巖石動(dòng)力學(xué)在工程爆破中的研究現(xiàn)狀與展望

代 豪，田 銳，李銘松，邊貞伊

（遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

目前，巖石動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者主要針對(duì)巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)以及本構(gòu)關(guān)系、應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律、巖石的聲學(xué)特征、爆破效果與破巖機(jī)理、數(shù)值分析與數(shù)值計(jì)算、巖爆與沖擊地壓機(jī)理、巖石動(dòng)力學(xué)在工程中的應(yīng)用等方面開(kāi)展了大量的工作和研究[1]。

以王武林等[2]為例，采用拉格朗日的多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定以及相關(guān)的分析方法，對(duì)大理巖在室內(nèi)進(jìn)行球面波爆炸實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值方面的計(jì)算，得到大理巖材料在彈塑性區(qū)域內(nèi)的本構(gòu)關(guān)系。王占江、李孝蘭等[3]通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，并將化爆實(shí)驗(yàn)作用于花崗石上，由此得出并證明了自由場(chǎng)應(yīng)力波的傳播方式，與此同時(shí)與核爆炸實(shí)驗(yàn)相比較得出結(jié)論。

王明洋、錢(qián)七虎等[4]將實(shí)際的地質(zhì)特征和巖體裂隙中應(yīng)力波傳播理論相結(jié)合，提出了基于破壞帶和節(jié)理破壞帶的幾何關(guān)系來(lái)計(jì)算Q值的方法并研究出了遞減的規(guī)律。王靖濤[5]提出了切削脈沖負(fù)荷法的新型理論概念，并利用鉆頭邊緣張力波彎曲理論說(shuō)明了一些裂縫的發(fā)生機(jī)制，指出了鉆頭側(cè)裂紋的數(shù)量是由脈沖載荷的增加時(shí)間來(lái)界定的，推翻了其他學(xué)者提出的加載概率。

1 巖石動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展

1.1 巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)與本構(gòu)關(guān)系研究

對(duì)在地震運(yùn)動(dòng)作用下巖石結(jié)構(gòu)破壞的各種動(dòng)力荷載是如何作用的進(jìn)行分析研究，對(duì)建筑物的巖石結(jié)構(gòu)性損傷進(jìn)行估測(cè)，巖石結(jié)構(gòu)的爆炸損傷估計(jì)，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的需求，要求我們?cè)谧鰟?dòng)力學(xué)研究的時(shí)候需要全面了解其力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)關(guān)系。

特別是在爆炸荷載的影響下，巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)和組成條件會(huì)發(fā)生怎樣的變化以及會(huì)呈現(xiàn)出怎樣的規(guī)律，了解這些變化和規(guī)律對(duì)于確定這些結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)是非常重要的。王禮立等[6]基于使用的傳統(tǒng)拉格朗日分析方法來(lái)對(duì)于速度型材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，對(duì)Fowles等提出的傳統(tǒng)的Larlgrangian分析方法，在理論分析和基于速率的數(shù)值模擬本構(gòu)模型之間執(zhí)行檢驗(yàn)分析并建立拉氏分析和ZWT定量分析的傳統(tǒng)拉朗日分析方法。錢(qián)七虎、戚承志等[7]從理論上研究了巖石強(qiáng)度對(duì)拉伸速度的依賴(lài)性及其機(jī)理，即莫爾庫(kù)倫標(biāo)準(zhǔn)，并考慮了強(qiáng)度對(duì)拉伸速度的依賴(lài)性、廢料尺寸與巖體拉伸速度之間的關(guān)系。討論了幾個(gè)關(guān)于時(shí)間的誤差標(biāo)準(zhǔn)，闡明了它們之間的內(nèi)在關(guān)系，最后在幾個(gè)地方解釋討論了動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論的應(yīng)用。

1.2 應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律研究

對(duì)應(yīng)力波在巖石介質(zhì)中的傳播和阻尼定律的研究認(rèn)為，爆炸波對(duì)地下工程和建筑物的損害很小，減少了爆炸波對(duì)地下工程和建筑物的破壞。

因此，研究應(yīng)力波在巖土介質(zhì)中的傳播和衰減對(duì)國(guó)防建設(shè)方面和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的意義是十分巨大的。王占江等[8]在花崗巖上進(jìn)行了1kg～150kg TNT系列連續(xù)爆炸的模擬試驗(yàn)。

與核爆炸試驗(yàn)所得出的結(jié)論相對(duì)比的話(huà)，化學(xué)爆炸試驗(yàn)中的電壓波下降得更快。

原因是一個(gè)小的爆炸性定量爆炸將應(yīng)力波傳播到整個(gè)巖石上，有人指出，這種情況下大量破裂的張波展開(kāi)對(duì)巖體狀況更為敏感,從粒子速度的實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)換出的應(yīng)力比直接實(shí)測(cè)值能更好地反映巖體的張波展開(kāi)狀態(tài)。

1.3 巖石聲學(xué)特征研究

通過(guò)使用聲學(xué)方法在研究巖石的物理和力學(xué)特性方面的應(yīng)用是聲學(xué)與巖石力學(xué)之間重疊所得到的結(jié)論。席道瑛、蔡忠理[9]對(duì)于巖石在單軸壓縮下巖石的聲學(xué)性質(zhì)以及波速與應(yīng)力在單軸壓縮下的關(guān)系進(jìn)行了細(xì)致的研究。

1.4 爆破效應(yīng)與破巖機(jī)理研究

王明洋等[4]在研究爆破和采石的影響時(shí)是基于有關(guān)輻射會(huì)對(duì)巖石破裂造成影響的研究領(lǐng)域中作出的，調(diào)查巖體中的爆炸和沖擊破壞，以及巖體中爆炸和沖擊所導(dǎo)致的變形和破壞的實(shí)際過(guò)程，是在微觀的物理和中觀物理原理基礎(chǔ)上來(lái)建立統(tǒng)一的并與逐步發(fā)展的物理原理相結(jié)合。

1.5 數(shù)值分析與數(shù)值計(jì)算

動(dòng)態(tài)有限元方法在中國(guó)的發(fā)展研究于1970年初開(kāi)始，其應(yīng)用背景是基于核爆炸和化學(xué)爆炸的技術(shù)效果。盧文波、旭浩等[10]在研究過(guò)程中利用了大型有限元計(jì)算軟件LSDYNA，對(duì)柱狀裝藥的爆破過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值的模擬實(shí)驗(yàn)，將數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與利用Starfield疊加法得到的柱狀裝藥爆破漏斗參數(shù)的理論解進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了：逆向起爆的破壞效果是最好的，正向起爆的破壞效果是最差的。近十年來(lái)數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬都經(jīng)歷了前所未有的發(fā)展。

1.6 巖爆與沖擊地壓機(jī)理研究

潘一山[11]在根據(jù)對(duì)中國(guó)巖爆分布和沖擊地壓布局研究的基礎(chǔ)上，將巖爆分為了幾個(gè)基本類(lèi)型，例如煤體壓縮型、頂板破裂型和斷層錯(cuò)動(dòng)型三個(gè)基本形式，分別對(duì)其發(fā)生的狀態(tài)和條件進(jìn)行研究，提出預(yù)防和控制沖擊地壓的措施。注水、減壓輻射、機(jī)械振動(dòng)會(huì)改變碳素體的性質(zhì)，導(dǎo)致巖石破裂，從而改變煤層的特性。

通過(guò)消除自由層、高壓水噴流鉆孔和自由煤柱衰減，修復(fù)措施可以防止壓縮型崩塌，設(shè)置碳柱改變頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)則，防止頂板型巖爆，限制誤差運(yùn)動(dòng)，防止了錯(cuò)誤的鎖定爆裂和其他目標(biāo)控制措施。

除此之外還有不少研究工作者是將巖石破碎和在我國(guó)容易發(fā)生巖爆的礦山結(jié)合在一起，得出了系統(tǒng)且富有成果的研究。

1.7 巖石動(dòng)力學(xué)在工程中的應(yīng)用

巖石動(dòng)力學(xué)最為核心的研究主題也就是安全防護(hù)和地震方面技術(shù)的研究。隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)力量的快速發(fā)展，巖石力學(xué)研究的成果在許多方面都會(huì)用到，比如巖土工程的基礎(chǔ)技術(shù)。

目前我國(guó)在有關(guān)巖土工程中高層，大型，深層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的不間斷的增加，巖土工程的研究成果越來(lái)越多，中國(guó)深層的復(fù)雜的巖土項(xiàng)目正在出現(xiàn)新的研究成果。黃潤(rùn)秋等[12]在研究汶川地震引起的山坡坍塌的機(jī)理，在實(shí)地調(diào)查過(guò)程中表明，導(dǎo)致山體滑坡，松散的原因，除了地震外，還有一個(gè)十分主要的原因是巖體具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)特性，也就是由于強(qiáng)大的動(dòng)力特性，巖體上部巖石會(huì)發(fā)生高速拋擲，從而導(dǎo)致山體出現(xiàn)滑動(dòng)。

他們站在動(dòng)力學(xué)的角度提出了巖體的發(fā)育過(guò)程及其穩(wěn)定性的控制原理。

2 工程爆破中巖石動(dòng)力學(xué)發(fā)展方向展望

工程爆破中巖石動(dòng)力學(xué)的研究和發(fā)展未來(lái)可以集中在巖石動(dòng)力學(xué)和本構(gòu)關(guān)系上。

巖石（體）中應(yīng)力波的傳播與反演，巖石材料的斷裂與破碎，數(shù)值模擬與智能化等方面。