不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究_梁洪达.pdf

书书书  振动与冲击 第 39 卷第 4 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 4 2020 基金项目国家自然科学基金青年科学基金 41602308 ; 深部岩土力学 与地下工程国家重点实验室开放基金 SKLGDUEK1821 收稿日期2019 －04 －08修改稿收到日期2019 －07 －28 第一作者 梁洪达 男， 硕士生， 1994 年生 通信作者 郭鹏飞 男， 博士， 讲师， 1989 年生 不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究 梁洪达1，郭鹏飞1， 2，孙鼎杰1，叶铿铿1，邹宝平3，袁亚迪1 1． 绍兴文理学院土木工程学院， 浙江 绍兴 312000; 2． 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083; 3． 浙江科技学院土木与建筑工程学院， 杭州 310023 摘要为研究双向聚能拉伸爆破应力波传播及裂纹演化规律， 采用理论分析、 数值模拟等方法， 研究单孔爆破、 连 孔爆破、 间隔爆破爆炸应力波的传播形式和裂纹扩展规律。结果表明， 连孔聚能爆破和间隔聚能爆破的裂纹扩展长度都在 水平径向上达到了900 mm， 而单孔聚能爆破仅600 mm， 说明连孔聚能爆破时应力波的叠加使切向拉应力增大， 聚能方向形 成了与孔心连线相平行的裂纹， 裂纹开裂延伸， 直至贯通。间隔爆破时随着应力波的传播， 裂纹尖端张拉应力区也不断向前 推移， 促使裂纹继续发展， 直至贯通。该项研究在岩石成型爆破中提供了有效真实的参考依据， 具有广阔的应用前景。 关键词聚能拉伸爆破; 连孔爆破; 间隔爆破; 裂纹扩展 中图分类号U455． 6文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 04． 020 A study on crack propagation and stress wave propagation in different blasting modes of shaped energy blasting LIANG Hongda1，GUO Pengfei1， 2，SUN Dingjie1，YE Kengkeng1，ZOU Baoping3，YUAN Yadi1 1． School of Civil Engineering，Shaoxing University of Arts and Science，Shaoxing 312000，China; 2． State Key Laboratory of Deep Rock and Soil Mechanics and Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083， China; 3． School of Civil and Architectural Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou 310023， China Abstract In order to study the propagation of stress wave and crack evolution in biaxial energy accumulation blasting，the propagation and crack propagation law of stress wave in single hole blasting，continuous hole blasting， and deep hole blasting were studied by theoretical analysis and numerical simulation． The results show that the crack propagation length of continuous hole energy accumulation blasting and deep hole energy accumulation blasting is 900 mm in horizontal radius，while that of single hole energy accumulation blasting is only 600 mm，which indicates that the superposition of stress wave increases the tangential tensile stress，and the energy accumulation direction s cracks is parallel to the hole center line， and the crack extends until it runs through． With the propagation of stress wave in deep hole blasting crack，the tip tension stress zone is also moving forward，promoting the crack to continue to develop until it runs through． This study provides an effective and real reference for rock ing blasting and has a broad application prospect． Keywordsconcentrated energy stretching blasting;continuous hole blasting;deep hole blasting;crack propagation 在爆破过程中， 炸药起爆后经过一系列的物理和 化学作用， 产生的爆炸冲击波作用于周围岩体， 并对炮 孔周围岩体造成破坏。冲击波在接触到岩体之后能量 开始消散， 衰减为应力波， 应力波传播到自由面时产生 波的反射叠加作用， 原应力波与反射波的叠加效应使 炮孔孔口产生爆破漏斗。然而， 在隧道掘进、 露天矿开 挖、 切顶卸压等大量的工程实践中， 要求沿设定方向进 行预裂的同时， 在非设定方向上不对岩体造成破坏， 这 对爆破理论和技术的发展提出了新的要求， 促进了聚 能爆破理论和技术的产生和发展。 聚能爆破是一种通过聚能效应设计使炸药爆炸后 的能量沿聚能方向释放， 减少或消除其它方向随机生成 的裂纹， 从而提高炮孔利用率的爆破方法。大量的工程 实践和研究表明， 聚能爆破效果因应力环境、 围岩性质、 炸药性质、 填塞质量及爆破模式等因素的不同具有很大 差异。在同样的客观条件下， 爆破模式对聚能方向裂纹 扩展及应力波传播规律影响显著。刘健等 ［ 1 ］研究了不 同装药模式爆破荷载作用下煤层裂隙扩展规律， 认为裂 纹是由压缩波与卸载波共同作用形成的， 并且裂纹扩展 方向与炮孔轴线方向垂直; 杨仁树等 ［ 2 ］通过开展切缝药 包聚能爆破对比试验， 优化了爆破参数， 在硬岩快速掘巷 ChaoXing 中取得了较好的应用效果; 郭德勇等 ［ 3 －6 ］认为煤层深孔 聚能爆破的聚能效应显著改变了爆炸应力波的传播特性 和煤体的力学性质， 在聚能方向煤体所受压应力峰值是 非聚能方向的1． 10 ～ 1． 29 倍， 且聚能爆破过程中控制 孔主导了爆生主裂隙的定向扩展和孔壁周围环向裂隙的 形成; 何满潮等 ［ 7 ］将聚能爆破应用于无煤柱自成巷技术 中， 并通过分析聚能爆破力学机制得出了联孔爆破损伤 贯通判据条件。除此之外， Kutter 等 ［ 8 －12 ］对爆破过程中 的应力场、 应力波力学行为及其对裂纹扩展的影响等方 面进行了研究， 取得了有益的研究成果。 然而， 在聚能爆破中， 单孔爆破、 连孔爆破、 间隔爆破 三种模式下， 应力波传播及裂纹扩展规律不尽相同， 目前 对不同聚能爆破模式下围岩应力波传播及裂纹扩展规律 方面的研究还比较少。因此， 本文基于双向聚能拉伸爆 破技术， 采用理论分析与数值模拟相结合的方法， 研究不 同爆破模式下应力波传播及裂纹扩展规律， 对聚能爆破 技术的研究和应用具有重要的研究意义。 1双向聚能拉伸爆破应力波传播及致裂机制 2． 1聚能爆破原理 双向聚能拉伸爆破技术在 2003 年由何满潮院士首 先提出， 该项技术充分利用了岩石的“抗压怕拉” 特性， 它通过将点状 PVC 聚能管与普通矿用炸药相结合， 使炸 药爆炸后在聚能方向上形成切向拉应力， 最大限度地将 爆轰压力转化为对围岩的张拉作用， 在聚能方向上形成 有效的定向预裂 ［ 13 ］。同时， 由于非聚能方向上 PVC 管 的缓冲作用， 避免了非聚能方向上孔壁岩石的损伤破坏， 双向聚能拉伸爆破原理及聚能装置示意图如图1 所示。 图 1双向聚能拉伸爆破原理及聚能装置 Fig． 1 Principle and device of bi- directional shaped tension blasting 聚能爆破过程中， 在炮孔周围形成冲击波， 由于聚 能装置和岩石质点的位移， 使得冲击波迅速衰减为应 力波， 应力波的传播和叠加达到了破岩的效果。通过 分析可知， 双向聚能拉伸爆破裂纹扩展过程分为 冲击 波对设定方向岩石的压裂作用、 应力波沿设定方向对 岩石的拉伸裂纹扩展、 高温高压气体气楔作用和拉伸 作用共同引起的裂纹延伸三个过程［14 －15 ］。假设爆破 炮孔为理想绝热密闭空间， 设炸药起爆后在聚能方向 上孔壁受到的爆轰产物冲击压力为 P0 1 8 ρ0D2 2r0 d 6 l l 0 3 n 1 式中 ρ0为炸药爆炸后爆轰产物的密度; l 为装药长度; l0 为炮孔长度; D 为冲击波速度; n 为爆轰产物冲击孔壁时 压力倍数一般取8 ～11; r0为炮孔半径; d 为装药直径。 聚能装置在岩体中爆炸产生的应力波主要是纵 波， 根据应力波理论， 以波的峰值压力作为波衰减的参 考， 应力波随距离衰减的关系为 σr p0 ra Z 2 式中 σr为岩石中任意一点应力峰值大小; p0为炸药爆 炸时炮孔内初始压力 可由式 1 求得 ， MPa; r r r0 ， r0 为炮孔半径， cm; r 为岩体中任意一点到炮孔中心轴线 的距离， cm; 根据已有研究成果总结 Z 为聚能系数 ［16 ］， 在聚能方向取 1． 83， 在非聚能方向取 1; 中国科学院武 汉岩土所通过现场试验得衰减系数 a 为 a －4． 11 10 －7 ρ rCpV 2． 92， 其中， ρr为岩石密度， kg/m 3; C p为 岩石中纵波速度， m/s; V 为纵波速度修正系数一般取 1． 75 ～1． 8。 聚能爆破以应力波叠加为主要致裂因素， 但炸药 爆炸后产生的高温高压气体在炮孔内产生的挤压力也 具有一定扩展裂纹的作用。根据弹塑性力学理论， 假 设爆生气体对聚能装置为绝热膨胀， 且爆生气体在裂 隙中封闭且不发生渗透 ， “气楔” 作用阶段聚能装置及 爆生裂隙受到稳定的静压力作用。根据爆轰热力学理 论， 爆生气体膨胀充满炮孔时的压力为［17 ］ Pd PX PW P X γ/k Ve V 0 γ 3 式中 Ve， V0为装药体积和炮孔体积， cm－3; PW 为平均 爆轰压力， MPa; PW ρeD2e 2 k 1 ， ρ e 为炸药的密度， gcm －3; D e为炸药的爆炸速度， ms －1; k 为等熵绝热 指数; γ 为绝热指数; PX为爆轰产物临界压力， MPa。 根据弹塑性力学的厚壁圆桶理论计算得出爆轰气 体在岩石中逐渐衰减的静压力计算式为 σqr Pd r0 r a 4 851振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 式中 r0为炮孔半径， cm; r 为岩体中任意一点到炮孔中 心轴线的距离， cm; a 为应力衰减指数， a 2 － μ 1 － μ， μ 为岩石的泊松比。 1． 2单孔聚能爆破致裂机制 双向聚能拉伸爆破在炸药起爆后， 首先聚能装置 上的聚能孔使爆生气体直接与孔壁接触， 产生的压应 力迅速转化为沿聚能方向的张拉应力， 非聚能方向上 受到的压应力作用于孔壁时可分解为垂直于聚能方向 的分力 Py和平行于聚能方向的分力 Px， 当垂直于聚能 方向的分力叠加大于岩石的抗拉强度时， 孔壁将沿聚 能方向发生拉裂破坏， 生成初始径向裂隙; 其次以应力 波的叠加为主要开裂机制指导裂纹扩展; 最后由于应 力波在岩石中传播的衰减， 由爆生气体的膨胀作用与 应力波的叠加共同作用贯通裂纹。其单孔聚能爆破力 学模型如图 2 所示。 图 2单孔双向聚能拉伸爆破力学模型 Fig． 2 Mechanical model of single- hole bi- directional cohesive- tension blasting 当应力波作用于孔壁后， 随着波在岩体中的传播 将产生应力波的叠以及爆生气体在水平径向裂隙中膨 胀挤压， 以至合力大于岩石的抗拉强度而造成开裂。 以炮孔的 1/4 为例其合力的函数式为 σt∫ r 0 r∫ π 2 0 σrsin ada σqr 5 式中 r 为岩石中任意一点到炮孔中心的距离， cm; σt 为垂直于聚能方向的合力， MPa; a 为岩石中任意一点 到炮孔中心连线与聚能方向之间的夹角， ; σr为岩石 中任一点的峰值应力， MPa; σqr为爆生气体压力， MPa。 在非聚能方向上由于有聚能装置， 爆炸产生的爆 轰气体只能从聚能孔释放。且具有缓冲作用， 使岩石 上的压应力不足以使岩石开裂， 只产生了微小裂隙， 。 围岩中应力波与爆生气体继续传播产生的合力 σt大 于岩石的抗拉强度时将产生初始的径向裂纹。 1． 3连孔聚能爆破致裂机制 连孔聚能爆破时两相邻炮孔采用同时起爆， 爆炸 应力波以相同的传播方式向炮孔聚能方向连线中点传 播， 先在两炮孔连线中点处进行叠加。由于波与爆生 气体在岩石中传播存在一定的能量损耗， 当相邻炮孔 聚能方向连线上岩石各点的张拉应力均大于或等于岩 石的抗拉强度时， 相邻炮孔之间产生的裂纹才得以贯 通 ［18 ］。其连孔聚能爆破力学模型如图 3 所示。 如图 3 所示连孔聚能爆破时爆生气体从两爆破孔 聚能方向分别进入进行膨胀挤压， 但应力波在传播过 程中将在两炮孔聚能方向连线中点的垂线处产生应力 波的叠加面， 虽然应力波在传播的过程当中存在能量 的损耗， 但根据波的叠加原理， 由式 3 可计算得出在 直线 CD 处产生 2 倍的张拉应力， 由此可适当增加两炮 孔间的距离。其聚能方向力学计算式为 σt 2∫ L 2 0 x∫ π 2 0 σrsin θdθ σqr 6 式中 r 为岩石中任意一点到爆破孔中心的距离， cm; σr 为岩石中任一点的峰值应力， MPa; L 为炮孔间距离， cm。 当取 R 2r0 L 为炮孔中心距， σr即为任意一点 处应力峰值， 两炮孔之间垂直于径向的应力由炮孔向 D 点递减， 在 D 点处进行叠加可得 2σrsin θ σqr。当 L 不断增大时， 爆炸应力波和爆生气体传播时间增大， 应 力波与爆生气体的衰减导致叠加应力场的效果减弱， 不能有效促进裂缝的贯通。 图 3连孔聚能拉伸爆破力学模型 Fig． 3 Mechanical model of continuous hole concentrated energy drawing blasting 951第 4 期梁洪达等不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究 ChaoXing 1． 4间隔聚能爆破致裂机制 在爆破工程中， 为了降低对围岩的损伤和降低爆 破成本， 采用间隔爆破是一种常用的方法。在间隔爆 破中， 由于空孔存在自由面将产生“空孔效应” ， 其受力 模型如图 4 所示。在聚能方向压缩应力波传播到空孔 自由面处反射形成拉伸应力波， 孔壁质点将受入射波 和反射波的复合应力， 点 C 处将产生应力集中， 当产生 的切向拉应力大于岩石的抗拉强度时， 将产生微小的 径向裂隙， 即为 “空孔效应” ［19 －20 ］。在非聚能方向上应 力波的传播在到达自由面时将会沿自由面发生偏转， 从而导致产生的切向应力发生偏转， 造成环向裂隙。 同时， 应力波对空孔入射过程中的反射迭加作用引起 空孔附近岩体同时受到径向拉伸应力和切向拉伸应力 作用， 当切向拉伸应力大于动态抗拉强度时， 岩体被拉 裂而逐渐形成径向裂隙［21 －22 ］。 图 4间隔聚能拉伸爆破力学模型 Fig． 4 Mechanical model of interval aggregate blasting 爆炸应力波在岩体中传播到自由面时会发生不同 程度的反射形成反射拉伸波， 使自由面 C 点处产生应力 集中致使 C 点处径向开裂要先于水平径向裂纹的贯通。 以下为应力波传播到自由面处发生反射的力学行为。 图 5应力波在自由面处的反射过程图 Fig． 5 Reflection process diagram of stress wave on free surface 如图 5 所示， 爆炸应力波在自由面发生反射 ［23 ］， 0 时刻时应力波刚接触自由面， T/4 时刻入射波的 1/4 被 自由面反射， 产生的反射拉伸波与入射压缩波叠加形 成较小的压应力; 在 T/2 时刻时， 入射波的 1/2 被自由 面反射， 入射波与反射波叠加之后应力为零; 3T/4 ～ T 时刻区间中反射拉应力逐渐大于入射压应力， 当两个 波叠加抵消之后与气体共同作用下产生的拉应力大于 岩石的抗拉强度时将产生径向的微小裂隙， 随时间的 推移与水平径向裂纹形成贯通。 2聚能爆破数值模拟分析 根据以上理论分析， 采用动力分析软件 LS- DYNA 进行双向聚能张拉爆破的数值模拟， 分析计算聚能爆 破过程中应力波演化规律、 裂纹扩展过程。数值模拟 采用光滑粒子流数值解法， 起爆后炸药粒子进入裂隙 来模拟气体的气楔作用， 与实际爆破过程相符。通过 对比单孔普通爆破与单孔聚能爆破效果以及连孔聚能 爆破与间隔聚能爆破效果， 并分析岩石在不同聚能爆 破模式下围岩应力波传播及裂纹扩展的规律， 由此确 定在相同的工程环境中最合理的爆破模式。 2． 1材料模型 模型中的岩石材料采用 Johnson- Hol- mquist 模型研 究爆炸荷载作用下岩石聚能爆破过程的裂纹扩展。岩石 参数选用细砂岩作为参考， 具体参数的选取如表1 所示。 表 1模型中岩石基本力学参数 Tab． 1 Basic mechanical parameters of rock in the modle 密度/ gcm －3泊松比 P 波波速/ ms －1 S 波波速/ ms －1 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 单轴抗压 强度/MPa 单轴抗拉 强度/MPa 2．560．343 8352 66532．39．6767．16．8 数值模拟采用光滑粒子流数值解法建立模型时， 已经定义了炮孔内的炸药参数， 如表 2 所示。起爆后， 随着裂纹的扩展， 定义炸药参数的粒子进入裂缝， 以此 模拟实际爆破当中爆生气体的气楔作用。又由于损伤 061振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 本身就是裂纹的微观描述， 宏观裂纹亦是由大量微观 裂纹共同作用产生， 因此模拟时采用损伤来表示裂纹。 表 2模型中炸药参数 Tab． 2 Explosive parameters 参考密度/ gcm －3 爆轰速度/ ms －1 压力/ GPa 参数 A/ GPa 参数 B/ GPa 参数 R1 参数 R2 参数 ω E0/ GPa 1．24 900273265815．811．560．572．67 炸药采用矿用乳化炸药， 炸药材料模型采用 MAT_ HIGH_EXPLO_SIVE_BURN， 模拟中炸药起爆后采用 JWL 状态方程。 P A 1 － ω VR 1 e －R1V B 1 － ω VR 2 e －R2V ωE 0 V 7 式中 P 为爆轰产物的压力， MPa; A， B， R1， R2和 ω 为由 试验确定的材料常数; V 为爆轰产物相对体积; E0为爆 轰产物的初始内能密度; 详见表 2。 聚能装置选用 PVC 管材， PVC 管材在炸药爆炸产 生的高温下将产生气化作用， 但裂纹的开裂先于聚能 装置的气化， 因此， 数值模拟中不考虑温度对聚能装置 的影响。聚能装置的本构方程选用塑性随动模型， 并 用与应变率有关的因数表示屈服应力即 σY1 ε C 1 [] p σ 0 βEpεeff p 8 式中 σ0为初始屈服应力; C， P 为 Cowper- Symonds 应 变率参数; εeff p 为有效塑性应变; Ep为塑性硬化模量， Ep EyEtan/ Ey－ Etan ， Etan为切线模量。 聚能材料具体参数如表 3 所示。 表 3聚能管材力学参数表 Tab． 3 Mechanical parameters of shaped pipe 材料密度/ gcm －3 弹性模量/ GPa 剪切模量/ GPa 屈服应力/ MPa 泊松比 1． 433． 591． 0861． 70． 32 根据以上模型材料以 1 200 mm 1 200 mm 计算 模型进行了单孔普通爆破和单孔聚能爆破数值模拟， 以 1 800 mm 800 mm 为计算模型， 孔间距为 500 mm 进行了连孔聚能爆破和间隔聚能爆破的数值模拟。 2． 2单孔普通爆破数值模拟 无聚能装置情况下普通爆破模拟结果由图6 a 可 以看出， 初始阶段会在孔周围形成多方向的应力集中， 在 0． 2 ms 时裂缝沿 60等角度朝 6 个方向均匀开裂， 裂纹尖端出现应力集中， 随着爆破的不断推进， 裂纹尖 端不断失稳破坏， 致使裂纹不断扩展， 直至裂缝贯穿。 由图 6 b 所示在 0． 1 ms 时产生 0． 2 GPa 等效应力形 成剪应力破坏带， 并逐渐向外扩散在 0． 2 ms 时等效应 力达到了 0． 1 GPa， 当接触到自由面时应力开始消散。 在 0． 6 ms 时应力逐渐消失在 0． 7 ms 时只在炮孔周围 还存在较小的应力集中现象。 图 6单孔普通爆破数值模拟图 Fig． 6 Numerical simulation diagram of single hole ordinary blasting 2． 3单孔聚能爆破数值模拟 单孔聚能爆破情况下的爆破模拟结果如图7 a 所 示。初始阶段会在聚能孔附近形成微裂纹， 爆炸粒子 的不断运动， 驱使裂缝沿聚能方向开裂， 呈现单一水平 裂纹。由图 7 b 所示在炸药起爆后瞬间， 在聚能孔附 近就出现了值为 0． 7 GPa 的应力集中， 其附近的岩石 承受张拉应力的作用， 在聚能方向上产生微裂纹。在 0． 2 ms 时可以看出聚能孔方向应力为负， 非聚能方向 应力值由孔向外从 1． 1 GPa 逐渐减小到 0． 2 GPa， 由此 产生张拉应力。随着爆破的不断推进， 裂纹尖端不断 失稳破坏， 应力逐渐消失， 致使裂纹不断扩展， 直至裂 缝贯穿， 呈现出单一水平裂纹。 2． 4连孔聚能爆破数值模拟 连孔聚能爆破的裂纹开裂过程如图 8 所示， 可以 看出随着爆炸的继续， 在0． 1 ms 时， 沿聚能方向形成了 与孔心连线相平行的裂纹， 裂缝不断开裂延伸， 0． 5 ms 时裂纹相互贯通， 从等效应力云图 8 b 图上可以看 出， 在聚能方向尖端首先出现 0． 8 GPa 的张拉应力， 当 161第 4 期梁洪达等不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究 ChaoXing 张拉应力超过其拉应力强度， 则会首先在聚能孔尖端 形成张拉裂纹。数值模拟显示， 随着应力的叠加， 裂纹 尖端张拉应力区也不断向前推移。如图 8 a 从0． 1 ～ 0． 3 ms 裂纹不断推进， 应力波在裂纹自由面上反射， 在 裂纹尖端形成垂直于裂纹面的张拉应力， 促使裂纹继 续发展指导裂纹贯通。从0． 7 ms 的应力云图上可以看 出， 张拉模式的应力集中已经消失。聚能装置起到了 良好的聚能切缝爆破效果， 形成了一条平直裂。 图 7单孔聚能爆破数值模拟图 Fig． 7 Numerical simulation diagram of single hole concentrated energy blasting 2． 5间隔聚能爆破数值模拟 间隔聚能爆破的裂纹开裂过程如图 9 a 所示， 可 以看出在 0． 1 ms 时， 爆炸孔沿聚能方向都形成了与孔 心连线相平行的裂纹， 裂缝不断开裂延伸， 且在 0． 5 ms 时可以看出空孔在裂纹贯通前存在径向的微小裂纹， 有效促进了两炮孔裂纹的相互贯通。从等效应力云图 9 b 图上可以看出， 在聚能方向尖端出现 0． 8 GPa 的 张拉应力集中， 并逐渐向外扩散。当张拉应力超过其 拉应力强度， 则会首先在聚能孔尖端形成张拉裂纹。 图 9 b 显示， 随着应力的传播， 裂纹尖端张拉应力区 也不断向前推移， 如图 9 a 从 0． 1 ～0． 3 ms 裂纹不断 推进。应力波在裂纹自由面上反射， 在裂纹尖端形成 垂直于裂纹面的张拉应力， 促使裂纹继续发展指导裂 纹贯通， 从0． 7 ms 的应力云图上可以看出， 张拉模式的 应力集中已经消失。 图 8连孔聚能爆破数值模拟图 Fig． 8 Numerical simulation diagram of continuous hole charge blasting 261振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 图 9间隔聚能爆破数值模拟图 Fig． 9 Numerical simulation diagram of interval concentrated blasting 3聚能爆破裂纹演化规律 单孔聚能爆破的裂缝扩展过程中裂纹扩展角度与 裂纹长度的相互关系曲线如图 10 a 。零度对应于与 聚能方向垂直向上的 Y 轴方向， 以逆时针为正， 裂纹长 度的相对大小是相对于中心炮孔的中心坐标为参考点 计算而得出。可以看出随着时间的推移， 裂纹长度在 不断增大最终达到 600 mm。且存在两条裂纹长度峰 值， 分别对应于 90和 270的位置。由于聚能孔的限制 仅在 60 ～120以及 240 ～300产生了开裂， 而在非聚 能方向上仅有微小的曲线波动即产生微小裂纹。说明 聚能装置具有较好的聚能效果且在非聚能方向上还存 在一定的缓冲作用。 图 10不同爆破模式下裂纹扩展图 Fig． 10 Crack propagation diagram under different blasting modes 图10 b 和图10 c 给出了500 mm 连孔聚能爆破 以及 500 mm 间隔聚能爆破的裂缝扩展过程中裂纹扩 展角度与裂纹长度的相互关系曲线。同样， 零度对应 于与聚能方向垂直向上的 Y 轴方向， 以逆时针为正， 裂 纹长度的相对大小是相对于中心炮孔的中心坐标为参 考点计算而得出。从图中可以看到有二条裂纹长度的 峰值， 分别对应于 90和 270的位置， 裂纹最后都达到 了 900 mm。说明在这两个角度上出现了二条相平行 的爆生裂纹， 角度基本保持在各自炮孔的聚能方向上。 由图 10 可以看出三种聚能爆破产生裂纹的范围 都在 60 ～120和 240 ～ 300 聚能孔方向 。单孔聚 能爆破时在非聚能方向存在明显的微小裂纹， 连孔聚 能爆破时聚能孔附近破坏范围较大不利于裂纹有效贯 通， 但间隔聚能爆破时由于存在空孔的应力集中效应， 极大减小了聚能孔附近岩石的破碎程度， 从而促进了 裂纹的有效贯通。说明聚能爆破具有较强的定向爆破 能力， 且间隔聚能爆破更具有实际的工程价值。 4结论 1通过对不同聚能爆破模式致裂机制进行研 361第 4 期梁洪达等不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究 ChaoXing 究， 得到了单孔普通爆破、 单孔聚能爆破、 500 mm 孔间 矩连孔聚能爆破和间隔聚能爆破 4 种不同爆破模式下 围岩应力波传播及裂纹扩展规律， 并建立了围岩峰值 压力和应力叠加方程。 2通过 LS- DYNA 软件对4 种不同聚能爆破模式 进行数值模拟， 得到单孔普通爆破比单孔聚能爆破围 岩损伤严重， 应力波传播能量较少且以 60角沿 6 个方 向等角度开裂。间隔聚能爆破比连孔聚能爆破应力波 传播时间长， 但围岩更加稳定， 且应力波在空孔自由面 处产生应力集中， 最终所形成裂纹与连孔聚能爆破 一致。 3通过对不同爆破模式进行对比研究， 得出聚 能爆破能有效控制裂纹的开裂方向促使裂纹沿聚能方 向形成平滑贯通的裂纹。且连孔聚能爆破与间隔聚能 爆破裂纹贯通时都达到了 900 mm， 但间隔爆破节省爆 破成本， 具有更好的工程价值。 参 考 文 献 ［1］ 刘健， 刘泽功， 高魁， 等． 不同装药模式爆破载荷作用下煤 层裂隙扩展特征试验研究［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2016， 35 4 735 －742． LIU Jian，LIU Zegong，GAO Kui，et al． Experimental study of extension characters of cracks in coal seam under blasting load with different charging modes ［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2016， 35 4 735 －742． ［2］ 杨仁树， 张召冉， 杨立云， 等． 基于硬岩快掘技术的切缝药 包聚能爆破试验研究［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2013， 32 2 317 －323． YANG Renshu，ZHANG Zhaoran，YANG Liyun，et al． Cumulative blasting experiment study of slotted cartridge based on hard- rock rapid driving technology ［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32 2 317 －323． ［3］ 郭德勇， 赵杰超， 吕鹏飞， 等． 煤层深孔聚能爆破动力效应 分 析 与 应 用 ［J］ ． 工 程 科 学 学 报，2016，38 12 1681 －1687． GUO Deyong，ZHAO Jiechao，L Pengfei，et al． Dynamic effects of deep- hole cumulative 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