基于聲波測試的爆破震動對巷道圍巖體累積損傷分析

邢東升，王李管，劉曉明,3(.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 40083；2.中鋁礦業(yè)有限公司，河南 鄭州 45004;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243004)

基于聲波測試的爆破震動對巷道圍巖體累積損傷分析

邢東升1,2，王李管1，劉曉明1,3
(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中鋁礦業(yè)有限公司，河南 鄭州 450041;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243004)

為了研究巷道開挖過程中爆破動荷載對巷道圍巖體的累積損傷，運用RSM-SY5智能型聲波儀測試巷道圍巖體的巖體聲波速度。結(jié)合理論推導(dǎo)，分析多次爆破震動對巷道圍巖體的累積損傷。結(jié)果表明，第一次爆破對巷道圍巖體的影響最大，多次爆破震動的累積損傷作用僅增加圍巖體的破碎程度，并沒有擴大巷道圍巖體的損傷范圍。巷道圍巖體的松動圈是由多次爆破累積損傷造成的，且對巷道頂板的累積損傷程度大于巷道兩幫的累積損傷。根據(jù)巷道圍巖體的累積損傷程度，巷道頂板圍巖體的1.5 m范圍內(nèi)為開挖引起的圍巖體破碎帶，1.75～2.5 m為巷道圍巖體裂隙帶，2.75 m以外的巖體為開挖擾動帶和原巖區(qū)。此研究為巷道開挖過程中控制巷道的穩(wěn)定性和巷道支護提供可靠參考依據(jù)。

爆破震動;聲波速度;累積損傷;圍巖體

0 引言

自然狀態(tài)下的巖體是一種非均質(zhì)的材料，且受到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運動的破壞，導(dǎo)致巖體內(nèi)部存在一些宏觀和微觀的裂紋和弱面等[1]，這就為研究工程巖體的破壞特性造成很大的困難。然而，在金屬礦山地下開采的巷道掘進過程中，大多數(shù)都是采用鉆爆法施工，而爆破震動對巷道圍巖體的損傷與破壞一直是學(xué)術(shù)界研究的焦點[2]，同時也是工程施工過程中倍受關(guān)注的安全問題之一。鑒于此，眾多的學(xué)者研究巖石爆破理論，研究基礎(chǔ)主要包括彈塑性理論、損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)[3-6]。在實際工程中，由于巖體的聲波測試為無損測試，且測試方便快捷，因此巖體的聲波測試被廣大學(xué)者用于研究巖體的完整性、評價工程巖體質(zhì)量以及計算巖體的損傷度等[7-9]。

實際上，工程巖體的損傷并不是某一次爆破作用破壞的結(jié)果，而是由于多次爆破造成的累積損傷。例如最典型的巷道開挖后形成的損傷區(qū)與破壞區(qū)，即巷道圍巖松動圈的形成，是由于開挖過程中循環(huán)掘進的爆破作業(yè)累積損傷形成的。如果只考慮第一次爆破作用來分析巖體形成的損傷區(qū)域，那是不全面的。因此，十分有必要測試和記錄多次爆破的累積損傷作用，分析圍巖體的損傷與破壞。閆長斌等人[10]利用聲波在巖體中的傳播特性，分析爆破動荷載作用下巷道圍巖體的累積損傷效應(yīng)，分析了多次爆破作用對巷道累積損傷范圍。馮春等人[11]運用CDEM源程序結(jié)合JWL爆源模型和應(yīng)變強度分布模型研究了爆破動荷載作用下巖石損傷及其破裂的全過程，并著重分析壓碎區(qū)域、破損區(qū)域以及總破裂度隨著巖石應(yīng)變強度的變化規(guī)律。WANG Zhi-liang[12]等人將體積拉伸損傷模型(TCK模型)導(dǎo)入LS-DYNA軟件中，運用LS-DYNA軟件對爆破的整個動態(tài)過程進行數(shù)值模擬，分析爆破漏斗的形成過程。李新平[4]等人運用Flac3D結(jié)合Yang提出的損傷模型對爆破進行數(shù)值模擬，預(yù)測爆破對巷道圍巖體的損傷范圍。陳俊樺[13]等人結(jié)合巖體初始的完整性程度，對Yang等人提出的爆破損傷模型進行改進，建立巖體初始損傷的彈塑性爆破損傷模型，并提出巷道圍巖體受爆破損傷影響的評判依據(jù)。王新生[14]等人研究周邊孔的不同裝藥結(jié)構(gòu)的爆破震動對巷道圍巖體損傷的影響規(guī)律。胡英國[15]等人基于經(jīng)典爆破損傷模型結(jié)合LS-DYNA軟件模擬巖石高邊坡爆破開挖的損傷區(qū)域，并應(yīng)用巖體聲波測試的方法來實測爆破損傷區(qū)的范圍。

本文運用RSM-SY5智能型聲波儀，測試受爆破震動的圍巖體的聲波特性，記錄分析每一次爆破后巷道圍巖體的聲波變化程度，試圖分析巷道圍巖體受多次爆破震動后的損傷程度及其影響范圍。并且考慮每次爆破的位置不同，根據(jù)不同距離測試點，分析爆破震動源與測試點的距離對測試點圍巖體損傷程度。

1 巖體損傷度的計算

設(shè)完整巖石的彈性應(yīng)變可表示為ε，即

(1)

式中：бc——完整巖石的單軸抗壓強度；E——完整巖石的彈性模量。

同理可得，受損巖體的彈性應(yīng)變可表示為

(2)

式中：бcD——受損巖體的單軸抗壓強度；E′——受損巖體的彈性模量;DR——受損巖體的損傷變量。

由式(1)和式(2)可得

(3)

假設(shè)完整巖石與受損巖體的泊松比和密度近似相同。則完整巖石巖體與受損巖體的彈性變形近似相同。即(3)式可表示為:

E′=E(1-DR)

(4)

即巖體的損傷度可以表示為:

(5)

式中：E′——受損巖體的彈性模量；E——完整巖石的彈性模量；ε′——受損巖體的彈性應(yīng)變；ε——完整巖石的彈性應(yīng)變。

巖體由巖塊與不規(guī)則的節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面組成，結(jié)合損傷力學(xué)概念，視完整巖石為無損材料，受爆破震動影響的巖體為受損材料。則聲波在完整巖塊中的傳播速度可表示為：

(6)

聲波在受爆破震動損傷的巖體中的傳播速度為：

(7)

假設(shè)巖體各向同性的情況下，巖塊與巖體的泊松比和密度近似相同。則完整巖石與受爆破震動的巖體的靜彈性模量和動彈性模量的比值相同[19]，即：

(8)

由式(4)和式(6)得

Em=Er(1-DR)

(9)

由式(3)至式(8)可知，則受爆破震動破壞后巖體的損傷變量可以表示為

(10)

2 現(xiàn)場測試

2.1 測試過程

現(xiàn)場測試主要對正在進行開挖的巷道進行測試，即對剛開挖的巷道進行巷道圍巖體聲波測試。測試位置為云南某礦深1 500 m礦山的探礦巷道，該礦深部巖體較為破碎，且處于高應(yīng)力區(qū)域，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。因此十分有必要對探礦巷道進行巖體完整性測試，分析多次爆破對巷道圍巖體的累積損傷。因此，本文RSM-SY5(T)型一發(fā)雙收的智能聲波測試儀，即在一個測試孔中測量巖體的聲波速度，為了減小測試孔中空氣對測試結(jié)果的影響，在測試孔中應(yīng)用清水作為耦合介質(zhì)，測試儀發(fā)射的超聲波信號通過清水傳遞至測試孔壁的巖體，通過兩個接收器獲得超聲波信號，從而計算巖體的聲波速度。

此次測試中，為了減少現(xiàn)場的工作量，測試位置為剛開挖的探礦巷道，由于探礦巷道斷面較小，探礦巷道的炮孔布置分別為掏槽孔、崩落孔和周邊孔，因此在掘進過程中采用一次爆破成型。爆破參數(shù)見表1、表2和表3。

表2 炸藥參數(shù)表Table 2 Explosive parameter table

表3 雷管參數(shù)表Table 3 Detonator parameter table

在剛開挖的探礦巷道中布置測試孔，由于深部礦井巖體較為破碎，因此分別測試探礦巷道頂板和兩幫的巖體受到多次爆破累積損傷的聲波特性，分析爆破對巷道圍巖體的累積損傷。部分聲波測試孔的布置簡圖見圖1，為了降低測試結(jié)果的誤差，邊幫兩邊分別布置兩個測孔，將測試結(jié)果求取平均值。頂板布置三個測試，計算每個測孔的平均值。

圖1 測試孔布置示意圖Fig.1 Arrangement of measuring holes

對于頂板的聲波測試孔，孔口應(yīng)用橡皮氣囊進行封堵。在測試過中，采用專用充氣泵不停的對氣囊進行充氣，保證氣囊膨脹后有足夠的壓力能夠封堵測試孔。同時結(jié)合該設(shè)備配置的充水泵不停的向測試孔內(nèi)注水，當充水泵無法向測試孔中注入水時，便進行聲波測試。在整個測試過程中，充水泵和充氣泵都保持工作狀態(tài)，以保證測試孔中有足夠的水作為耦合劑。為了方便兩幫聲波測試孔的測試工作，巷道兩幫的測試孔稍微向下傾斜5°左右，以保證測試孔中能夠盛裝清水作為耦合劑。

當探礦巷道進行第一次爆破之后，清理完廢石后便進行圍巖體的聲波測試，記錄巖體的聲波測試結(jié)果。然后進行第二次掘進爆破，第三次掘進爆破和第四次掘進爆破，并測試每次掘進爆破后巷道圍巖體的聲波速度。爆破掘進的進尺約為1.5 m，因此，每掘進一次則測試點就遠離爆源約1.5 m。從而分析多次爆破對圍巖體的累積損傷。

3 測試結(jié)果分析

根據(jù)實驗室對完整巖塊測試的結(jié)果，完整巖塊的聲波速度為6 560。當孔深超過2.75 m時(圖2)，聲波速度幾乎保持不變的趨勢，說明巷道圍巖體超過一定的范圍后，幾乎不受爆破震動的影響。即可以推測孔深超過2.75 m的聲波速度為原巖狀態(tài)的聲波速度，即聲波速度為5 714。這是由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，原始狀態(tài)的巖體受到一定的損傷，根據(jù)(10)式計算出原巖體的完整性系數(shù)和損傷度分別為0.76和0.24。因此，聲波速度的測試與統(tǒng)計是在巖體已經(jīng)存在一定的損傷程度下進行的。需要說明的是在巷道掘進過程中，每一次爆破是一個掘進循環(huán)的所有爆破。

表4 巷道頂板和兩幫的測試孔的聲波降低率/%Table 4 The variation of velocity at the roof and two sides of roadway

圖2和圖3分別為兩幫測試孔和頂板測試孔的對應(yīng)的不同爆破次數(shù)的聲波特性數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，爆破對巷道頂板的影響范圍約為3.5 m，對巷道兩幫的影響范圍約為2.5 m。巷道圍巖體發(fā)生累積損傷效應(yīng)主要出現(xiàn)在前四次爆破，由于每次爆破與測試點的距離逐漸增加，因此第五次爆破后圍巖體的聲波速度基本上沒有發(fā)生明顯的降低。對于巷道兩幫的圍巖體的累積損傷的范圍在0～2.5 m，而巷道頂板圍巖體的損傷范圍則分布在0～3.5 m。

圖2 巷道邊幫的聲波速度與損傷度的變化曲線Fig.2 The typical curves of velocity, damage index and depth of roadway two sides

圖3 巷道頂板的聲波速度與損傷度的變化曲線Fig.3 The typical curves of velocity, damage index and depth of roadway roof

表4為測試孔的聲波降低率。由表4可知，第一次爆破巷道圍巖體在1.00 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)較大降低，且巷道兩幫測試孔的1.25至2 m范圍出現(xiàn)波速急降，頂板測試孔的1.25至2.5 m范圍出現(xiàn)波速急降。說明對于巷道的頂板而言，圍巖體的聲波降低率較大，在1.25 m的范圍內(nèi)為巖體的聲波降低率超過了20%，1.25 m至2.5 m的范圍為巷道圍巖體的聲波降低率2%至15%，2.5 m至3.5 m巖體的聲波降低率均小于2%。巷道兩幫的圍巖體的聲波速度的降低率小于頂板，僅在0.75 m的范圍內(nèi)為巖體的聲波降低率超過了20%，當圍巖體范圍超過2 m時，聲波的降低率小于1.5%。說明巷道開挖過程中，爆破震動對頂板的影響較大，對巷道兩幫的影響相對頂板較小。

隨著巷道開挖，先后進行多次爆破，對巷道圍巖體的累積損傷，由表4可得，第二次爆破震動對圍巖體雖然也有一定的影響，但是影響程度明顯降低。對于巷道頂板，第二次爆破對巷道頂板的影響范圍主要在圍巖體2 m的范圍內(nèi)，且在第一次爆破的基礎(chǔ)上，聲波降低率都小于18%。當圍巖體的范圍超過2 m時，聲波的降低率小于10%。第二次爆破對巷道兩幫圍巖體的影響較小，聲波降低率基本都在10%以內(nèi)。第三次爆破和第四爆破對巷道頂板和兩幫圍巖體的影響較小，基本都在10%以內(nèi)，而第五次爆破對巷道圍巖體基本沒有影響，聲波降低率都小于1%。因此，隨著掘進開挖爆破次數(shù)的增加，以及測試點與爆源距離的增加，掘進開挖爆破震動對巷道圍巖體的影響呈非線性規(guī)律較小，當爆源距離與測試點的距離超過7.5 m時，掘進開挖的爆破震動對巷道圍巖體幾乎沒有影響。

統(tǒng)計爆破震動對圍巖體的累積損傷之前，計算巖體已經(jīng)受到損傷，即巖體在開挖之前的巖體損傷度為0.24。因此，本次測試是在巖體受到復(fù)雜的地質(zhì)條件破壞，并且損傷度為0.24的環(huán)境下進行的。根據(jù)聲波速度的測試結(jié)果，結(jié)合式(10)計算圍巖體的損傷度。如圖2和圖3所示，隨著巷道圍巖體距離巷道越遠(測試孔越深)，巖體的損傷度越小，巖體受到爆破震動的損傷就越小。隨著爆破次數(shù)的增加，爆破振動源距離測試點越來越遠，爆破的累積損傷在隨著爆破次數(shù)的增加而增加，但增加的幅度越來越小，當?shù)谖宕伪茣r，爆破振動源距離測試點7.5 m時，爆破震動對測試點的圍巖體幾乎沒有損傷。

表5為巷道頂板受到爆破累積損傷后的損傷度增加率。由表5可知，第一次爆破對巷道圍巖體的損傷程度最大，且由于開挖前的巖體已經(jīng)受到一定程度的損傷，因此第一次爆破對1.5 m范圍內(nèi)的圍巖體的損傷度增加約1.0～1.5倍的損傷，隨著測試孔深度的增加，爆破的損傷度的增加率逐漸降低，0.75～2.75 m范圍內(nèi)的圍巖體損傷度增加率都小于1倍。第二次爆破對圍巖體損傷度的增加率明顯降低，在1.75 m范圍內(nèi)的圍巖體損傷度的增加率都小于50%，然而在2～2.5 m范圍內(nèi)的圍巖體的增加率卻大于第一次爆破的增加率，可能是由于測試過程出現(xiàn)一定的失誤，導(dǎo)致較大的誤差。但是每次爆破累積損傷的損傷度增加率都成明顯的降低趨勢。第三次爆破對圍巖體損傷度的增加率都小于10%，第四次爆破對圍巖體損傷度的增加率都小于5%，第五次爆破對圍巖體損傷度的增加率都小于1%，即第五次爆破對測試點的圍巖體幾乎沒有損傷。

表5 巷道圍巖體損傷度增加率/%Table 5 The variation of damage index at the roof and two sides of roadway

表4可知，第一次爆破對巷道兩幫1.5 m范圍內(nèi)的圍巖體損傷度的增加率相對頂板較小，約為35%至55%，當超過1.75 m時，損傷度的增加率小于10%，深度達到2.25 m時，損傷度的增加率小于1%，即幾乎沒有累積損傷。與頂板一致，隨著爆破次數(shù)的增加，損傷度的增加率越來越小，但是圍巖體的累積損傷度成非線性的增加。對比表4中頂板與兩幫圍巖體損傷的降低程度可得，爆破震動對頂板的累積損傷程度大于對兩幫圍巖體的損傷程度。因此，爆破震動對巷道頂板圍巖體的損傷范圍大于對巷道兩幫圍巖體的損傷范圍。

以上分析可知，巷道開挖的爆破震動對巷道頂板造成的累積損傷程度和范圍都大于巷道兩幫。結(jié)合圖3與圖4和表5分析可得，多次爆破的累積損傷主要影響圍巖體的損傷程度，圍巖體的損傷范圍幾乎沒有增加。因此，巷道開挖后的松動圈的范圍是由于巷道掘進的多次爆破累積損傷形成的，而不是第一次開挖爆破直接形成的。根據(jù)對圍巖體的累積損傷程度，對為巖體劃分不同的區(qū)域，即巷道頂板的圍巖體1.5 m的范圍可以視為開挖引起的圍巖體破碎帶，1.75～2.5 m為巷道圍巖體裂隙帶，2.75 m以外的巖體可定義為開挖擾動帶和原巖區(qū)。

4 結(jié)論

在巷道開挖過程中，由于多次爆破震動累積作用的影響，導(dǎo)致巷道圍巖體遭受不同程度的損傷與破壞。根據(jù)本文跟進巷道掘進的過程，運用RSM-SY5智能型聲波儀測試巷道開挖后圍巖體聲波速度的變化規(guī)律，分析圍巖體遭受爆破震動的累積損傷程度。得出以下結(jié)論：

(1)巷道的松動圈破裂區(qū)是由多次爆破累積損傷造成的，且巷道開挖的擾動范圍主要受第一次爆破震動的影響，隨后的爆破震動累積損傷作用僅增加巷道圍巖體的破碎程度，并不影響巷道圍巖體的受損范圍。

(2)隨著爆破次數(shù)和測試點與爆破震源距離的增加，爆破累積損傷增加，累積損傷增加的程度逐漸降低，直至測試點與爆破震源距離約為7.5 m時，爆破震動對測試點幾乎沒有影響。

(3)根據(jù)對圍巖體的累積損傷程度，將巷道圍巖體劃分不同的區(qū)域，即巷道頂板的圍巖體1.5 m的范圍可以視為開挖引起的圍巖體破碎帶，1.75～2.5 m為巷道圍巖體裂隙帶，2.75 m以外的巖體可定義為開挖擾動帶和原巖區(qū)。

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Using sonic testing method to study cumulative damage of surrounding rock under blasting vibration

XING Dongsheng1,2,WANG Liguan1,LIU Xiaoming1,3
(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083,China; 2.ChinaAluminumMiningCo.,Ltd.，Zhengzhou,Henan450041,China; 3.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines,Maanshan,Anhui243004,China)

In order to study the cumulative damage of roadway surrounding rock in the process of roadway excavation, the intelligent acoustic meter of RSM-SY5 was used to measured acoustic velocity in the roadway. Combining theoretical derivation to analysis the cumulative damagecaused many times blasting vibration in the roadway surrounding rock. The results show that the first blasting vibration hasthe strongest impact onsurrounding rock of roadway. The cumulative damage of many times blasting vibration have only impact damagedegree of surrounding rock, not expand the damage scope of roadway surrounding rock. Roadway surrounding rock loose circle is caused by blasting cumulative damage for several times, and for the cumulative damage of roadway roof to a greater extent than that of two sides of roadway damage.Based on the cumulative damage degree of roadway surrounding rock mass, Surrounding rock mass of roadway roof of 1.5 m range belong to fracture zone, the range 1.75 m to 2.5 m is fissure zone, and beyond 2.75 m is excavation disturbed zone and the original rock area respectively. This study provides a reliable reference thatto control the stability and supporting of roadway in the process of roadway excavation.

blasting vibration; acoustic velocity; cumulative damage; surrounding rock mass

2016-08-18;

2016-09-27

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2011AA060407);金屬礦山安全與健康國家重點實驗室開發(fā)基金(2015-JSKSSYS-01)

邢東升(1968-)，男，高工，主要從事礦山技術(shù)與管理工作。E-mail:zzsmxkxds@126.com

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.14

P642

A

1003-8035(2017)02-0108-07