裝藥不耦合系數(shù)對(duì)初始地應(yīng)力下巖石爆破裂紋擴(kuò)展影響的試驗(yàn)研究*

徐 穎，顧柯柯，葛進(jìn)進(jìn)，程 琳，姚 威，盧龍剛，劉家興

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，淮南 232001；2.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001)

在控制爆破中對(duì)爆生裂紋擴(kuò)展的控制是其重要組成部分[1]。為達(dá)到減少炮孔周圍較密集徑向裂紋的產(chǎn)生，充分?jǐn)U展需要擴(kuò)展的裂紋這一目的，通常采取不耦合裝藥來(lái)降低爆炸應(yīng)力波作用，增加爆生氣體的作用時(shí)間[2-7]。

然而，隨著淺部資源的枯竭，現(xiàn)代化礦井開(kāi)采由淺部轉(zhuǎn)向深部，巖體賦存在高地應(yīng)力環(huán)境中。若要實(shí)現(xiàn)深部巷道爆破高效率，需在爆破設(shè)計(jì)中考慮地應(yīng)力對(duì)爆破參數(shù)的影響[8-11]。當(dāng)前，已有很多研究者開(kāi)展關(guān)于巖體爆破開(kāi)裂及破巖效果受地應(yīng)力場(chǎng)影響的研究，例如楊仁樹(shù)等采用實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)，研究高應(yīng)力狀態(tài)下炮孔穿過(guò)層理爆破的裂紋起裂、擴(kuò)展等動(dòng)態(tài)力學(xué)行為[12]；岳中文等采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展多組爆破光測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究單向圍壓作用下切縫藥包爆破爆生主裂紋的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為[13]；楊建華等采用光滑粒子流體力學(xué)-有限元方法耦合數(shù)值模擬方法，研究了高地應(yīng)力作用下炮孔間裂紋的傳播及貫通過(guò)程，分析了炮孔周圍應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程與分布特征[14]。

但是，當(dāng)前關(guān)于初始應(yīng)力條件下不耦合系數(shù)對(duì)巖石爆生裂紋擴(kuò)展影響的研究明顯不足。不耦合系數(shù)作為重要的爆破參數(shù)，如果較小，則難以有效地削減爆炸產(chǎn)物能量，使之與巖石強(qiáng)度相匹配；如果較大，則削減程度變大，巖石難以得到足夠的破碎能量，產(chǎn)生有效破碎[7]。為此，本文開(kāi)展圍壓荷載作用下透明巖石爆破模型試驗(yàn)研究，探索裝藥不耦合系數(shù)對(duì)初始應(yīng)力條件下巖石爆破裂紋擴(kuò)展的影響機(jī)制，揭示徑向不耦合系數(shù)(炮孔與藥卷的直徑比)與爆生裂紋擴(kuò)展范圍的關(guān)系。研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化爆破能量分布，提升爆破能量的利用效率具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試件制備

1.1 相似系數(shù)

根據(jù)原型和模型的平衡、幾何、物理方程、應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件進(jìn)行推導(dǎo)，可以得出模型試驗(yàn)的各物理量之間的相似關(guān)系為[15,16]

(1)

式中：α代表相似比；L代表長(zhǎng)度；δ代表位移；E代表彈性模量；μ代表泊松比；γ代表容重；σ代表應(yīng)力；σc代表抗壓強(qiáng)度；σt代表抗拉強(qiáng)度；ε代表應(yīng)變；X、Y、Z代表體積力；C代表內(nèi)聚力；φ代表內(nèi)摩擦角；T代表時(shí)間；各物理力學(xué)參數(shù)的下標(biāo)p代表原型，下標(biāo)m代表模型。

模型試驗(yàn)的工程原型為淮南礦區(qū)丁集煤礦深部巷道[17]，其斷面形狀和斷面尺寸如圖1所示。經(jīng)過(guò)取芯、切割和打磨，測(cè)得圍巖的容重為27 kN/m3、平均抗壓強(qiáng)度為135 MPa。首先，需要確定幾何相似系數(shù)。根據(jù)平面應(yīng)力加載裝置的有效應(yīng)力加載范圍和最大荷載集度，在盡可能降低模型試驗(yàn)失真程度與尺寸效應(yīng)影響程度的前提下，模型試件的尺寸確定為300 mm×300 mm×20 mm。從而可由原型和模型的幾何相似關(guān)系得到幾何相似系數(shù)αL=16.7。

圖 1 巷道斷面尺寸示意圖(單位：mm)Fig. 1 Schematic diagram of roadway section size(unit:mm)

第二個(gè)需要確定的就是容重相似比αγ，其與模型材料種類相關(guān)。相似理論已經(jīng)指明，相似模型試驗(yàn)需要盡可能地使用與原型材料性質(zhì)一致的材料。然而，與現(xiàn)場(chǎng)巖體性質(zhì)完全一致的模型材料幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能近似滿足材料相似的條件。為便于爆后裂紋的觀測(cè)與分析，本文采用一種符合硬巖基本物理性質(zhì)的透明硬巖相似材料[18]，其容重為12.3 kN/m3。從而可以根據(jù)容重相似關(guān)系，得到容重相似比為2.2，進(jìn)而得出應(yīng)力相似系數(shù)ασ=36.7。最后，根據(jù)強(qiáng)度相似關(guān)系得出理論上所需模型材料的單軸抗壓強(qiáng)度則為3.68 MPa。

1.2 爆破動(dòng)力設(shè)計(jì)

煤礦深井爆破常采用三級(jí)煤礦許用水膠炸藥，炸藥密度為1150 kg/m3、爆速為3600 m/s。而模型試驗(yàn)中所使用的炸藥類型與實(shí)際爆破不同，為遵循“炸藥爆炸能量相似”原則，同時(shí)便于調(diào)整裝藥不耦合系數(shù)，協(xié)調(diào)炸藥與模型材料的匹配性，試驗(yàn)選用自制小型“雷管”[19]。該“雷管”由玻璃管、DDNP、銅絲、砂子以及橡皮泥、502膠水制作而成，其密度約為1.02 g/cm3，在玻璃管的約束下DDNP的爆速可達(dá)4000 m/s。

根據(jù)相似準(zhǔn)則要求[17]，相似炸藥和原型炸藥間應(yīng)滿足CρCD=1(Cρ為原型炸藥與模型炸藥的密度比，CD為原型炸藥與模型炸藥的爆速比)[20]。代入原型炸藥和模型炸藥參數(shù)，得CρCD=1.014，基本滿足“炸藥爆破能量相似”的原則。

1.3 應(yīng)力加載設(shè)計(jì)

在模型材料與炸藥基本符合相似準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，利用自主研制的應(yīng)力加載裝置提供的主動(dòng)液壓加載模擬模型體所處的應(yīng)力環(huán)境(如圖2所示)。應(yīng)力加載裝置模擬豎直和水平兩個(gè)方向上的地應(yīng)力。豎直方向σv模擬上覆巖層介質(zhì)自重，水平應(yīng)力σh模擬垂直于巖石巷道軸向的水平構(gòu)造應(yīng)力。

圖 2 模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)Fig. 2 Model test equipment system

試驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬賦存巖體的埋深為400 m，則根據(jù)垂直應(yīng)力的計(jì)算公式σv=γH以及應(yīng)力相似系數(shù)ασ=36.7，得到相應(yīng)的豎直方向圍壓加載應(yīng)力值為0.3 MPa。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，試驗(yàn)采用雙向等圍壓加載方式，其詳細(xì)試驗(yàn)方案如表1所示。

表 1 模型試件爆破試驗(yàn)方案

模型試件的約束條件為雙向等荷載，加載示意圖如圖3所示。

圖 3 試件FTG-1～4動(dòng)、靜態(tài)加載示意圖Fig. 3 Diagram for dynamic and static loading on specimens FTG-1～4

1.4 試件制備

選擇所制作模型試件的尺寸規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm，詳細(xì)制作步驟如下所示[18,19]:

(1)準(zhǔn)備材料。所需材料涉及飽和松香溶液、固化劑和環(huán)氧樹(shù)脂。對(duì)于前者需要自行調(diào)配，而后兩者可直接購(gòu)買獲得。具體的做法是，先將松香塊用工具處理成粉末狀并用100目篩子過(guò)篩，然后準(zhǔn)備適量的無(wú)水酒精溶液，將松香粉末倒入并用攪拌棒攪拌直到溶液達(dá)到飽和狀態(tài)。

(2)準(zhǔn)備模具。試驗(yàn)所需試件的尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，所以剛好可以選擇用作導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定的模具。預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若直接將拌和好的混合溶液倒入模具內(nèi)進(jìn)行澆筑，會(huì)導(dǎo)致試件難以拆模，所以在澆筑前要在模具表面薄薄的涂上一層凡士林，然后用防粘薄膜粘貼在模具表面。

(3)澆筑試件。首先，將環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和飽和松香溶液根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的配比稱取相應(yīng)重量置于燒杯中。然后，將飽和松香溶液置于50℃水浴鍋中進(jìn)行加熱，將環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑置于50℃烘箱中進(jìn)行加熱處理。等到固化劑和環(huán)氧樹(shù)脂中的氣泡全部排除干凈時(shí)，將二者混合在一起并用攪拌棒攪拌均勻，但即便如此，混合溶液中仍會(huì)出現(xiàn)氣泡，這時(shí)再次將其置于50℃烘箱中繼續(xù)加熱直到氣泡消除。最后，將已經(jīng)加熱完成的飽和松香溶液倒入環(huán)氧樹(shù)脂體系中，在攪拌均勻后將其倒入模具中。實(shí)驗(yàn)表明，只要?jiǎng)蛩倬徛財(cái)嚢枞呋旌先芤海瑒t其將不會(huì)再出現(xiàn)氣泡。

模型試件的相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表2。

表 2 模型試件基本物理參數(shù)

2 結(jié)果與討論

爆破后試件中主裂紋的擴(kuò)展情況,如圖4所示。在分析爆后模型試件上裂紋擴(kuò)展規(guī)律之前，需要對(duì)圖4上的裂紋進(jìn)行相關(guān)的補(bǔ)充說(shuō)明。依據(jù)模型試驗(yàn)系統(tǒng)中高速相機(jī)所拍攝試件爆破過(guò)程的畫(huà)面，可以得到所有模型試件在爆炸載荷和靜態(tài)圍壓作用下所產(chǎn)生的裂紋均沒(méi)有到達(dá)最小抵抗線，然而由于圍壓的卸載導(dǎo)致試件FTG-1、FTG-2上的爆生裂紋進(jìn)一步延伸或者轉(zhuǎn)向擴(kuò)展，形成圖4(a)、(b)所示的形狀。通過(guò)高速相機(jī)記錄的模型試件在靜態(tài)圍壓卸載前的畫(huà)面，可以確定爆生裂紋擴(kuò)展的原始長(zhǎng)度，為分析爆生裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與不耦合系數(shù)間的關(guān)系提供依據(jù)。

圖 4 爆后模型試件Fig. 4 Model specimens after explosion

2.1 不耦合系數(shù)對(duì)壓碎區(qū)以及環(huán)向裂隙圈直徑的影響

圖4所示為初始應(yīng)力下的爆后模型試件，根據(jù)其表面裂紋擴(kuò)展形態(tài)的不同可以分為壓縮粉碎區(qū)、裂隙區(qū)以及振動(dòng)區(qū)。由圖4可以看出，受爆炸沖擊波作用后的模型試件，其炮孔周圍沒(méi)有產(chǎn)生特別顯著的擴(kuò)腔，但隨著不耦合系數(shù)地增大，爆后試件上環(huán)向的裂紋變得稀疏，壓縮粉碎區(qū)的范圍發(fā)生明顯變化。為定量分析不耦合系數(shù)對(duì)壓碎區(qū)以及環(huán)向裂隙圈直徑的影響，利用直尺對(duì)透明爆后模型試件進(jìn)行測(cè)量，壓碎區(qū)直徑和沿著σv、σh方向以及對(duì)角線(與σv、σh方向夾角為45°)方向的環(huán)向裂隙圈直徑列于表3。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，壓碎區(qū)的直徑隨著不耦合系數(shù)的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律(見(jiàn)圖5)，并且在不耦合系數(shù)為1.4時(shí)壓碎區(qū)的直徑達(dá)到最大。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，隨著不耦合系數(shù)的增大，最大環(huán)向裂隙圈直徑以及平均環(huán)向裂隙圈直徑均減小，充分表明不耦合系數(shù)的大小直接對(duì)裂隙圈的擴(kuò)展構(gòu)成影響(見(jiàn)圖6)。

表 3 壓碎區(qū)與環(huán)向裂隙圈直徑大小

圖 5 初始應(yīng)力狀態(tài)下壓碎區(qū)直徑隨不偶系數(shù)的變化規(guī)律Fig. 5 Diameter for crushed zone varies with the decoupling coefficient under initial stress

圖 6 初始應(yīng)力狀態(tài)下環(huán)向裂隙圈直徑隨不偶系數(shù)的變化規(guī)律Fig. 6 Diameter for annular fracture ring varies with the decoupling coefficient under initial stress

基于巖石爆破的應(yīng)力波和爆轟氣體共同作用學(xué)說(shuō)，可以知道，巖石的破壞是應(yīng)力波和爆轟氣體共同作用的結(jié)果，這種學(xué)說(shuō)被大部分研究者所認(rèn)同，因?yàn)樗C合考慮了爆轟氣體和應(yīng)力波在巖石爆破破壞過(guò)程中所起的作用，更切合實(shí)際[21,22]。

然而，在具有高地應(yīng)力的巖體內(nèi)進(jìn)行爆破，地應(yīng)力的作用相當(dāng)于增大了巖石的抗壓或抗拉強(qiáng)度[8]。這會(huì)導(dǎo)致在應(yīng)力波作用下所產(chǎn)生的裂隙長(zhǎng)度縮短，即便已經(jīng)產(chǎn)生的裂隙也會(huì)在高地應(yīng)力的作用下再次閉合，從而削弱爆轟氣體的“楔入”作用，使裂隙不能繼續(xù)向前延伸和擴(kuò)展。那么爆轟氣體產(chǎn)物只能停留在爆破近區(qū)(壓縮粉碎區(qū))或者環(huán)向裂隙圈，使之更為破碎。這一點(diǎn)和錢七虎研究地應(yīng)力對(duì)巖體中爆炸破壞的影響所得的結(jié)論基本吻合，其研究得到球形裝藥爆炸時(shí)，爆炸壓力形成空腔所作的功減小了，而空腔中爆炸產(chǎn)物所含的剩余能量增加了[23]。

本次試驗(yàn)中，當(dāng)不耦合系數(shù)小于1.4時(shí)，空氣介質(zhì)對(duì)爆炸沖擊產(chǎn)生的衰減作用相對(duì)較小，圍巖內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)向裂隙圈相對(duì)較大，爆生氣體更易“楔入”此區(qū)域；當(dāng)不耦合系數(shù)為1.4時(shí)，空氣介質(zhì)對(duì)爆炸沖擊產(chǎn)生的衰減作用相對(duì)增大，爆生氣體難以“楔入”環(huán)向裂隙圈，只能停留在壓碎區(qū)，繼續(xù)壓縮被沖擊波壓碎的巖石，使得壓碎區(qū)范圍達(dá)到最大；當(dāng)不耦合系數(shù)大于1.4時(shí)，空氣介質(zhì)對(duì)爆炸沖擊波產(chǎn)生巨大衰減作用，單純依靠爆轟氣體產(chǎn)物無(wú)法使得孔壁壓碎，因而壓碎區(qū)范圍急劇減小。也就是說(shuō)，初始應(yīng)力狀態(tài)下不耦合系數(shù)為1.4時(shí)，爆炸沖擊波與爆轟氣體產(chǎn)物共同作用會(huì)使得壓碎區(qū)范圍達(dá)到最大。

對(duì)于環(huán)向裂隙圈的形成主要是由爆炸沖擊波與應(yīng)力波的加卸載作用所致[24]。巖石內(nèi)部在沖擊波和應(yīng)力波的強(qiáng)烈壓縮作用下累積了部分彈性變形能。等壓碎區(qū)的空腔形成且徑向裂隙也已展開(kāi)時(shí)，此時(shí)作用于藥包周圍的巖石的壓力已降低，從而使其原先在壓縮過(guò)程中積壓的彈性變形能被釋放出來(lái)，并轉(zhuǎn)變成與壓應(yīng)力波相反的卸載波，形成徑向拉應(yīng)力，使巖石質(zhì)點(diǎn)沿著反向徑向運(yùn)動(dòng)；一旦巖石抗拉強(qiáng)度小于此徑向拉應(yīng)力，巖石就會(huì)被拉斷從而形成環(huán)向裂隙；巖石在受到徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力作用的同時(shí)，還可能受到由其二者產(chǎn)生的剪切應(yīng)力的作用，產(chǎn)生剪切裂隙[19]。

隨著裝藥不耦合系數(shù)的增大，炮孔壁受到的沖擊壓力逐漸減小，應(yīng)力波的作用也被削弱[25]，另外初始應(yīng)力的作用間接增強(qiáng)了巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致沖擊波和應(yīng)力波對(duì)圍巖加卸載作用減弱，形成環(huán)向裂隙圈直徑隨著不耦合系數(shù)的增大而減小的結(jié)果。進(jìn)一步將圖6中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到最大環(huán)向裂隙圈直徑與不耦合系數(shù)的關(guān)系為

(R2=0.99969,Kd∈(1.2,2.0))

(2)

平均環(huán)向裂隙圈直徑與不耦合系數(shù)的關(guān)系為

(R2=0.97749,Kd∈(1.2,2.0))

(3)

這里L(fēng)lon指的是環(huán)向裂隙圈直徑最大值，cm；Lavg指的是環(huán)向裂隙圈直徑平均值，cm；Kd指的是徑向不耦合系數(shù)。

2.2 耦合系數(shù)對(duì)徑向裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的影響

徑向裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度是預(yù)裂爆破以及光面爆破等控制爆破的重要參數(shù)，為分析其與不耦合系數(shù)之間的關(guān)系，將爆后模型試件上的裂紋擴(kuò)展形態(tài)復(fù)刻如圖7所示。

圖 7 爆后試件裂紋擴(kuò)展形態(tài)Fig. 7 Crack propagation of specimens after explosion

由圖7(a)可以看出，雙向等荷載下模型試件上的最長(zhǎng)徑向主裂紋沿對(duì)角線方向擴(kuò)展，即與豎直方向夾角為45°，且隨著不耦合系數(shù)的增大其擴(kuò)展數(shù)量逐漸減少(圖7(b)(c)(d))，表明爆生裂紋優(yōu)先向靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)中最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，這與前人研究結(jié)果一致[26,27]。由此可以得到，深部硬巖爆破是巖石本身所受到的靜態(tài)地應(yīng)力和炸藥爆炸產(chǎn)生的超動(dòng)態(tài)應(yīng)力共同作用下的結(jié)果，地應(yīng)力影響到爆破裂紋的起裂方向[8,28-32]。而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程和生產(chǎn)實(shí)踐中，具有動(dòng)、靜應(yīng)力場(chǎng)方面的介質(zhì)會(huì)使炮孔爆破有更優(yōu)良的表現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)為爆破效果好，優(yōu)先起裂，炸藥消耗低。張志呈稱這種現(xiàn)象為“波導(dǎo)效應(yīng)”[31]，他認(rèn)為地應(yīng)力的存在會(huì)使巖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)發(fā)生變化，而且地應(yīng)力錯(cuò)綜復(fù)雜，會(huì)對(duì)爆破效果產(chǎn)生很大的影響。其中爆破應(yīng)力波與地應(yīng)力進(jìn)行疊加會(huì)有相強(qiáng)相弱的規(guī)律，同相位相強(qiáng)，反之相弱。對(duì)此，肖正學(xué)提出“初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)裂紋發(fā)展導(dǎo)向作用原理”，即當(dāng)?shù)貞?yīng)力足夠大，主應(yīng)力方向與爆炸應(yīng)力波方向一致時(shí)，爆炸應(yīng)力波必然與地應(yīng)力相碰并發(fā)生疊加作用，在碰撞的切向伴生拉應(yīng)力，當(dāng)合成拉應(yīng)力值超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石將沿主應(yīng)力方向起裂[32]。當(dāng)前，研究者們就爆生裂紋沿著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展的機(jī)理沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)[33]，本文限于篇幅在這里不做深入討論。

通過(guò)對(duì)爆后模型試件直接量測(cè)，可得初始應(yīng)力狀態(tài)下模型試件中徑向主裂紋長(zhǎng)度如表4所示。

從表4可知，最長(zhǎng)和平均徑向主裂紋的長(zhǎng)度均隨著不耦合系數(shù)的增加而逐漸減小。結(jié)合圖7還可以看出，徑向主裂紋擴(kuò)展范圍逐漸縮小的同時(shí)，更加靠近爆破近區(qū)，以致圖7(c)(d)所示模型試件上已無(wú)明顯徑向主裂紋。顯然，這與無(wú)初始應(yīng)力狀態(tài)下徑向主裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度隨不耦合系數(shù)先增大后減小的規(guī)律有所不同。

表 4 模型試件中的徑向主裂紋長(zhǎng)度

依據(jù)爆破破巖作用機(jī)理可知[19,24]，處于爆破中區(qū)(裂隙區(qū))的徑向主裂紋是由爆破應(yīng)力波衍生出切向拉應(yīng)力先將巖石拉斷，與此同時(shí)由炸藥爆炸產(chǎn)生的氣體形成準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)也作用于炮孔擴(kuò)腔后的孔壁上，從而使得徑向裂隙受高壓氣體的膨脹、擠壓和氣楔作用繼續(xù)擴(kuò)展、延伸，并且由氣體壓力在裂隙尖端處引起的應(yīng)力集中更加速了裂隙擴(kuò)展，最終形成了一張具有內(nèi)密外疏、始端寬、末端細(xì)的特征的徑向裂隙網(wǎng)。

但是高地應(yīng)力會(huì)間接增加巖石的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致由爆破應(yīng)力波衍生出的切向拉應(yīng)力難以將巖石拉斷(圖8L0段)，同時(shí)高地應(yīng)力還會(huì)減弱炸藥爆炸產(chǎn)生的氣體對(duì)已擴(kuò)展裂紋的膨脹、擠壓和氣楔作用(圖8L1段)。研究表明，在不超過(guò)巖體的強(qiáng)度范圍內(nèi)，即使增加不大的初始地應(yīng)力量值，也可能顯著地改變巖體爆炸破壞的特性[23]。

圖 8 初始應(yīng)力下爆破裂紋擴(kuò)展模型Fig. 8 Crack propagation model by blasting under initial stress

那么可以得到，具有初始應(yīng)力狀態(tài)的模型試件其徑向主裂紋的擴(kuò)展主要依靠爆破應(yīng)力波的作用，爆生氣體的“氣楔”作用大小取決于圍壓應(yīng)力的大小。

因此，隨著不耦合系數(shù)的增大，空氣介質(zhì)對(duì)爆炸沖擊產(chǎn)生的衰減作用增大，進(jìn)而應(yīng)力波的作用被削弱，就意味著徑向主裂紋的初始擴(kuò)展長(zhǎng)度將變小。在此過(guò)程中，爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用將得到加強(qiáng)，然而，爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力在爆破作用過(guò)程中是后于應(yīng)力波的，這樣導(dǎo)致由應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂紋在高地應(yīng)力的作用下仍然閉合，此時(shí)由應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂隙想要在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用下進(jìn)一步發(fā)展是很艱難的。

很顯然，本文試驗(yàn)中隨著不耦合系數(shù)的增大，增強(qiáng)的爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用，并沒(méi)有帶來(lái)徑向裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的增加。由此可得，高地應(yīng)力下爆破應(yīng)力波對(duì)巖石裂隙區(qū)的擴(kuò)展占主導(dǎo)地位，不耦合系數(shù)越小越有利于裂紋開(kāi)展。

另外，以最長(zhǎng)和平均徑向主裂紋的長(zhǎng)度為縱坐標(biāo)，不耦合系數(shù)為橫坐標(biāo)，可得徑向主裂紋的長(zhǎng)度隨著不耦合系數(shù)的變化的規(guī)律如圖9所示。

圖 9 初始應(yīng)力狀態(tài)下徑向主裂紋長(zhǎng)度隨不偶系數(shù)的變化規(guī)律Fig. 9 The main crack length varies with the decoupling coefficient under initial stress

進(jìn)一步地將上圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到，最長(zhǎng)徑向主裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度與不耦合系數(shù)之間的關(guān)系符合下列關(guān)系式

(R2=0.9208,Kd∈(1.2,2.0))

(4)

而平均徑向主裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度與不耦合系數(shù)之間的關(guān)系為

(R2=0.9254,Kd∈(1.2,2.0))

(5)

這里L(fēng)lon為最長(zhǎng)徑向主裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度，cm；Lavg為平均徑向主裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度，cm；Kd為徑向不耦合系數(shù)。

這樣，在深部巖體爆破開(kāi)挖時(shí)，就可以參考徑向主裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度與不耦合系數(shù)之間關(guān)系，進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，本文中試驗(yàn)結(jié)果是基于在單一裝藥量和初始應(yīng)力條件下，不耦合系數(shù)對(duì)徑向主裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的影響規(guī)律，而在實(shí)際深部巖體的爆破中，地應(yīng)力對(duì)爆炸破壞產(chǎn)生的影響在定量上也許還會(huì)有所不同。

3 結(jié)論

1)初始應(yīng)力改變了徑向主裂紋的擴(kuò)展方向。模型試件在動(dòng)靜組合荷載的作用下，其爆生徑向主裂紋的擴(kuò)展方向由無(wú)初始應(yīng)力時(shí)的放射狀轉(zhuǎn)變成趨向于最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。

2)不耦合系數(shù)顯著影響初始應(yīng)力狀態(tài)下巖石爆破裂紋的擴(kuò)展。隨著不耦合系數(shù)的增大，爆后模型試件上產(chǎn)生的徑向主裂紋，其長(zhǎng)度最大值以及平均值均減??；同時(shí)環(huán)向裂隙圈的直徑，其最大值以及平均值隨著不耦合系數(shù)的增大也均減小；而壓縮粉碎圈的直徑卻隨著不耦合系數(shù)的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并且壓縮粉碎圈的直徑值在不耦合系數(shù)為1.4時(shí)達(dá)到最大。

3)初始應(yīng)力下爆破應(yīng)力波對(duì)巖石裂隙區(qū)的擴(kuò)展占主導(dǎo)地位。在具有高地應(yīng)力的巖體內(nèi)進(jìn)行爆破，地應(yīng)力的作用相當(dāng)于增大了巖石的抗壓或抗拉強(qiáng)度，在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生的徑向裂隙會(huì)阻止爆轟氣體的“楔入”，使之繼續(xù)向前延伸和進(jìn)一步張開(kāi)。爆生氣體的“氣楔”作用大小取決與圍壓應(yīng)力的大小，即圍壓應(yīng)力越大“氣楔”作用越小，反之越大。