充-巖界面耦合體爆破動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理*

胡建華，張 濤，丁嘯天，溫觀平，文增生，郭萌萌

（1. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.山東華聯(lián)礦業(yè)股份有限公司，山東 淄博255000）

充填采礦法能最大限度地回收礦產(chǎn)資源，保護(hù)地下、地表環(huán)境，被廣泛運(yùn)用于地下礦產(chǎn)資源開采[1-4]。充填體強(qiáng)度一般為0～10 MPa[5-6]，與相鄰間柱或頂?shù)装宓V巖耦合形成特殊的結(jié)構(gòu)體，主要起到控制地壓、防止地表沉降等作用。爆炸應(yīng)力波經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)體時(shí)，將在界面處發(fā)生多重透、反射現(xiàn)象，加劇界面處的破壞，為二步驟開采的采場(chǎng)帶來安全隱患[7-8]。

對(duì)不同介質(zhì)間應(yīng)力波傳播規(guī)律及損傷情況的研究較多，李夕兵等[9]給出了一種求解應(yīng)力波在層狀礦巖結(jié)構(gòu)中傳播效應(yīng)的算法—等效波阻法，該方法可以用來計(jì)算不同波形瞬態(tài)應(yīng)力波通過各種夾層后的透射波形式和能量傳遞效果[10]。應(yīng)力波在節(jié)理、斷層和層面等不連續(xù)面巖體中傳播，主要有兩種不同的理論研究方法：位移不連續(xù)法[11-12]和等效介質(zhì)法[13-14]。Li 等[15]提出了平行節(jié)理巖體的等效黏彈性介質(zhì)模型，該模型能用來有效地分析具有平行節(jié)理的不連續(xù)介質(zhì)中縱波的傳播規(guī)律。Ma 等[16]進(jìn)一步發(fā)展了等效黏彈性介質(zhì)方法，并對(duì)等效黏彈性介質(zhì)法的參數(shù)進(jìn)行了解析求解。楊立云等[17]采用超高速圖像試驗(yàn)系統(tǒng)分析了爆炸應(yīng)力波在含節(jié)理結(jié)構(gòu)試件中的傳播，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波遇到層理后會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，導(dǎo)致入射波和反射波疊加形成較強(qiáng)的應(yīng)力集中區(qū)，并沿著層理向兩端擴(kuò)展。楊仁樹等[18]利用霍普金森壓桿對(duì)層狀復(fù)合巖樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，揭示了復(fù)合巖體的動(dòng)力學(xué)特性、破壞特征和能量耗散規(guī)律。包會(huì)云[19]采用C61非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)試了多種層狀巖石試樣的波速，探究了巖石波速與節(jié)理角度、巖石密度之間的關(guān)系。武仁杰等[20]同樣利用霍普金森壓桿對(duì)不同層理傾角的試樣進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，得到不同層理傾角下層狀巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度特性與宏觀破壞模式。劉婷婷等[21]采用二維離散元程序UDEC(universal distinct element code)研究了應(yīng)力波在含一組平行充填節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律，探究了充填材料、厚度等因素對(duì)應(yīng)力波折、反射的影響。李秀虎等[22]利用LS-DYNA 軟件對(duì)不同數(shù)量、寬度與充填強(qiáng)度的節(jié)理巖體爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了節(jié)理對(duì)巖體中應(yīng)力波與爆炸能量傳播特性的影響。孫寧新等[7]采用LS-DYNA 軟件研究了含軟弱夾層的巖體爆炸應(yīng)力波的傳播過程，探究了軟弱夾層厚度、位置及角度對(duì)爆炸應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律。

對(duì)于充填體和圍巖構(gòu)成的耦合體，朱鵬瑞等[23]理論分析了爆破動(dòng)載下膠結(jié)充填體的力學(xué)特性，推導(dǎo)了相鄰礦柱爆破對(duì)充填體產(chǎn)生的拉應(yīng)力計(jì)算公式，并利用ANSYS/LS-DYNA 軟件建立了邊孔爆破數(shù)值模型，探究了爆破對(duì)充填體及礦巖結(jié)構(gòu)面的影響。劉志祥等[24]分析了爆炸應(yīng)力波在充填體界面的傳播規(guī)律，對(duì)動(dòng)載作用下充填體的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王振昌[25]研究了二步回采作用下充填體及圍巖的爆破損傷特性。針對(duì)充-巖耦合體的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，特別是在不同的界面條件、充填體力學(xué)特性和起爆方式的差異性研究上，仍存在機(jī)制不清、規(guī)律不明的現(xiàn)象。

基于上述，本文中擬采用顯式動(dòng)力分析軟件ANSYS/LS-DYNA，建立充-巖耦合體動(dòng)力仿真模型，探究結(jié)構(gòu)面特征、充填體力學(xué)特性和起爆方式等因素變化對(duì)界面耦合體動(dòng)載破壞的影響，分析不同工況下爆破擾動(dòng)對(duì)界面耦合體的影響規(guī)律，探討爆破沖擊對(duì)界面耦合體的作用機(jī)理。

1 模型構(gòu)建

1.1 物理模型

1.1.1幾何模型構(gòu)建

模型背景依托山東華聯(lián)礦業(yè)股份有限公司臥虎山礦的預(yù)控頂分段鑿巖分段出礦嗣后充填采礦法采場(chǎng)，采場(chǎng)階段高度為50 m，分段高度為12.5 m，預(yù)控頂鑿巖硐室高度為4.5 m。在階段內(nèi)沿走向分條帶交替布置礦房和礦柱，礦房采用間隔回采、嗣后充填的方式進(jìn)行開采。礦房長度為礦體的厚度，即礦房長度為50～80 m，寬度為12.5 m。礦山實(shí)際生產(chǎn)過程中炮孔布置參數(shù)及所采用的炮孔布置如表1、圖1 所示。

表1 炮孔布置參數(shù)Table 1 Parameters of blasting hole arrangement

圖1 炮孔布置Fig.1 Arrangement of blasting holes

1.1.2耦合界面簡化

伸長率R表達(dá)式為:

式中：L0為剖面的水平距離，L為剖面線的曲線長度。

相對(duì)起伏度Rr表達(dá)式為:

式中：Ra為剖面絕對(duì)起伏度。

根據(jù)文獻(xiàn)[26]，結(jié)構(gòu)面剖面常區(qū)分為平直形、波浪形和鋸齒形。這3類剖面其結(jié)構(gòu)面JRC值與剖面相對(duì)起伏度Rr和伸長率R的回歸方程如下。

根據(jù)上述JRC計(jì)算方法，為簡化耦合界面形狀，將耦合界面簡化成表2中的3種情況，其中波浪形界面和鋸齒形界面的凸起分別為底邊長0.4 m、高度為0.1 m 以及底邊長0.8 m、高度為0.4 m 的等腰三角形。

表2 耦合界面形態(tài)及對(duì)應(yīng)節(jié)理粗糙度Table 2 Coupling interface morphologies and the corresponding joint roughness coefficients

1.1.3模型確定

采場(chǎng)爆破采用垂直布孔的方式，孔間平行，為提高計(jì)算效率，將采場(chǎng)三維模型簡化成垂直于炮孔的平面模型。在礦山實(shí)際生產(chǎn)過程中，3排炮孔一次起爆，按實(shí)際工況應(yīng)建立3×3共9個(gè)炮孔的起爆模型，考慮到軟件的計(jì)算效率，將模型拆分簡化成一排和兩幫兩種方式。針對(duì)某一排炮孔而言，將其簡化成單排炮孔模型；針對(duì)整體3排炮孔，考慮到起爆是從第1排逐漸向第3排推進(jìn)，且由于臨近耦合界面的炮孔起爆對(duì)界面影響最大，因此將其簡化成靠近界面的兩幫炮孔模型。所建立的模型及網(wǎng)格示意如圖2～3所示。

圖2 物理模型(以單排炮孔模型為例）Fig. 2 The physical model (taking thesingle-row blasting hole model as an example)

圖3 網(wǎng)格劃分（以兩幫炮孔模型為例)Fig.3 Grid division (taking the edge blasting hole model as an example)

需要說明的是，兩種模型忽略了多排炮孔同時(shí)起爆時(shí)爆炸沖擊波之間的疊加作用，模擬結(jié)果理論上比實(shí)際結(jié)果弱，但整體上呈現(xiàn)出來的裂隙擴(kuò)展方式、擴(kuò)展規(guī)律等方面可為現(xiàn)場(chǎng)提供參考，便于分析不同因素和工況下爆破擾動(dòng)對(duì)界面耦合體的影響。

1.2 材料參數(shù)

炸藥和空氣采用多物質(zhì)ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)算法，其整體與巖石和充填體材料間采用流固耦合算法，其中空氣作為耦合介質(zhì)，將炸藥爆炸所產(chǎn)生的力傳遞給巖石。

1.2.1炸藥材料

炸藥采用8號(hào)材料MAT_HIGH_EXPOLOSIVE，材料參數(shù)如表3所示，逐孔起爆孔間延期為5 ms，炸藥狀態(tài)方程（Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程）如下：

表3 炸藥材料及JWL狀態(tài)方程參數(shù)Table3 Parameters for explosive materials and JWL equation of state

式中：p為由JWL狀態(tài)方程定義的爆轟壓力，V為相對(duì)體積，E為初始比內(nèi)能，A、B、R1、R2、ω 為描述JWL 狀態(tài)方程的5個(gè)獨(dú)立參數(shù)[29-30]。

1.2.2巖石和充填體材料

采用具有運(yùn)動(dòng)硬化特性的彈塑性動(dòng)態(tài)破壞本構(gòu)模型來模擬爆炸高應(yīng)力下的巖石響應(yīng)情況，同時(shí)引入MAT_ADD_EROSION 關(guān)鍵字觀察微裂隙生成情況，并按照拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則對(duì)破壞條件進(jìn)行限定，巖石與充填體材料參數(shù)如表4所示[31-33]。

表4 巖石和充填體材料參數(shù)Table 4 Parameters for rocksand filling materials

2 結(jié)果分析

2.1 爆破作用對(duì)界面耦合體的損傷機(jī)理

2.1.1爆破致裂時(shí)空演化規(guī)律

以養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7天的平直形界面耦合體為例，起爆過程的應(yīng)力以及裂隙的時(shí)空演化過程如圖4所示。

由圖4可知，第1 個(gè)炮孔起爆后，爆炸應(yīng)力波經(jīng)過1.5 ms到達(dá)耦合界面，在穿過耦合界面時(shí)，由于界面兩側(cè)的物質(zhì)材料不同，應(yīng)力波會(huì)產(chǎn)生不同程度的透射與反射現(xiàn)象，造成一定程度的衰減。第1個(gè)炮孔距界面較遠(yuǎn)，故起爆后對(duì)界面的擾動(dòng)較小，未在界面處產(chǎn)生明顯裂隙。第2個(gè)炮孔在5.0 ms時(shí)起爆，在爆炸應(yīng)力波的作用下同樣產(chǎn)生粉碎區(qū)以及徑向裂隙，但此時(shí)炮孔距界面較近，爆破帶來的擾動(dòng)對(duì)界面產(chǎn)生了顯著影響，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生了由應(yīng)力波剪切作用導(dǎo)致的沿界面的裂隙以及由拉伸作用導(dǎo)致的伸向充填體內(nèi)部的裂隙。第3個(gè)炮孔起爆過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展界面處已有裂隙，最終生成的爆破裂隙圖如圖4(h)所示。

圖4 爆破應(yīng)力云圖（以7 d 齡期的平直形界面耦合體為例）Fig.4 Blasting stress nephograms (taking the 7-day-agecoupling body with a flat interface as an example)

2.1.2XY方向應(yīng)力時(shí)程曲線

在模型中設(shè)置2條監(jiān)測(cè)線，每條監(jiān)測(cè)線上等距布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)按順序記為1～8。針對(duì)2種模型，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4布置方式不變，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5～8布置方式的差異是便于在分析時(shí)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4進(jìn)行對(duì)比。后續(xù)時(shí)程曲線分析均采用此監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式示意Fig.5 Layout of monitoring points

采用兩幫炮孔模型，以7 d 齡期平直形界面耦合體為例，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)XY方向的應(yīng)力時(shí)程曲線對(duì)比如圖6所示。在模擬的均質(zhì)巖體內(nèi)，爆炸應(yīng)力波是以炮孔為中心向四周呈放射狀傳播，體現(xiàn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)點(diǎn)5應(yīng)力時(shí)程曲線形狀類似。但監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的峰值拉、壓應(yīng)力較監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的大，表明耦合界面對(duì)應(yīng)力波的傳播存在影響。這是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)1更接近耦合界面右側(cè)的充填體，相較于巖體，充填體力學(xué)性能弱，因此爆炸應(yīng)力波傾向于朝力學(xué)性能弱的一側(cè)發(fā)展，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)點(diǎn)5應(yīng)力波峰值的差異。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2與監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的應(yīng)力時(shí)程曲線差異較大，在LS-DYNA 中監(jiān)測(cè)應(yīng)力是以體單元的形式進(jìn)行，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2實(shí)際位于充填體內(nèi)，受到的拉壓擾動(dòng)較小，應(yīng)力峰值不超過1 MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在XY方向應(yīng)力值幾乎為零，而處于對(duì)稱位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)7受到的拉、壓應(yīng)力較大，峰值壓應(yīng)力達(dá)到3 MPa。由監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、6與監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、7的時(shí)程曲線對(duì)比圖易知耦合界面會(huì)吸收大部分應(yīng)力波能量，削弱應(yīng)力波對(duì)充填體的拉、壓作用。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4的應(yīng)力時(shí)程曲線存在明顯的先后關(guān)系，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的峰值應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間滯后于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，體現(xiàn)了應(yīng)力波的傳播過程，且總體上監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)力峰值低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，表明爆炸應(yīng)力波隨距離增大而逐漸衰減。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線對(duì)比（以7 d 齡期的平直形界面耦合體為例）Fig.6 Comparison of stress-time curvesat the monitoring points(taking the7-day-age coupling body with a flat interfaceasan example)

2.1.3加速度時(shí)程曲線

采用兩幫炮孔模型，同樣以7 d 齡期充填體平直形界面耦合體為例，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線對(duì)比如圖7 所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和5的加速度時(shí)程曲線圖重合，表明爆炸應(yīng)力波在同一介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，處于同一波陣面上的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到的動(dòng)力擾動(dòng)情況一致。LS-DYNA 中監(jiān)測(cè)加速度能夠以監(jiān)測(cè)點(diǎn)單元的形式進(jìn)行，即此時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)2正好位于耦合界面上，應(yīng)力波在經(jīng)過界面時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的折、反射現(xiàn)象，折射和反射的應(yīng)力波疊加導(dǎo)致界面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值更大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、7的加速度曲線差異說明爆炸應(yīng)力波經(jīng)過耦合界面后迅速衰減，考慮為應(yīng)力波經(jīng)過界面時(shí)損失了大部分能量，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的加速度峰值低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)7的。在充填體中爆炸應(yīng)力波的衰減情況顯著，對(duì)應(yīng)圖7(d)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的加速度峰值較監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的小。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線對(duì)比（以7 d 齡期的平直形界面耦合體為例）Fig.7 Comparison of acceleration-timecurves at the monitoring points(taking the 7-day-age coupling body with a flat interface as an example)

2.2 不同粗糙度對(duì)耦合界面爆破損傷影響

2.2.1裂隙擴(kuò)展

圖8為爆破后3種不同粗糙度界面耦合體的裂隙擴(kuò)展情況。對(duì)于單排炮孔，平直形耦合界面主要產(chǎn)生沿耦合界面的裂隙和垂直于耦合界面的裂隙，此時(shí)的力學(xué)作用以拉、壓、剪為主。而波浪形和鋸齒形耦合界面主要產(chǎn)生沿耦合界面的裂隙和切齒裂隙兩種，垂直于耦合界面向充填體內(nèi)部延伸的裂隙僅在鋸齒形耦合界面的2個(gè)齒中存在，且延伸長度較小，此時(shí)的力學(xué)作用以壓、剪為主。

圖8 不同粗糙度耦合界面爆破裂隙對(duì)比（以采用不同炮孔模型逐孔起爆的7 d 齡期界面耦合體為例）Fig.8 Comparison of blasting cracksat different roughness coupling interfaces (taking the 7-day-ageinterface coupling body detonated hole by hole based on different blasing holemodelsas an example)

對(duì)于兩幫炮孔，3種不同粗糙度的耦合界面在第1 個(gè)炮孔起爆后就可產(chǎn)生沿界面的裂隙，并貫通整個(gè)模型。第2個(gè)炮孔和第3個(gè)炮孔爆破產(chǎn)生的碎石使得爆破裂隙進(jìn)一步閉合，并產(chǎn)生剪切作用。而耦合面處的剪切性能與界面參數(shù)如齒高、齒寬有關(guān)，所以不同粗糙度耦合界面的剪切性能不同，從而導(dǎo)致耦合界面受損程度的差異。相較于單排炮孔，兩幫炮孔距耦合界面更近，因此充填體受擾動(dòng)情況更加顯著，導(dǎo)致3種不同粗糙度的界面上都會(huì)產(chǎn)生更明顯的深入充填體內(nèi)部的裂隙。

分析裂隙擴(kuò)展圖可知，對(duì)于同種炮孔模型，粗糙度更大的鋸齒形耦合界面受損程度相對(duì)較低，故認(rèn)為在一定程度上提高界面粗糙度會(huì)降低其損傷程度。

2.2.2峰值應(yīng)力

表5為不同粗糙度界面耦合體的1～4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值拉應(yīng)力數(shù)值對(duì)比，其中界面耦合體養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，起爆方式為同時(shí)起爆。

表5 不同粗糙度界面耦合體監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4峰值拉應(yīng)力Table 5 Peak tensile stressat monitoring points 1?4 in the interface coupling bodies with different roughnesses

由表5可知，對(duì)于單排炮孔，cjr=0的耦合界面在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處受到的拉應(yīng)力峰值較大，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)2～4 處拉應(yīng)力峰值為零。cjr=8的耦合界面在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處拉應(yīng)力峰值較cjr=0界面的小，但其在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處仍受到較大的拉應(yīng)力作用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4處受到的影響較小。cjr=20的耦合界面在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的應(yīng)力峰值最小，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2～4 處受到的拉應(yīng)力峰值較小。分析可知：在界面JRC值由0提高至8的過程中，界面處受到的沖擊波力學(xué)作用增強(qiáng)；JRC值由8提高至20的過程中，界面處受到的沖擊波力學(xué)作用減弱。在模擬的3種JRC值耦合界面中，cjr=20的耦合界面受到的拉應(yīng)力最小，可以推測(cè)出提高界面JRC值，界面處受力情況呈先上升后下降的趨勢(shì)。這種變化趨勢(shì)在兩幫炮孔模型的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值拉應(yīng)力對(duì)比中呈現(xiàn)得更明顯。

2.3 不同齡期充填體耦合界面爆破損傷分析

2.3.1裂隙擴(kuò)展

不同齡期充填體耦合界面在受到爆破擾動(dòng)后產(chǎn)生的裂隙如圖9～10所示。對(duì)于單排炮孔，28 d 齡期充填體耦合界面受爆破擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙范圍更小，且主要為沿耦合界面的裂隙，僅在鋸齒形界面中觀察到存在向充填體內(nèi)部延伸的裂隙，考慮為隨充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長，粗糙度更大的界面力學(xué)性能更強(qiáng)，導(dǎo)致爆破不足以產(chǎn)生沿界面的貫通裂隙，從而使剩余爆生氣體膨脹產(chǎn)生伸向充填體內(nèi)部的拉伸裂隙，這屬于模擬中遇到的偶然現(xiàn)象，當(dāng)爆生氣體足以產(chǎn)生沿界面的貫通裂隙時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生伸向充填體內(nèi)部的裂隙。對(duì)于兩幫炮孔，兩種不同齡期充填體耦合界面的損傷呈現(xiàn)出與單排炮孔相同的規(guī)律，同時(shí)28 d 齡期充填體耦合界面并未產(chǎn)生明顯的向充填體內(nèi)部延伸的裂隙，表明在兩幫炮孔起爆時(shí)，耦合界面主要受到剪切作用。分析裂隙擴(kuò)展圖可知，增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間會(huì)使耦合體受到的損傷減弱，同時(shí)界面破壞逐步從受拉轉(zhuǎn)化成剪切損傷為主。

圖9 不同齡期、不同界面粗糙度界面耦合體爆破裂隙對(duì)比（以基于單排炮孔模型逐孔起爆的界面耦合體為例）Fig. 9 Comparison of blasting cracksin different-ageinterfacial coupling bodies with different interface roughnesses(taking the interface coupling bodies detonated hole by hole based on the the single-row blasting hole model asan example)

2.3.2峰值應(yīng)力

表6為不同齡期界面耦合體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4的峰值拉應(yīng)力數(shù)值對(duì)比，其中界面形態(tài)為平直形界面，起爆方式為同時(shí)起爆。

表6 不同齡期界面耦合體監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4峰值拉應(yīng)力Table6 Peak tensilestress at monitoring points1?4 in different-ageinterface coupling bodies

由表6可知，隨著充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長，不同炮孔模型起爆在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處產(chǎn)生的峰值拉應(yīng)力減小，而在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處峰值拉應(yīng)力數(shù)值略有增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4處的峰值拉應(yīng)力值增大。考慮隨著充填體養(yǎng)護(hù)齡期增長，充填體力學(xué)性能增強(qiáng)，充巖耦合界面處應(yīng)力波折反射程度加劇，導(dǎo)致界面及充填體內(nèi)受到的拉應(yīng)力值增加。

圖10 不同齡期、不同界面粗糙度界面耦合體爆破裂隙對(duì)比（以基于兩幫炮孔模型逐孔起爆的界面耦合體為例）Fig.10 Comparison of blasting cracks in different-age interfacial coupling bodies with different interface roughnesses(taking the interface coupling bodies detonated hole by hole based on the the edge blasting hole model as an example)

2.4 不同起爆方式對(duì)耦合界面爆破損傷分析

2.4.1裂隙擴(kuò)展

圖11～12為不同起爆方式下7 d 齡期充填體的單排和兩幫炮孔爆破裂隙擴(kuò)展圖。對(duì)于單排炮孔，7 d 齡期充填體受到同時(shí)起爆的擾動(dòng)后在界面處產(chǎn)生的裂隙較逐孔起爆少，其中平直形界面更能明顯觀察到這種差異。對(duì)于兩幫炮孔，同時(shí)起爆產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)造成貫通整個(gè)界面的裂隙，而逐孔起爆會(huì)造成伸向充填體內(nèi)部的裂隙，造成充填體受損。綜合分析得出同時(shí)起爆對(duì)界面的擾動(dòng)弱于逐孔起爆的規(guī)律。

圖11 基于單排炮孔模型，不同起爆方式下，界面粗糙度不同的7 d 齡界面耦合體爆破裂隙對(duì)比Fig.11 Comparison of blasting cracks in 7-day-age interface coupling bodies with different interfacial roughnesses detonated by different modes based on the single-row blasting holde model

2.4.2峰值應(yīng)力

表7為不同起爆方式下界面耦合體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4的峰值拉應(yīng)力數(shù)值對(duì)比，其中界面形態(tài)為平直形界面，界面耦合體養(yǎng)護(hù)齡期為7 d。

表7 不同起爆方式下界面耦合體監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4峰值拉應(yīng)力Table7 Peak tensile stressat monitoring points 1?4 in interfacial coupling bodies with different detonation modes

圖12 基于兩幫炮孔模型，不同起爆方式下，界面粗糙度不同的7 d 齡界面耦合體爆破裂隙對(duì)比Fig.12 Comparison of blasting cracks in 7-day-age interface coupling bodies with different interfacial roughnesses detonated by different modesbased on the edge blasting holde model

由表7可知，對(duì)于單排炮孔模型，同時(shí)起爆在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處產(chǎn)生的拉應(yīng)力峰值較逐孔起爆高，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2～4處均小于逐孔起爆；對(duì)于兩幫炮孔模型，同時(shí)起爆在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處拉應(yīng)力峰值都較逐孔起爆低，分析得出界面耦合體在不同起爆方式下受力情況不同，逐孔起爆產(chǎn)生的擾動(dòng)比同時(shí)起爆大，在同等條件下耦合體的充填體部分受到的損傷更大。

3 結(jié) 論

采用顯式動(dòng)力分析軟件ANSYS/LS-DYNA，建立了充-巖耦合體動(dòng)力仿真模型，探討了爆破沖擊對(duì)界面耦合體的力學(xué)作用機(jī)理，探究了結(jié)構(gòu)面特征、充填體力學(xué)性能和起爆方式等因素變化對(duì)界面耦合體受爆破擾動(dòng)下裂隙擴(kuò)展及應(yīng)力波峰值應(yīng)力的影響規(guī)律，得到的結(jié)論如下。

（1）模擬結(jié)果驗(yàn)證了爆炸沖擊會(huì)對(duì)界面耦合體產(chǎn)生拉、壓和剪3種力學(xué)作用，在應(yīng)力波經(jīng)過耦合界面時(shí)，會(huì)發(fā)生不同程度的折射和反射現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力波能量快速衰減等已知規(guī)律。

（2）不同的界面參數(shù)會(huì)影響爆破沖擊對(duì)耦合界面的剪切作用，表現(xiàn)為不同節(jié)理粗糙度的耦合界面產(chǎn)生的主要裂隙類型不同，隨著節(jié)理粗糙度的提高，界面處受力情況呈先上升后下降，整個(gè)耦合體的受損情況降低的規(guī)律。

（3）隨著充填體養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，充填體力學(xué)性能上的提高使得爆破對(duì)其拉伸作用效果明顯減小，耦合面破壞逐步從受拉轉(zhuǎn)化成剪切損傷為主。同時(shí)起爆比逐孔起爆對(duì)耦合界面的擾動(dòng)弱，耦合界面處裂隙擴(kuò)展范圍比逐孔起爆小，且未出現(xiàn)沿齒根斷裂的裂隙，剪切作用被削弱。