高地应力岩石双孔爆破损伤演化研究

王海亮，高 尚，张海义

(1.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590；2.陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿，陕西 韩城 715400)

高地应力、高地温、高岩溶水压的复杂地质环境，使得深部岩体与浅部岩体的力学特性、动力响应和破岩机理等存在差异[1-3]。国内外学者在实验室试验、现场试验、理论模型、数值模拟研究等方面对地应力下岩石的爆破损伤演化机制进行了深入研究，王汉军等[4]发现深部高应力岩体的爆破应力场分布并不均匀，相邻炮孔间岩石以挤压或压剪破坏为主；OZGUR Y等[5]研究发现主应力的方向和大小影响裂隙区的扩展方向和范围；XIE等[6]建立掏槽爆破模型，发现地应力的抵抗效应和损伤各向异性是造成深部岩体掏槽爆破开挖困难的主要原因；江成等[7-8]采用DDA方法模拟岩石爆破，发现静水地应力的变化对应力波的破岩作用影响更大，而侧压力系数的变化对爆生气体的破岩作用影响更大；DING等[9]对PMMA试件施加应力模拟深部岩体中的高地应力，研究表明沿地应力方向的裂隙的分形维数和介质破坏程度更大。

这些研究工作在一定程度上推动了地应力作用下爆破理论的研究进程，但侧重于岩石单孔爆破损伤研究，多为无地应力或者地应力水平很低的浅部岩体，对于高地应力作用下的多孔爆破研究较少。本文以岩石爆破损伤为主线，考虑地应力场的静态作用和炮孔间相互作用，研究高地应力下岩石爆破损伤演化规律，为深部岩体的爆破设计提供一定的参考。

1 数值模型

不考虑端部效应，将地应力下岩石爆破简化为平面应变问题。爆破模型如图1所示，模型尺寸为800 cm×500 cm，药卷半径5 cm，采用耦合装药结构，孔间距为250 cm。模型边界施加无反射条件模拟无限岩体。模型采用流固耦合算法，当耦合区域半径至少大于10倍药卷半径时，数值计算结果基本收敛[10-11]。在保证计算结果准确性和稳定性的条件下为提高计算效率，取耦合区域尺寸350 cm×100 cm。计算终止时间为750 μs，设定时间步长10 μs。

图1 双孔爆破数值模型

岩体处于预先存在的地应力状态，其中水平地应力为σx，垂直地应力为σy，侧压力系数λ=σx/σy。为了分析不同的地应力条件与损伤演化及爆破效果之间的影响关系，数值计算中考虑无地应力场、静水地应力场(λ=1)和非静水地应力场(λ≠1)3种情况。

2 地应力下的应力分布

高地应力接近甚至大于岩石的单轴抗压强度，因此深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与地应力共同作用的结果，裂隙扩展的方向和损伤分布与地应力密切相关。环向动拉应力是岩石爆破破碎的主因[12]，单孔爆破时，孔壁环向应力σθθ的极坐标表达式为

σθθ=σx+σy+2(σy-σx)cos 2θ

(1)

式中：θ为极坐标与水平方向的夹角。

定义σy=P，单孔爆破时孔壁环向应力与λ的关系分布如图2所示。地应力使炮孔周围岩石产生应力集中，λ控制着炮孔周围岩体的应力分布。λ=0时，即单向应力载荷，σy在θ=0°和180°处产生压应力场，拉应力场位于θ=90°和270°处；λ=0.5时，地应力在炮孔壁处产生环向压应力，θ=0°和180°处压应力最大；λ=1时，孔壁处为圆形对称分布的环向压应力场，应力波对岩石的拉伸破坏和裂隙扩展受到抑制；λ=2、3、4时，θ=90°和270°处为压应力场，压应力场的范围和强度与λ呈正相关关系。最小主应力方向的环向压应力场更强，对裂隙扩展的抑制作用也更强，因此裂隙在最大主应力方向优先萌生，主要沿最大主应力方向扩展。

图2 孔壁环向应力分布

双孔爆破时的应力波叠加效应如图3所示。双孔爆破时，应力波的叠加效应在孔间连线方向较小区域岩体内产生较大的拉应力，促进了岩体的拉伸损伤，应力波叠加位置处的岩体所受拉应力为单孔爆破时所受拉应力的2倍，孔间连线方向上的岩石所受拉应力最大，首先被破坏；炮孔中间截面部分区域及其邻域内形成均压区，抑制裂隙的扩展。

图3 爆破应力波叠加效应

3 地应力对岩石爆破损伤演化的影响

3.1 无地应力下的岩石损伤演化

不考虑地应力场时，岩石损伤过程如图4所示。强度远高于岩石抗压强度的冲击波作用于炮孔壁上，在炮孔周围较小范围内岩石产生压缩破坏，形成粉碎区(0.9≤D≤1，D为损伤度)和初始裂隙，冲击波的能量衰减至不足以使岩石发生压缩破坏时，粉碎区停止扩展；冲击波在粉碎区边界上衰减为应力波继续传播，岩石产生拉伸破坏，初始裂隙开始扩展，裂隙区(0.1

图4 无地应力下的岩石损伤过程

3.2 地应力下的岩石损伤演化

不同静水地应力水平下，岩石最终损伤状态如图5所示，损伤终止扩展的时间分别为680、670、640、540、490 μs，随着地应力的增加，裂隙扩展时间逐渐减少。单孔损伤范围为圆形，裂隙分布较均匀。仅20、40、60 MPa静水地应水平的孔间裂隙贯通。

图5 静水地应力下岩石损伤状态

非静水地应力下岩石最终损伤状态如图6所示，损伤终止扩展的时间分别为680、670、600、500 μs。损伤范围呈椭圆形，裂隙倾向于向主应力x方向扩展，随着侧压力系数的增大，倾向更加明显，裂隙扩展长度逐渐减小，裂隙条数逐渐减小，水平与垂直方向裂隙长度差值增大。最大主应力对裂隙扩展具有导向作用，侧压力系数越大，导向作用和岩石损伤各向异性越明显，进而影响岩石的破碎效果，这与前文中对环向应力的理论分析相符。

图6 非静水地应力下岩石损伤状态

岩石损伤范围与静水地应力的关系和侧压力系数的关系分别如图7、图8所示。在地应力产生的压应力场的压缩作用下，随着地应力的增加，地应力场对爆破损伤扩展的抑制作用更加明显，粉碎区和裂隙区半径、主裂隙扩展长度逐渐减小，裂隙区面积与岩石有效破碎面积(D>0.1)呈线性减少。20、40、100 MPa的静水地应力水平相比无地应力下，岩石裂隙区面积分别减少了7.1%、16.5%、48.6%，地应力对裂隙区的发育特别是主裂隙的扩展起抑制作用，而低地应力对岩石损伤分布和范围的影响较小。裂隙区比粉碎区对地应力的变化更加敏感，其主要原因是粉碎区的爆炸载荷值远高于地应力[13]，爆炸载荷对炮孔附近岩石的破坏起主导作用，因此粉碎区半径变化幅度较小；而随着爆炸载荷的迅速衰减，地应力对裂隙区岩石破坏的影响愈发明显，地应力产生的压应力场消耗大量炸药能量，用于扩展裂隙的能量大大减少，从而抑制了裂隙的扩展。

图7 岩石损伤范围与静水地应力的关系

图8 岩石损伤范围与侧压力系数的关系

4 高地应力岩石爆破优化措施

高地应力下的压应力场和应力差产生的损伤各向异性是岩体爆破破碎困难的主要原因[14]，因此需要采取措施改善爆破效果，提高爆破效率。

4.1 炮孔布置方向

非静水地应力水平工况沿最大主应力方向布置炮孔，孔间裂隙均可贯通，形成新的自由面。若沿最小主应力方向布置炮孔，如图9所示，在σx=20 MPa，σy=100 MPa地应力水平下，受地应力的导向作用，最小主应力方向裂隙的扩展受到抑制，导致孔间裂隙无法贯通，不能达到良好的破岩效果。高地应力岩体爆破具有地应力对裂隙扩展的抑制作用和最大主应力对裂隙的导向作用的特点[6]，因此在工程实际中，可沿最大主应力方向布置炮孔，以达到良好的裂隙贯通和破岩效果。

图9 σx=20 MPa，σy=100 MPa时岩石损伤状态

4.2 导向孔

导向孔对应力波的导向和反射作用使得岩体在炮孔连线方向产生应力集中现象，径向和切向分别产生压应力和拉应力[15]。以静水地应力为60 MPa为例，布置导向孔时岩石损伤状态如图10所示，对比有无导向孔对岩体损伤效应的影响，布置导向孔时，孔间岩石裂隙扩展集中于炮孔连线方向，导向孔周围裂隙贯通更加明显，岩石有效破碎面积增加10%。因此，在高地应力岩石爆破工程中，在相邻的同排装药孔的连线中点处布置导向孔，可有效控制岩体破碎的方向，改善爆破效果。导向孔孔径越大，爆破自由面条件越好，爆破效果也越好。

图10 布置导向孔时岩石损伤状态

4.3 炮孔间距

应力波的传播随着爆心距的增加而不断衰减，因此炮孔间距越小，炮孔连线中点处峰值应力越大，使得孔间岩石环向拉应力大大增加，达到了岩石材料的失效准则。在60 MPa的静水地应力条件下，炮孔间距减小至150 cm时，岩石损伤状态如图11所示，炮孔间距的减小使得岩石有效破碎面积增加4%，孔间裂隙扩展尤为充分，岩石损伤度也更大。因此，减小装药炮孔间距，可大大促进孔间区域岩体的拉伸损伤。

图11 孔间距为150 cm时岩石损伤状态

5 结论

1)深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与地应力共同作用的结果，爆炸载荷和地应力分别对粉碎区和裂隙区的演化起主导作用，地应力对裂隙区的发育特别是主裂隙的扩展起抑制作用。地应力越大，用于克服地应力的压缩作用的能量越多，裂隙停止扩展的时间越早。

2)静水压力下，炮孔周围裂隙分布较均匀，随着地应力的增加，地应力场对爆破损伤扩展的抑制作用越明显，粉碎区和裂隙区半径及面积、主裂隙扩展长度与岩石有效破碎面积逐渐减小，裂隙区范围对地应力的变化敏感。

3)非静水压力下，裂隙扩展主方向趋向于最大地应力方向。在某一方向地应力相同的条件下，随着侧压力系数的增大，最大主应力的导向作用更加显著，粉碎区和裂隙区半径、主裂隙扩展长度逐渐减小，裂隙区面积与岩石有效破碎面积呈线性减少，岩石损伤各向异性越来越明显。

4)在高地应力岩体爆破工程中，采取沿最大主应力方向布置炮孔、在相邻的同排装药孔间布置导向孔或减小装药炮孔间距等措施，以克服高应力岩石的夹制作用，可取得理想的爆破效果。