張新河 賈世杰 趙國強

（1.新疆雪峰科技（集團）股份有限公司；2.新疆雪峰爆破工程有限公司）

隨著我國經濟技術的發(fā)展，在高寒地區(qū)內的礦山開采活動逐步活躍起來。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［1-2］，不利于礦山進行爆破開采作業(yè)，具體表現(xiàn)為施工困難、爆破設計受限、爆破效果難以控制等。

目前，有大量學者進行負溫狀態(tài)下巖石的物理力學特性研究［3-4］。趙濤等［5］研究凍結巖土在多個負溫等級下的力學特性變化，發(fā)現(xiàn)不同凍結溫度下孔隙內冰、水含量是巖石抗拉和抗壓強度差異巨大的必要因素；李金明等［6］研究了溫度和圍壓對風化花崗巖力學性能影響規(guī)律，得出負溫和高圍壓改變巖石內部結構從而提高巖石強度的結論；楊陽等［7］通過負溫狀態(tài)下SHPB 動態(tài)沖擊試驗，結合電鏡掃描砂巖微觀斷口形貌，表明動載荷與負溫雙重作用下紅砂巖內部組成物質界面處生成大量裂紋，而砂巖動態(tài)力學強度急劇下降；劉紅軍等［8］利用室內三軸實驗及現(xiàn)場監(jiān)測方法進行粉砂質黏土路塹邊坡內部凍融失穩(wěn)研究，研究表明含水率對土體的黏聚力及內摩擦角影響較大，且凍融循環(huán)作用會導致土體黏聚力降低；董英健等［9］通過高寒區(qū)爆破振動對邊坡響應特征研究，發(fā)現(xiàn)凍結態(tài)礦巖內部爆破振動衰減速率隨著溫度降低而減小，延長了爆破振動對邊坡作用時間，從而邊坡底部沉降位移增大等；張功等［10］通過聲發(fā)射研究砂質泥巖在凍結過程中的損傷變化特征，尤其在單軸試驗巖石壓密過程中，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)紅砂巖力學強度及黏聚力逐步減小，且負溫對紅砂巖主要產生單破裂剪切破壞；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，飽水紅砂巖三軸抗壓強度與溫度呈指數(shù)關系，與圍壓呈線性關系，滿足Mohr準則；劉瑩等［13］針對內蒙古鄂爾多斯地區(qū)白堊系凍結巖層，研究不同負溫下巖石力學特性，試驗結果對該地區(qū)進行凍結法施工具有參考價值。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，但缺乏相對全面的力學試驗環(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，冬季長達8 個月，最低氣溫達-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。為探明負溫對巖石物理力學參數(shù)影響變化規(guī)律，以現(xiàn)有的寒區(qū)凍巖爆破機理研究為理論基礎，開展靜動態(tài)凍巖力學強度測試試驗，分析不同負溫下巖石物理力學特性變化特征，為寒區(qū)凍巖控制爆破提供相關的理論參考。

1 高海拔寒區(qū)凍巖爆破機理分析

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、強度、節(jié)理裂隙、結構面、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，其復雜性使得巖石爆破破碎機理沒有形成系統(tǒng)的理論體系，但目前有3種較為流行的巖石爆破破碎機理［14～17］：

（1）爆炸應力波理論。該理論認為巖石破碎的主要原因是炸藥爆炸產生的壓縮應力波和反射后的拉伸應力波共同作用。炸藥爆炸瞬間會形成高溫、高壓、高速的沖擊波，沖擊波首先在巖體中引起強烈的壓縮應力波，當壓縮應力波的強度超過巖石的抗壓強度時，巖石發(fā)生破壞。隨著應力波的傳遞，當它達到自由面時，壓縮應力波在自由面發(fā)生反射，形成拉伸應力波，當拉伸應力波的強度大于巖石抗拉強度，巖石發(fā)生破壞，隨著應力波的傳播，“壓碎”和“片落”現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生，直至應力波強度衰減到巖石強度以下。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。該理論認為巖石破碎的主要原因是炸藥爆炸產生的高溫高壓氣體膨脹對巖石做功的結果，其主要表現(xiàn)為巖石的徑向裂紋。藥包爆炸后產生大量的高溫高壓氣體，其膨脹時產生的推力作用在巖壁上，巖石質點產生徑向和環(huán)向位移，從而形成拉伸和剪切應力，引起巖石破碎。

（3）爆生氣體和應力波耦合作用理論。該理論認為巖石破碎的主要原因是爆炸應力波和爆生氣體的耦合作用結果。爆炸沖擊波產生的壓縮應力波和拉伸應力波加劇巖體損傷，使巖石產生裂紋，爆生氣體的侵入和膨脹加速了巖石裂紋擴展、破碎和巖塊的運動及拋擲。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)凍巖爆破機理分析

巖性與爆破效果密切相關，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，巖石中水凍結成冰的相變過程伴隨著一系列物理和化學變化，如巖石內部的水分前移、裂隙擴展，含水量、孔隙大小、礦物成分和巖石結構改變等。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)凍巖的爆破機理更為復雜。

炸藥在凍結巖體中爆炸后，當埋深很大時，其爆破作用達不到自由面，或無法穿透凍土層，爆破作用發(fā)生在凍結巖體內部或凍土層內，在爆炸應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巖石發(fā)生融熔，形成粉碎區(qū)。一定范圍內的巖石受到壓應力的作用，同時隨著質點位移發(fā)生拉應力和剪切應力，產生較大的壓縮腔體，形成壓密區(qū)。隨著埋深減小，炸藥爆炸作用范圍向上移動，內部作用減弱，外部作用增強，當爆破應力波達到自由面時，反射成為拉伸應力波，其強度大于巖土體抗拉強度時，發(fā)生片狀剝離現(xiàn)象。與此同時，爆生氣體膨脹時，對巖石的氣楔擠壓作用促使裂紋擴展，形成環(huán)向和徑向交錯的裂隙區(qū)。隨著爆破應力波的衰減，應力波強度不足以達到巖石的破壞強度，直至爆破作用衰減完畢后形成振動區(qū)。在空間上，從藥包中心由內向外形成粉碎區(qū)、壓密區(qū)、裂隙區(qū)、振動區(qū)，各區(qū)之間沒有可明顯的界線，且存在一定的聯(lián)系。

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

2 高海拔寒區(qū)凍巖力學特性試驗

2.1 試樣制備

試樣取自高海拔寒區(qū)礦山巖塊，根據國際巖石力學學會標準，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，直徑50 mm、高度50 mm 的圓柱體用作抗拉試驗。圓柱試件表面光滑，平整度及垂直度＜0.02 mm，符合測試精度要求。

為最大程度降低巖樣的離散度，保證試驗結果的可靠度，采用HS-YS2B 型非金屬超聲檢測儀對巖樣進行逐一檢測，剔除波速差距較大的巖樣。巖樣的主要物理性質如表1所示。

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2.2 試驗方案

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2個方面開展寒區(qū)巖石力學特性試驗研究。分別在20 ℃（常溫）、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃的溫度環(huán)境下測試試樣的靜力學和動力學特性。

2.2.1 靜力學試驗

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

2.2.2 動力學試驗

采用分離式霍普金斯桿測試系統(tǒng)獲取試樣的動力學強度特征。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、溫控箱組成。該試驗裝置配備溫控箱，由液氮噴射制冷，常規(guī)制冷可達-50 ℃，符合試驗要求。設置環(huán)境溫度為20 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 靜力學試驗結果

以20℃條件下的巖樣為對照，測試了不同凍結溫度下試樣的單軸抗壓強度、抗拉強度，計算得到彈性模量、泊松比等巖石力學參數(shù)。巖樣的靜力學參數(shù)與凍結溫度的關系見圖3。

試驗結果表明，隨著凍結溫度的降低，巖石的單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、彈性模量皆表現(xiàn)為逐漸增加趨勢，變化率在逐步增大。就巖石單軸抗壓強度而言，-30 ℃較常溫20 ℃的巖石力學強度提升了116.84%；巖石泊松比從常溫20 ℃到- 30 ℃降低21.74%。結合前節(jié)相關敘述，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，內部孔隙減少。隨著溫度進一步降低，孔隙水完全凍結，增加了巖石內部膠結性能，宏觀上巖石強度顯示增大。負溫條件下由于巖石空隙減少，巖石內礦物顆粒收縮，巖石受到外部壓力壓縮后應變降低，巖石泊松比呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)，靜力學參數(shù)與凍結溫度存在較好的線性關系，如表2所示。

注：表中y為巖石參數(shù)，x為溫度。

2.3.2 動力學試驗結果

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

注：表中y為巖石參數(shù)，x為溫度。

相同溫度下，巖石動態(tài)強度顯著大于靜態(tài)強度，說明沖擊載荷下巖石強度增長明顯。0～-30 ℃溫度變化范圍內，巖石動態(tài)力學強度增長率更為顯著，抗壓強度增長近一倍，抗拉強度呈指數(shù)增長的趨勢。

從巖石爆破角度來說，巖石凍結后增大了巖石強度參數(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，同等條件下勢必增大凍結巖石的炸藥單耗，不利于降低爆破作業(yè)成本。

3 結 論

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

（2）動態(tài)條件下，外部施加沖擊載荷使得巖石內部結構發(fā)生改變。0～-30 ℃溫度變化范圍內，巖石整體收縮，巖石動態(tài)力學強度顯著提升，巖石整體承載能力增大。

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