胡曉雯，劉榮桂，唐鑫媛

（南通理工學(xué)院，江蘇南通 226002）

1 引言

巖石隧道掘進(jìn)過程中，爆破掘進(jìn)方式仍然是技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的掘進(jìn)模式，即使應(yīng)用綜合機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備，也會由于截割機(jī)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(jìn)技術(shù)。特別是掘進(jìn)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(jìn)是當(dāng)前技術(shù)條件下唯一可行的掘進(jìn)工藝。

雖然，爆破掘進(jìn)施工技術(shù)適應(yīng)性較好，掘進(jìn)工藝相對成熟，現(xiàn)場操作較為簡單，機(jī)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(yīng)力、拉應(yīng)力和爆破橫波帶來的剪應(yīng)力導(dǎo)致[1]。所以，在爆破圍巖巖土力學(xué)研究中，需要對各種成分圍巖的應(yīng)力特征進(jìn)行實驗室分析，進(jìn)而獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)代入有限元模型進(jìn)行系統(tǒng)分析，以獲得爆破掘進(jìn)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(xì)節(jié)上進(jìn)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(dá)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(jìn)入富含火成巖的地層，所以，大部分掘進(jìn)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(xué)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(yīng)力特征明顯、應(yīng)力抗性較大，而沉積巖應(yīng)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(biāo)本，以及灰?guī)r、頁巖、砂巖、礫巖等沉積巖標(biāo)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(biāo)本的應(yīng)力強(qiáng)度特征

表1 中，抗壓強(qiáng)度指在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應(yīng)力，通過點載荷試驗獲得；抗拉強(qiáng)度指單向拉伸條件下，巖塊能承受的最大拉應(yīng)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(yīng)力，稱為剪切強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度的評價中，包括抗剪強(qiáng)度τ=c tanφ+C；抗切強(qiáng)度τC=C；摩擦強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)力強(qiáng)度試驗可以得到大部分巖石標(biāo)本的力學(xué)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(dǎo)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(fù)雜屬性同樣有關(guān)[7]。所以，單純進(jìn)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(yīng)效果。所以，本文對上述巖石標(biāo)本進(jìn)行重錘試驗，巖石標(biāo)本切削為直徑200 mm，厚度75 mm 的圓柱形無節(jié)理致密標(biāo)本，使用5 kg 球形重錘在準(zhǔn)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(biāo)本的損壞數(shù)量，見表2。

表2 重錘試驗中巖石標(biāo)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(chǔ)模型建立

某礦開挖至-680 m，工廠標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度超過大部分弱火成巖的強(qiáng)度。巖層賦存角度為0°，上部強(qiáng)風(fēng)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(jìn)安全來說，防止爆破后大范圍節(jié)理影響波及該強(qiáng)風(fēng)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(jìn)圍巖破壞模型

3.2 放炮模型的設(shè)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(dá)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(dǎo)時間；c 為衰減控制常數(shù)。Taylor 函數(shù)基函數(shù)較為復(fù)雜，還涉及爆轟沖擊波初始壓強(qiáng)P0，爆轟沖擊波自由度γ等。但在爆炸烈度足夠強(qiáng)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?？紤]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(qiáng)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(dá)本質(zhì)接近于爆破沖擊波的波速，當(dāng)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(jī)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(yīng)。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(shè)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(yuǎn)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(yīng)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(jìn)行分析，分析目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r層超過80 m，其對承壓水層的破壞概率遠(yuǎn)超過1%，可以認(rèn)為方案A 具有極高水害風(fēng)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(rèn)為方案B 的爆破過程仍有較大風(fēng)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(rèn)為3 套方案中，C 方案的水害風(fēng)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(xì)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(yuǎn)超過1%的概率發(fā)生爆炸影響節(jié)理導(dǎo)通承壓水含水層的后果。在礦井掘進(jìn)工作中，該概率超出安全生產(chǎn)管理的容忍度，故方案A 應(yīng)被排除在比較方案之外。即本文比較方案中，激進(jìn)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(chǔ)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(biāo)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(yīng)，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(fēng)險概率。

4）當(dāng)巷道掘進(jìn)到斷層發(fā)育區(qū)時，會進(jìn)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(yīng)，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(jìn)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(dǎo)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(fēng)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(dǎo)通承壓水結(jié)構(gòu)的概率遠(yuǎn)小于1%，所以，方案B可以作為激進(jìn)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(fēng)險作業(yè)過程中的安全管理水平。