深部岩石掘进爆破压碎圈与裂隙圈研究

谢瑞峰，曲国鹏，雎文静

(1.扬州工业职业技术学院建筑工程学院，江苏扬州225127;2.江苏建筑职业技术学院建筑工程技术学院，江苏徐州221116)

随着采矿深度的增加，深部岩石中地应力也逐渐加大，岩石处于高应力状态［1－2］。深部岩石巷道开挖的时候经常会遇到掘进难度较大，效果较差的问题。而在巷道掘进中通常采用的爆破参数设计都没有考虑到地应力影响。研究表明［3－4］，深部的岩石的掘进爆破是高地应力和爆炸冲击荷载共同作用，地应力的存在影响了冲击荷载对岩石的爆破作用。在近爆腔处，由于岩石的高地应力在爆炸冲击波到达前后对岩石的破坏影响很小，可以近似于无地应力的场。而在远离爆腔处，地应力在岩石中引起的拉、压应力要比应力波引起的相应应力值大，地应力对岩石的破坏起到主要作用，地应力对爆炸裂缝长度的影响很大［5］。

戴俊［6］等考虑了岩石的三向应力状态，推导出岩石爆破中的压碎圈和裂隙圈的半径计算公式，田立、宗琦［7］、胡兵，徐颖［8］等对深部巷道硬岩爆炸成缝机理以及裂纹扩展进行了研究。在此基础上，本文充分考虑了高地应力的影响，同时推导得出压碎圈与裂隙圈的计算公式，对高应力岩石中巷道掘进的爆破参数设计有一定的参考价值。

1 柱状药包产生的爆炸荷载

岩石中的柱状药包爆炸后产生的冲击波在岩石中不断向外传播而衰减，岩石中任一点引起的径向应力和切向应力为:

式中，σr，σθ分别为岩石中的径向应力和切向应力，MPa;ρ是透射入岩石中的冲击波初始压力，r－为比距离，r为计算点到装药中心的距离，m;b为侧向应力系数;α为载荷衰减指数。

相关研究表明［9］，在深部巷道掘进爆破中，由于巷道端面发生了位移，原岩中的压缩变形势能在一定程度上释放，掘进方向地应力在断面处为0，但随着距离的增加掘进方向地应力逐渐增加，在一定的距离处达到原岩应力。因此，本文认为在推导裂隙圈长度时需考虑掘进方向应力σz的影响，将岩石爆破中压碎圈和裂隙圈范围的确定问题简化为平面应变问题较好，并采取如下的假设:

(1)在应用Mises公式时不考虑构造运动引起的应力和重力引起的剪切应力影响。

(2)由于实际的裂隙圈长度比较小，在炮孔周围可以认为σV(竖直方向地应力)不发生变化。

如图1所示，根据转轴公式可以得出σV，σH(水平方向地应力)在σr，σθ方向上引起的应力。

图1 岩体单元应力

在炮孔径向引起的应力σ'r:

在炮孔切向引起的应力σ'θ:

取σH=A1σV，A1为比值参数，A1的取值为A1≥1

将地应力与冲击波引起的应力叠加后可以得到:

由平面应变公式推得:

式中，v为岩石的动泊松比，在工程爆破的加载范围内，一般取静态泊松比的0.8倍。

2 爆炸荷载作用下岩石的破坏准则

外载荷作用下材料的破坏准则取决于材料的性质和实际的受力状况。在深部岩石抗拉强度明显低于抗压强度。在炸药爆炸过程中，岩石呈拉压混合的三向应力状态，研究表明岩石爆破中的压碎区是岩石受压缩所致，而裂隙区则是受拉破坏的结果。因此，根据Mises原则岩石中任一点的应力强度:

如果σt满足式 (11)，则岩石将会发生破坏。

式中，σ0是岩石在单轴受力条件下发生破坏的极限强度，MPa;σcd，σtd分别为岩石的单轴动态抗压强度和抗拉强度，MPa。

3 压碎圈和裂隙圈计算

在深部岩石松动爆破中，通常采用的炮孔为中深孔，该情况下炸药爆炸后将在岩石的炮孔周围形成压碎圈。

在r一定时，将式 (8)用拉格朗日方法求极限可得:

将上述的结果代入式 (8)，为简化最后计算结果，在计算中引入过程参数:B1，B2，B3，C1，C2，C3，D1，D2，可以得出:

对于一定深度的岩石，B1，B2，B3均为常数。

不耦合装药条件下，当不耦合系数比较小时可以推导出相应的压碎圈半径为:

P'即上述的不耦合岩石中透射压力。

裂隙圈在压碎圈的外面，二者之间的界限为:

式中，σR为岩石压碎圈与裂隙圈分界面上的径向应力，MPa。在压碎圈以外爆炸荷载以应力波的形式向外传播，衰减指数β为:

通过式 (20)可以推导出柱状耦合装药条件下裂隙圈半径:

将式(22)代入式(15)得出:

利用式 (19)可以得出不耦合装药条件下裂隙圈半径的表达式:

4 现场试验和理论推导

为了进一步对深部岩石松动爆破进行研究，在某煤矿的部分矿井巷道围岩中进行了测试。该试验的深部岩体物理力学参数如表1所示。炸药采用二级煤矿许用水胶炸药，直径35mm，密度1.25g/ m3，爆速3400m/s左右，炮孔直径42mm。

表1 岩石物理力学性质

岩石松动爆破后的状况以及采集到的压碎圈半径、裂隙圈半径数据如图2、表2所示 (为便于对比，图3用软件画出素描图)。将岩石和炸药的相关参数代入上述推导的公式得到的压碎圈半径、裂隙圈半径如表2所示。通过对比分析，可以得出:

图2 爆破后实拍

表2 不同炮孔爆破后实测与计算对比

(1)深部高地应力岩石松动爆破后岩石中主要裂隙发展方向偏于向上，在与水平成40°～90°方向上最多，而且裂隙长度较大。与上述理论推导的结论能较好地吻合。

(2)深部高地应力岩石中受到岩石的夹制作用较大，岩石的压碎圈和裂隙圈的半径相对与浅部岩石较小。理论推导的结果都比实测的结果大一点，但是误差不大。理论推导的结果可以为深部岩石掘进爆破参数设计提供帮助。

图3 爆破后素描

5 结论

(1)深部的岩石的掘进爆破处于高地应力和爆炸冲击荷载共同作用，地应力的存在影响了冲击荷载对岩石的爆破作用。岩石的压碎圈半径、裂隙圈半径的计算式充分考虑了高地应力以及岩石的三向应力状态。

(2)根据不同装药条件，深部岩石掘进爆破中压碎圈半径、裂隙圈半径可分别由式 (15)，(19)，(22)，(29)计算;该计算式对于深部高应力岩石掘进的爆破参数设计有一定的参考价值。

［1］何满朝，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究［J］.岩石力学与工程学研究，2005，24(16).

［2］宋广东，刘统玉，王 昌.基于采动应力监测的深部动力灾害预测技术［J］.中国矿业，2012，21(S1):520－522.

［3］刘 艳，许金余.地应力场下岩体爆体的数值模拟［J］.岩土力学，2007，28(11):2485－2488.

［4］白 羽，朱万成，魏晨慧，等.不同地应力条件下双孔爆破的数值模拟［J］.岩土力学，2013，34(S1):466－471.

［5］王德荣，李 杰，范 新.地下强爆炸岩石破坏动力效应分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(S1):4166－4172.

［6］戴 俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算［J］.辽宁工程技术大学学报 (自然科学版)，2001，20(2).

［7］田 立，汪海波，宗 琦.松动爆破处理综掘巷道硬岩的研究［J］.煤矿爆破，2013，31(1):24－26.

［8］胡 兵，徐 颖.深孔松动爆破技术的理论分析与过断层中的应用研究［D］.淮南:安徽理工大学，2012.

［9］徐 颖，宗 琦.地下工程爆破理论及应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001.