频繁生产爆破加载下饱水岩体累积损伤效应声波测试研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.750

频繁生产爆破加载下饱水岩体累积损伤效应声波测试研究

刘连生^,¹^,², 钟清亮¹, 闫雷¹, 钟文¹^,², 梁龙华¹

1. 江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000

2. 江西省矿业工程重点实验室，江西赣州 341000

Measurement of Sound Waves to Study Cumulative Damage Effect on Saturated Rock Under Frequent Production Blast Loading

LIU Liansheng^,¹^,², ZHONG Qingliang¹, YAN Lei¹, ZHONG Wen¹^,², LIANG Longhua¹

1. Faculty of Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China

2. Jiangxi Key Laboratory of Mining Engineering，Ganzhou 341000，Jiangxi，China

收稿日期: 2017-12-08 修回日期: 2018-03-28 网络出版日期: 2019-01-11

基金资助:

国家自然科学基金项目“爆炸应力波在离子型稀土风化层中传播机制研”(编号:51404111）、“原地浸矿后离子型稀土矿体微结构力学特性弱化机制研究”（编号：51504102）、中国国家留学基金委资助项目（编号：201708360023）、中国博士后科学基金项目“爆炸应力波在离子型稀土风化层传播的能量耗散机制研究”（编号：2014M562529XB）、江西省教育厅科学技术研究项目“岩质边坡爆破高程放大效应的能量分布特征研究”（编号：GJJ160643）、江西理工大学重点学科资助项目“露天矿台阶爆破开采高程放大效应研究”（编号：3304000004）和江西理工大学清江青年英才支持计划项目联合资助

Received: 2017-12-08 Revised: 2018-03-28 Online: 2019-01-11

作者简介 About authors

刘连生（1979-），男，江西赣州人，博士，教授，从事岩石动力学与工程爆破方面的教学与研究工作 , E-mail：liulsjxust@163.com

摘要

随着矿山生产爆破的持续进行，爆破对工程岩体造成的损伤存在一个不断累积的过程，当累积超过其承受极限时，将造成边坡滑坡等失稳破坏。采用现场声波测试方法，以声波波速变化表征岩体损伤度，结合LS-DYNA动力有限元数值建模，对矿山频繁爆破加载下饱水岩体累积损伤特性进行试验研究。结果表明：频繁爆破加载作用下，节理裂隙较发育的工程岩体受到的损伤存在不断积累的过程。由于岩体的饱水状态，前期的爆破次序中岩体出现损伤的现象极少。随着爆破的持续，岩体出现损伤破坏的现象逐渐增多，且大多为损伤度的突变剧增；饱水岩体表征的损伤阈值应小于0.19，实际发生损伤的现象应比测试结果更多；工程岩体受到频繁爆破加载作用下的累积损伤主要表现为原生裂隙的持续扩张及相互贯通，且岩体裂隙在含水情况下更容易发生破坏贯通。

关键词： 频繁生产爆破 ; 矿山爆破 ; 声波测试 ; 饱水岩体 ; 累积损伤 ; 突变 ; 数值模拟

Abstract

With the continuous progress of mine production blasting，there is a cumulative process of blasting damage to the engineering rock mass.When the accumulation exceeds its limit，it will cause slope and landslide and so on.Therefore，used the acoustic wave test method in scene and characterizing rock damage by the change of acoustic wave velocity，combined with modeling method of LS-DYNA finite element program to study the cumulative damage characteristics of horizontal engineering rock mass under frequent blast loading.The results show that the damages of engineering rock mass which with abundant joint fissure have a process of continuous accumulation when under frequent blast loading.There have been very few phenomena of rock mass damage happened in the early blasting order because of the saturated state of rock mass.The damage occurs increases gradually with blasting continued practice and it mostly form as the mutation increase of damage degree.The damage threshold of saturated rock should be less than 0.19 and the actual damage occurs should be more than the results of test.The cumulative damage of engineering rock mass under frequent blast loading，it is mainly express on the continuous expansion and coalescence of primary fissures，and the fracture of rock mass is more prone to break through in the case of water cut.

Keywords： frequent production blasting ; mine blasting ; sound wave measurement ; saturated rock ; cumulative damage effect ; sudden change ; numerical simulation

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本文引用格式

刘连生, 钟清亮, 闫雷, 钟文, 梁龙华. 频繁生产爆破加载下饱水岩体累积损伤效应声波测试研究[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(6): 750-760 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.750

LIU Liansheng, ZHONG Qingliang, YAN Lei, ZHONG Wen, LIANG Longhua. Measurement of Sound Waves to Study Cumulative Damage Effect on Saturated Rock Under Frequent Production Blast Loading[J]. Gold Science and Technology, 2018, 26(6): 750-760 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.06.750

作为一种应用广泛的生产手段，爆破在矿山、水利和城建等生产建设方面的效果显著^[1,2]，但爆破震动效应引发的各种稳定性问题也层出不穷^[3]。在现实矿山开采中，单次爆破作用对位于爆破中远区的工程岩体所造成的直接破坏或扰动损伤是有限的，但爆破施工随着开采进度不断进行，爆破对露天高陡边坡^[4,5,6]或预留矿柱的破坏损伤也不断累积。当累积超过其承受极限时，将造成边坡滑坡等失稳破坏并对人员生命安全、设备财产等造成极大威胁。因此，探索频繁爆破作用下工程岩体损伤累积特性，分析岩体动力失稳破坏机制非常必要，也是岩石动力学的主要研究内容之一^[7,8]。

声波检测技术是目前岩体损伤特性与工程稳定性监测的主要研究手段之一^[9,10]。岩体损伤测量是基于声波检测技术引出的方法，已有众多国内外学者对其进行了探索研究。Sayers等^[11]通过探寻脆性岩石压缩破坏与微裂纹形成、张开之间的联系，观察到在微裂纹和裂隙存在的情况下弹性波波速会降低，说明可以通过不同阶段弹性波波速的变化来监测岩体渐进破坏。Bartmann等^[12]利用声波测试技术，通过监测岩体声波波速变化来研究低约束条件下2种不同粒径花岗岩的强度和失效机理。邓映香^[13]运用声波测试技术对混凝土模型的模拟爆破开挖进行累积损伤测试研究，以声波波速降低率为基准探寻了频繁爆破荷载作用下不同爆破参量对混凝土模型累积损伤程度的影响。闫长斌等^[14]通过建立岩体爆破累积损伤扩展模型，基于声波波速变化对地下工程岩体的累积损伤进行了分析，提出了Hoek-Brown修正公式。杨军等^[15]利用超声波测试系统对平板冲击后的大理岩及砂岩进行损伤研究，提出声波衰减系数可作为表征岩石损伤模型的主要参量。颜峰等^[16]通过对小药量爆破后某露天矿现场进行声波测试试验研究，发现多次爆破下岩体存在累积损伤效应且爆心距与损伤程度之间存在负相关性。

从国内外研究进展来看，对于爆破损伤的声波测试研究，大部分是采用模拟爆破或相似性材料的研究方法，并且实际工程岩体中普遍含水，而干燥岩体与含水岩体的物理力学性质差别较大，大多数研究没有考虑水在其中所起的作用，与工程实际有较大差别。本文基于多次爆破加载作用下中远区工程岩体损伤原理，从裂隙扩张的角度，以声波波速变化间接反映损伤程度，应用声波测试技术在实际的露天矿山频繁生产爆破中对饱水岩体累积损伤效应进行研究。

1 中远区岩体爆破损伤及对声波波速的影响

爆破对工程岩体的破坏形式主要表现在2个方面：一是爆破近区的岩体直接破碎；二是爆破中远区的岩体在爆破地震波（在爆破远区，爆炸应力波衰减为爆破地震波，实际上，爆破地震波仍然是一种弱应力波^[17]）的作用下产生损伤效应。虽然爆破地震波在传播到中远区时强度不足以使岩体发生直接破碎，但对于工程岩体内部的节理面，其节理面的尖端部位，容易出现应力局部增大的应力集中现象，放大地震波的作用，使得原生裂纹发生扩张，这在节理发育的岩体地区表现尤为明显。对于单次的生产爆破来说，造成的破坏损伤并不明显，但是，在长期生产爆破作业中，岩体损伤程度持续增大、范围不断扩大且完整性不断劣化^[18,19,20]。当岩体受到的损伤超过其承受极限后，发生动力失稳破坏，即所谓的“损伤累积效应”。

研究表明，岩体含水时，水力作用会引起岩体损伤弱化，表现为岩体动力学性质的变化，对于岩体内部节理面而言，水力作用下节理面的宏观力学参数发生了劣化，其中以黏聚力、内摩擦角和断裂韧度的降低为主要表征^[21,22]。含水率越高，受到冲击荷载作用后孔隙率增大越多，抵抗破碎的程度越低。而且对于长期处于含水状态的岩体，岩体中各种化学元素与水接触会发生水化腐蚀作用，导致岩体结构发生变化。即饱水岩体在受到频繁爆破荷载作用时更容易发生损伤破坏。

声波在工程岩体中的传播速度与岩体自身物理力学性质紧密相关。在爆破中远区，工程岩体内部原生节理和裂隙等受爆破地震波作用而发生张开、扩展、贯通等现象，对声波在其中的传播造成了影响。由于节理、裂隙等的存在，声波在岩体中发生绕射、反射和散射等，从而导致了声波波速的降低，并且降低程度与节理裂隙的数量、宽度有着紧密联系。随着爆破次数的增加，节理裂隙不断扩张、贯通，工程岩体整体损伤程度不断增大，力学性质不断劣化，测得的声波波速也不断降低。测量每次爆破前后测点处的纵波波速并利用公式对岩体累积损伤度进行简化计算，这就是通过声波测试技术研究频繁爆破加载作用下工程岩体累积损伤特性的技术方法^[23,24]。

2 现场试验过程

声波测试地点选在大宝山矿露天采场北部矿区697 m平台的35～372勘探线之间。测点布置在铜露天采场的上部地区，测区岩体以灰岩和砂岩居多，致密坚硬，硬度系数f取值为7~10，密度约为2.6 t/m³；矿体硬度系数f取值为8~12，密度为3.3 t/m³。

此次现场测试共设置5个声波测试孔，统一采用地质钻垂直向下钻取，在钻孔过程中确保所有测孔平行，尽量控制由打孔导致的岩体损伤破坏。声波测试孔呈“十”字型分布，具体布孔方式见图1。

其中，4号孔靠近上一台阶边坡，1-2号、2-3号、2-4号和2-5号孔间距分别为0.4，0.5，0.5，0.6 m，钻孔深度均为8 m。由于大宝山矿露天采场长期生产爆破，697 m水平的台阶平台表面3 m左右均已被破坏或为碎石覆盖层，因此3 m以上地层不进行声波测试。钻孔时地表前3 m采用130 mm钻头钻孔，并采用直径为110 mm的PVC管进行套孔保护，地下3～8 m采用75 mm钻头钻孔。

图1

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图1 声波测孔布置示意图

Fig.1 Arrangement schematic diagram of sonic test holes

此次现场测试时间段选择在矿山连续的11次生产爆破之间（28日内），其中生产爆破均为垂直深孔爆破，炮孔直径为200 mm，孔深为14 m，使用乳化炸药并采用连续装药结构。此次波速测定所用仪器为RSM-SY5智能声波仪，采取一发一收的双孔直透法进行波速测定，为确保测量结果的准确度，测量时发射、接收换能器维持在同一水平高度。由于测试地区水系发育，各声波测孔长期保持在满水状态，很好地满足了测量时2个探头的水耦合。测试剖面共8个，分别为1-2、2-3、2-4、2-5、1-3、1-4、3-5和4-5（分别为图1中各孔间实线及虚线所示）。基于打孔后部分岩泥与碎石残留，部分测试孔孔底堵塞，故此次现场波速测定的深度为3.00~7.25 m，每次测量由7.25 m处开始，测点以0.25 m为间距向上提升，直至3 m处停止。

11次生产爆破参数见表1，其中爆心距为爆破中心点到2号声波测孔的距离，比例药量为 $\sqrt[3]{Q} / R$ （ $Q$ 为单段最大药量， $R$ 为爆心距）。

表1 生产爆破参数

Table 1 Parameters of productive blasting

序号	台阶水平/m	总药量/kg	爆心距/m	单段最大药量/kg	比例药量
1	673	4 464	245	284	0.027
2	697	3 731	68	685	0.129
3	757	6 633	386	509	0.020
4	733	3 290	338	745	0.027
5	697	5 922	48	762	0.190
6	793	3 027	512	601	0.016
7	793	6 432	406	701	0.022
8	793	3 682	353	544	0.023
9	697	3 425	109	436	0.069
10	685	2 541	239	135	0.021
11	661	3 764	488	481	0.016

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3 试验结果与数据分析

3.1 岩体原始损伤

待前期打孔工作完成后，在各剖面所有测点进行波速的测量并将测量数据作为试验的初始值。各剖面不同深度测点处的初始纵波波速如图2所示^［25］。

图中2-4剖面的3 m、3.25 m，1-4剖面的3.00~3.75 m，3-5剖面的3 m、3.25 m，4-5剖面的3.00~3.50 m、5.0 m均无数据，原因是现场测点处初始损伤程度过高，无法得到声波波速的有效测量结果。此外，图中各剖面在不同深度的声速分布毫无规律，充分体现了工程岩体的随机离散性。

若声波测试孔长期保持满水状态，虽然可以满足探头的水耦合，但由于水—岩相互作用，裂隙岩体在静水与动水压力双重作用下，节理裂隙等薄弱环节易发生饱水。根据文献［26,27,28］，不同类型的岩体饱水后测得的声波波速会有不同程度的增加，增加幅度与岩体致密性、裂隙度以及孔隙率存在较大关联。如图3所示，声波测试孔套孔时取出的岩芯断裂、短小且布满裂纹（图中红线标出），可知测试地区岩体裂隙十分发育。为了解测试地区岩体干燥与含水情况下声波波速的差异，对取出的岩芯干燥处理后进行了声波测试，部分测试结果列于表2中。

图2

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图2 爆破前各剖面水平声波波速测试数据^[25]

Fig.2 Measurement data about horizontal acoustic velocity of different section before blasting^[25]

图3

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图3 测孔地区岩样

Fig.3 Rock specimen of boreholes area

由表2可知，相较于岩体饱水时，测区岩体干燥情况下波速大幅降低，表明测孔所在地区水分渗透了岩体的裂隙，使测得的声波波速结果偏大，当岩体发生损伤时，声波波速变化不明显，对岩体的损伤判定产生较大影响。

3.2 饱水岩体累积损伤度分析

岩体损伤度 $D$ 与声速降低率 $η$ 之间的关系：

D = 1 - \frac{E}{E_{0}} = 1 - {(\frac{V}{V_{0}})}^{2} = 1 - {(1 - η)}^{2}

（1）

式中： $E_{0}$ 为工程岩体的初始弹模； $E$ 为爆破后的等效弹模； $V_{0}$ 、 $V$ 分别为爆破前、后同一测试点的声波波速。

每次生产爆破后进行一次或多次声波测试（其中多次测试的最终声波波速取平均值），并将每次测得的波速以及初始声波波速一起代入式（1），计算得到每次生产爆破后岩体的损伤度，选取部分数据（所有发生损伤的测点数据及部分没有发生损伤的测点数据）作出各剖面不同深度测点的累积损伤度 $D$ 与爆破次数之间的关系曲线图（图4），对岩体损伤度变化情况与生产爆破次数之间的规律进行分析研究。

图4

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图4 生产爆破各剖面累积损伤度曲线

Fig.4 Curves of the production blasting cumulative damage degree of different section

由图可知，1-3剖面的3.50~4.50 m［图4（c）］及4-5剖面的5.25，5.50，6.00 m［图4（h）］累积损伤度达到1.0，原因是多次爆破作用下测点处工程岩体损伤破坏严重，导致测试时声波信号衰减过快，测不到有效波速，故计算值为1.0。

根据文献［29］，当爆破后声速降低率 $η$ ＞10%时，即判定岩体受到爆破损伤破坏，对应的岩体损伤阈值 $D = 0.19$ 。由以上各个剖面累积损伤度变化曲线能够观察到，在经过11次生产爆破后，大部分测点的损伤度小于0.19，按损伤判定标准判定岩体没有产生损伤破坏；小部分测点损伤度远超过阈值0.19，且主要表现为损伤度的突变剧增，如图4（b）2-3剖面4.00 m测点曲线的第7、8次爆破所示，其损伤度 $D$ 分别从0.049突增至0.318和从0.318突增至0.648。

表2 爆破前部分干燥岩体水平声波波速测试数据

Table 2 Measurement data about horizontal acoustic velocity of partially dried rock mass before blasting

岩体编号	声波纵波波速/（m·s^-1）
1-5.00	3 789.2
2-4.00	3 618.5
3-5.00	3 826.0
4-7.00	3 944.1
5-4.50	3 508.2

岩体编号1-5.00中1表示孔号，5.00表示深度为5.00 m，其他依此类推

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从图4中可以看到，累积损伤度超过0.19的测点所占比例不高。由前文中提到的水对声波波速的影响可以认为，在经过多次爆破作业后，受爆破地震波的作用，测试地区工程岩体内的裂隙发生了扩展延伸或岩体内产生了新的裂隙，测试地区中地下水受渗透压力的作用向岩体内部裂隙渗透，使原本应测得的岩体损伤破坏被岩体的饱水状态所掩盖或者表现出损伤增量不明显。由于岩体裂隙中的含水状态对测区岩体损伤判定产生较大的影响，实际累积损伤阈值应比0.19更小，即发生损伤破坏的现象应比试验测试结果更多。从图中可以看出，很多测点累积损伤度在0.10~0.19之间，其中部分测点应该是发生了损伤破坏但没有体现出来。至于少部分测点累积损伤度发生大幅度突变，应该是由于发生了大的裂隙扩张乃至贯通所引起的，水在其中所起的作用已经不明显了。

图4（c）~4（d）中有多条连续深度测点的损伤曲线产生接连突增的现象。如图4（c）所示，1-3剖面4.50 m测点处的损伤量在第5次爆破后发生剧增的现象，又经过3次爆破后，4.25 m与4.00 m测点处的损伤量也发生了剧增。进而可以认为，原位于4.50 m深度的某个裂隙，在经过多次生产爆破作用后发生了扩张延伸，直至4.25 m和4.00 m深度，从而使得4.25 m和4.00 m测点处也出现损伤量剧增；图4（d）中，1-4剖面4.25 m与4.00 m测点处也观察到同一现象。

从图中还可以看出，各测点损伤度曲线总体上呈上升趋势，没有发生大幅下降，表明爆破损伤是一个累积不可逆的过程。

3.3 累积损伤增长规律分析

以岩体损伤程度大幅度增加的突变损伤形式作为研究对象，做出各测试剖面与岩体发生损伤突增的爆破次序和测点数之间的关系表（表3）。

表3 各测试剖面发生损伤突增现象统计

Table 3 Statistics of the relation about different section and damage mutation phenomenon

测试剖面号	岩体发生损伤突增的爆破次序	岩体发生损伤突增的测点数/个
1-2	11	1
2-3	7、8	1
1-3	5、7～10	4
1-4	5、6、7	2
2-4	-	0
2-5	6、7	1
3-5	7～11	4
4-5	3～6、8、10	5

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结合表3和上文综合分析，受岩体饱水状态的影响，第5次爆破之前各剖面发生损伤破坏的现象极少，只在4-5剖面出现，且由表2可见4-5剖面5.50 m测点处初始波速最低，即其岩体初始损伤较为严重，所以在第3次爆破后发生大幅损伤破坏。而且以损伤度剧增为主的岩体损伤形式多出现在第5、7、10和11等中后期的爆破次序中，其中以1-3和4-5剖面发生损伤剧增的次数最多、变化最明显。中后期某次爆破后出现损伤突变现象表现为:岩体内初始裂纹在多次爆破作用下不断扩张、延伸直至测孔孔壁附近，或2个测孔间多个裂隙相互贯通，最后发生损伤突变。由于工程岩体节理面空间分布的不定性导致不同剖面发生损伤突变的测点深度及数量分布杂乱，无规律可言。

由表1可知，第2次和第5次爆破的比例药量比其余几次爆破大，分别为0.129和0.190。第2次爆破由于发生在前期的爆破次序中，故基本没有发生损伤破坏的现象，而第5次爆破之后发生损伤破坏的现象极多，说明比例药量对岩体损伤有较大影响，比例药量越大，损伤效应越明显。

为了进一步完善试验，后续在697 m平台进行了5次模拟爆破试验，所用炸药及装药结构与生产爆破相同，试验在2天内完成，期间矿山没有进行生产爆破。

炮孔布置如图5所示，其中中心5个孔为声波测试孔，外围5个孔为5次模拟爆破炮孔，按炮孔编号Ⅰ～Ⅴ依次起爆，炮孔孔径均为140 mm，按炮孔编号排序孔深依次为8，8，7，6，6 m，单孔装药量依次为14，10，12，8，10 kg。

图5

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图5 模拟爆破炮孔布置

Fig.5 Arrangement of holes in simulation blasting

由于数据过多，故选择2个深度测点进行分析，如图6所示，分别为5.00 m和7.25 m深度测点下各剖面岩体的累积损伤度变化曲线图。由图可知，在5次模拟爆破中，随着爆破次数的增加，各剖面岩体累积损伤度总体表现出递增趋势，并且损伤量出现突变剧增现象。例如，4-5剖面在第4次爆破后损伤量从0.178剧增至0.896［图6（a）］，2-3剖面在第2次爆破后损伤量从0.118剧增至0.552［图6（b）］。此外，由于模拟爆破是在生产爆破之后进行，此时岩体已经受到一定程度损伤，导致模拟爆破的损伤破坏更为明显，部分剖面的测点在第一次爆破后便出现了损伤破坏现象。考虑比例药量的影响，模拟爆破比例药量平均为0.4，与生产爆破相差较大，由于比例药量更大，各剖面发生损伤破坏的现象也相对较多，再次说明了比例药量对岩体损伤效应的影响。

图6

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图6 模拟爆破不同测点累积损伤度曲线

Fig.6 Curves of the simulated blasting cumulative damage degree of different point

3.4 爆破方案与参数优化建议

由上文分析可知，爆破时比例药量越大，岩体的损伤效应越明显。而比例药量与爆心距成反比，与单段最大药量成正比，故当现场生产爆破爆心距一定的情况下，可通过控制段药量来减少比例药量，达到减小岩体损伤的效果。因此，可调整爆破方案及参数，将连续装药结构改为间隔装药结构（间隔装药将药柱分为上下两部分，上部与下部药柱之间间隔3 m，上部装药量与下部装药量分别为单孔药量的1/3和2/3），在采用间隔装药的基础上适当缩小炮孔的孔间距和排间距，增加起爆段别，进而改善爆破开挖效果并有效减小中远区岩体损伤。

4 裂隙扩展数值模拟分析

4.1 数值模型构建

为进一步了解含水岩体内部裂隙在循环冲击荷载作用下的破坏机理，以小药量模拟爆破为参考，通过LS-DYNA程序构建了相应的数值模型，对现场试验进行简要分析。模型按模拟爆破炮孔布置进行设计，建立二维模型，如图7所示。在模型中部设置2个相邻裂隙，裂隙宽度均为0.3 m，裂隙之间间隔0.2 m，炮孔到两裂隙中心距离按编号1～5依次为6.8，6.0，4.8，4.9，4.6 m。在考虑裂隙含水及不含水的情况下，设计了2组模型。第一组，裂隙材料类型定义为空气；第二组，裂隙材料类型定义为水，其余岩石和炸药材料不变。

图7

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图7 数值模拟模型

Fig.7 Numerical simulation model

根据原生裂隙扩展原理，本文选取* MAT_ JOHNSON_ HOLMQUIST_ CONCRETE材料模拟岩石介质，进行数值模拟计算，对套孔取出的岩芯在饱水后进行弹性模量和泊松比等参数的测定，具体结果见表4。

在此由LS-DYNA程序模拟高能炸药的爆炸过程，炸药状态方程^[30]采用JWL方程，其一般形式为

P_{e o s} = A (1 - \frac{ω}{R_{1} V}) e^{- R_{1} V} + B (1 - \frac{ω}{R_{2} V}) e^{- R_{2} V} + \frac{ω E_{o}}{V}

（2）

式中： $P_{e o s}$ 为由JWL状态方程决定的压力； $E_{0}$ 为初始比内能； $A$ ， $B$ ， $R_{1}$ ， $R_{2}$ ， $ω$ 为描述JWL方程的5个独立物理常数。本文计算炸药参数取值见表5。

表4 岩石基础力学参数

Table 4 Basic mechanical parameters of rock

参数	数值	参数	数值
密度/（kg·m^-3）	2630	泊松比	0.22
屈服应力/MPa	75.47	剪切模量/GPa	7.184
弹性模量/GPa	17.53	黏聚力/MPa	0.198

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4.2 数值模型计算结果及分析

分别对裂隙含水及不含水2组模型进行了数值计算，调整了时间步长，并使用自适应算法求解。按炮孔顺序1～5依次起爆炸药以达到循环爆破加载的目的，计算结果如图8和图9所示。

表5 炸药参数取值^[31]

Table 5 Parameters of explosive^[31]

参数	数值	参数	数值
密度/（kg·m^-3）	1631	R₁	4.5
爆速/（m·s^-1）	6718	R₂	1.1
爆轰压力/GPa	18.5	ω	0.35
A/GPa	540.9	E₀/（MJ·m^-3）	800
B/GPa	9.4

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图8

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图8 裂隙含水扩张情况

Fig.8 Expansion of fracture with water

图9

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图9 裂隙不含水扩张情况

Fig.9 Expansion of fracture without water

图8和图9分别为裂隙含水和不含水时的扩张情况，其中(a）、(b）和(c）分别为3个时间节点的情况。(a）为第1个炮孔起爆后裂隙扩张情况，(b）为第3个炮孔起爆后裂隙扩张情况，(c）为第5个炮孔起爆后裂隙扩张情况。由图可以明显看到，(a）阶段裂隙没有发生扩张，(b）阶段裂隙从尖端开始发生小幅扩张，(c）阶段裂隙进一步扩张。即裂隙在循环爆破荷载作用下发生了累积损伤破坏，对比图7和图8的(c）阶段可知，第5个炮孔起爆后，2个相邻裂隙在含水的情况下发生了相互贯通，而在不含水的情况下尚未相互贯通。计算结果表明，当受到循环爆破荷载作用时，岩体原生裂隙在含水条件下较不含水条件下更容易发生破坏贯通。

根据数值模拟计算结果，从裂隙扩张的角度来看，爆破荷载作用在原生裂隙上会使裂隙尖端发生应力集中现象，使裂隙从端部开始扩张，随着爆破次数的增加，单个裂隙扩张程度不断增大，裂隙与裂隙之间相互扩展、延伸直至贯通。从岩体整体损伤角度来看，随着爆破次数的不断增加，爆破地震波对岩体造成的损伤存在不断积累的过程，岩体完整程度受爆破地震波作用持续劣化。综合表征，岩体在频繁爆破荷载作用下的累积损伤形式主要表现为原生裂隙的持续扩张及相互贯通。

5 结论

利用现场试验测得的声波波速数据进行了岩体损伤度的计算，从裂隙扩张的角度建立了LS-DYNA数值模型，综合模型计算结果和现场实测数据进行分析，得到以下结论：

（1）频繁生产爆破加载作用下，节理裂隙较发育的工程岩体受到的损伤存在不断积累的过程。由于岩体的饱水状态，前期的爆破次序中岩体出现损伤的现象极少。随着爆破的持续进行，岩体出现损伤破坏的现象逐渐增多，且大多为损伤度的突变剧增。

（2）饱水岩体表征的损伤阈值应小于0.19，实际发生损伤破坏的现象应比测试结果更多。

（3）岩体受到频繁爆破荷载作用下的累积损伤主要表现为原生裂隙的持续扩张及相互贯通，且岩体裂隙在含水情况下更容易发生破坏贯通。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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戴俊

深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定

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