胡曉雯，劉榮桂，唐鑫媛

（南通理工學院，江蘇南通 226002）

1 引言

巖石隧道掘進過程中，爆破掘進方式仍然是技術(shù)最成熟，應用最廣泛的掘進模式，即使應用綜合機械化掘進設備，也會由于截割機構(gòu)功率問題和截齒硬度問題的影響而臨時改為采用爆破掘進技術(shù)。特別是掘進工作面遇到火成巖侵入體等高硬度巖石地質(zhì)環(huán)境時，爆破掘進是當前技術(shù)條件下唯一可行的掘進工藝。

雖然，爆破掘進施工技術(shù)適應性較好，掘進工藝相對成熟，現(xiàn)場操作較為簡單，機械系統(tǒng)投入較少，但爆破過程的巖石沖擊波會給圍巖帶來較大的沖擊作用，該沖擊作用主要是爆破縱波引發(fā)的壓應力、拉應力和爆破橫波帶來的剪應力導致[1]。所以，在爆破圍巖巖土力學研究中，需要對各種成分圍巖的應力特征進行實驗室分析，進而獲得相應數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)代入有限元模型進行系統(tǒng)分析，以獲得爆破掘進過程中的圍巖破壞情況。

本文研究過程主要采用上述研究思路，但在細節(jié)上進行創(chuàng)新，綜合考慮大范圍內(nèi)跨巖層的爆破擾動效果分析。

2 相關(guān)巖石的實驗室試驗結(jié)果

火成巖入侵結(jié)構(gòu)中的主要成分為火成巖，包括玄武巖、安山巖、流紋巖、花崗巖、輝長巖、閃長巖等，火成巖是地球巖石最重要的組成部分。早期相關(guān)物探工作中發(fā)現(xiàn)，地殼中火成巖含量達到65.7%，但在絕大部分隧道施工中，因為基本沒有工程活動進入富含火成巖的地層，所以，大部分掘進工程中遇到的巖層為灰?guī)r、頁巖、砂巖、礫巖等沉積巖巖石。從化學成分分析，火成巖與沉積巖最顯著的差異是火成巖的主要成分是SiO2；沉積巖的主要成分是CaCO3等碳酸鹽[2]。所以，火成巖一般硬度高、彈性應力特征明顯、應力抗性較大，而沉積巖應力特征基本與其相反。

在實驗室中測試上述玄武巖、安山巖、流紋巖、花崗巖、輝長巖、閃長巖等火成巖標本，以及灰?guī)r、頁巖、砂巖、礫巖等沉積巖標本，記錄其抗剪、抗壓、抗拉特征，可以得到表1 中的數(shù)據(jù)。

表1 常見巖石標本的應力強度特征

表1 中，抗壓強度指在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應力，通過點載荷試驗獲得；抗拉強度指單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應力，通過點載荷試驗獲得；在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應力，稱為剪切強度?？辜魪姸鹊脑u價中，包括抗剪強度τ=c tanφ+C；抗切強度τC=C；摩擦強度τi=c tanφi+Ci。上述3 個公式中：τ、τC、τi均可在試驗中直接測得；i 為特定的剪切力施加角度；C 為巖土體的摩擦強度；黏聚力c 與內(nèi)摩擦角φ 可以用上述公式計算獲得[3-6]。

上述基于抗壓、抗拉、抗剪的應力強度試驗可以得到大部分巖石標本的力學特征，但在爆破沖擊波作用下，巖石的破壞過程還需要考慮到巖石對瞬間能量的吸收和傳導能力，這與巖石的彈性和塑性屬性有關(guān)，與地下水、裂隙等其他復雜屬性同樣有關(guān)[7]。所以，單純進行上述實驗不足以研究巖石在爆破沖擊波作用下的實際反應效果。所以，本文對上述巖石標本進行重錘試驗，巖石標本切削為直徑200 mm，厚度75 mm 的圓柱形無節(jié)理致密標本，使用5 kg 球形重錘在準真空環(huán)境中，不同高度自由落體，每組巖石100 次試驗中，記錄巖石標本的損壞數(shù)量，見表2。

表2 重錘試驗中巖石標本的損壞數(shù)量 塊

重錘從不同高度自由落體后會產(chǎn)生沖擊波能量，計算該能量值可以得到巖石被破壞的概率。重錘落下后，根據(jù)勢能-動能計算公式，進行相關(guān)計算。首先，計算轉(zhuǎn)化為動能的勢能：

式中，EK為重錘的動能；m 為重錘的質(zhì)量，kg；v 為重錘最終速度，m/s；h 為重錘的下落高度，m；g 為地球重力加速度，g=9.81 m/s2；ζ 為勢能轉(zhuǎn)化為動能的轉(zhuǎn)化率，該轉(zhuǎn)化率會受試驗系統(tǒng)中真空度的影響；Ep為重錘的勢能。

通過式（1）可以計算出表2 中4 個高度下落的重錘帶來的沖擊波能量分別為：14.7 J、24.5 J、49.1 J、98.1 J，然后計算巖石在沖擊能量作用下發(fā)生破壞的概率，破壞概率值為0～100%，如圖1 所示。

圖1 不同巖石在沖擊能量作用下的破壞率

圖1 清晰地展現(xiàn)了4 類巖石（花崗巖、玄武巖組成的強火成巖；安山巖、流紋巖、輝長巖、閃長巖等組成的弱火成巖；頁巖、礫巖、砂巖構(gòu)成的弱沉積巖；灰?guī)r等強沉積巖）破壞概率的變化，沖擊波能量為98.1 J 時，花崗巖的破壞概率為54%、玄武巖為56%、安山巖為81%、閃長巖為85%、灰?guī)r為88%、砂巖為93%、礫巖為95%。根據(jù)沖擊波能量的不同，巖石的破壞程度也隨之變化。將巖石單元視為彈塑性體，在沖擊荷載作用下會產(chǎn)生一部分不可逆的塑性變形，或者稱為損傷，結(jié)構(gòu)破壞能主要取決于塑性變形所消耗的能量,也就是說結(jié)構(gòu)破壞能主要用于巖石單元的損傷積累。

3 有限元模型的建立與試算

3.1 個案的篩選與基礎模型建立

某礦開挖至-680 m，工廠標高+132.7 m，至全巖某開拓工作面，上下圍巖層穩(wěn)定，根據(jù)綜合物探結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其圍巖特征較為顯著。對該圍巖特征進行分析，拋開煤層及薄夾層地層的影響，構(gòu)建該測試模型。用于測試極限條件下的爆破掘進圍巖破壞模型如圖2 所示。

圖2 中，共涉及4 個巖層，假定巖層賦存穩(wěn)定，其中，中心區(qū)鮞狀灰?guī)r強度超過大部分弱火成巖的強度。巖層賦存角度為0°，上部強風化灰?guī)r受到承壓地下水侵襲，水壓大于80 atm（1 atm=101 325 Pa），水量大于3 000 m3/h，對該礦掘進安全來說，防止爆破后大范圍節(jié)理影響波及該強風化層成為水害防治重點[8-11]。即通過該模型確定爆破向上影響范圍不超過220 m。

圖2 用于測試極限條件下的爆破掘進圍巖破壞模型

3.2 放炮模型的設立

該礦采用的硝酸銨鋁柴油乳化炸藥，每千克炸藥的理論爆轟能量達到6.876×106J，均勻介質(zhì)中，該炸藥的爆轟能量傳播符合立方遞減法則（符合Taylor 函數(shù)），如式（2）：

式中，ρ0為介質(zhì)密度；E0為初始爆炸能量；t 為爆炸后持續(xù)時間即沖擊波傳導時間；c 為衰減控制常數(shù)。Taylor 函數(shù)基函數(shù)較為復雜，還涉及爆轟沖擊波初始壓強P0，爆轟沖擊波自由度γ等。但在爆炸烈度足夠強時，這些參數(shù)的影響因子趨向于1，即對結(jié)果無顯著影響。考慮到本文研究的數(shù)據(jù)不完備性，該部分影響對爆破沖擊波的結(jié)果擾動誤差小于原始數(shù)據(jù)誤差，所以，按照強爆炸烈度條件下的簡化公式[式（2）]計算[12-15]。

該方程在解算過程中，其破壞力V 的表達本質(zhì)接近于爆破沖擊波的波速，當該波速超過介質(zhì)聲速時，對介質(zhì)產(chǎn)生激波影響，此時爆破沖擊波快速衰減，對介質(zhì)的破壞力最大。其破壞作用為沖擊波能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱能等其他機械能。同時，介質(zhì)不連續(xù)面也會產(chǎn)生沖擊波反射，形成沖擊波疊加效應。而介質(zhì)受到的破壞能等同于沖擊波的能量衰減量[16-18]。

對爆破點模型的設計中，因為工作面高6.3 m，寬5.6 m，為拱形斷面，該斷面內(nèi)布置光面爆破炮眼，但因為該斷面尺寸遠小于評價區(qū)域尺寸，所以，等效為單點爆破。根據(jù)全斷面光面爆破需求，待選方案為72 炮眼42.7 kg 炸藥的裝藥方案A；67 炮眼39.4 kg 炸藥的裝藥方案B；66 炮眼37.2 kg 炸藥的裝藥方案C；爆炸初始能量值分別為2.936×108J（方案A）、2.709×108J（方案B）、2.559×108J（方案C）。為實現(xiàn)更佳的爆破效果，擬按照方案A 選用最高裝藥量，但應評估安全性可以得到保障的最高裝藥量方案。

4 有限元仿真結(jié)果比較

4.1 直接仿真結(jié)果比較

使用有限元仿真軟件對3 套方案下圍巖大范圍破壞概率進行分析，分析目標為巖石節(jié)理破壞邊界不超過承壓水層界限，比較30%破壞概率和1%破壞概率，可以得到圖3。

圖3 圍巖爆破損害概率有限元仿真分析結(jié)果圖

圖3 中，巖層賦存模型同圖2，即距離爆破中心點220 m的承壓水層界限破壞概率低于1%條件下，考察3 種方案的實際表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)3 套方案在30%破壞概率目標下的破壞邊界基本一致，其中，方案A 的破壞邊界略大于另外兩者。但在1%破壞概率目標下，3 套方案表現(xiàn)顯著不同，其中，方案A 的1%破壞概率邊界深入強風化灰?guī)r層超過80 m，其對承壓水層的破壞概率遠超過1%，可以認為方案A 具有極高水害風險。方案B 的1%破壞概率邊界接近承壓水層邊界，最近距離小于10 m，認為方案B 的爆破過程仍有較大風險。而方案C 的1%破壞概率邊界距離承壓水層邊界最近位置大于40 m，可認為3 套方案中，C 方案的水害風險最低。

含水層邊界附近的破壞概率軸向分布分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 含水層邊界附近的破壞概率分布圖

圖4 為有限元模型中將含水層邊界附近1%破壞概率邊界線的局部細節(jié)沿軸向放大后的結(jié)果。根據(jù)此比較方法，如采用爆破方案A 則會有遠超過1%的概率發(fā)生爆炸影響節(jié)理導通承壓水含水層的后果。在礦井掘進工作中，該概率超出安全生產(chǎn)管理的容忍度，故方案A 應被排除在比較方案之外。即本文比較方案中，激進方案為方案B 即67 炮眼39.4 kg 炸藥的裝藥方案，保守方案為方案C 即66 炮眼37.2 kg 炸藥的裝藥方案。

4.2 仿真結(jié)果有效性的理論分析

為保證方案在整個井田區(qū)域內(nèi)的通用性，該方案在該礦巖層賦存角度3～7 ℃的條件下，忽略了巖層傾角對仿真方案的影響，排除了諸多夾層巖層對仿真方案的影響，排除了斷層結(jié)構(gòu)對仿真方案的影響。其中：

1）因為該巷道沿巖層走向布置，其基礎巖層相對賦存位置基本保持不變，所以，巖層賦存角度對方案的影響較小，可直接在仿真模型中予以忽略。

2）該巷道的夾層巖層包括砂巖層內(nèi)的碳質(zhì)泥巖層、碳質(zhì)頁巖層，及砂巖層內(nèi)的砂巖沉積結(jié)構(gòu)變化分層結(jié)構(gòu)，因為砂巖層賦存位置約在爆破點以下約80 m，而該模型研究目標集中在爆破點以上約220 m，該距離內(nèi)，考慮砂巖層與爆破點位于的鮞狀灰?guī)r層的不連續(xù)面沖擊波反射，而基本無須考慮砂巖層內(nèi)的沖擊破衰減過程。

3）該巷道的夾層巖層另包括礫巖層內(nèi)的砂質(zhì)頁巖夾層、即礫巖沉積結(jié)構(gòu)的變化層。此部分夾層對礫巖層內(nèi)的沖擊波衰減影響較為顯著，但其影響主要來自其各夾層的不連續(xù)面反射效應，其影響主要為加速衰減過程，所以，實際情況下，3 套比較方案的實際破壞情況，1%破壞概率邊界的賦存高度會顯著低于本文仿真分析結(jié)果。即該分析結(jié)果不會因為該層夾層影響而增加風險概率。

4）當巷道掘進到斷層發(fā)育區(qū)時，會進行斷層結(jié)構(gòu)的深孔抽水試驗確定地下水的實際分布情況，所以，斷層發(fā)育情況并不在本文仿真研究范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

引入巖層破壞概率的分析概念，改變了以往爆破效果分析的慣用方法。因為單純分析爆破激波對巖層的破壞效應，該研究中的3 個待選方案均為安全方案。通過對井下爆破過程對大范圍圍巖帶來的穩(wěn)定性擾動影響進行分析，可以選擇安全級別更高的爆破方案。通過該分析，可以發(fā)現(xiàn)待選方案中方案A 因為爆破產(chǎn)生的巖層節(jié)理導通上部承壓水結(jié)構(gòu)的概率超過1%，在井下施工安全管理中，該概率屬于高風險概率。而方案B 雖然裝藥量超過方案C，但其爆破過程產(chǎn)生的大范圍巖層節(jié)理導通承壓水結(jié)構(gòu)的概率遠小于1%，所以，方案B可以作為激進方案使用。在實際施工中，可以考察方案C 的實際爆破效果，在該效果不足時，有選擇方案B 的可行性。所以，該研究方法有助于提升礦井高風險作業(yè)過程中的安全管理水平。