某矿山爆破岩体破裂范围试验分析*

李　鸿，胡浩川，赵明生，陶铁军

(贵州新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002)



某矿山爆破岩体破裂范围试验分析*

李鸿，胡浩川，赵明生，陶铁军

(贵州新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002)

摘要:矿山爆破过程中岩体的破裂范围对边坡的稳定性有着重要的影响。以某矿山爆破施工为研究背景，通过现场声波试验对岩体的破裂范围进行了测定，并通过理论计算得出了现场边坡岩体爆破后的压碎圈、裂隙圈范围，计算了减小炮孔直径后爆破岩体的破裂圈范围。结果表明：现场测试岩体的爆破破裂范围为3.46 m，理论计算岩体裂隙圈平均范围为3.428 m，现场实验结果与理论计算误差为0.9%。炮孔直径由160 mm变为90 mm后裂隙圈范围缩小为1.928 m。通过减小炮孔的直径能有效控制矿山边坡岩体的破裂范围，为边坡的爆破控制防护措施提供理论支撑。

关键词:裂隙圈；声波测试；小孔径；边坡稳定性

众所周知，矿山装药爆破使岩石产生径向裂隙，其在岩体压碎圈的外层形成了裂隙圈[1,2]。根据经验，裂隙圈的范围一般为药包半径的8～150倍。

目前国内、外学者多采用理论分析、现场试验及数值模拟等技术对岩石爆破后的裂隙圈范围及其损伤分布规律进行研究。闫长斌、徐国元等对厂坝铅锌矿某巷道围岩在爆破动荷载作用下产生的累积损伤效应进行了现场试验研究，提出了爆破装药位置和药量对岩体损伤累积规律有一定的影响[3]。郭磊、程康利用声波测试仪对隧道围岩松动范围进行了检测，并对实测数据进行了整理分析，提出隧道爆破作业后的松动范围[4]。陈俊桦在现有岩石爆破损伤理论的基础上，通过现场爆破试验、爆破振动速度测试以及钻孔声波测试，验证爆破参数的合理性以及完善爆破参数设计[5]。谢瑞峰、曲国鹏将压碎圈和裂隙圈范围的确定简化为平面应变问题，推导出耦合装药和不耦合装药条件下深部岩石松动爆破的压碎圈和裂隙圈半径计算公式[6]。

以某露天矿爆破施工工程为背景，在爆破现场进行岩体声波测试。通过对测试数据进行分析，获得了现场岩体的爆破破裂范围。并结合理论计算对现场实验结果进行验证，通过减小炮孔直径优化矿山爆破参数，确定控制爆破区间范围，确保矿山永久边坡的稳定性。

1现场声波测试

1.1工程概况

贵州省某矿山为山坡露天矿，矿区内地势东高西低，海拔高度2100～2650 m，相对高差达到550 m。该露天矿岩石性质主要为灰岩及含燧石灰岩，岩体较为破碎，导致边坡稳定性较差。现场爆破参数为：台阶高度15 m，孔深16 m，超深1 m。孔径165 mm，孔距6 m，排距5 m，堵塞长度为4.5 m。现场采用膨化硝铵炸药，密度为1000 kg/m3，爆速为3200 m/s，单孔药量156 kg。

1.2测试方法

现场测试采用武汉岩海RS-ST01D跨孔声波检测仪。为保证测试孔能装满水减少声波在空气中的衰减，声波孔位于边坡岩体之上，与水平呈30°夹角。现场布3个测孔，呈一条水平直线分布，孔径为160 mm。孔距为1.25 m，声孔深为6 m，如图1所示。

在钻凿完测孔后，用竹竿检验声波孔，保证测孔壁内通畅，不影响发射器的顺利放入和提升。由于岩性较为破碎，现场利用矿山的洒水车对声波孔进行灌水，并通过薄壁塑料袋紧贴孔内壁减少孔内水分的流失，保证测试过程中让水与孔壁耦合。在测试前，将仪器开启，设置好测试参数，等待采集。首先将发射和接收的探头放置于孔底，调整发射、接受器在同一水平高度。测试时缓慢提升发射、接收探头，通过深度记数滑轮记录孔间岩石的声波纵波波速。现场测试如图2所示。

2岩体破裂圈范围结果分析

经现场采样进行室内岩石声波试验测试，测得完整岩块的纵波声波速度为4200 m/s。分别对AB、BC孔进行现场声波测试，得到岩体在0～6 m范围内的声波在两孔之间的传输时间，并推算出不同孔深的速度变化，将测试结果绘制成声波测试曲线如图3所示。

由测试结果可知：AB炮孔之间此处岩体的纵波速度从0 m到4 m时，波速一直在3770 m/s到4000 m/s范围内无规律变化，深度超过4 m后声波速度稳定在4150m/s；BC炮孔之间此处岩体的纵波速度从0 m到4 m时，波速从一直在3650 m/s到3950 m/s范围内无规律变化，深度超过4 m后声波速度稳定在4150 m/s。由上述数据分析可知，0～4 m范围内声波速度小于完整岩体的声波速度，超过4 m后岩体声波速度趋于稳定，略小于室内岩体声波速度，可确定0～4 m孔深区域为爆破引起的裂隙圈范围，即裂隙圈半径为4×cos 30°=3.46 m。

3爆破破裂范围理论计算

矿山装药爆破后,将在炮孔壁周围形成压碎圈和裂隙圈。根据式(1)～式(7),可计算得到压碎圈半径[7,8]

(1)

式中，σcd为岩石动态抗压强度，岩石的动态抗压强度随着加载应变率的提高而增大。对于常见的岩石，其动态抗压强度可近似表达为

(2)

式中：σc为岩石静态抗压强度；ε为加载应变率；其中r为矿山爆破的炮孔半径；A的值可由下式计算得到

(3)

式中：ρ、ρ0分别为岩石和炸药的密度；Cp、D分别为岩石纵波波速和炸药的爆速；其中，α为压碎圈内荷载传播衰减指数，可由下式计算得到

(4)

式中，μd为岩石动态泊松比。根据相关研究，可以近似认为岩石动态泊松比的计算公式为

(5)

式中，μ为岩石静态泊松比。

(6)

式中，b为侧向应力系数

(7)

此外，根据式(8)～式(11)可计算得到裂隙圈半径

(8)

式中，σtd为岩石动态抗拉强度，由于岩石的动态抗拉强度随加载应变率的变化很小，因此在矿山爆破中可以简化为

(9)

式中，σt为岩石静态抗拉强度；β为压碎圈外荷载传播衰减指数，可由下式计算得到

(10)

式中，σR为压碎圈与裂隙圈在分界面上的径向应力

(11)

式中，σcd和B取值同前式计算一致。

现场采用岩石膨化硝铵炸药进行爆破，取炸药密度ρ0=1000 kg/m3，爆速D=3200m/s；岩石的密度ρ=2936 kg/m3。岩石泊松比μ=0.24，岩石静态抗压强度σc=150 MP，岩石静态抗拉强度σt=24MP，加载应变率ε取103，炮孔半径r=0.08 m。在爆破前通过打垂直孔测量其岩体纵波波速，得到AB孔岩体平均波速为4092 m/s；BC孔的平均波速为3980 m/s。

将实测爆破参数及岩体条件参数代入上述式子，可得AB岩体压碎圈R1=0.358 m，裂隙圈R2=3.247m；BC岩体压碎圈R1=0.31 m，裂隙圈R2=3.609 m。平均爆破裂隙圈范围为3.428 m。

4小孔径爆破参数优化

为保证矿山永久保留边坡的稳定性，在保留边坡边界线附近均采用90 mm孔径的炮孔进行爆破作业，为确定爆破损伤范围，采用理论计算的方式对现场掩体爆破裂隙圈范围进行计算。爆破参数与上述计算参数一致，将炮孔半径r=0.045 m，平均波速Cp=4050 m/s带入式(1)～式(11)，计算可得，在小孔径炮孔爆破工况下，爆破作用所产生的裂隙圈范围为1.928 m。

因此，在距离边坡永久边界1.928～3.428 m范围内，采用90 mm孔径进行爆破作业不会对矿山永久边坡产生破裂损伤，在1.928 m范围内应采用光面爆破的形式进行边坡修整。

5结论

对爆破现场声波测试进行数据分析处理，获得了现场岩体的爆破破裂范围，并结合理论计算得到了以下结论：

(1)现场声波测试获得的岩体裂隙圈平均范围为3.46 m，理论计算的岩体裂隙圈平均范围为3.428 m，理论计算与现场实验结果误差为0.9%。

(2)采用90 mm小孔径进行爆破作业能减小爆破裂隙圈范围，能够有效控制爆破作业对边坡岩体的损伤。

(3)在距离边坡永久边界1.928～3.428 m范围内，采用90 mm孔径进行爆破作业，超过3.428 m范围内可使用160孔径进行爆破作业，小于1.928 m时应采用光面爆破等控制作业确保边坡的稳定性。

参考文献(References)

[1]石小兵,庞维强,蔚红建.钝感推进剂研究进展和发展趋势[J].化学推进剂和高分子材料,2007,5(2):24-32.

[1]SHI Xiao-bing,PANG Wei-qiang,WEI Hong-jian.Research progress and development trends of insensitive propellant[J].Chemical Propellants & Polymeric Materials,2007,5(2):24-32.(in Chinese)

[2]SUNDAR C S,BHARATHI A,HARIHARAN Y,et al.Thermal decomposition of C60[J].Solid State Communications,1992,88(10):823-826.

[3]闫长斌,徐国元,杨飞.爆破动荷载作用下围岩累积损伤效应声波测试研究[J].岩土工程学报,2007,29(1):88-93.

[3]YAN Chang-bin,XU Guo-yuan,YANG Fei.Measurement of sound waves to study cumulative damage effect on surrounding rock under blasting load[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(1):88-93.(in Chinese)

[4]郭磊,程康,陈俊强.小净距隧道围岩松动范围的测试与分析[J].山西建筑,2016,42(11)：183-184.

[4]GUO Lei,CHENG Kang,CHEN Jun-qiang.The test and analysis on small clear distance tunnel surrounding rock looseness range[J].Shanxi Architecture,2016,42(11)：183-184.(in Chinese)

[5]陈俊桦,李新平,张家生.基于爆破损伤的岩台保护层开挖爆破参数研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(1):98-108.

[5]CHEN Jun-hua,LI Xin-ping,ZHANG Jia-sheng.Study on blasting parameters of protective layer excavation of rock bench based on blasting-induced damage[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(1):98-108.(in Chinese)

[6]谢瑞峰,曲国鹏,雎文静.深部岩石掘进爆破压碎圈与裂隙圈研究[J].煤矿开采,2014,9(3):20-22.

[6]XIE Rui-feng，QU Guo-peng，SUI Wen-jing.Blasting crushing circle and fracture circle of driving roadway in deep rock[J].Coal Mining Technology,2014,9(3):20-22.(in Chinese)

[7]单仁亮.岩石冲击破坏力学模型极其随机性研究[D].北京:中国矿业大学(北京校区),1997.

[7]SHAN Ren-liang.Study on the random nature of rock impact damage mechanics model[D].Beijing:China University of Mining and Technology (Beijing Campus),1997.(in Chinese)

[8]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):144-147.

[8]DAI Jun.Calculation of the radii of the broken and cracked areas in rock by a long charge explosion[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2001,20(2):144-147.(in Chinese)

Experimental Analysis of Rock Mass Rupture Range by Mine Production Blasting

LIHong,HUHao-chuan,ZHAOMing-sheng,TAOTie-jun

(Guizhou Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd,Guiyang 550002,China)

Abstract:The rupture range of rock mass has an important influence on the stability of slope in the process of mine blasting.With the blasting construction of a mine as a research example,the rupture range of the rock mass is determined by the field acoustic wave test and the theoretical calculation.The scopes of the crushed ring and the crack ring were obtained after the blasting of the slope rock mass,and the range of the rupture circle with smaller diameter hole is also calculated.Results shows that the rupture range of rock mass by field test is 3.46 m and the average rupture range by the theoretical calculation is 3.428 m,where the error is no more than 0.9%.The rupture range gets reduced to be 1.928 m with the hole diameter changing from 160 mm to 90 mm.By reducing the hole diameter,the rupture range of rock slope could be effectively controlled,which provides theoretical support for the blasting safety control in slope stability.

Key words:fracture areas; sonic wave testing; small-bore; slope stability

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.009

收稿日期:2016-01-19

作者简介:李鸿(1976-)，男，本科、高级工程师，从事爆破工程及管理技术研究，(E-mail)602574716@qq.com。 通讯作者:胡浩川(1972-)男，本科、高级工程师，从事爆破工程及管理技术研究，(E-mail)377413454@qq.com。

基金项目:贵州省优秀青年科技人才培养项目：黔科合高G字[2015]4004；贵州省工业和信息化发展专项基金计划(2015030)

中图分类号:TD235.4+6

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0045-04