, 郝琪琪, 高继开 东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-07-10
基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFC0602902)。
作者简介：张凤鹏(1967-), 男, 辽宁建昌人, 东北大学教授。
摘要：针对深部高应力条件下岩石爆破问题, 开展不同单向压应力条件下的砂岩漏斗爆破实验, 研究了静应力对漏斗爆破过程中裂纹网形成与扩展的影响.提出了爆破漏斗破坏分区的概念, 即块状破坏区、过渡区、片状剥落区.分别分析了静应力对爆破漏斗三个破坏区的影响, 进而阐明了不同静应力条件下岩石爆破破坏的特征.结果表明: 静应力促进平行其自身方向裂纹的形成, 抑制垂直其自身方向裂纹的形成, 进而改变了裂纹网的形态; 静应力促进平行其自身方向爆破漏斗破坏区的形成, 对片状剥落区的影响最大, 块状破坏区与过渡区次之, 对垂直其自身方向的破坏区影响较小; 当应力强度比达到0.15时, 需要考虑静应力对爆破效果的影响.
关键词：高应力电爆炸漏斗爆破裂纹网破坏分区
Influence of Unidirectional Compressive Stress on the Crater Blasting of Sandstone
ZHANG Feng-peng, YAN Guang-liang
, HAO Qi-qi, GAO Ji-kai Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: YAN Guang-liang, E-mail: 15027675797@163.com.
Abstract: in-situ stress, we conducted crater blasting tests on sandstone specimens under different unidirectional compressive stresses. The influence of static stress on the formation and propagation of crack network in the process of crater blasting was analyzed. The concept of failure zones formed in blasting crater, namely, block failure zone, transition zone and flaky spalling zone was put forward. The influence of static stress on the three failure zones in blasting crater and the characteristics of rock blasting failure under different static stress conditions were elucidated.The results show that static stress promotes the formation of cracks parallel to its own direction and inhibits the formation of cracks perpendicular to its own direction, thus changing the shape of the crack network. The static stress promotes the formation of blasting crater failure zone parallel to its own direction, and has the greatest influence on flaky spalling zone, followed by block failure zone and transition zone, and has little effect on the failure zone perpendicular to its own direction.When stress-strength ratio reaches 0.15, the influence of static stress on blasting effect needs to be considered.
Key words: high stresselectrical explosioncrater blastingcrack networkdistinction of failure zone
采矿、隧道、地下硐室、水电站等工程逐渐向深部地下发展[1-2].在深部岩石开挖工程中, 钻爆法仍然是主要的破岩手段.随着深度增加, 地应力逐渐增大[3].以往的研究表明, 静应力对岩石的力学性质和破坏行为有着显著的影响.随着静应力增大, 岩石的冲击强度表现出先增大后减小的趋势[4], 而且, 静应力对裂纹形成与扩展有明显的导向作用[5].当地应力达到一定程度时, 会对爆破效果产生较大影响, 进而影响工程的经济效益与安全.当地应力达到什么水平时需要考虑地应力对爆破效果的影响, 当前还没有定论.
地应力对爆破破岩具有双重影响.负面看, 地应力会导致爆破边界难以控制、大块率高等问题, 甚至会诱发岩爆、冲击地压等地质灾害[6-7]; 正面看, 爆破会诱发存储在地应力岩体内的弹性能释放, 进而促进爆破效果.充分发挥地应力的正面作用, 尽量减小地应力的负面作用, 是目前深部岩石工程亟需解决的问题; 然而, 当前深部岩石爆破工程仍然沿用浅部爆破工程设计方法, 缺少考虑地应力的爆破设计方法.
利文斯顿漏斗爆破理论是工程爆破设计的理论基础.研究表明, 静应力会影响漏斗爆破时裂纹的演化规律[8-9], 各向异性的静应力场会导致裂纹网的各向异性.同时, 静应力也控制着损伤区的大小与形态[10].在以往的研究中, 多是采用数值实验方法开展静应力对漏斗爆破过程影响的研究, 缺少模型实验的验证; 而且, 关于静应力对爆破漏斗形态与爆破块度影响的研究还鲜见报道.
针对上述问题, 本文开展了不同单向压应力作用下的砂岩漏斗爆破实验, 研究静应力对漏斗爆破过程中裂纹网形成与扩展的影响, 静应力对爆破漏斗形态与爆破块度的影响, 以及爆破设计中需要考虑静应力影响的阈值, 为深部高应力条件下的爆破设计提供依据.
1 实验装置、试件与过程1.1 实验装置本次实验装置为基于电爆炸的高应力硬岩爆破实验装置[11].该实验装置由电爆炸实验系统、加载系统、测量系统与控制系统四部分组成, 如图 1所示.电爆炸实验系统利用金属丝电爆炸模拟炸药爆炸, 为岩石施加爆炸动载荷; 加载系统为双轴加载压力机, 为试件构建所需静应力场; 测量系统为超高速相机, 可以采集岩石表面的动态破坏过程; 控制系统功能是协调电爆炸系统与测量系统同步工作.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 实验装置Fig.1 Test apparatus |
1.2 实验试件使用青砂岩进行实验, 材料参数见表 1.试件为300 mm×300 mm×150 mm的长方体; 炮孔直径为12 mm, 深130 mm, 抵抗线为20 mm.将制作好的电极插入孔底并用速凝水泥密封.图 2为试件与电极的实物图, 试件示意图参见文献[12].定义试件自由面为xy平面, 原点O为炮孔中心与自由面的交点, z轴方向垂直自由面向外.金属丝为直径0.4 mm、长度50 mm的铜丝, 铜丝盘绕形成图 2所示的形态, 放入炮孔内构成加载端, 制成待爆试件.
表 1(Table 1)
 表 1 砂岩材料参数Table 1 Sandstone material parameters
| 表 1 砂岩材料参数 Table 1 Sandstone material parameters |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 试件与电极Fig.2 Specimen and electrode |
1.3 实验过程本文实验分为4组, 分别施加单向静应力: 0, 12, 24和32 MPa, 对应的应力强度比为0, 0.15, 0.3和0.4, 每组进行3次重复性实验.
具体实验步骤如下:
1) 将准备好的待爆试件安装在加载系统中, 采用力控加载方式, 在水平方向(x轴方向)与垂直方向(y轴方向)施加5 kN(0.11 MPa)的约束载荷, 目的是防止试件移动, 降低边界效应;
2) 设置高速摄影测量系统, 本文实验拍摄速度为20万帧/s, 总的拍摄时间为895 μs;
3) 调试电爆炸实验系统, 连接试件与电爆炸实验系统;
4) 采用力控加载方式, 在垂直方向(y轴方向)对试件施加设计的静应力;
5) 对电爆炸实验系统充电, 本文实验充电电压为50 kV, 能量为5.0 kJ;
6) 利用控制系统同时启动电爆炸系统与高速摄影, 进行爆破漏斗实验并拍摄其破坏过程.
2 实验结果与分析2.1 裂纹网演化特征图 3为单向静应力分别为0, 12, 24和32 MPa(对应的应力强度比为0, 0.15, 0.3和0.4)条件下, 砂岩漏斗爆破过程中不同时刻自由面裂纹网特征.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同应力条件下的裂纹演化Fig.3 Crack evolution under different stress conditions (a)—应力强度比0；(b)—应力强度比0.15；(c)—应力强度比0.3；(d)—应力强度比0.4. |
当应力强度比为0时(图 3a), 首先在炮孔中心位置形成4条随机分布的一次径向裂纹; 随着径向裂纹向外传播, 形成一圈一次环向裂纹, 环向裂纹中断了一次径向裂纹的传播.之后又在第一圈环向裂纹外形成二次径向裂纹, 随着二次径向裂纹传播, 逐渐形成二次环向裂纹, 上述裂纹特征决定了爆破漏斗的最终形态与爆破块度.从图 3a可以看出, 裂纹种类可分为径向裂纹与环向裂纹.裂纹的形成过程：首先是一次径向裂纹和一次环向裂纹形成, 然后是二次径向裂纹和二次环向裂纹形成.
当应力强度比为0.15时(图 3b), 径向裂纹与环向裂纹形成过程与无静应力时相似, 首先是炮孔中心一次径向裂纹形成和一次环向裂纹形成, 然后是二次径向裂纹和二次环向裂纹形成; 但是, 平行静应力方向的一次径向裂纹较长, 而垂直静应力方向的一次径向裂纹较短, 径向裂纹区与环向裂纹区开始向椭圆形发展.上述结果表明, 当应力强度比达到0.15时, 静应力开始对爆破漏斗形成过程产生影响, 此时需要考虑静应力对爆破效果的影响.
当应力强度比为0.3时(图 3c), 裂纹网表现出更加明显的各向异性.此时炮孔中心垂直静应力方向的径向裂纹被抑制, 而平行于静应力方向只有一条径向裂纹逐渐变长, 并逐渐形成第一圈环向裂纹; 然后二次径向裂纹开始萌生发展, 第二圈环向裂纹形成.可以看出, 此时裂纹网的各向异性更加明显.
当应力强度比为0.4时(图 3d), 炮孔中心位置只出现一条平行静应力方向的径向裂纹, 接着出现的是平行载荷方向的两条环向裂纹, 之后这两条裂纹沿着静应力方向传播, 并逐渐向内侧转弯相交; 然后, 在外围平行位置出现第二圈环向裂纹, 期间伴随着平行静应力方向的二次径向裂纹形成, 此环向裂纹即为漏斗边缘.可以看出, 静应力极大促进了平行自身方向裂纹的形成, 抑制了垂直自身方向裂纹的形成.
从上述结果中可以看出, 当单向应力强度比超过0.15时, 爆破漏斗会出现左右对称的各向异性的裂纹网, 此时需要考虑静应力对爆破效果的影响.随着应力强度比增大, 各向异性的破坏形式更明显.需要指出的是, 通过本实验方法可以获得不同性质的岩石在不同应力条件下的裂纹扩展形式, 对指导工程设计具有重要参考价值.
2.2 爆破漏斗形状图 4为不同应力条件下的爆破漏斗.从图中可以看出, 在无静应力条件下, 爆破漏斗呈圆形, 随着单向静应力逐渐增大, 爆破漏斗逐渐向椭圆形发展, 长轴平行载荷方向.静应力越大, 椭圆效果越明显.同时, 静应力对垂直其自身方向的破坏区域影响较小.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同应力条件下爆破漏斗Fig.4 Blasting crater under different stress conditions (a)—应力强度比0；(b)—应力强度比0.15；(c)—应力强度比0.3；(d)—应力强度比0.4. |
在深部高应力条件下进行岩石爆破开挖时, 在自由面附近, 岩体可视为处于二向应力状态.当最大主应力与最小应力相差较大时, 即岩体处于各向异性较大的应力场时, 需要考虑静应力场对爆破破坏区域形状的影响, 在爆破设计时应当对爆破参数(孔距、排距等)进行适当的调整.
2.3 爆破漏斗的分区破坏图 5为无静应力与单向静应力32 MPa时的爆破漏斗三维扫描图与剖面图.根据形态特征, 爆破漏斗可分为三个破坏区域: 块状破坏区、过渡区和片状剥落区.图 5中, Z1为块状破坏区, Z2为过渡区, Z3为片状剥落区.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 爆破漏斗破坏分区Fig.5 Failure zone of blasting crater (a)—应力强度比0；(b)—应力强度比0.4. |
1) 炮孔周围的最内侧为块状破坏区, 该区的岩石呈块状破坏, 主要是由爆炸应力波的鼓胀拉伸作用引起的.该区域是爆破漏斗的核心区域, 占破坏体积的大部分.由爆破漏斗的剖面图可知, 该区域的爆破漏斗角最小.通过比较图 5a与图 5b可知, 随着单向静应力逐渐增大, 该区域逐渐变成长轴沿静应力方向的椭圆形.
2) 块状破坏区之外为过渡区, 该区域的特征是爆破漏斗张开角逐渐变大, 爆破漏斗角并非固定值, 岩石逐渐从块状破坏向片状破坏过渡.该区域的破坏体积占比较小, 而且, 该区域岩石的破坏机理有待深入研究.通过比较图 5a与图 5b可知, 与块状破坏区类似, 随着静应力逐渐增大, 该区域逐渐向椭圆形状发展, 长轴平行静应力方向.
3) 在过渡区之外到爆破漏斗边界为片状剥落区, 该区域的岩石呈片状破坏, 爆破漏斗张开角很大, 爆破漏斗很浅.该区域的破坏主要是由爆炸应力波在自由面反射拉伸引起的.随着静应力增大, 该破坏区域快速向椭圆形状发展.在平行载荷方向, 破坏区域快速增大; 在垂直载荷方向, 该区域有变大的趋势, 但是并不明显.通过比较图 5a与图 5b可知, 静应力对片状破坏区的影响最大.
根据图 5a, 爆破漏斗的三个破坏区均为圆形, 爆破漏斗A-A′剖面与B-B′剖面相似度一致, 没有各向异性.爆破漏斗的块状破坏区面积略小, 但体积大, 岩石呈块状破坏, 是主要的破坏区域, 占崩落岩石体积的大部分.过渡区面积和体积均较小, 不是破坏的主要组成部分, 该区域的破坏机理有待深入研究.片状剥落区的破坏面积较大, 占爆破漏斗平面面积的大部分, 但该区的岩石为薄片状破坏, 岩石崩落体积较小.根据图 5b, 当静应力较大时, 爆破漏斗A-A′剖面与B-B′剖面差异明显, 爆破漏斗的三个破坏区表现出明显的各向异性, 尤其是片状破坏区.
通过比较图 5a中爆破漏斗的A-A′剖面与图 5b中爆破漏斗的A-A′剖面可以看出, 随着静应力增大, 平行载荷方向的三个破坏分区均明显增大, 片状剥落区更加明显.通过比较图 5a中爆破漏斗的B-B′剖面与图 5b中爆破漏斗的B-B′剖面可以看出, 两者相似度较高, 表明静应力对垂直载荷方向的爆破漏斗破坏区域影响较小, 静应力影响的主要是平行载荷方向的破坏区域.这很好地解释了在岩体爆破时, 高应力集中区容易发生片状破坏的原因, 以及高应力条件下容易造成超挖欠挖的现象.与Zhang等[12]的实验结果相比发现, 岩石越脆, 即岩石的泊松比越小、弹性模量越大, 静应力对爆破效果的影响越大.
2.4 爆破块度图 6为不同应力强度比条件下的爆破块度.与爆破漏斗分区破坏相对应, 岩石分为块状破坏、过渡破坏和片状破坏.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 爆破块度Fig.6 Blasting fragmentation (a)—应力强度比0；(b)—应力强度比0.15；(c)—应力强度比0.3；(d)—应力强度比0.4. |
从图 6a中可以看出, 当应力强度比为0时, 碎片主要为块状破坏, 块度分布均匀.
当应力强度比为0.15时(图 6b), 碎片仍然主要为块状破坏, 块度分布较均匀.但是, 由于静应力对裂纹的作用, 使得炮孔中心位置处的爆破块度呈长条形, 表明静应力已经改变了爆破块度特征.
当应力强度比为0.3时(图 6c), 由于静应力促进了炮孔中心处平行自身径向裂纹的发展, 而抑制了垂直自身方向径向裂纹的产生, 导致炮孔中心处的岩石变成两个大块.同时, 由于静应力的作用, 岩石的片状破坏明显增多.片状破坏的形成主要是由静应力引起的自由面方向的拉伸应力, 以及与爆炸应力耦合作用引起的拉伸应力造成的.
当应力强度比为0.4时(图 6d), 炮孔中心处形成大块, 但大块上有一条平行静应力方向的径向裂纹, 只是未发育完全, 而片状破坏的碎片继续增加.
从上述结果可以看出, 由于静应力对裂纹的导向作用, 可能导致近炮孔处产生大块, 远炮孔处片状破坏增多.但是应该注意, 静应力只是引起平行自身方向片状破坏的增加, 而对垂直自身方向的片状破坏区影响很小.通过图 4与图 6可知, 静应力不仅导致爆破漏斗形状的各向异性, 也导致爆破块度分布发生了显著变化.在进行高应力条件下的爆破设计时, 要综合考虑静应力对爆破区形状与爆破块度分布的影响.
3 结论1) 静应力促进了平行其自身方向裂纹的扩展, 抑制了垂直其自身方向裂纹的扩展, 改变了爆破漏斗区域内裂纹网的形态, 进而改变了爆破漏斗的形态, 使得爆破漏斗呈长轴为平行静应力方向的椭圆形, 且静应力越大, 椭圆现象越明显.
2) 爆破漏斗可分为块状破坏区、过渡区与片状剥落区; 相应地, 爆破漏斗内岩石可分为块状破坏、过渡破坏与片状破坏.块状破坏区是由爆炸冲击波的鼓胀拉伸作用引起的, 片状破坏是由爆炸冲击波在自由面反射拉伸作用引起的, 过渡破坏的作用机理有待深入研究.
3) 静应力促进了平行其自身方向爆破漏斗破坏区的形成, 对垂直其自身方向的爆破漏斗破坏区影响较小, 使爆破漏斗呈长轴平行静应力方向的椭圆形, 静应力对片状剥落区的影响最大, 块状破坏区与过渡区次之.
4) 当应力强度比超过0.15时, 需要考虑静应力对爆破效果的影响.
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