岳萬(wàn)友，李建國(guó)，柴修偉，王文科

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

隨著地表淺部資源開(kāi)采殆盡，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，能源開(kāi)采呈現(xiàn)全面向深部進(jìn)軍的趨勢(shì)。深部開(kāi)采地質(zhì)環(huán)境和應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性不同于地表淺部，諸多學(xué)者和專家從理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)等方面開(kāi)展了地應(yīng)力對(duì)開(kāi)采過(guò)程中影響研究，戴俊等通過(guò)理論分析的方法研究對(duì)地應(yīng)力條件下的爆破參數(shù)進(jìn)行分析推導(dǎo)[1]。陳明等基于地應(yīng)力下的爆炸產(chǎn)生的爆生裂隙，認(rèn)為地應(yīng)力對(duì)生成爆生裂隙有顯著影響[2]。褚懷保等應(yīng)用斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)理論對(duì)煤體在爆破過(guò)程中的應(yīng)力波、爆生氣體、瓦斯壓力作用過(guò)程進(jìn)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(rèn)為側(cè)壓力系數(shù)增加抑制圍巖損傷破壞[4]。魏晨慧等對(duì)地應(yīng)力條件下切縫藥包爆破進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力與切縫的方向關(guān)系對(duì)裂紋擴(kuò)展有較大的的影響[5]。郭雙等基于DDA 對(duì)雙向等壓和不等壓應(yīng)力條件下的爆破模型進(jìn)行分析[6]。楊建華等采用SPH+FEM耦合算法，研究了初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)爆破巖石開(kāi)裂地震波能量的影響，同時(shí)基于應(yīng)力場(chǎng)研究了雙孔爆破的裂紋傳播和貫通情況以及炮孔周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)情況[7,8]。陳洋等通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法對(duì)在應(yīng)力場(chǎng)作用下的巖石爆破應(yīng)變特征進(jìn)行分析[9]。蔡濟(jì)勇等應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)地應(yīng)力下巖石爆破的頻率特性進(jìn)行分析[10]。李新平等對(duì)地下深部工程中掏槽爆破過(guò)程中的應(yīng)力波進(jìn)行研究分析[11]。李蕭翰等分析在不同地應(yīng)力下的爆破，認(rèn)為不同側(cè)壓力系數(shù)對(duì)于巖石水平和垂直質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不同[12]。肖正學(xué)等對(duì)幾種材料在不同初始應(yīng)力下進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和礦山爆破實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為初始應(yīng)力場(chǎng)改變裂紋發(fā)展方向和應(yīng)力波傳播規(guī)律[13]。劉殿書(shū)等通過(guò)光彈實(shí)現(xiàn)方法研究初始地應(yīng)力對(duì)應(yīng)力波形傳播過(guò)程的影響[14]。譚卓英等進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，揭示了斷層附近處地應(yīng)力場(chǎng)特性[15]。張西良等對(duì)不同深度下的巖體開(kāi)展不同圍壓實(shí)驗(yàn)研究其對(duì)爆破損傷范圍[16]。

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

1 爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論

理論認(rèn)為爆生氣體理論和應(yīng)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(duì)裂隙進(jìn)行膨脹做功，促進(jìn)裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展與環(huán)向裂隙溝通交錯(cuò)切割巖體，進(jìn)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(guò)程的重要性，不論是巖土爆破過(guò)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(huì)在裂紋面尖端產(chǎn)生極強(qiáng)的應(yīng)力集中，這有助于在爆生氣體楔入使得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，以及在裂紋面處應(yīng)力波產(chǎn)生反射、透射破壞作用等。根據(jù)斷裂力學(xué)原理在巖土爆破過(guò)程中裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)受到應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，而應(yīng)力強(qiáng)度因子受控于巖體的應(yīng)力場(chǎng)，不同的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)其裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)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(jìn)工程的基本情況，采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立基于地應(yīng)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(jiǎn)化為平面應(yīng)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(duì)應(yīng)長(zhǎng)(X)、寬(Y)、高(Z))，裂縫尺寸為60 cm×1 cm×0.25 cm分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)(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(guò)關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來(lái)實(shí)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(yīng)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(wú)反射邊界條件以有限域模擬無(wú)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(hào)巖石乳化炸藥參數(shù)如表1所示，石灰?guī)r巖石的力學(xué)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(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanical parameters

圖 1 單元應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)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(shí)刻的應(yīng)力云圖，可從炮孔周?chē)浇土严陡浇绕涫橇鸭y兩端，看出模型在地應(yīng)力作用下的應(yīng)力集中程度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)應(yīng)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(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力波的作用下20-20中的(b)圖炮孔周?chē)约傲鸭y周?chē)茐淖顬閯×摇?/p>

注：20-20、40-40、60-60分別為豎向應(yīng)力20、40、60和水平應(yīng)力20、40、60，單位：MPa圖 2 各向等壓應(yīng)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(guò)程，為了研究爆炸應(yīng)力波和地應(yīng)力對(duì)含有裂隙的巖體的影響，現(xiàn)引入3條測(cè)線，分別布置在炮孔右側(cè)和裂隙左側(cè)(測(cè)線1)、裂隙右側(cè)區(qū)域(測(cè)線2)以及炮孔左側(cè)區(qū)域(測(cè)線3)。最后應(yīng)用Lsprepost軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖3(a)、(b)、(c)分別是對(duì)炮孔左側(cè)測(cè)線、炮孔右側(cè)和裂隙左側(cè)測(cè)線以及裂隙右側(cè)的三條側(cè)線上的應(yīng)力進(jìn)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(yīng)力。右側(cè)圖表正值反映的是拉應(yīng)力負(fù)值反應(yīng)的是壓應(yīng)力。圖 3 雙向等壓模型單元應(yīng)力分析Fig. 3 Stress analysis of bidirectional isobaric model element

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

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

圖3(c1)表明在爆破過(guò)程中，炮孔左側(cè)的單元壓應(yīng)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(yīng)力波的傳播規(guī)律有關(guān)，距離爆心越遠(yuǎn)，炸藥爆炸對(duì)介質(zhì)做功越小。對(duì)比發(fā)現(xiàn)測(cè)線上的單元都有不同程度的震蕩特征，這與爆炸應(yīng)力波在預(yù)應(yīng)力場(chǎng)中的傳播有關(guān)。圖3(c2)表明在爆破過(guò)程中，隨著圍壓的增大單元受壓應(yīng)力的比例較大，符合在爆破過(guò)程中期望巖石所受拉應(yīng)力大和壓應(yīng)力小的情況，這與巖石具有抗壓不抗拉的物理性質(zhì)有關(guān)。

結(jié)合圖3(a)、圖3(b)、圖(c)，在巖土爆破過(guò)程中，圍壓的增加顯著的提高單元的拉應(yīng)力而單元的壓應(yīng)力并未顯著的提升，圍壓越大在爆破過(guò)程中壓應(yīng)力對(duì)單元破壞做功越明顯，這顯然不符合爆破工程實(shí)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(shí)刻的應(yīng)力云圖，從炮孔周?chē)土鸭y兩端附近兩個(gè)方面研究地應(yīng)力作用下的應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力波的作用下30-60中的(b)圖炮孔周?chē)约傲鸭y周?chē)茐某潭茸顬閯×?。隨著應(yīng)力波的傳播發(fā)現(xiàn)圖(c)、(d)的應(yīng)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(yīng)力30、30、30和水平應(yīng)力20、40、60，單位：MPa圖 4 不等壓工況應(yīng)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(duì)炮孔左側(cè)測(cè)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(yīng)力進(jìn)行分析。

對(duì)于圖5(d1)、(e1)、(f1)為3條不同圍壓下不同測(cè)線的單元壓應(yīng)力曲線，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)線1和測(cè)線3處的壓應(yīng)力曲線形態(tài)與等圍壓情況基本一致，在測(cè)線2處，在距離裂隙一定距離處均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力下降，這顯然與側(cè)壓力有關(guān)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(duì)比。

對(duì)于圖5(d2)、(e2)、(f2)為3條不同圍壓下不同測(cè)線的單元壓應(yīng)力曲線，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)線2和測(cè)線3處的壓應(yīng)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(cè)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(yīng)力大于圍壓為30-20(側(cè)壓系數(shù)為0.67)單元的拉應(yīng)力的情況。表明在爆破過(guò)程中，不同側(cè)壓系數(shù)以及裂隙對(duì)圍巖形成的的應(yīng)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(yīng)力分析Fig. 5 Element stress analysis of bidirectional unequal pressure model

3 結(jié)論

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

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

(2)在各向等壓下的地應(yīng)力場(chǎng)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(yīng)力達(dá)到該測(cè)線的峰值且壓應(yīng)力隨圍壓增大而增大。

(3)在各向不等壓的地應(yīng)力場(chǎng)下，當(dāng)測(cè)壓系數(shù)為1.33時(shí)，在炮孔與裂隙之間測(cè)線單元拉應(yīng)力達(dá)到了峰值。