爆破工程地质控制论

爆破理论与技术的创新和发展,对我国爆破工程事业乃至基础设施建设都是十分重要的。在数十年爆破理论研究与生产实践的基础上,对爆破及其破岩的科学概念进行了定义,系统阐述了炸药能量特征、岩体介质特征、炸药能量与岩体介质相互作用等决定爆破作用机制和效果的因素及其相互关系,明确指出地质条件是爆破的基础,炸药能量特征必须与岩体介质特征来适应;基于岩体特性及其爆破特征,将自然岩体划分为似均匀连续体和不连续体两类。研究表明,在似均匀连续体中,岩体爆破作用机制和效果受微地形最小抵抗线控制;在不连续体中,受岩体结构特征控制。两者结合,形成了爆破工程地质控制论。     

基于岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式

爆破开挖作业引起的扰动与损伤,特别是频繁爆破产生的累积损伤效应,必然导致岩体完整性降低,岩体力学参数弱化,从而威胁岩体工程稳定性。考虑岩体爆破损伤及其累积效应,指出了Hoek-Brown(赫克-布朗)准则及其改进公式的不足,引入完整性系数K v和损伤因子D,建立了可以表征岩体爆破累积损伤效应、岩体爆破扰动状态及其力学参数弱化程度的mb和s的取值方法。基于声速变化与爆破累积损伤效应之间的联系,建立了以岩体声速降低率η为基准量的岩体爆破累积损伤扩展模型,并将该模型成功应用于提出的Hoek-Brown准则修正公式中。根据现场模拟爆破试验与声波测试数据,对提出的修正公式进行了分析,结果表明,建立的考虑岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式是合理的。     

基于声速变化的岩体爆破累积损伤效应

声速变化是表征损伤变量的有效参数。为揭示岩体爆破累积损伤效应及损伤演化规律,在某地下工程中开展了反复爆破作用下围岩损伤的声波测试,并对测试数据进行了回归分析。在此基础上,分析了多次爆破作用下岩体损伤与声速变化的对应关系,建立了以岩体声速降低率为基准量的岩体爆破累积损伤扩展模型。研究表明：（1）回归分析的相关系数大于0.981 6,说明岩体爆破损伤非线性累积回归预测模型是正确的;（2）岩体爆破累积损伤模型将岩体损伤总量定义为初始损伤和爆破损伤之和,综合考虑了爆破损伤累积效应和岩体初始损伤的影响,能够真实反映岩体损伤程度,是合理可行的。     

岭澳核电站二期工程基岩爆破安全阈值分析

核电站基础爆破开挖过程中必须严格控制岩体爆破损伤深度,确保建基面安全。以广东岭澳核电站二期工程基础爆破开挖为例,通过现场爆破振动监测、岩体声波试验以及数值模拟,综合分析了岩体爆炸振动衰减规律和损伤特征,研究了距爆源一定距离处岩体振动速度与损伤特征的关系,提出了岭澳核电站二期工程岩体爆炸损伤深度的控制方法,确定了相应的安全阈值。分析结果表明,岭澳核电站二期工程基础爆破开挖时,当距爆源30 m处的岩体质点振动速度不超过5 cm/s时,可保证下卧基岩的损伤深度小于2 m,确保建基岩完整性。     

裂隙岩体爆破破碎阻力特性分析

对裂隙岩体的爆破破碎阻力特性进行了研究，提出了裂隙岩体爆破阻力矢量的概念和研究方法。以单元结构体作为主要研究对象，建立了爆破阻力矢量与岩体实际阻力矢量的关系模型。作为一种研究方法，它对裂隙岩体的爆破破碎的理论研究及施工技术的研究具有一定的实际意义。     

论岩体爆破地质力学及爆破性分级

本文对岩体爆破地质力学问题进行了论证。岩体的爆破性按岩体结构类型、地应力特征和爆破震动的影响可分为五类:1.极难爆(整体状结构);2.难爆(块状结构);3.中等(裂隙块状结构、碎裂结构);4.易爆(层状碎裂结构、软弱层状结构);5.极易爆(松散结构、松软结构)。     

基于声波频谱特征的岩体爆破累积损伤效应分析

为深入揭示岩体爆破累积损伤效应及其与岩体声学特性之间的内在联系,在某地下工程围岩中进行了10次小药量爆破,并开展了岩体损伤现场声波测试。基于快速傅立叶变换(FFT),探讨了声波在爆破损伤岩体中传播时的衰减特性,分析了声波主频、频域内最大振幅等岩体声学参数随爆破次数不断增加的变化特性,同时探讨了围岩松动圈厚度、声波换能器间距、爆心距等因素的影响。研究结果表明,随爆破次数增加,岩体爆生裂隙不断增加和扩展,声波信号中的高频成分不断被吸收,低频成分所占比例增加,主频向低频方向偏移,频谱曲线畸变程度增加;声波主频比和频域最大振幅比均呈非线性降低趋势,频域最大振幅比对岩体爆破损伤的敏感性高于声波主频比;随爆心距增大,岩体声波频谱变化程度逐渐减弱。声波换能器间距越大,声波主频变化越大,频域内最大振幅衰减变化越显著。研究成果对于丰富和完善岩体爆破累积损伤效应声学研究方法具有一定的参考意义。     

土岩爆破中岩体和坑道爆破破坏分区的试验研究

本文根据声波法、地震法、钻孔电视、质点振动加速度、速度和爆后破坏现象宏观调查等现场实验数据和资料,并参照室内试验结果,研究了土岩爆破中岩体和坑道的爆破破坏效应及其分区、并将岩体、垂直坑道与平行坑道的爆破破坏分区作了对比。     

爆破冲击荷载作用下中隔墩岩体的动力响应与局部破坏机制

针对两侧深槽一侧已开挖形成临空面的中隔墩爆破开挖,分析了爆破冲击荷载作用下中隔墩岩体产生的振动、应力、位移等动力响应,并改善了爆破开挖方式,优化了开挖程序。研究表明,爆破冲击荷载作用下中隔墩岩体的动力响应是由于爆破应力波的反射与叠加;通过选取适当的预留岩体厚度,可以合理地利用爆破应力波的反射与叠加,削弱爆破冲击荷载作用下中隔墩的动力响应,进而降低中隔墩因爆破开挖出现动力失稳的风险,其研究成果对工程实践具有重要的指导意义。     

爆破岩体分类

本文在详细分析了现有爆破岩石分类之不足和在多年实践与研究所积累起来的资料之基础上,提出爆破岩体分类应以岩体结构特征为主要依据,岩石种类为次一级依据,并建立了将土岩介质分为六大类十二亚类的爆破岩体综合分类法。     

Incremental explosive energy distribution in blasting design

Summary The increasing range of explosive types and methods of initiation available to the blasting design engineer, and the possibilities of obtaining more detailed rock property data, require improvements in the precision of blasting design methods. Average design values, such as powder factor and specific charge, have little significance where rock properties vary in any lithological section of the blast. Application of the concept of incremental explosive energy distribution will increase the design sensitivity and control over blastability variations. In this paper the use of this concept is described for different levels of complexity. These range from the simple allocation of explosive energy for large rock sections, to the use of more complex energy attentuation functions to allocate incremental specific energy levels. Procedures to develop rock fragmentation predictions from such data are also outlined.     

水下岩石爆破参数优化的研究

分析了水下岩石工程爆破技术的发展现状，通过对各方面影响因素的研究分析，认为影响水下岩石爆破炸药单耗的主要因素是岩石的RQD，水深H及岩性因素f，推导出了水下岩石爆破炸药单耗q的公式。     

舟山灌门水道海底隧道钻爆法施工稳定性分析

以舟山灌门水道海底隧道为背景,依据地质资料,选取隧道典型横断面来研究钻爆法施工时围岩的稳定性。由典型横断面的几何参数和地质资料构建数值计算模型,采用国际上常用的计算模式模拟爆破荷载,根据FLAC3D动态计算的特点,将爆破荷载以等效应力的方式加载于模拟炮孔之上。数值计算结果表明,各关键点的位移、振动速度、加速度-时程曲线均满足隧道爆破变形规律,且振动速度峰值均小于规范要求临界值,爆破作用影响范围小于岩石覆盖层建议厚度,验证了岩层覆盖厚度建议值和爆破方案的合理性。最后,为了弄清岩石覆盖厚度和炸药量对围岩稳定性的影响,给出了不同岩石覆盖厚度和炸药量情况下的计算结果。所得结论对后续施工和类似工程具有一定的指导意义。     

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。     

爆炸荷载作用下卸荷孔效应理论分析与数值模拟

坑道工程在战争中具有十分重要的作用,但又容易遭受炮弹打击。为增加坑道口部的防护能力,利用波的基本理论和耗能原理,分析了波在岩石和空气介质间界面的反射、透射等传播特性、岩石变形及岩体摩擦耗能原理,得出岩石介质中孔洞有利于爆炸荷载的损耗,起到卸荷的作用,并利用有限元分析软件ANSYS-LS-DYNA,对A、B和C 3种不同情况的6种工况进行数值模拟,通过模拟结果与理论分析结果的比对,进一步验证卸荷孔的卸荷效应,为坑道工程防护设计提出了一个新的途径。     

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。     

爆炸荷载作用下裂隙岩体内损伤范围的观测研究

通过电法CT成像技术,探测微量炸药爆炸前后裂隙岩体深孔之间电阻率的变化,查明探测切面内的岩体损伤裂隙发育形态和空间展布。通过实验可知：微量炸药爆炸后在裂隙岩体的炮孔深部可以形成一定范围、一定数量和一定宽度的裂隙,其中裂隙形成的区域主要集中在炮孔口深的2/3处,当炮孔深度3 m,装药量为330 g时,在眼深1.5～2.5 m处裂隙较为发育,炮孔间距为1.2 m～1.5 m时,可在岩体内部形成贯通裂隙。     

岩体软硬度对一维应力波演化影响研究

地下球形药包爆轰后将产生很强的地震波．其传播受多种因素的影响。本文把岩石介质的弹塑性帽盖模型耦合到有限差分法程序中，对一维爆轰波在非均质岩石体中的传播、演化机理进行了数值模拟与分析。着重探讨一维应力波从“硬”岩石层进入“软”岩石层、从“软”岩石层进入“硬”岩石层时，波在形状和强度等方面的变化规律。同时也探讨了岩石介质中存在的“软弱夹层”对一维应力波传播的影响。这些对于人防工程等中的波阻抗的功能梯度效应和智能防护等方面的研究具有一定的参考价值。