李　鴻，胡浩川，趙明生，陶鐵軍

(貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002)

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某礦山爆破巖體破裂范圍試驗分析*

李鴻，胡浩川，趙明生，陶鐵軍

(貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002)

摘要:礦山爆破過程中巖體的破裂范圍對邊坡的穩(wěn)定性有著重要的影響。以某礦山爆破施工為研究背景，通過現(xiàn)場聲波試驗對巖體的破裂范圍進行了測定，并通過理論計算得出了現(xiàn)場邊坡巖體爆破后的壓碎圈、裂隙圈范圍，計算了減小炮孔直徑后爆破巖體的破裂圈范圍。結(jié)果表明：現(xiàn)場測試巖體的爆破破裂范圍為3.46 m，理論計算巖體裂隙圈平均范圍為3.428 m，現(xiàn)場實驗結(jié)果與理論計算誤差為0.9%。炮孔直徑由160 mm變?yōu)?0 mm后裂隙圈范圍縮小為1.928 m。通過減小炮孔的直徑能有效控制礦山邊坡巖體的破裂范圍，為邊坡的爆破控制防護措施提供理論支撐。

關(guān)鍵詞:裂隙圈；聲波測試；小孔徑；邊坡穩(wěn)定性

眾所周知，礦山裝藥爆破使巖石產(chǎn)生徑向裂隙，其在巖體壓碎圈的外層形成了裂隙圈[1,2]。根據(jù)經(jīng)驗，裂隙圈的范圍一般為藥包半徑的8～150倍。

目前國內(nèi)、外學者多采用理論分析、現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬等技術(shù)對巖石爆破后的裂隙圈范圍及其損傷分布規(guī)律進行研究。閆長斌、徐國元等對廠壩鉛鋅礦某巷道圍巖在爆破動荷載作用下產(chǎn)生的累積損傷效應進行了現(xiàn)場試驗研究，提出了爆破裝藥位置和藥量對巖體損傷累積規(guī)律有一定的影響[3]。郭磊、程康利用聲波測試儀對隧道圍巖松動范圍進行了檢測，并對實測數(shù)據(jù)進行了整理分析，提出隧道爆破作業(yè)后的松動范圍[4]。陳俊樺在現(xiàn)有巖石爆破損傷理論的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場爆破試驗、爆破振動速度測試以及鉆孔聲波測試，驗證爆破參數(shù)的合理性以及完善爆破參數(shù)設(shè)計[5]。謝瑞峰、曲國鵬將壓碎圈和裂隙圈范圍的確定簡化為平面應變問題，推導出耦合裝藥和不耦合裝藥條件下深部巖石松動爆破的壓碎圈和裂隙圈半徑計算公式[6]。

以某露天礦爆破施工工程為背景，在爆破現(xiàn)場進行巖體聲波測試。通過對測試數(shù)據(jù)進行分析，獲得了現(xiàn)場巖體的爆破破裂范圍。并結(jié)合理論計算對現(xiàn)場實驗結(jié)果進行驗證，通過減小炮孔直徑優(yōu)化礦山爆破參數(shù)，確定控制爆破區(qū)間范圍，確保礦山永久邊坡的穩(wěn)定性。

1現(xiàn)場聲波測試

1.1工程概況

貴州省某礦山為山坡露天礦，礦區(qū)內(nèi)地勢東高西低，海拔高度2100～2650 m，相對高差達到550 m。該露天礦巖石性質(zhì)主要為灰?guī)r及含燧石灰?guī)r，巖體較為破碎，導致邊坡穩(wěn)定性較差?，F(xiàn)場爆破參數(shù)為：臺階高度15 m，孔深16 m，超深1 m。孔徑165 mm，孔距6 m，排距5 m，堵塞長度為4.5 m?，F(xiàn)場采用膨化硝銨炸藥，密度為1000 kg/m3，爆速為3200 m/s，單孔藥量156 kg。

1.2測試方法

現(xiàn)場測試采用武漢巖海RS-ST01D跨孔聲波檢測儀。為保證測試孔能裝滿水減少聲波在空氣中的衰減，聲波孔位于邊坡巖體之上，與水平呈30°夾角?，F(xiàn)場布3個測孔，呈一條水平直線分布，孔徑為160 mm?？拙酁?.25 m，聲孔深為6 m，如圖1所示。

在鉆鑿完測孔后，用竹竿檢驗聲波孔，保證測孔壁內(nèi)通暢，不影響發(fā)射器的順利放入和提升。由于巖性較為破碎，現(xiàn)場利用礦山的灑水車對聲波孔進行灌水，并通過薄壁塑料袋緊貼孔內(nèi)壁減少孔內(nèi)水分的流失，保證測試過程中讓水與孔壁耦合。在測試前，將儀器開啟，設(shè)置好測試參數(shù)，等待采集。首先將發(fā)射和接收的探頭放置于孔底，調(diào)整發(fā)射、接受器在同一水平高度。測試時緩慢提升發(fā)射、接收探頭，通過深度記數(shù)滑輪記錄孔間巖石的聲波縱波波速。現(xiàn)場測試如圖2所示。

2巖體破裂圈范圍結(jié)果分析

經(jīng)現(xiàn)場采樣進行室內(nèi)巖石聲波試驗測試，測得完整巖塊的縱波聲波速度為4200 m/s。分別對AB、BC孔進行現(xiàn)場聲波測試，得到巖體在0～6 m范圍內(nèi)的聲波在兩孔之間的傳輸時間，并推算出不同孔深的速度變化，將測試結(jié)果繪制成聲波測試曲線如圖3所示。

由測試結(jié)果可知：AB炮孔之間此處巖體的縱波速度從0 m到4 m時，波速一直在3770 m/s到4000 m/s范圍內(nèi)無規(guī)律變化，深度超過4 m后聲波速度穩(wěn)定在4150m/s；BC炮孔之間此處巖體的縱波速度從0 m到4 m時，波速從一直在3650 m/s到3950 m/s范圍內(nèi)無規(guī)律變化，深度超過4 m后聲波速度穩(wěn)定在4150 m/s。由上述數(shù)據(jù)分析可知，0～4 m范圍內(nèi)聲波速度小于完整巖體的聲波速度，超過4 m后巖體聲波速度趨于穩(wěn)定，略小于室內(nèi)巖體聲波速度，可確定0～4 m孔深區(qū)域為爆破引起的裂隙圈范圍，即裂隙圈半徑為4×cos 30°=3.46 m。

3爆破破裂范圍理論計算

礦山裝藥爆破后,將在炮孔壁周圍形成壓碎圈和裂隙圈。根據(jù)式(1)～式(7),可計算得到壓碎圈半徑[7,8]

(1)

式中，σcd為巖石動態(tài)抗壓強度，巖石的動態(tài)抗壓強度隨著加載應變率的提高而增大。對于常見的巖石，其動態(tài)抗壓強度可近似表達為

(2)

式中：σc為巖石靜態(tài)抗壓強度；ε為加載應變率；其中r為礦山爆破的炮孔半徑；A的值可由下式計算得到

(3)

式中：ρ、ρ0分別為巖石和炸藥的密度；Cp、D分別為巖石縱波波速和炸藥的爆速；其中，α為壓碎圈內(nèi)荷載傳播衰減指數(shù)，可由下式計算得到

(4)

式中，μd為巖石動態(tài)泊松比。根據(jù)相關(guān)研究，可以近似認為巖石動態(tài)泊松比的計算公式為

(5)

式中，μ為巖石靜態(tài)泊松比。

(6)

式中，b為側(cè)向應力系數(shù)

(7)

此外，根據(jù)式(8)～式(11)可計算得到裂隙圈半徑

(8)

式中，σtd為巖石動態(tài)抗拉強度，由于巖石的動態(tài)抗拉強度隨加載應變率的變化很小，因此在礦山爆破中可以簡化為

(9)

式中，σt為巖石靜態(tài)抗拉強度；β為壓碎圈外荷載傳播衰減指數(shù)，可由下式計算得到

(10)

式中，σR為壓碎圈與裂隙圈在分界面上的徑向應力

(11)

式中，σcd和B取值同前式計算一致。

現(xiàn)場采用巖石膨化硝銨炸藥進行爆破，取炸藥密度ρ0=1000 kg/m3，爆速D=3200m/s；巖石的密度ρ=2936 kg/m3。巖石泊松比μ=0.24，巖石靜態(tài)抗壓強度σc=150 MP，巖石靜態(tài)抗拉強度σt=24MP，加載應變率ε取103，炮孔半徑r=0.08 m。在爆破前通過打垂直孔測量其巖體縱波波速，得到AB孔巖體平均波速為4092 m/s；BC孔的平均波速為3980 m/s。

將實測爆破參數(shù)及巖體條件參數(shù)代入上述式子，可得AB巖體壓碎圈R1=0.358 m，裂隙圈R2=3.247m；BC巖體壓碎圈R1=0.31 m，裂隙圈R2=3.609 m。平均爆破裂隙圈范圍為3.428 m。

4小孔徑爆破參數(shù)優(yōu)化

為保證礦山永久保留邊坡的穩(wěn)定性，在保留邊坡邊界線附近均采用90 mm孔徑的炮孔進行爆破作業(yè)，為確定爆破損傷范圍，采用理論計算的方式對現(xiàn)場掩體爆破裂隙圈范圍進行計算。爆破參數(shù)與上述計算參數(shù)一致，將炮孔半徑r=0.045 m，平均波速Cp=4050 m/s帶入式(1)～式(11)，計算可得，在小孔徑炮孔爆破工況下，爆破作用所產(chǎn)生的裂隙圈范圍為1.928 m。

因此，在距離邊坡永久邊界1.928～3.428 m范圍內(nèi)，采用90 mm孔徑進行爆破作業(yè)不會對礦山永久邊坡產(chǎn)生破裂損傷，在1.928 m范圍內(nèi)應采用光面爆破的形式進行邊坡修整。

5結(jié)論

對爆破現(xiàn)場聲波測試進行數(shù)據(jù)分析處理，獲得了現(xiàn)場巖體的爆破破裂范圍，并結(jié)合理論計算得到了以下結(jié)論：

(1)現(xiàn)場聲波測試獲得的巖體裂隙圈平均范圍為3.46 m，理論計算的巖體裂隙圈平均范圍為3.428 m，理論計算與現(xiàn)場實驗結(jié)果誤差為0.9%。

(2)采用90 mm小孔徑進行爆破作業(yè)能減小爆破裂隙圈范圍，能夠有效控制爆破作業(yè)對邊坡巖體的損傷。

(3)在距離邊坡永久邊界1.928～3.428 m范圍內(nèi)，采用90 mm孔徑進行爆破作業(yè)，超過3.428 m范圍內(nèi)可使用160孔徑進行爆破作業(yè)，小于1.928 m時應采用光面爆破等控制作業(yè)確保邊坡的穩(wěn)定性。

參考文獻(References)

[1]石小兵,龐維強,蔚紅建.鈍感推進劑研究進展和發(fā)展趨勢[J].化學推進劑和高分子材料,2007,5(2):24-32.

[1]SHI Xiao-bing,PANG Wei-qiang,WEI Hong-jian.Research progress and development trends of insensitive propellant[J].Chemical Propellants & Polymeric Materials,2007,5(2):24-32.(in Chinese)

[2]SUNDAR C S,BHARATHI A,HARIHARAN Y,et al.Thermal decomposition of C60[J].Solid State Communications,1992,88(10):823-826.

[3]閆長斌,徐國元,楊飛.爆破動荷載作用下圍巖累積損傷效應聲波測試研究[J].巖土工程學報,2007,29(1):88-93.

[3]YAN Chang-bin,XU Guo-yuan,YANG Fei.Measurement of sound waves to study cumulative damage effect on surrounding rock under blasting load[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(1):88-93.(in Chinese)

[4]郭磊,程康,陳俊強.小凈距隧道圍巖松動范圍的測試與分析[J].山西建筑,2016,42(11)：183-184.

[4]GUO Lei,CHENG Kang,CHEN Jun-qiang.The test and analysis on small clear distance tunnel surrounding rock looseness range[J].Shanxi Architecture,2016,42(11)：183-184.(in Chinese)

[5]陳俊樺,李新平,張家生.基于爆破損傷的巖臺保護層開挖爆破參數(shù)研究[J].巖石力學與工程學報,2016,35(1):98-108.

[5]CHEN Jun-hua,LI Xin-ping,ZHANG Jia-sheng.Study on blasting parameters of protective layer excavation of rock bench based on blasting-induced damage[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(1):98-108.(in Chinese)

[6]謝瑞峰,曲國鵬,雎文靜.深部巖石掘進爆破壓碎圈與裂隙圈研究[J].煤礦開采,2014,9(3):20-22.

[6]XIE Rui-feng，QU Guo-peng，SUI Wen-jing.Blasting crushing circle and fracture circle of driving roadway in deep rock[J].Coal Mining Technology,2014,9(3):20-22.(in Chinese)

[7]單仁亮.巖石沖擊破壞力學模型極其隨機性研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(北京校區(qū)),1997.

[7]SHAN Ren-liang.Study on the random nature of rock impact damage mechanics model[D].Beijing:China University of Mining and Technology (Beijing Campus),1997.(in Chinese)

[8]戴俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計算[J].遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版,2001,20(2):144-147.

[8]DAI Jun.Calculation of the radii of the broken and cracked areas in rock by a long charge explosion[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2001,20(2):144-147.(in Chinese)

Experimental Analysis of Rock Mass Rupture Range by Mine Production Blasting

LIHong,HUHao-chuan,ZHAOMing-sheng,TAOTie-jun

(Guizhou Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd,Guiyang 550002,China)

Abstract:The rupture range of rock mass has an important influence on the stability of slope in the process of mine blasting.With the blasting construction of a mine as a research example,the rupture range of the rock mass is determined by the field acoustic wave test and the theoretical calculation.The scopes of the crushed ring and the crack ring were obtained after the blasting of the slope rock mass,and the range of the rupture circle with smaller diameter hole is also calculated.Results shows that the rupture range of rock mass by field test is 3.46 m and the average rupture range by the theoretical calculation is 3.428 m,where the error is no more than 0.9%.The rupture range gets reduced to be 1.928 m with the hole diameter changing from 160 mm to 90 mm.By reducing the hole diameter,the rupture range of rock slope could be effectively controlled,which provides theoretical support for the blasting safety control in slope stability.

Key words:fracture areas; sonic wave testing; small-bore; slope stability

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.009

收稿日期:2016-01-19

作者簡介:李鴻(1976-)，男，本科、高級工程師，從事爆破工程及管理技術(shù)研究，(E-mail)602574716@qq.com。 通訊作者:胡浩川(1972-)男，本科、高級工程師，從事爆破工程及管理技術(shù)研究，(E-mail)377413454@qq.com。

基金項目:貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)項目：黔科合高G字[2015]4004；貴州省工業(yè)和信息化發(fā)展專項基金計劃(2015030)

中圖分類號:TD235.4+6

文獻標識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0045-04