爆破工程地质灾害及其防治

因爆破作用而产生的诸如岩体失稳、爆破怍用方向改变、爆破飞石、爆破地震波等爆破工程地质灾害，对工程建设和环境产生了不同程度的影响，并日益受到人们的关注。基于爆破工程地质学理论研究及生产实践，作者提出爆破工程地质灾害的基本概念，系统分析爆破工程地质灾害的形成原因、机制、条件以及爆破工程地质灾害类型。在此基础上，提出了避免或减轻产生爆破工程地质灾害的具体措施。即必须重视和加强爆破工程地质勘测研究工作，正确运用爆破岩体工程地质力学原理，分析、评价爆破工程地质条件，预测爆破效果、质量及可能发生的爆破工程地质灾害，有效控制炸药能量与爆破岩体介质之间的相互作用和效果，最大限度地避免爆破工程地质灾害的产生。     

基于ANSYS/LS-DYNA的岩石爆破结构数值模拟分析

等离子爆破技术是一种新型爆破技术,其爆破孔的设计对整个爆破效果及爆破效率起着决定性的作用。本文基于ANSYS/LS-DYNA建立了爆破孔的有限元模型,并对爆炸荷载作用下掏槽孔孔壁压力及其破碎区进行了数值模拟。研究结果表明,爆破时畸变能的变化自始至终都基本呈椭圆形,孔径越小,积累的能量越大,对岩体破坏越大;孔深长度越短,能量积聚空间越小,爆破对岩体造成的破坏越大;孔深长度的改变对下部岩体影响较小,对中部岩体影响较大。此外由于爆炸实验多为破坏性实验,很难进行原型试验,因此使用数值模拟方法研究爆破孔的结构是可行的,可以作为实际工程的参考。     

不耦合装药下爆炸应力波传播规律的试验研究

通过室外爆破试验,利用预埋研制的PVDF压力传感器对耦合及水不耦合延长药包装药爆破时爆炸应力波的中远场压力进行测量,拟合实测结果,得到4种不耦合系数下爆炸应力波峰值随传播距离衰减的指数关系式。分析试验结果可知： ①在试验所涉及的范围内,不耦合装药时爆破应力波峰值衰减幅度小于耦合装药（即K =1）时爆破应力波峰值衰减幅度,验证了水介质作为炸药爆轰产物与岩体间的弹性缓冲层作用,减少了粉碎孔壁岩体造成的能量耗散,增加了能量传递,加大了爆炸的作用范围;②当不耦合系数K = 3.29时,应力波峰值衰减指数表现出大于K =1.79及大于K =2.57时应力波峰值衰减指数的趋势,表明过大的不耦合系数造成了不耦合介质--水过多的能量耗散（在高温高压下水并不完全是弹性的）,削弱了不耦合装药爆破的优势;③在不耦合装药爆破中,存在最佳的不耦合系数,此时爆炸应力波峰值衰减最慢,爆炸能得到充分利用,达到最优的爆破效果。研究结果对不耦合装药爆破的设计及工程应用有一定的指导意义。     

关于岩体爆破研究的几点思考

为研究和探索爆炸荷载与岩体相互作用的本质,运用能量守恒、系统论和复杂性理论,阐述了岩体爆破过程中的几个重要问题,即炸药与岩体的相互匹配、岩体爆破的系统性和复杂性问题。     

深孔爆破装药结构优选数值分析方法及其应用

针对地下深孔爆破采矿过程中常出现的爆破后冲作用严重以及爆破块度不均匀等若干问题,以南方某铅锌矿实际采用的爆破、炸药和岩石参数为基础,采用ANSYS/LS-DYNA对矿山拟采用的不同装药量、不同耦合系数的6种装药结构建立了数值计算模型。通过分析爆炸仿真过程中的Von Mises有效应力信息,结合爆破破岩机制及Mises屈服理论,确定了深孔爆破的最佳炮孔装药结构。现场试验表明,优化的装药结构爆破块度均匀且爆破后冲作用得到有效控制,基本上解决了矿山深孔侧向爆破存在的问题,研究结果为深孔爆破的优化设计提供理论依据和技术支持。     

一种高地应力条件下爆破开挖诱发振动峰值的预测模型

高地应力条件下深部岩体爆破开挖过程中,炸药爆炸产生的能量和岩体开挖释放的应变能共同构成了振动的能量源。采用传统的基于单响药量的萨道夫斯基经验公式及其改进公式预测高地应力条件下爆破开挖诱发振动峰值精度不高。通过量纲分析,提出了一种基于能量平衡原理的振动峰值预测模型。结合锦屏二级深埋引水隧洞爆破试验,以上半洞实测振动数据为学习样本,训练模型;以下半洞实测振动数据为对比样本,检验模型。结果表明:与传统预测模型相比,预测模型具有较高的拟合相关系数和较低的预测均方根误差,可以更好地应用于高地应力条件下爆破开挖诱发振动峰值的预测。     

不耦合装药爆破对硬岩应力场影响的数值分析

爆破地震勘探石油是一种重要的方法,但爆破地震效应与爆破参数、地质条件等密切相关。采用动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对柱状炸药与药孔壁之间为空气或其他介质以及空隙间距变化时碳酸盐岩岩石中爆炸应力波的传播规律和爆炸地震波能量的衰减特性进行了数值模拟研究,得到了不耦合装药爆炸时岩石应力、振动速度的衰减规律以及与不耦合系数、间隙介质的关系,分析了不耦合效应对爆炸地震波能量的影响。研究表明,不耦合或耦合不好时会使岩体中爆炸应力波的强度大大降低;耦合状态对岩体应力及速度的衰减系数和衰减指数影响较大;在空隙中注水或灌满泥浆会改善它们的耦合关系,增大下传的爆破能量。所得成果可为我国西南地区优选适合碳酸盐地层地震勘探的激发因素提供技术途径和方法。     

损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数研究

岩体条件复杂多变,为了提高光面爆破的适应性、改善光面爆破效果,对损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数进行研究。通过对深部岩体巷道光爆层原岩应力场、光面爆破机制和振动损伤特征进行分析,基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论,考虑高原岩应力和岩石损伤影响,提出了损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数确定的计算方法。研究表明, （1）高原岩应力相当于提高了岩石的抗拉强度,不利于炮孔初始裂纹的形成及贯通,宜减小周边眼间距;（2）岩石损伤后,其他条件不变,光面爆破的炮孔间距和抵抗线值可适当加大;（3）高原岩应力和损伤条件下,光面爆破的炮孔间距较小时,容易造成爆后围岩损伤,降低围岩的稳定性能,因此,提高爆破效果的同时应及时加强支护,以确保施工安全和围岩稳定;（4）本文提出的光面爆破参数计算公式,经现场爆破验证效果良好,适用于复杂多变的岩体环境。     

岩体性能变化条件下台阶爆破根底的产生机制研究

爆破根底会严重影响深孔台阶爆破效果及后续施工工序。结合台阶爆破岩体破坏特征及结构动力学理论,将多自由度体系结构动力法应用于台阶爆破的结构受力分析中,研究了岩体力学性能变化对台阶底部岩体破坏、根底形成的影响机制。结果表明：当台阶中部岩体力学性能降低50%时,岩性软弱段会弱化上部荷载对底部岩体的破坏作用,使底部岩体剪力最大削弱7.8%、弯矩减小6.6%,受力减弱使得根底形成机率增加,并且这种弱化作用随着岩体力学性能的降低而显著增大;而当台阶底部岩体力学性能增强时,可小幅度增大底部岩体的内力,但因材料强度大幅提高,岩体破坏难度增大,从而较易形成爆破根底。进一步利用岩体结构破坏准则分析了不同因素对台阶根底形成的影响机制,发现岩性分布不均及其引起的结构刚度、底部受力条件变化是导致根底形成的主要原因,通过调整起爆点高度可以减小中部岩性软弱段对底部岩体的受力影响,采取增加底部岩体受力条件及减小底部岩体结构刚度的工程措施也能增加底部岩体破坏程度,避免爆破根底的形成,相关研究成果可供类似工程参考。     

土岩介质中的爆破及其力学效应

爆炸物在土岩介质中激发引爆,爆炸波一瞬间就在土岩介质中传播.这种瞬时加荷引起土体或岩体变形、破坏和振动是爆破过程的普遍特征.这一过程受许多因素的影响:例如介质的物理力学特性,爆源的埋没深度,爆炸物的性质,爆炸体的大小和结构,起爆方式,爆破作用指数等等.     

A Review of General Considerations for Assessing Rock Mass Blastability and Fragmentation

Blasting is the primary comminution process in most mining operations. This process involves the highly complex and dynamic interaction between two main components. The first is the detonating explosive and the second is the rock mass into which the explosive is loaded. The mechanical properties of the rock material (such as dynamic strength, tensile strength, dynamic modulus and fracture toughness) are important considerations in understanding the blasting process. However, it is the characteristics of the geological defects (joints, foliation planes, bedding planes) within the rock mass that ultimately determine how effectively a blast performs in terms of fragmentation, all else being equal. The defect characteristics include, but are not limited to, their orientation, spacing, and mechanical properties. During the blasting process, some of the geotechnical characteristics of the rock mass are substantially changed. From the blasting outcome point of view, the most notable and important is the change in fragment size distribution that the rock mass undergoes. The pre-blast in situ defect-bounded block size distribution is transformed into the post-blast muckpile fragment size distribution. Consequently, it is fundamental to our understanding of and ability to predict the blasting process that both the blastability of a rock mass and its transformation into the fragment size distribution can be appropriately quantified.     

Theoretical Concept to Understand Plan and Design Smooth Blasting Pattern

Considering different mechanical cutting tools for excavation of rock, drilling and blasting is said to be inexpensive and at the same time most acceptable and compatible to any geo-excavation condition. Depending upon strength properties of in-situ rock mass, characteristics of joint pattern and required quality of blasting, control blasting techniques viz., pre-split and smooth blasting are commonly implemented to achieve an undamaged periphery rock-wall. To minimize magnitude of damage or overbreak, the paper emphasized that in-situ stresses and re-distribution of stresses during the process of excavation should be considered prior to selection of explosive parameters and implementation of any suitable blast pattern. Rock structure being not massive in nature, the paper firstly explains the influence of discontinuities and design parameters on smooth-wall blasting. Considering the empirical equations for estimation of stress wave’s magnitude and its attenuation characteristics through transmitting medium, the paper has put forward a mathematical model for smooth blasting pattern. The model firstly illustrates that rock burden for each hole should be sub-divided into thin micro strips/slabs to understand the characteristics of wave transmission through the medium and lastly with the help of beam theory of structural dynamics have put forward a mathematical model to analyze and design an effective smooth blasting pattern to achieve an undamaged periphery rock-wall.     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

非连续子母块体理论模型研究(Ⅰ):基本理论

对节理岩体的非连续变形与破坏失稳的数值模拟分析是目前岩土力学与工程领域中的前沿课题之一,岩体由节理裂隙以及由其切割而成岩石块体组成,介于连续与非连续之间,由于其内部结构的不确定性造成了其宏观力学行为的复杂性。在讨论了岩体破坏失稳的研究尺度的基础上,从多尺度耦合的角度出发,同时考虑连续问题、非连续问题以及连续问题向非连续问题转化,提出了非连续子母块体理论模型。在非连续子母块体理论模型中,假定岩体与岩体内部被层理、节理等结构面所切割而成的岩石块体均属于宏观尺度,把宏观的岩石块体定义为母块体,用假想的人工节理将其继续分为若干更小的块体,更小的块体称为子块体,子块体为各向同性的均质体,并且在计算中不再发生破坏分解为更小的块体,作为计算分析的基本单元,子块体的研究尺度属于细观尺度。模型也重新定义了子块体间的接触,并将其划分为连续接触与非连续接触两种类型,连续接触在一定条件下发生破坏转化为非连续接触;采用增广拉格朗日乘子法对子块体间的接触进行处理,能够计算出准确的弹簧接触力。     

含软弱夹层顺倾边坡爆破层裂效应的数值模拟与试验研究

进行含软弱夹层顺倾边坡单孔爆破数值模拟,分析爆破过程中上覆岩体受到的应力作用、爆破层裂效应及其对边坡稳定性的影响。模拟结果表明,爆破层裂作用具有分区特性,爆轰气体对夹层的冲刷、推移作用形成夹层爆腔区,爆腔区外围是压密区,其次是离析区,离析区以外的夹层未受爆破层裂作用的影响;上覆岩体在空腔区受到爆轰气体膨胀压力作用,临近夹层壁面的峰值压力达0.75 GPa,压密区受到夹层挤压衍生的向上压力作用,压力峰值达0.21 GPa,且压力衰减较慢;空腔区的上覆岩体与夹层脱离,压密区和离析区改变了夹层与上覆岩体的接触状态,使模型的稳定性降低。剪切试验验证了数值模拟关于爆破层裂效应降低模型稳定性的结论。     

The mechanics of spall fracture in rock and concrete

Spalling is a wave-induced dynamic fracture phenomenon. The waves can be either one: elastic, elasto-plastic, or shock waves. From a continuum mechanics point of view, fracture mechanics and wave propagation form the main ingredients in the formation of spalls. Recently, however, micro-structural effects have become important in the initial stages of spall formation in a variety of engineering materials ranging from metals to rock and concrete. From a structural geology point of view, the rock mass cannot be modelled as a continuum. In this case, a discontinuum approach has to be taken where the individual features of the rock mass such as joints and faults need to be taken into account. From an application point of view, spallation is important where rapid loading by explosives, impact, or energy deposition, occurs. The range of applications stretches from blasting in mining engineering to damage prevention to structures under explosive excitation.

This contribution offers a multi-faceted and multi-disciplinary approach to the study of spalling with special attention to analytical and experimental work. The reader is assumed to be somewhat familiar with the basics of continuum mechanics, fracture mechanics, and propagation of elastic, plastic and shock waves. The application to rock and concrete will show the effects of structural geological discontinuities such as open and closed joints - and to some degree also faulting - in rock, as well as the micro-structure of concrete on the (shock) wave field.

Extensive use will be made of time-space diagrams which proved very useful in practical applications to blasting problems [Rossmanith, H.P., 2002, The use of Lagrange diagrams in precise initiation blasting. Part I: two interacting blastholes, Fragblast 6, 104-136].     

COMPUTATION ANALYSIS OF THE STRESS-WAVE PARAMETER OF ROCK MASS DURING STRIP EXPLOSIVE CHARGE BLASTING

Based on the principles of overlapping stress-wave of all elements charge blasting ,the basic computation graph of stress wave parameter during strip explosive charge blasting was abtained .consequently ,a computation method of open-hole blasting was postulated .combined with in situ data ,a computer program in fortran code was designed and then the calaulation of stress-wave parameter of rock mass during open-hole strip charge blasting was made ;The consistency of computed results with observed data wasfine .The laws of stress-wave propagation and the stress distribution characteristics for open and closed-hole blasting were discussed .The computed data were compared and evaluated with in situ data .these data could be used as a basis of reference in practical engineering .     

条形药包爆炸时岩体中应力波参数的计算分析

水利、铁道、冶金等工业部门,在基坑开挖、隧道掘进,矿山开采等作业中通常用圆柱状条形药包.此外,某些工程如洞库爆炸也可看成条形药包.显然,这类药包在岩体中爆炸时,应力波的传播和动应力的分布均不同于球形药包的爆炸而具有自己的特点.这些特点直接影响爆破破岩机理和对地下工程施加动荷载的特征,以及对它的动态稳定性的评价.