爆破破碎过程的真实特征[7 ] 。 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。TCK 模型是损 伤阶段研究的代表,该模型认为岩石的抗压强度 远高于其抗拉强度,所以岩石动载破坏本构模型 可分为两部分:当岩石处于体积压缩状态时,属于 弹塑性材料;而处于体积拉伸状态时发生脆性断 裂,且断裂裂纹形态与应变率有关。该模型在模 拟岩石性质方面更加合理且接近实际[4 ] 。目前 损伤力学在岩石爆破机理研究中的应用已成为岩 石爆破模型发展的一个主要方向。 (3) 爆破数值计算研究 随着爆破技术的发展,计算机模拟爆破作为 爆破领域的新技术、新方法也愈来愈引起人们的 重视。近十年来,计算机模拟爆破研究已取得很 大成绩。一些卓有成效的爆破模型已经建立,正 在工程中发挥着重要的作用。许多流体弹塑性计 算程序(有限元程序和有限差分程序等) 先后在爆 炸过程数值模拟中获得成功,如SHAL E 程序被 用于层状岩石(BCM) 爆破过程模拟,DYNA2D 和 PRONTO 被用于岩石损伤爆破计算模拟[4 ] ,目前 在美国、澳大利亚、西班牙等国家学者和研究中频 频出现爆破数值模拟的新成果。 爆破过程计算机模拟专用程序有: (1) 50 年 代末,美国加利福尼亚大学劳伦斯辐射实验室开 发的SOC 代码和TENSOR 代码。(2) 70 年代美 国桑迪亚实验室提出了一维和二维应力波传播的 计算机程序WONDY和TOODY。(3) 80 年代美 国洛斯- 阿拉莫斯实验室发展了二维和三维应力 波传播的计算机程序2DSHAL E 和3DSHAL E。 (4) 1987 年美国桑迪亚实验室又开发了CAROM 计算机程序,可以预测岩石的运动规律和爆破的 最终形态。(5) 1993 年桑迪亚实验室又与ICI 公 司共同开发了煤矿台阶爆破,包括抛掷爆破的计 算机模拟程序DMC。在国内影响最大的是DY2 NA 程序系列。它最初是1976 年由美国J . Q. Hallquist 主持开发的,经历了许多版本至今已比 较完善。DYNA 程序系列国内较熟悉的是DY2 NA2D 和DYNA3D[8 ] 。它采用四、六、八节单元 进行离散化处理对称和平面应变问题和三维计 算。目前,国内相应的软件技术仍然相对比较落 后。 (4) 现代爆破理论研究的新进展 现代爆破理论的新发展阶段起始于20 世纪 80 年代,随着岩体结构力学、岩石动力学和计算 机模拟技术的发展,使爆破理论的研究更加实用 化、系统化,逐步由经验总结向科学理论发展。 现代爆破理论的新进展主要包括以下内容: (1) 节理裂隙岩体爆破理论的深入研究和岩体结 构面对岩石爆破的影响和控制; (2) 岩石动载特征 及其对爆破效果的影响; (3) 计算机模拟和再现爆 破过程用于研究裂纹的产生、扩展,预测爆破块度 的组成和爆堆形态,以及供计算机模拟的爆破模 型不断涌现; (4) 一些新思想、新的研究方法开始 进入爆破理论的研究领域。例如在工程爆破中引 入概率和数理统计、模糊数学、灰色系统、分形几 何理论等不确定性理论[1 ] 。 2 岩石爆破技术 2. 1 光面爆破技术 光面爆破是上世纪50 年代初期发展起来的 工程爆破技术,由瑞典人最初用于隧道的开挖,我 国则开始于60 年代。实践表明,光面爆破具有减 少巷道超欠挖、有利于保护围岩、降低爆破与支护 材料消耗、加快巷道施工速度、提高施工效率等优 点[9 ] 。因此,我国在煤炭、冶金、水电、隧道等行 业中相继推广应用,并取得了良好的效果。 光面爆破法要求在爆破设计和施工时,沿岩 石开挖轮廓线布置间距较小的周边眼,视现场情 11 0 山东科技大学学报( 自然科学版) 第22 卷 况控制光面层的最小抵抗线;周边眼使用光爆药 卷和不偶合装药结构,严格按设计线装药密度装 药,采用电或非电毫秒雷管多段起爆系统,通常是 在主体岩石爆破后用同段毫秒雷管最后爆周边 眼[10 ] 。实践表明,采用该方法可使开挖岩体断面