直立岩层边坡岩体的静态爆破参数试验研究_周云涛.pdf

收稿日期2020-02-22 基金项目四川省国土资源厅项目 （编号 KJ-2018-20） ， 中国地质调查项目 （编号 DD20190643） ， 山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市 级重点实验室开放基金重点项目 （编号 kfxm2018-02） 。 作者简介周云涛 （1988） ， 男， 工程师， 硕士。 总第 528 期 2020 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE 直立岩层边坡岩体的静态爆破参数试验研究 周云涛 1， 2 石胜伟 1， 2 谢忠胜 1， 2 张勇 1， 2 王林峰 31 （1. 中国地质调查局地质灾害防治技术中心， 四川 成都 611734； 2. 中国地质科学院探矿工艺研究所， 四川 成都 611734； 3. 山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室， 重庆 400074） 摘要为了探索爆破参数对直立岩层边坡岩体的静态爆破影响效果， 通过电测法测试了钢管试件中静态破 碎剂产生的静态膨胀压， 设计了考虑抵抗线、 孔距、 水平压力、 布设方式等参数的静态爆破试验。试验结果得出 在 径向约束条件下， 静态破碎剂产生的膨胀压力随时间成指数增长趋势； 在水平约束条件下， 水平约束力越大， 岩体 开裂所需要的膨胀压越大， 直立岩层岩体的残余水平构造应力是静态爆破设计的关键参数； 钻孔裂纹贯通时间随 孔距非线性增大， 建议静态爆破设计孔距为2～2.5倍钻孔直径。进一步讨论得出 三角形布设方式的爆破效果明显 优于矩形布设方式， 直立岩层边坡岩体的静态爆破过程可分为岩体微裂、 孔边裂纹扩展、 裂纹密集发育和岩体碎裂 4个阶段。 关键词爆破工程静态爆破参数模型试验直立岩层边坡 中图分类号TD235， TU751.9文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -06-184-07 DOI10.19614/ki.jsks.202006029 Study on Test of the Static Blasting Parameters of Slope Rock Mass with Vertical Stratum Zhou Yuntao1， 2Shi Shengwei1， 2Xie Zhongsheng1， 2Zhang Yong1， 2Wang Linfeng32 （1. Technical Center for Geological Hazard Prevention and Control， CGS， Chengdu 611734， China； 2.Institute of Exploration Technology CAGS， Chengdu 611734， China； 3. Key Laboratory of Geological Hazards Mitigation for Mountainous Highway and Waterway， Chongqing Municipal Education Commission， Chongqing 400074， China） AbstractTo explore the static blasting effect of the blasting parameters on vertical slope rocks，the static expansion pressure generated by static cracking agents are tested by using electrometric s，and the static blasting test consider⁃ ing resistance line，borehole spacing，horizontal pressure and borehole layout mode are designed． Test results show that，the expansion pressure generated by the static cracking agents increases exponentially with time under the radial constraint con⁃ dition；Under the horizontal constraint condition，the greater the horizontal constraint，the greater the expansion pressure re⁃ quired for rock mass cracking；The residual horizontal tectonic stress of rock mass in the vertical stratum is the key parame⁃ ter of the static blasting design；The crack connecting time increases nonlinearly with the borehole spacing and it is recom⁃ mended that the design spacing for static blasting should be 2～2．5 times the diameter of the borehole． It is concluded that the blasting effect of triangular mode is obviously better than that of rectangular mode，and the static blasting process of excavat⁃ ing rock mass in slope with vertical stratum can be divided into four stages micro-cracks developing in rock mass，crack propagation at the borehole edge， crack growth densely and rock mass fragmentation． KeywordsBlasting engineering， Static blasting parameter， Model test， Slope with vertical stratum Series No． 528 June 2020 直立岩层岩体常发育于高陡边坡， 形成危岩、 孤 石等灾害， 目前常用的有效处理措施为锚固和爆破 清除。对于高陡边坡， 锚固工程机械设备重、 技术要 求高、 施工难度大， 通常难以实施。爆破清除又分为 炸药爆破和静态爆破， 炸药爆破产生粉尘、 噪音污染 环境， 产生的飞石对下方的基础设施、 人员等造成二 次灾害， 同时对母岩产生不可逆的损伤， 因此， 炸药 爆破对直立岩层岩体的清除适宜性较差。静态爆破 184 ChaoXing 技术是近年来发展起来的一种新型破碎技术， 具有 无振动、 无粉尘、 无噪音、 无有害气体等优点 ［1］， 同时 施工难度较小， 对于直立岩层岩体的清除适应性较 好。然而， 直立岩层边坡具有独特的岩体结构， 尚缺 乏针对此特殊岩体结构的静态爆破参数设计研究。 静态爆破工程较为复杂， 涉及静态膨胀压、 抵抗 线、 药量、 破裂时间、 钻孔布设方式等多个参数， 较为 合理的静态爆破参数将取得更好的爆破效果。姜楠 等试验得出孔径的增加能够提高膨胀压力， 加快反 应速度 ［2］； 彭建宇等开展了全约束和预留一定自由膨 胀空间2种条件下的圆筒试验， 得出随体积膨胀率增 大， 圆筒内静态破碎剂轴向输出应力降低 ［3］； 郑志涛 等测试了钢管试件中的静态膨胀压， 发现SCA产生 的膨胀压力随着钻孔直径的增大而增大， 但不同直 径钻孔达到最大膨胀压力所需的时间基本相同 ［4］； 谢 益盛等分析了水灰配比、 拌和温度、 孔径对膨胀压力 的影响， 得出随着孔径的增大膨胀压力逐渐增大， 且 轴向与径向膨胀压力之间的差异因为破碎剂水化固 结后泊松比的增大而逐渐减小 ［5］； 葛进进等采用电测 法得出静态破碎剂产生的最大膨胀压力随着水剂比 的减小而增大 ［6］， 以上研究为静态膨胀压参数提供了 理论依据。郝兵元等研究了单轴应力状态下石灰岩 体静态破碎裂纹演化规律， 建立了静态破碎剂作用 力与裂纹扩展半径的关系 ［7］； 周云涛等提出了基于岩 体破裂单元的静态爆破断力学模型， 推导了钻孔裂 纹尖端的应力强度因子表达式 ［8］； 王建鹏由静态爆破 试验发现， 静态破碎剂释放的膨胀压力在微裂缝发 生后仍能持续， 裂缝的宽度随时间不断扩大 ［9］； 唐烈 先等再现了单孔方形混凝土模型裂纹的扩展和破坏 现象， 并提出了静态破碎主裂纹导向技术 ［10， 11］； 岳中 文与杨仁树采用静态爆破模型试验得出裂纹扩展速 度和加速度的变化基本是呈现先增加后降低再增加 的变化趋势 ［12， 13］； 李忠辉等提出了利用静态爆破技术 结合合适的钻孔布置来压裂煤层， 增加煤体瓦斯运 移通道， 提高煤层透气性的技术方法 ［14］； 翟成等模型 试验得出， 静态爆破的裂缝开裂方向是沿着最接近 自由面的方向， 合理的布孔可以显著提高静态爆破 煤层致裂增透效果 ［15］。以上研究表明， 多位学者在 膨胀压方面开展了较为深入的研究， 同时对完整岩 体或混凝土进行了大量静态爆破试验， 对爆破参数 的获取具有指导意义， 但是， 学者们尚未涉及岩体结 构层面的静态爆破相关内容。 本项目针对直立岩层边坡这一特殊地质体， 开 展静态爆破模型试验， 探讨静态膨胀压、 抵抗线、 孔 距、 布设方式等对静态爆破效果的影响， 研究成果对 于同类型地质体的静态爆破工程设计具有指导意 义。 1静态爆破试验设计 1. 1膨胀压力测试试验 膨胀压力测试可采用薄壁圆筒理论开展， 取一 钢管， 一端焊接密封， 另一端开口， 模拟钻孔， 同时在 钢管上、 中、 下3个位置布设应变片以测量环向应变， 如图1所示。将破碎剂浆体填充在钢管中， 使钢管正 置中心， 用小锤轻击钢管使其紧密。为了消除温度 对测量结果的影响， 将钢管放置在恒温 （251） ℃的 水槽内。待破碎剂膨胀后采用静态电阻应变仪测量 环向应变， 则膨胀压 ［16］由下式计算 P Es K2- 1 /[]εθ 2 - ν ，（1） 式中，P为膨胀压， MPa；Es为钢管的弹性模量， MPa；K 为钢管的外径与内径比值；εθ为钢管的圆周方向应变 量；ν为钢管泊松比。 试验采用的静态膨胀剂为SCA-Ⅱ型， 水灰比1 ∶ 3， 初凝时间10 min， 适用温度范围10～30℃； 钢管为普 通碳素钢A3型冷加工钢管， 内径40 mm， 壁厚4 mm， 长500 mm， 钢管一端用4 mm厚钢板焊接封闭； 钢管 放置于恒温水槽内， 水槽尺寸 500 mm500 mm 620 mm， 内灌满纯净淡水， 恒温 （251） ℃； 距钢管底 部 150 mm 和 250 mm 分别贴附 2 张电阻应变片 （图 2） ， 尺寸为 3 mm5 mm， 电阻值 （1200.2） Ω， 采用 静态应变仪3816测试试验过程中的应变值。 1. 2抵抗线、 孔距和布设方式参数试验 1. 2. 1试验模型及相似比设计 本次模型试验的原型为等厚度岩层组成的无限 长直立边坡， 岩体为砂岩， 岩层厚度为80 cm。采用 相同性质的砂岩块模拟岩层岩体， 砂岩岩块尺寸为 2020年第6期周云涛等 直立岩层边坡岩体的静态爆破参数试验研究 185 ChaoXing abc60 cm30 cm10 cm， 按照相似原理的几 何、 质量、 荷载、 介质物理性质以及边界相似条件， 其 原型和模型的力学参数及相似比设计见表1， 试验模 型如图3所示。 试验在反力架上进行， 反力架尺寸为 153 cm 40 cm40 cm， 在中心位置水平放置砂岩岩块， 两侧 采用千斤顶约束。千斤顶与岩块之间设置钢质隔 板， 并放置压力计。不同岩层之间的水平压力通过 施加千斤顶压力模拟。试验装置与尺寸如图4所示。 1. 2. 2试验工况 （1） 抵抗线试验。如图5所示， 试验考察不同抵 抗线随膨胀压力、 水平压力的变化规律。根据岩块 尺寸、 钻孔直径等参数， 设计抵抗线W分别为40 mm 和 60 mm， 水平压力Ph分别为 0 kPa、 250 kPa、 1 000 kPa、 1 500 kPa， 共计16组试验。为了消除左右、 后缘 以及下部的边界效应， 应满足在左右边界、 两侧及后 缘钻孔距边界的距离大于4D。设计的钻孔直径D为 20 mm， 深度h为100 mm。 （2） 孔距试验。试验设计了2D、 3D、 4D和5D等 4种钻孔间距， 钻孔直径D为20 mm， 如图6所示。试 验在完整岩块中进行， 分别考察其贯通时间和贯通 裂缝轨迹， 记录初始起裂以及完全贯通时的静态爆 破膨胀压力。 （3） 布设方式试验。静态爆破工程中， 常用矩形 布置方式与三角形布置方式对岩体进行爆破。为了 考察矩形布置方式与三角形布置方式对横向坡直立 岩层岩体的爆破效果， 如图7所示， 在保持钻孔直径、 孔距以及水平压应力不变条件下， 开展不同布置方 式的静态爆破效果试验， 探究其裂隙发育率、 裂隙间 距、 完整性系数等爆破效果参数。 1. 2. 3监测方案 在试验过程中， 采用电阻应变片监测钻孔周边 金属矿山2020年第6期总第528期 186 ChaoXing 的径向压应变与切向应变， 以预测岩块破坏前的膨 胀压力变化， 应变片布置如图8所示。采用高速摄像 机记录不同时段岩体裂纹起裂、 扩展以及破坏等现 象。 2试验结果分析 2. 1膨胀压力随时间变化规律 试验采用电阻应变片监测钢管表面环向应变， 将监测得到的应变代入到薄壁圆筒理论式 （1） ， 得到 如图9所示的膨胀压随时间变化曲线。由图9可知， 在径向约束条件下， 静态破碎剂产生的膨胀压力随 时间成指数增长趋势， 通过非线性拟合， 膨胀压与时 间的定量关系可表示为， p e1．18 0．048 86t 0．018 53t 2 - 3．254, R2 0．995（2） 式中， p为作用于钢管侧壁的膨胀压， MPa； t为静态破 碎剂作用时间， h。 由图 9 可知， 静态破碎剂产生的膨胀压力 （＞40 MPa） 远大于一般岩体的抗拉强度 （2～35 MPa） ， 因此， 采用静态破碎剂产生的膨胀压力开挖岩石是适宜 的， 对于直立岩层边坡的岩体开采同样适用。 2. 2破裂膨胀压力与水平压力关系 横向坡直立岩层或者具有大倾角的岩层， 往往 是遭受较大的残余水平构造应力， 在水平应力作用 下， 岩层之间受挤压。当采用静态爆破技术破裂岩 体时， 岩体的侧向约束作用将改变静态爆破效果和 爆破时间。 如图 10 所示， 对于抵抗线 W40 mm 和 W60 mm， 随着水平压应力的增大， 岩体产生破坏的膨胀压 力近似线性增大， 表明在侧向约束条件下， 约束力越 大， 岩体开裂所需要的膨胀压越大； 同时， 设计抵抗 线越大， 在相同水平压应力作用下， 岩体开裂所需要 的膨胀压力愈大， 而在抵抗线较大的情况下， 膨胀压 力随水平压应力具有加速增长的趋势。 由此可见， 在静态爆破设计中， 应优先测定水平 构造应力， 选择合适的抵抗线尺寸， 进而设计钻孔、 装药量等其他参数。 2. 3不同孔距下的静态爆破时间分析 孔距是静态爆破的关键参数， 孔距过小， 岩体挤 压破碎严重， 造成药量浪费， 孔距过大， 相临钻孔贯 通时间增加， 甚至出现不贯通的现象， 影响爆破效 果。试验测试了钻孔孔距3～7 cm条件下的裂纹贯通 时间。由图11可知， 孔距3～5 cm时， 钻孔裂纹贯通时 2020年第6期周云涛等 直立岩层边坡岩体的静态爆破参数试验研究 187 ChaoXing 间近似线性增长， 当孔距大于5 cm， 钻孔裂纹贯通时 间随孔距的增大非线性增大， 有明显加速增长的趋 势。因此， 当钻孔直径为D时， 建议静态爆破设计孔 距为 （2～2.5） D。 2. 4不同布设方式下的静态爆破效果分析 在保证钻孔间距、 孔深等参数不变的条件下， 本 项目开展了矩形和三角形2种钻孔布设方式的静态 爆破试验， 采用岩体裂隙组数、 裂隙间距、 体积裂隙 数JV以及完整性系数KV等参数 ［17］考察2种布设方式 的静态爆破效果。 图12为试验获取的岩体裂隙数和间距随时间发 育曲线， 岩体裂隙数为单个岩块裂隙发育的平均值， 间距同样为单个岩块裂隙间距发育的平均值。由图 12可知， 当t0～7 h时， 2种布设方式的裂隙发育数随 时间非线性增加； 当t＞7 h时， 裂隙发育数随时间趋于 稳定， 矩形布设方式的裂隙最终发育数为11.2 条/m， 三角形布设方式的裂隙最终发育数为16.4 条/m。同 样， 当t0～7 h时， 2种布设方式的裂隙间距随时间非 线性降低； 当t＞7 h时， 裂隙间距随时间趋于稳定， 矩 形布设方式的裂隙最终间距为2.8 cm， 三角形布设方 式的裂隙最终间距为2.4 cm。 图13为试验得出的岩体完整性系数KV和体积裂 隙数JV随时间发育曲线， 体积裂隙数JV为单位体积 统计的裂隙条数， 系数KV表征岩体的完整程度。由 图13可知， 当t0～7 h时， 2种布设方式的体积裂隙数 JV随时间非线性增加； 当t＞7 h时， 体积裂隙数JV随时 间趋于稳定， 矩形布设方式的最终体积裂隙数JV为 56 条/m3， 三角形布设方式的最终体积裂隙数JV为82 条/m3。同样， 当t0～7 h时， 2种布设方式的岩体完整 性系数KV随时间非线性降低； 当t＞7 h时， 岩体完整 性系数KV随时间趋于稳定， 矩形布设方式的最终岩 体完整性系数KV为0.20， 最终岩体完整性系数KV为 0.089。 由上述分析可知， 三角形布设方式的裂隙数和 体积裂隙数均大于矩形布设方式的裂隙组数和体积 裂隙数， 且三角形布设方式的裂隙间距和岩体完整 性系数均小于矩形布设方式的裂隙间距和岩体完整 性系数， 由此表明， 三角形布设方式的爆破效果明显 优于矩形布设方式。 3静态爆破过程讨论 针对矩形布设钻孔方式和三角形布设钻孔方式 的静态爆破试验， 通过现象观测与数据统计分析得 出静态爆破过程可分为岩体微裂、 孔边裂纹扩展、 裂 纹密集发育和岩体碎裂4个阶段， 分别叙述如下 （1） 岩体微裂阶段。钻孔周围岩体在静态膨胀 压力作用下， 当切向应力超过岩石的抗拉强度时， 岩 体开始开裂， 由图14 （a） 和图15 （a） 可知， 2种钻孔布 设方式时， 裂纹初始扩展沿着钻孔连线方向发展， 孔 边未伴生其他方向裂纹。 （2） 孔边裂纹扩展阶段。如图14 （b） 和图15 （b） 所示， 对矩形布设方式， 在此阶段， 靠近临空面一侧 的钻孔由于受临空面约束力小， 沿钻孔周边发展裂 纹， 而靠近最内侧的钻孔由于距临空面较远， 受约束 作用大， 膨胀力增长较快， 致使岩体开裂， 裂纹不断 发展， 而相应于中间的钻孔， 其孔边裂纹较少发育。 对于三角形布设方式， 沿钻孔连线方向裂纹贯通， 同 时伴随着内外两侧的钻孔裂纹发育， 而中间钻孔的 金属矿山2020年第6期总第528期 188 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 孔边偶有发育。 （3） 裂纹密集发育阶段。如图14 （c） 和图15 （c） 所示， 在此阶段， 矩形布设方式与三角形布设方式的 观测现象一致， 中间钻孔的裂纹开始密集发育， 内外 侧孔的裂纹宽度增大， 同时伴随着临空面附近岩块 的掉落。 （4） 岩体碎裂阶段。如图14 （d） 和图15 （d） 所示， 随着钻孔裂纹的扩展贯通， 岩块之间失去粘结作用， 靠近临空面一侧的岩块不断掉落， 并伴随整体岩块 向临空面一侧倾倒。 4结论 （1） 膨胀压力测试试验得出， 在径向约束条件 下， 静态破碎剂产生的膨胀压力随时间成指数增长 趋势。 （2） 在侧向约束条件下， 约束力越大， 岩体开裂 所需要的膨胀压越大， 在静态爆破设计中， 应优先测 定直立岩层岩体的残余水平构造应力， 选择合适的 抵抗线尺寸， 进而设计钻孔、 装药量等其他参数。 （3） 孔距3～5 cm时， 钻孔裂纹贯通时间近似线性 增长， 当孔距大于5 cm， 钻孔裂纹贯通时间随孔距的 增大非线性增大， 建议静态爆破设计孔距为2～2.5倍 钻孔直径。 （4） 三角形布设方式的爆破效果明显优于矩形 布设方式， 通过现象观测与数据统计分析得出， 静态 爆破过程可分为岩体微裂、 孔边裂纹扩展、 裂纹密集 发育和岩体碎裂4个阶段。 参 考 文 献 张振， 郭伟． 静态爆破法在深圳地铁施工中的应用 ［J］ ． 现 代隧道技术， 2012， 49 （2） 110-113． Zhang Zhen，Guo Wei． Application of static blasting technology in the Shenzhen Metro ［J］ ． Modern Tunnelling Technology，2012，49 （2） 110-113． 姜楠， 徐全军， 龙源， 等． 大孔径静态破碎膨胀压力特性及 布孔参数分析 ［J］ ． 爆炸与冲击， 2015， 35 （4） 22-27． Jiang Nan，Xu Quanjun，Long Yuan，et al． Expansive pressure characteristic and borehole parameter analysis on large scale bore⁃ hole soundless cracking ［J］ ． Explosion and 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