高寒區(qū)凍巖爆破機(jī)理分析及力學(xué)特性試驗(yàn)研究

張新河 賈世杰 趙國(guó)強(qiáng)

（1.新疆雪峰科技（集團(tuán)）股份有限公司；2.新疆雪峰爆破工程有限公司）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，在高寒地區(qū)內(nèi)的礦山開采活動(dòng)逐步活躍起來。一般地，高寒地區(qū)具有高海拔、常年低溫、含有凍土層等特點(diǎn)［1-2］，不利于礦山進(jìn)行爆破開采作業(yè)，具體表現(xiàn)為施工困難、爆破設(shè)計(jì)受限、爆破效果難以控制等。

目前，有大量學(xué)者進(jìn)行負(fù)溫狀態(tài)下巖石的物理力學(xué)特性研究［3-4］。趙濤等［5］研究?jī)鼋Y(jié)巖土在多個(gè)負(fù)溫等級(jí)下的力學(xué)特性變化，發(fā)現(xiàn)不同凍結(jié)溫度下孔隙內(nèi)冰、水含量是巖石抗拉和抗壓強(qiáng)度差異巨大的必要因素；李金明等［6］研究了溫度和圍壓對(duì)風(fēng)化花崗巖力學(xué)性能影響規(guī)律，得出負(fù)溫和高圍壓改變巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而提高巖石強(qiáng)度的結(jié)論；楊陽等［7］通過負(fù)溫狀態(tài)下SHPB 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，結(jié)合電鏡掃描砂巖微觀斷口形貌，表明動(dòng)載荷與負(fù)溫雙重作用下紅砂巖內(nèi)部組成物質(zhì)界面處生成大量裂紋，而砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度急劇下降；劉紅軍等［8］利用室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行粉砂質(zhì)黏土路塹邊坡內(nèi)部?jī)鋈谑Х€(wěn)研究，研究表明含水率對(duì)土體的黏聚力及內(nèi)摩擦角影響較大，且凍融循環(huán)作用會(huì)導(dǎo)致土體黏聚力降低；董英健等［9］通過高寒區(qū)爆破振動(dòng)對(duì)邊坡響應(yīng)特征研究，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)態(tài)礦巖內(nèi)部爆破振動(dòng)衰減速率隨著溫度降低而減小，延長(zhǎng)了爆破振動(dòng)對(duì)邊坡作用時(shí)間，從而邊坡底部沉降位移增大等；張功等［10］通過聲發(fā)射研究砂質(zhì)泥巖在凍結(jié)過程中的損傷變化特征，尤其在單軸試驗(yàn)巖石壓密過程中，隨著溫度降低，損傷行為更為明顯；單仁亮等［11］利用多次凍融循環(huán)作用發(fā)現(xiàn)紅砂巖力學(xué)強(qiáng)度及黏聚力逐步減小，且負(fù)溫對(duì)紅砂巖主要產(chǎn)生單破裂剪切破壞；單仁亮等［12］研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度10～-15℃、圍壓0～2MPa 變化時(shí)，飽水紅砂巖三軸抗壓強(qiáng)度與溫度呈指數(shù)關(guān)系，與圍壓呈線性關(guān)系，滿足Mohr準(zhǔn)則；劉瑩等［13］針對(duì)內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)白堊系凍結(jié)巖層，研究不同負(fù)溫下巖石力學(xué)特性，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該地區(qū)進(jìn)行凍結(jié)法施工具有參考價(jià)值。上述研究成果雖說在一定程度上還原了高寒區(qū)的環(huán)境溫度條件，但缺乏相對(duì)全面的力學(xué)試驗(yàn)環(huán)境。

新疆某露天礦區(qū)平均海拔高度為2200m，屬高原大陸性氣候，冬季長(zhǎng)達(dá)8 個(gè)月，最低氣溫達(dá)-30℃，屬于典型的高寒區(qū)。礦區(qū)以白云巖和鐵礦層為主，層理不發(fā)育，巖石致密。為探明負(fù)溫對(duì)巖石物理力學(xué)參數(shù)影響變化規(guī)律，以現(xiàn)有的寒區(qū)凍巖爆破機(jī)理研究為理論基礎(chǔ)，開展靜動(dòng)態(tài)凍巖力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，分析不同負(fù)溫下巖石物理力學(xué)特性變化特征，為寒區(qū)凍巖控制爆破提供相關(guān)的理論參考。

1 高海拔寒區(qū)凍巖爆破機(jī)理分析

1.1 巖石爆破破碎基本理論

巖石在爆破作用下的破碎過程是瞬態(tài)的、復(fù)雜的，伴隨爆生氣體和爆破沖擊波能量的急劇釋放和熱量傳遞。巖石爆破破碎效果受到炸藥性能、巖石特性和爆破性能等多種因素的影響，其中，炸藥性能包括炸藥類型、密度、爆速、猛度、爆力等；巖石特性包括巖石類型、強(qiáng)度、節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)面、阻抗、孔隙度、含水量等；爆破性能包括抵抗線、埋深、藥包直徑、藥量、單耗、溫度、起爆方式等，其復(fù)雜性使得巖石爆破破碎機(jī)理沒有形成系統(tǒng)的理論體系，但目前有3種較為流行的巖石爆破破碎機(jī)理［14～17］：

（1）爆炸應(yīng)力波理論。該理論認(rèn)為巖石破碎的主要原因是炸藥爆炸產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波和反射后的拉伸應(yīng)力波共同作用。炸藥爆炸瞬間會(huì)形成高溫、高壓、高速的沖擊波，沖擊波首先在巖體中引起強(qiáng)烈的壓縮應(yīng)力波，當(dāng)壓縮應(yīng)力波的強(qiáng)度超過巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生破壞。隨著應(yīng)力波的傳遞，當(dāng)它達(dá)到自由面時(shí)，壓縮應(yīng)力波在自由面發(fā)生反射，形成拉伸應(yīng)力波，當(dāng)拉伸應(yīng)力波的強(qiáng)度大于巖石抗拉強(qiáng)度，巖石發(fā)生破壞，隨著應(yīng)力波的傳播，“壓碎”和“片落”現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生，直至應(yīng)力波強(qiáng)度衰減到巖石強(qiáng)度以下。爆生氣體的作用只限于巖石的輔助破碎和拋擲。

（2）爆生氣體膨脹理論。該理論認(rèn)為巖石破碎的主要原因是炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體膨脹對(duì)巖石做功的結(jié)果，其主要表現(xiàn)為巖石的徑向裂紋。藥包爆炸后產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體，其膨脹時(shí)產(chǎn)生的推力作用在巖壁上，巖石質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生徑向和環(huán)向位移，從而形成拉伸和剪切應(yīng)力，引起巖石破碎。

（3）爆生氣體和應(yīng)力波耦合作用理論。該理論認(rèn)為巖石破碎的主要原因是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的耦合作用結(jié)果。爆炸沖擊波產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波和拉伸應(yīng)力波加劇巖體損傷，使巖石產(chǎn)生裂紋，爆生氣體的侵入和膨脹加速了巖石裂紋擴(kuò)展、破碎和巖塊的運(yùn)動(dòng)及拋擲。2 種作用在不用爆破階段和狀態(tài)下發(fā)揮的作用不同，但二者相輔相成，共同造成巖石的破碎。

1.2 高海拔寒區(qū)凍巖爆破機(jī)理分析

巖性與爆破效果密切相關(guān)，高海拔寒區(qū)的低溫環(huán)境使得巖石的巖性發(fā)生了改變。低溫環(huán)境下，巖石中水凍結(jié)成冰的相變過程伴隨著一系列物理和化學(xué)變化，如巖石內(nèi)部的水分前移、裂隙擴(kuò)展，含水量、孔隙大小、礦物成分和巖石結(jié)構(gòu)改變等。此外，寒區(qū)巖土爆破工程上覆凍土層，這使得高海拔寒區(qū)凍巖的爆破機(jī)理更為復(fù)雜。

炸藥在凍結(jié)巖體中爆炸后，當(dāng)埋深很大時(shí)，其爆破作用達(dá)不到自由面，或無法穿透凍土層，爆破作用發(fā)生在凍結(jié)巖體內(nèi)部或凍土層內(nèi)，在爆炸應(yīng)力波及高溫高壓氣體的耦合作用下，炸藥周圍一定厚度的凍結(jié)巖石發(fā)生融熔，形成粉碎區(qū)。一定范圍內(nèi)的巖石受到壓應(yīng)力的作用，同時(shí)隨著質(zhì)點(diǎn)位移發(fā)生拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，產(chǎn)生較大的壓縮腔體，形成壓密區(qū)。隨著埋深減小，炸藥爆炸作用范圍向上移動(dòng)，內(nèi)部作用減弱，外部作用增強(qiáng)，當(dāng)爆破應(yīng)力波達(dá)到自由面時(shí)，反射成為拉伸應(yīng)力波，其強(qiáng)度大于巖土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生片狀剝離現(xiàn)象。與此同時(shí)，爆生氣體膨脹時(shí)，對(duì)巖石的氣楔擠壓作用促使裂紋擴(kuò)展，形成環(huán)向和徑向交錯(cuò)的裂隙區(qū)。隨著爆破應(yīng)力波的衰減，應(yīng)力波強(qiáng)度不足以達(dá)到巖石的破壞強(qiáng)度，直至爆破作用衰減完畢后形成振動(dòng)區(qū)。在空間上，從藥包中心由內(nèi)向外形成粉碎區(qū)、壓密區(qū)、裂隙區(qū)、振動(dòng)區(qū)，各區(qū)之間沒有可明顯的界線，且存在一定的聯(lián)系。

相比于非凍結(jié)巖石爆破效果，凍結(jié)軟巖或者上覆凍土層的凍結(jié)巖體爆破具有更強(qiáng)的塑變性，壓密區(qū)在一定程度上制約了爆炸應(yīng)力波的傳播，削弱了爆炸能量的利用率，阻礙了裂紋擴(kuò)展的范圍，易造成凍巖區(qū)爆破效果弱于非凍結(jié)區(qū)的現(xiàn)象，易產(chǎn)生大塊，嚴(yán)重時(shí)形成未爆破下的凍結(jié)巖土覆蓋層。

2 高海拔寒區(qū)凍巖力學(xué)特性試驗(yàn)

2.1 試樣制備

試樣取自高海拔寒區(qū)礦山巖塊，根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，巖塊通過鉆孔、切割、磨平等工序，加工成直徑50 mm、高度100 mm 的圓柱體用作單軸壓縮變形試驗(yàn)，直徑50 mm、高度50 mm 的圓柱體用作抗拉試驗(yàn)。圓柱試件表面光滑，平整度及垂直度＜0.02 mm，符合測(cè)試精度要求。

為最大程度降低巖樣的離散度，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠度，采用HS-YS2B 型非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)巖樣進(jìn)行逐一檢測(cè)，剔除波速差距較大的巖樣。巖樣的主要物理性質(zhì)如表1所示。

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2.2 試驗(yàn)方案

考慮高海拔寒區(qū)礦山環(huán)境條件，主要從溫度和爆破振動(dòng)2個(gè)方面開展寒區(qū)巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究。分別在20 ℃（常溫）、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃的溫度環(huán)境下測(cè)試試樣的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。

2.2.1 靜力學(xué)試驗(yàn)

采用RTX-3000 型高低溫高壓巖石三軸壓縮試驗(yàn)機(jī)（圖1），進(jìn)行不同負(fù)溫條件下的單軸壓縮（控制圍壓為零）和拉伸試驗(yàn)，最大軸向壓力3 000 kN，精度0.25%，容納試驗(yàn)樣品直徑25～65 mm，溫度控制范圍-30 ℃～+60 ℃，可達(dá)到高海拔寒區(qū)負(fù)溫條件要求。將試樣包裹上保鮮膜，按照設(shè)定的每個(gè)溫度條件提前24 h置于環(huán)境箱中，加載速率取1 mm/s。

2.2.2 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

采用分離式霍普金斯桿測(cè)試系統(tǒng)獲取試樣的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度特征。如圖2 所示，壓桿直徑50 mm，由沖擊氣閥、紡錘形沖擊頭、入射桿、透射桿、吸收桿、控制臺(tái)、溫控箱組成。該試驗(yàn)裝置配備溫控箱，由液氮噴射制冷，常規(guī)制冷可達(dá)-50 ℃，符合試驗(yàn)要求。設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

以20℃條件下的巖樣為對(duì)照，測(cè)試了不同凍結(jié)溫度下試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，計(jì)算得到彈性模量、泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)。巖樣的靜力學(xué)參數(shù)與凍結(jié)溫度的關(guān)系見圖3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著凍結(jié)溫度的降低，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、彈性模量皆表現(xiàn)為逐漸增加趨勢(shì)，變化率在逐步增大。就巖石單軸抗壓強(qiáng)度而言，-30 ℃較常溫20 ℃的巖石力學(xué)強(qiáng)度提升了116.84%；巖石泊松比從常溫20 ℃到- 30 ℃降低21.74%。結(jié)合前節(jié)相關(guān)敘述，飽和條件下環(huán)境溫度降至0 ℃后，巖石孔隙水-冰相體積膨脹，內(nèi)部孔隙減少。隨著溫度進(jìn)一步降低，孔隙水完全凍結(jié)，增加了巖石內(nèi)部膠結(jié)性能，宏觀上巖石強(qiáng)度顯示增大。負(fù)溫條件下由于巖石空隙減少，巖石內(nèi)礦物顆粒收縮，巖石受到外部壓力壓縮后應(yīng)變降低，巖石泊松比呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)。通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)，靜力學(xué)參數(shù)與凍結(jié)溫度存在較好的線性關(guān)系，如表2所示。

注：表中y為巖石參數(shù)，x為溫度。

2.3.2 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如圖4 和圖5 所示，與巖石靜態(tài)力學(xué)特性相同，隨著凍結(jié)溫度降低，巖石動(dòng)態(tài)抗壓、抗拉強(qiáng)度皆表現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)，如表3所示。試驗(yàn)邊界溫度-30 ℃比常溫條件下巖石單軸抗壓強(qiáng)度增加了一倍以上，而抗拉強(qiáng)度大幅度增加。在沖擊載荷作用下，巖石內(nèi)部會(huì)形成數(shù)條的裂隙甚至貫穿巖石表面［18］。0～-30 ℃溫度變化范圍內(nèi)，巖石整體收縮，礦物顆粒及孔隙冰相之間嵌合更為緊密，巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度顯著提升，巖石整體承載能力增大，抗沖擊能力增強(qiáng)。

注：表中y為巖石參數(shù)，x為溫度。

相同溫度下，巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度顯著大于靜態(tài)強(qiáng)度，說明沖擊載荷下巖石強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯。0～-30 ℃溫度變化范圍內(nèi)，巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)率更為顯著，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)近一倍，抗拉強(qiáng)度呈指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

從巖石爆破角度來說，巖石凍結(jié)后增大了巖石強(qiáng)度參數(shù)，一定程度上增加了爆破破巖的難度，爆破后大塊較多，爆破效果差；與常溫下巖石爆破相比，同等條件下勢(shì)必增大凍結(jié)巖石的炸藥單耗，不利于降低爆破作業(yè)成本。

3 結(jié) 論

（1）靜態(tài)條件下，0～-30 ℃溫度變化范圍內(nèi)，巖石抗拉強(qiáng)度呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度增加一倍以上，這說明負(fù)溫對(duì)飽水巖石力學(xué)強(qiáng)度影響較大。負(fù)溫條件下由于巖石空隙減少，巖石受到外部壓力壓縮后應(yīng)變降低，巖石泊松比呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)。

（2）動(dòng)態(tài)條件下，外部施加沖擊載荷使得巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。0～-30 ℃溫度變化范圍內(nèi)，巖石整體收縮，巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度顯著提升，巖石整體承載能力增大。

（3）巖石凍結(jié)后，其物理力學(xué)條件的改變使得凍巖爆破難度加大，增大凍結(jié)巖石的炸藥單耗，不利于降低爆破作業(yè)成本。