岩石动力学在工程爆破中的研究现状与展望

2020-12-09李铭松边贞伊

世界有色金属 2020年6期

代豪，田锐，李铭松，边贞伊

（辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山 114051）

目前，岩石动力学领域的专家学者主要针对岩石动态力学性质以及本构关系、应力波传播与衰减规律、岩石的声学特征、爆破效果与破岩机理、数值分析与数值计算、岩爆与冲击地压机理、岩石动力学在工程中的应用等方面开展了大量的工作和研究[1]。

以王武林等[2]为例，采用拉格朗日的多个基准点进行测定以及相关的分析方法，对大理岩在室内进行球面波爆炸实验所得到的结果进行了数值方面的计算，得到大理岩材料在弹塑性区域内的本构关系。王占江、李孝兰等[3]通过一系列实验，并将化爆实验作用于花岗石上，由此得出并证明了自由场应力波的传播方式，与此同时与核爆炸实验相比较得出结论。

王明洋、钱七虎等[4]将实际的地质特征和岩体裂隙中应力波传播理论相结合，提出了基于破坏带和节理破坏带的几何关系来计算Q值的方法并研究出了递减的规律。王靖涛[5]提出了切削脉冲负荷法的新型理论概念，并利用钻头边缘张力波弯曲理论说明了一些裂缝的发生机制，指出了钻头侧裂纹的数量是由脉冲载荷的增加时间来界定的，推翻了其他学者提出的加载概率。

1 岩石动力学理论发展

1.1 岩石动态力学性质与本构关系研究

对在地震运动作用下岩石结构破坏的各种动力荷载是如何作用的进行分析研究，对建筑物的岩石结构性损伤进行估测，岩石结构的爆炸损伤估计，并对这些结构进行合理设计的需求，要求我们在做动力学研究的时候需要全面了解其力学性质及本构关系。

特别是在爆炸荷载的影响下，岩体的动态力学性质和组成条件会发生怎样的变化以及会呈现出怎样的规律，了解这些变化和规律对于确定这些结构如何设计是非常重要的。王礼立等[6]基于使用的传统拉格朗日分析方法来对于速度型材料的动态力学性能进行研究，对Fowles等提出的传统的Larlgrangian分析方法，在理论分析和基于速率的数值模拟本构模型之间执行检验分析并建立拉氏分析和ZWT定量分析的传统拉朗日分析方法。钱七虎、戚承志等[7]从理论上研究了岩石强度对拉伸速度的依赖性及其机理，即莫尔库伦标准，并考虑了强度对拉伸速度的依赖性、废料尺寸与岩体拉伸速度之间的关系。讨论了几个关于时间的误差标准，阐明了它们之间的内在关系，最后在几个地方解释讨论了动态强度理论的应用。

1.2 应力波传播与衰减规律研究

对应力波在岩石介质中的传播和阻尼定律的研究认为，爆炸波对地下工程和建筑物的损害很小，减少了爆炸波对地下工程和建筑物的破坏。

因此，研究应力波在岩土介质中的传播和衰减对国防建设方面和经济发展方面的意义是十分巨大的。王占江等[8]在花岗岩上进行了1kg～150kg TNT系列连续爆炸的模拟试验。

与核爆炸试验所得出的结论相对比的话，化学爆炸试验中的电压波下降得更快。

原因是一个小的爆炸性定量爆炸将应力波传播到整个岩石上，有人指出，这种情况下大量破裂的张波展开对岩体状况更为敏感,从粒子速度的实测值转换出的应力比直接实测值能更好地反映岩体的张波展开状态。

1.3 岩石声学特征研究

通过使用声学方法在研究岩石的物理和力学特性方面的应用是声学与岩石力学之间重叠所得到的结论。席道瑛、蔡忠理[9]对于岩石在单轴压缩下岩石的声学性质以及波速与应力在单轴压缩下的关系进行了细致的研究。

1.4 爆破效应与破岩机理研究

王明洋等[4]在研究爆破和采石的影响时是基于有关辐射会对岩石破裂造成影响的研究领域中作出的，调查岩体中的爆炸和冲击破坏，以及岩体中爆炸和冲击所导致的变形和破坏的实际过程，是在微观的物理和中观物理原理基础上来建立统一的并与逐步发展的物理原理相结合。

1.5 数值分析与数值计算

动态有限元方法在中国的发展研究于1970年初开始，其应用背景是基于核爆炸和化学爆炸的技术效果。卢文波、旭浩等[10]在研究过程中利用了大型有限元计算软件LSDYNA，对柱状装药的爆破过程进行了数值的模拟实验，将数值模拟实验的结果与利用Starfield叠加法得到的柱状装药爆破漏斗参数的理论解进行对比，根据研究结果发现了：逆向起爆的破坏效果是最好的，正向起爆的破坏效果是最差的。近十年来数值计算和数值模拟都经历了前所未有的发展。

1.6 岩爆与冲击地压机理研究

潘一山[11]在根据对中国岩爆分布和冲击地压布局研究的基础上，将岩爆分为了几个基本类型，例如煤体压缩型、顶板破裂型和断层错动型三个基本形式，分别对其发生的状态和条件进行研究，提出预防和控制冲击地压的措施。注水、减压辐射、机械振动会改变碳素体的性质，导致岩石破裂，从而改变煤层的特性。

通过消除自由层、高压水喷流钻孔和自由煤柱衰减，修复措施可以防止压缩型崩塌，设置碳柱改变顶板运动规则，防止顶板型岩爆，限制误差运动，防止了错误的锁定爆裂和其他目标控制措施。

除此之外还有不少研究工作者是将岩石破碎和在我国容易发生岩爆的矿山结合在一起，得出了系统且富有成果的研究。

1.7 岩石动力学在工程中的应用

岩石动力学最为核心的研究主题也就是安全防护和地震方面技术的研究。随着经济结构和经济力量的快速发展，岩石力学研究的成果在许多方面都会用到，比如岩土工程的基础技术。

目前我国在有关岩土工程中高层，大型，深层和复杂结构工程建设的不间断的增加，岩土工程的研究成果越来越多，中国深层的复杂的岩土项目正在出现新的研究成果。黄润秋等[12]在研究汶川地震引起的山坡坍塌的机理，在实地调查过程中表明，导致山体滑坡，松散的原因，除了地震外，还有一个十分主要的原因是岩体具有强大的动力学特性，也就是由于强大的动力特性，岩体上部岩石会发生高速抛掷，从而导致山体出现滑动。

他们站在动力学的角度提出了岩体的发育过程及其稳定性的控制原理。