地應力對含裂隙巖體爆破影響分析研究*

岳萬友，李建國，柴修偉，王文科

(1.中鐵大橋局集團 第五工程有限公司，九江 332000；2.武漢工程大學 資源與安全工程學院，武漢 430073)

隨著地表淺部資源開采殆盡，為了適應經(jīng)濟發(fā)展的需求，能源開采呈現(xiàn)全面向深部進軍的趨勢。深部開采地質(zhì)環(huán)境和應力環(huán)境的復雜性不同于地表淺部，諸多學者和專家從理論分析、數(shù)值模擬和實驗等方面開展了地應力對開采過程中影響研究，戴俊等通過理論分析的方法研究對地應力條件下的爆破參數(shù)進行分析推導[1]。陳明等基于地應力下的爆炸產(chǎn)生的爆生裂隙，認為地應力對生成爆生裂隙有顯著影響[2]。褚懷保等應用斷裂力學、損傷力學理論對煤體在爆破過程中的應力波、爆生氣體、瓦斯壓力作用過程進行深入分析[3]。王立武等研究深部圍巖在爆炸載荷或卸荷下的損傷特性，認為側(cè)壓力系數(shù)增加抑制圍巖損傷破壞[4]。魏晨慧等對地應力條件下切縫藥包爆破進行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)地應力與切縫的方向關系對裂紋擴展有較大的的影響[5]。郭雙等基于DDA 對雙向等壓和不等壓應力條件下的爆破模型進行分析[6]。楊建華等采用SPH+FEM耦合算法，研究了初始應力場對爆破巖石開裂地震波能量的影響，同時基于應力場研究了雙孔爆破的裂紋傳播和貫通情況以及炮孔周圍的應力場情況[7,8]。陳洋等通過試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方法對在應力場作用下的巖石爆破應變特征進行分析[9]。蔡濟勇等應用數(shù)值模擬方法對地應力下巖石爆破的頻率特性進行分析[10]。李新平等對地下深部工程中掏槽爆破過程中的應力波進行研究分析[11]。李蕭翰等分析在不同地應力下的爆破，認為不同側(cè)壓力系數(shù)對于巖石水平和垂直質(zhì)點振動速度不同[12]。肖正學等對幾種材料在不同初始應力下進行室內(nèi)試驗和礦山爆破實驗，認為初始應力場改變裂紋發(fā)展方向和應力波傳播規(guī)律[13]。劉殿書等通過光彈實現(xiàn)方法研究初始地應力對應力波形傳播過程的影響[14]。譚卓英等進行實地測量，揭示了斷層附近處地應力場特性[15]。張西良等對不同深度下的巖體開展不同圍壓實驗研究其對爆破損傷范圍[16]。

上述研究發(fā)現(xiàn)，在地應力作用下對含裂隙的巖體進行爆破動力分析有待于更細致的研究，可為深部開采穿越高應力破碎帶提供理論指導。

1 爆生氣體和應力波綜合作用理論

理論認為爆生氣體理論和應力波理論是相輔相成的，體現(xiàn)在爆炸不同的階段。爆轟波使巖體產(chǎn)生初始的巖體徑向和環(huán)向裂隙，爆生氣體楔入裂隙對裂隙進行膨脹做功，促進裂隙進一步擴展與環(huán)向裂隙溝通交錯切割巖體，進一步切割的巖體在爆生氣體的膨脹壓力下飛出槽腔。這表明裂隙在巖土爆破過程的重要性，不論是巖土爆破過程中產(chǎn)生的徑向、環(huán)向裂隙還是原生存在于巖土體內(nèi)的裂隙，都會在裂紋面尖端產(chǎn)生極強的應力集中，這有助于在爆生氣體楔入使得裂紋進一步擴展，以及在裂紋面處應力波產(chǎn)生反射、透射破壞作用等。根據(jù)斷裂力學原理在巖土爆破過程中裂紋尖端的應力場受到應力強度因子的影響，而應力強度因子受控于巖體的應力場，不同的應力場對其裂紋尖端應力強度影響不同。

2 含裂隙巖體破壞數(shù)值模擬

2.1 模型建立

結(jié)合某礦山基建巷道掘進工程的基本情況，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立基于地應力的含裂隙巖體爆破模擬數(shù)值模型，為了便于分析研究，將模型簡化為平面應變模型，采用cm-g-μs基本單位制。模型具體尺寸為80 cm×80 cm×0.25 cm(分別對應長(X)、寬(Y)、高(Z))，裂縫尺寸為60 cm×1 cm×0.25 cm分別對應長(Y)、寬(X)、高(Z))，如圖1所示。本模型中，巖石選用Lagrange網(wǎng)格,空氣和炸藥材料選用Euler網(wǎng)格，通過關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來實現(xiàn)各部分物質(zhì)的相互作用。模型建立分兩部分完成：隱式分析+顯式分析。隱式分析：1)單元類型采用SOLID185；2)模型左側(cè)和下側(cè)施加位移約束；3)上部和右側(cè)施加壓力荷載；4)由于用的是平面應變模型，因此，在厚度方向施加Z方向位移約束。顯式分析：1)空氣和炸藥模型施加無反射邊界條件以有限域模擬無限空間；2)厚度方向施加Z方向位移約束。模型材料采用2號巖石乳化炸藥參數(shù)如表1所示，石灰?guī)r巖石的力學參數(shù)如表2所示。

表 1 炸藥參數(shù)Table 1 Explosive parameters

表 2 巖石力學參數(shù)Table 2 Rock mechanical parameters

圖 1 單元應力監(jiān)測點示意圖Fig. 1 Schematic diagram of unit stress monitoring points

2.2 含裂隙巖體數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

2.2.1 雙向等壓分析

圖2中20-20、40-40、60-60(a)圖是0時刻的應力云圖，可從炮孔周圍附近和裂隙附近尤其是裂紋兩端，看出模型在地應力作用下的應力集中程度，同時發(fā)現(xiàn)隨著預應力的加大巖體發(fā)生了變形，其中60-60的圖(a)受到的夾制作用最大。圖2中20-20、40-40、60-60(b)圖是50 μs后的應力云圖，可以發(fā)現(xiàn)在應力波的作用下20-20中的(b)圖炮孔周圍以及裂紋周圍破壞最為劇烈。

注：20-20、40-40、60-60分別為豎向應力20、40、60和水平應力20、40、60，單位：MPa圖 2 各向等壓應力云圖Fig. 2 Cloud diagram of isostatic stress in all directions

巖土爆破中，地質(zhì)裂隙、弱面等改變巖石物理性質(zhì)也影響炸藥和巖石的相互作用過程，為了研究爆炸應力波和地應力對含有裂隙的巖體的影響，現(xiàn)引入3條測線，分別布置在炮孔右側(cè)和裂隙左側(cè)(測線1)、裂隙右側(cè)區(qū)域(測線2)以及炮孔左側(cè)區(qū)域(測線3)。最后應用Lsprepost軟件對獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理。

圖3(a)、(b)、(c)分別是對炮孔左側(cè)測線、炮孔右側(cè)和裂隙左側(cè)測線以及裂隙右側(cè)的三條側(cè)線上的應力進行的分析。

注：20-20、30-40分別表示水平壓力是20 MPa、豎向壓力是20 MPa，水平壓力是40 MPa、豎向壓力是30 MPa，也即是側(cè)壓系數(shù)分別為1和1.33，其它的參數(shù)意義據(jù)此依次類推。為了便于描述，在圖3中，左側(cè)圖表正值反映的是單元的壓應力。右側(cè)圖表正值反映的是拉應力負值反應的是壓應力。圖 3 雙向等壓模型單元應力分析Fig. 3 Stress analysis of bidirectional isobaric model element

圖3(a1)表明在爆破過程中，壓力僅在炮孔附近和裂隙附近較大，在該條測線上其它單元應力沒有隨圍壓增加有顯著的提升，測線上的單元應力曲線呈現(xiàn)凹型。在臨近裂隙處壓應力逐漸增大且地應力越大壓應力越大，壓應力較大主要原因是此處屬于爆炸應力波、地應力還有裂隙的共同作用區(qū)，裂隙的存在對能量起到阻隔限制作用；圖3(a2)表明，圍壓為20 MPa時的工況拉應力明顯大于圍壓是40 MPa和圍壓是60 MPa應力工況，再結(jié)合圖3(a1)可得，在炮孔附近隨圍壓增加拉應力逐漸減小而壓應力絕大部分區(qū)域沒有大的提升。

圖3(b1)表明在爆破過程中，圍壓的增加與單元體壓應力的增加呈現(xiàn)正相關關系，靠近裂隙處的應力不為0，即自由面處的應力不為0，這種現(xiàn)象與應力狀態(tài)相關，此處應力狀態(tài)是三部分組成：圍壓(預應力)+爆炸應力波的透反射+應力集中，故應力較大。圖3(b2)表明圍壓的增加與拉應力呈現(xiàn)負相關關系且低圍壓下的拉應力明顯大于高圍壓下的拉應力。

圖3(c1)表明在爆破過程中，炮孔左側(cè)的單元壓應力在三種圍壓的情況下其衰減規(guī)律保持一致。不同圍壓下的單元壓力最小值是模型邊界處施加的圍壓值，這與爆破應力波的傳播規(guī)律有關，距離爆心越遠，炸藥爆炸對介質(zhì)做功越小。對比發(fā)現(xiàn)測線上的單元都有不同程度的震蕩特征，這與爆炸應力波在預應力場中的傳播有關。圖3(c2)表明在爆破過程中，隨著圍壓的增大單元受壓應力的比例較大，符合在爆破過程中期望巖石所受拉應力大和壓應力小的情況，這與巖石具有抗壓不抗拉的物理性質(zhì)有關。

結(jié)合圖3(a)、圖3(b)、圖(c)，在巖土爆破過程中，圍壓的增加顯著的提高單元的拉應力而單元的壓應力并未顯著的提升，圍壓越大在爆破過程中壓應力對單元破壞做功越明顯，這顯然不符合爆破工程實踐的要求。

2.2.2 雙向不等壓分析

圖4中30-20、30-40、30-60中(a)圖均是0時刻的應力云圖，從炮孔周圍和裂紋兩端附近兩個方面研究地應力作用下的應力集中程度，發(fā)現(xiàn)隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，巖體的變形加大，在30-60的圖(a)受到的預應力作用最為明顯。圖4中30-20、30-40、30-60的(b)圖是50 μs后的應力云圖，發(fā)現(xiàn)在應力波的作用下30-60中的(b)圖炮孔周圍以及裂紋周圍破壞程度最為劇烈。隨著應力波的傳播發(fā)現(xiàn)圖(c)、(d)的應力云圖亦符合上述情形，炮孔附近破壞范圍和裂隙處的破壞程度均較劇烈。

注：30-20、30-40、30-60分別為豎向應力30、30、30和水平應力20、40、60，單位：MPa圖 4 不等壓工況應力云圖Fig. 4 Stress cloud diagram under unequal pressure conditions

圖5(d)、(e)、(f)分別是在不同圍壓下對炮孔左側(cè)測線，炮孔右側(cè)、裂隙左側(cè)和炮孔右側(cè)、裂隙右側(cè)的三條側(cè)線上的單元應力進行分析。

對于圖5(d1)、(e1)、(f1)為3條不同圍壓下不同測線的單元壓應力曲線，可以發(fā)現(xiàn)測線1和測線3處的壓應力曲線形態(tài)與等圍壓情況基本一致，在測線2處，在距離裂隙一定距離處均出現(xiàn)不同程度的應力下降，這顯然與側(cè)壓力有關且側(cè)壓力系數(shù)越小其值較小，與各向等圍壓形成鮮明對比。

對于圖5(d2)、(e2)、(f2)為3條不同圍壓下不同測線的單元壓應力曲線，可以發(fā)現(xiàn)測線2和測線3處的壓應力的曲線形態(tài)與等圍壓情況基本一致。在不等壓情況下，發(fā)現(xiàn)測線1處出現(xiàn)圍壓為30-40(側(cè)壓系數(shù)為1.33)的單元拉應力大于圍壓為30-20(側(cè)壓系數(shù)為0.67)單元的拉應力的情況。表明在爆破過程中，不同側(cè)壓系數(shù)以及裂隙對圍巖形成的的應力狀態(tài)與各向等壓工況有所不同。

圖 5 雙向不等壓模型單元應力分析Fig. 5 Element stress analysis of bidirectional unequal pressure model

3 結(jié)論

在深部開采爆破過程中，含裂隙巖體有助于爆生氣體楔入使得裂紋進一步擴展。通過分析裂隙巖體爆生氣體和應力波作用特性，采用有限元軟件進行數(shù)值模擬計算，得出地應力場作用下裂紋體對爆炸應力波的影響規(guī)律，在各向等壓和各向不等壓地應力場下的裂紋體對爆炸應力波影響的兩種情形進行細致的分析和研究。

(1)在各向等壓地應力場的環(huán)境下，隨著圍壓的增加導致單元的拉應力有所降低而單元的壓應力并未得到顯著的提升。

(2)在各向等壓下的地應力場下，在裂隙右側(cè)與圍巖之間且靠近裂隙的局部區(qū)域單元壓應力達到該測線的峰值且壓應力隨圍壓增大而增大。

(3)在各向不等壓的地應力場下，當測壓系數(shù)為1.33時，在炮孔與裂隙之間測線單元拉應力達到了峰值。