第 3 卷 增 刊 岩 土 力 学 Vol.3 Supp. 年 8 月 Rock ad Soil Mechaics Aug. 文 章 编 号 :-7598 () 增 刊 -87-6 基 于 声 速 变 化 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 效 应 闫 长 斌 ( 黄 河 勘 测 规 划 设 计 有 限 公 司, 郑 州 453) 摘 要 : 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 :() 回 归 分 析 的 相 关 系 数 大 于.98 6, 说 明 岩 体 爆 破 损 伤 非 线 性 累 积 回 归 预 测 模 型 是 正 确 的 ;() 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 关 键 词 : 爆 破 ; 声 速 变 化 ; 回 归 分 析 ; 累 积 损 伤 模 型 中 图 分 类 号 :TU 35;TU 459 +.3 文 献 标 识 码 :A Blastig damage cumulative effect of rock mass based o soud velocity variatio YAN Chag-bi (Yellow River Egieerig Cosultig Co., Ltd., Zhegzhou 453, Chia) Abstract: Soud velocity variatio is the valid parameter as the toke of damage variace. I order to discover the blastig damage cumulative effect ad the damage evolutive law of rock mass, soud wave measuremet for surroudig rock damage uder blastig time after time was carried out at some udergroud egieerig; ad the data regressio was aalyzed at the same time. The correspodig relatio betwee rock mass damage ad soud velocity variatio uder several times blastig was aalyzed; ad the cumulative expaded models of rock mass blastig damage with the baselie of rock mass soud velocity reducig ratio were fouded. Research results show that the correlatio coefficiet of regressio aalysis is more tha.98 6, which illumiate the oliear cumulative regressio forecast models of rock mass blastig damage fouded by test results are correct. The fial quatity of rock mass damage is the total of iitial damage ad blastig damage i the cumulative expaded models of rock mass blastig damage, ad where the iflueces of blastig cumulative damage effect ad iitial damage are sythetically cosidered. So the models ca reflect the damage degree of rock mass veritably, which are reasoable ad feasible. Key words: blastig; soud velocity variatio; regressio aalysis; cumulative damage models 引 言 [-3] 岩 体 爆 破 损 伤 破 坏 作 用 机 制 是 爆 炸 载 荷 作 用 下 岩 石 内 部 大 量 微 裂 纹 的 形 成 扩 大 和 贯 穿, 从 而 导 致 岩 石 宏 观 力 学 性 能 劣 化 乃 至 最 终 失 效 或 破 坏 的 一 个 连 续 损 伤 演 化 累 积 过 程 对 于 地 下 工 程 岩 体 爆 破 稳 定 性 问 题, 不 但 应 考 虑 单 次 爆 破 引 起 的 瞬 态 首 超 破 坏, 还 应 考 虑 频 繁 爆 破 导 致 围 岩 产 生 疲 劳 损 伤 累 积 破 坏 效 应 例 如 边 坡 隧 道 开 挖 掘 进 循 环 爆 破 作 业 等 [4-6] 因 此, 探 寻 多 次 爆 破 作 用 下 岩 体 损 伤 累 积 演 化 规 律, 对 于 合 理 安 排 岩 体 工 程 爆 破 设 计 地 下 工 程 安 全 防 护 以 及 预 测 爆 破 动 荷 载 作 用 下 围 岩 长 期 稳 定 性 具 有 十 分 重 要 的 意 义 如 何 判 别 爆 破 引 起 的 岩 体 损 伤 合 理 表 征 损 伤 参 量 是 岩 体 爆 破 损 伤 研 究 的 重 要 内 容 理 论 和 实 践 表 明 [7-9], 声 速 变 化 和 岩 体 损 伤 特 性 密 切 相 关, 以 声 速 变 化 定 义 损 伤 参 量, 进 而 建 立 岩 体 爆 破 损 伤 演 [] 化 模 型 是 行 之 有 效 的 方 法 另 外, 朱 劲 松 等 对 混 凝 土 在 疲 劳 荷 载 作 用 下 超 声 波 速 变 化 规 律 进 行 了 试 验 研 究, 基 于 超 声 波 速 定 义 了 损 伤 变 量, 建 立 了 混 收 稿 日 期 :-4-3 基 金 项 目 : 国 家 十 一 五 科 技 支 撑 计 划 (No. 6BAB4A6); 黄 河 勘 测 规 划 设 计 有 限 公 司 自 主 研 究 开 发 项 目 (No. 9-ky) 作 者 简 介 : 闫 长 斌, 男,979 年 生, 工 学 博 士, 工 程 师, 主 要 从 事 工 程 地 质 与 水 工 岩 石 力 学 方 面 的 研 究 工 作 E-mail:yachagbi_@63.com
88 岩 土 力 学 年 凝 土 疲 劳 累 积 损 伤 的 演 化 方 程 因 此, 在 现 场 声 波 测 试 的 基 础 上, 以 声 速 变 化 表 征 岩 体 损 伤, 研 究 爆 破 损 伤 累 积 演 化 规 律 是 可 行 的 岩 体 爆 破 损 伤 累 积 声 波 测 试. 测 点 布 置 与 测 试 仪 器 试 验 地 点 选 在 某 地 下 工 程 中, 围 岩 为 灰 色 似 层 状 大 理 岩, 岩 层 倾 向 97, 倾 角 75 ~85 ; 岩 石 坚 硬, 弱 ~ 微 风 化, 节 理 裂 隙 不 发 育 声 波 测 试 孔 和 爆 破 孔 均 布 置 在 巷 道 一 侧 的 边 墙 上 本 次 测 试 共 有 9 个 测 试 孔 和 个 爆 破 孔 为 测 试 方 便, 所 有 钻 孔 均 水 平 向 下 倾 斜 5, 所 有 钻 孔 保 持 平 行, 现 场 具 体 布 置 情 况 见 图 为 满 足 钻 孔 深 度 要 求, 所 有 钻 孔 均 采 用 YGZ-9 型 中 深 孔 凿 岩 机 施 工, 钻 孔 深 度 均 为 4.9~5. m, 钻 孔 孔 径 均 为 Ø6 mm 施 工 过 程 中,7 号 测 试 孔 和 号 测 试 孔 在 孔 底 部 贯 通, 二 者 之 间 存 在 局 部 破 碎 带 在 声 波 测 试 时,7 号 孔 和 号 孔 作 废. m. m 4 爆 破 孔 8.6 m.8 m.4 m.5 m 3 5 6 7 9 图 钻 孔 位 置 示 意 图 Fig. Sketch map of drillig positio. 模 拟 爆 破 与 声 波 测 试 过 程 试 验 研 究 采 用 小 药 量 模 拟 爆 破 的 声 波 测 试, 共 进 行 了 次 爆 破 次 模 拟 爆 破 均 在 爆 破 孔 中 进 行 声 波 测 试 方 法 采 用 跨 孔 测 试 方 式, 测 试 过 程 中 发 射 探 头 始 终 与 接 收 探 头 保 持 平 行 爆 破 前, 首 先 对 所 有 声 波 孔 位 进 行 测 试, 以 查 明 爆 破 前 围 岩 中 声 波 速 度 的 分 布 情 况, 确 定 既 有 爆 破 开 挖 对 围 岩 损 伤 和 扰 动 程 度 与 深 度 测 试 剖 面 线 共 5 条, 编 号 分 别 为 4-5 8-9 -5-6 和 3-6, 见 图 测 试 时, 先 用 塑 料 软 管 把 即 将 进 行 测 试 的 两 个 钻 孔 注 满 水, 然 后 把 换 能 器 插 到 孔 底 完 成 测 试 参 数 设 置, 测 试 开 始 后, 将 两 个 声 波 换 能 器 从 测 试 孔 底 部 开 始 逐 渐 同 步 向 孔 口 移 动, 每 次 移 动 距 离 为. m, 具 体 参 数 见 表 每 次 测 试 前, 必 须 对 声 波 测 试 参 数 进 行 仔 细 设 置, 包 括 测 试 剖 面 编 号 增 益 采 样 率 延 迟 时 间 校 零 孔 口 位 置 和 孔 距 等.6 m.4 m 隧 道 底 板 序 号 表 岩 体 爆 破 参 数 Table The blastig parameters of rock mass 装 药 量 / g 爆 破 位 置 / m 7 4.9 75 4.85 3 7 4.8 4 7 4.75 5 7 4.7 6 75 4.65 7 7 4.6 8 7 4.55 9 8 4.5 4.5 炸 药 类 型 乳 化 炸 药 充 填 效 果 较 好 3 基 于 声 速 变 化 的 爆 破 损 伤 回 归 分 析 3. 基 于 声 速 变 化 表 征 的 岩 体 爆 破 损 伤 文 献 [-] 基 于 声 速 降 低 率 建 立 了 岩 体 损 伤 度 D 岩 体 完 整 性 系 数 K 和 声 速 降 低 率 之 间 的 关 系, 并 规 定 了 损 伤 阈 值 E v D K E v () 式 中 : E 为 爆 破 前 岩 体 的 弹 性 模 量 ;E 为 爆 破 后 岩 体 的 等 效 弹 性 模 量 ; v 为 爆 破 前 岩 体 的 声 波 速 度 ; v 为 爆 破 后 岩 体 的 声 波 速 度 3. 基 于 声 速 变 化 的 岩 体 爆 破 损 伤 回 归 分 析 根 据 有 关 混 凝 土 与 岩 体 疲 劳 裂 纹 扩 展 的 双 K 准 则 可 知 [3-4], 当 损 伤 累 积 达 到 一 定 程 度 时, 动 态 应 力 强 度 因 子 K Ⅰ t 超 过 岩 体 动 态 断 裂 韧 度 K Ⅰ, 完 整 的 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线 表 现 出 3 个 明 显 的 阶 段, 呈 倒 S 形 状 下 面 对 基 于 声 速 变 化 表 征 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 进 行 回 归 和 拟 合, 建 立 非 线 性 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 模 型 孔 深 / m 表 回 归 拟 合 系 数 Table Regressio ad fittig coefficiets 剖 面 编 号 A A A A 3 R u D 4-5. 6 9 -.9 9. 6.994 4.6 8-9 - 8.86 8 -.3 7. 8.999 5-5 -.8 3.35 7 -.5. 3.996 7 4-5 -.5.7 5 -.9 9. 5.994 7 4.8 8-9 -.9.79 6 -. 6. 7.998 5-5 -. 7.4 4 -.6 8. 4.994 3 具 体 测 试 数 据, 见 文 献 [5], 此 略 分 别 取 剖 面 4-5 8-9 和 -5 在 4.6 m 和 4.8 m 孔 深 处 以 声 速 变 化 表 征 的 岩 体 爆 破 损 伤 累 积 结 果 进 行 回 归 分 析,
增 刊 闫 长 斌 : 基 于 声 速 变 化 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 效 应 89 回 归 结 果 与 试 验 结 果 的 比 较 如 图 ~4 所 示 根 据 岩 体 爆 破 损 伤 累 积 演 化 的 非 线 性 特 点, 采 用 3 次 多 项 式 形 式 对 测 试 得 到 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 演 化 数 据 进 行 回 归 分 析,3 次 多 项 式 表 达 如 下 : D A A A A () 3 3 式 中 :D 为 岩 体 爆 破 损 伤 值 ; 为 爆 破 次 数 ; A A A 和 A 3 为 待 定 常 数 表 给 出 了 回 归 拟 合 待 定 系 数 A A 和 A3 的 具 体 值 从 表 和 图 ~4 中 可 以 看 出, 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 回 归 结 果 曲 线 和 基 于 声 波 测 试 得 到 的 试 验 结 果 曲 线 非 常 接 近, 说 明 根 据 试 验 结 果 建 立 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 D 随 爆 破 次 数 增 加 的 演 化 关 系 ( 即 式 ()) 是 正 确 的 ( 相 关 系 数 R.994 ).7.4..8.5..9 3 4 5 6 7 8 9.4..8.5..9.3 3 4 5 6 7 8 9 图 4-5 剖 面 非 线 性 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线 Fig. Evolutive curves of oliear fatigue cumulative damage of sectio 4-5.7.4..8.5..9.3 3 4 5 6 7 8 9.4..8.5..9 图 3 8-9 剖 面 非 线 性 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线.3 3 4 5 6 7 8 9 Fig.3 Evolutive curves of oliear fatigue cumulative damage of sectio 8-9.8.5..9.8.5..9.3.3 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9 图 4-5 剖 面 非 线 性 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线 Fig.4 Evolutive curves of oliear fatigue cumulative damage of sectio -5
9 岩 土 力 学 年 同 样, 取 剖 面 -6 和 3-6 在 4.6 和 4.8 m 孔 深 处 以 声 速 变 化 表 征 的 岩 体 爆 破 损 伤 累 积 结 果 进 行 回 归 分 析, 回 归 结 果 与 试 验 结 果 的 比 较 见 图 5 6 剖 面 -6 和 3-6 的 岩 体 爆 破 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线 呈 现 出 的 非 线 性 特 性 与 剖 面 4-5 8-9 和 -5 不 同, 因 此, 不 再 采 用 3 次 多 项 式 形 式 对 测 试 得 到 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 演 化 数 据 进 行 回 归 分 析 根 据 其 呈 现 出 的 非 线 性 特 性, 采 用 如 下 幂 指 数 形 式 : e B D A A (3) 式 中 :D 为 岩 体 爆 破 损 伤 值 ; 为 爆 破 作 用 次 数 ; A 和 B 为 待 定 常 数....8.8.4..4. 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9 图 5-6 剖 面 非 线 性 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线 Fig.5 Evolutive curves of oliear fatigue cumulative damage of sectio -6.4.35.3.5..5..5.4.35.3.5..5..5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9 图 6 3-6 剖 面 非 线 性 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线 Fig.6 Evolutive curves of oliear fatigue cumulative damage of sectio 3-6 表 3 给 出 了 回 归 拟 合 待 定 系 数 A 和 B 的 具 体 值 从 表 3 和 图 5 6 可 见, 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 回 归 结 果 曲 线 和 基 于 声 波 测 试 得 到 的 试 验 结 果 曲 线 也 非 常 接 近, 这 说 明 根 据 试 验 结 果 建 立 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 D 随 爆 破 次 数 增 加 的 演 化 关 系 ( 即 式 ()) 也 是 正 确 的 ( 相 关 系 数 R.98 6) 由 于 剖 面 -6 和 3-6 距 离 爆 源 较 远, 受 爆 破 影 响 程 度 较 小, 岩 体 爆 破 损 伤 程 度 较 轻 爆 破 损 伤 累 积 的 非 线 性 特 性 不 如 剖 面 4-5 8-9 和 -5 明 显 剖 面 -6 和 3-6 的 岩 体 疲 劳 累 积 损 伤 随 爆 破 次 数 增 加 的 演 化 曲 线 不 再 是 倒 S 型 的 3 段 式, 而 是 单 一 的 陡 增 形 式 ( 见 图 5 6) 经 历 次 模 拟 爆 破 后, 由 于 爆 破 规 模 较 小, 而 且 距 离 爆 源 较 远, 岩 体 损 伤 累 积 程 度 没 有 达 到 断 裂 破 坏 临 界 值 因 而 岩 体 受 损 伤 破 坏 程 度 较 轻, 仍 处 于 细 观 疲 劳 裂 纹 扩 展 阶 段, 反 映 在 岩 体 疲 劳 累 积 损 伤 演 化 曲 线 上, 就 是 不 再 呈 现 完 整 的 倒 S 型 的 3 段 式 形 状 然 而, 剖 面 -6 和 3-6 的 岩 体 爆 破 疲 劳 累 积 损 伤 增 长 曲 线 形 式 也 不 同 于 剖 面 4-5 8-9 和 -5 岩 体 爆 破 疲 劳 累 积 损 伤 增 长 曲 线 前 期 阶 段 的 缓 慢 增 长 形 式 这 是 因 为 最 后 两 次 模 拟 爆 破 的 药 量 较 大, 爆 破 后 导 致 岩 体 损 伤 程 度 突 然 加 剧, 所 以 岩 体 爆 破 疲 劳 累 积 损 伤 曲 线 出 现 陡 增 形 式, 而 不 是 遵 循 典 型 的 3 段 式 疲 劳 损 伤 累 积 曲 线 的 前 两 个 阶 段 呈 现 缓 慢 增 长 趋 势, 这 与 实 际 情 况 是 相 符 合 的
增 刊 闫 长 斌 : 基 于 岩 声 速 变 土 化 的 岩 力 体 爆 破 学 累 积 损 伤 效 应 39 年 孔 深 / m 4.6 4.8 表 3 回 归 拟 合 系 数 Table 3 Regressio ad fittig coefficiets 剖 面 编 号 A B A R -6..587 6.8 9.98 6 3-6. 4.7 7 -. 9.998 8-6..554 7.6 7.987 3-6..74 3 -. 3.998 4 基 于 声 速 变 化 的 爆 破 损 伤 累 积 模 型 鉴 于 声 速 变 化 和 岩 体 损 伤 之 间 存 在 良 好 的 相 关 性, 而 且 具 备 其 他 方 法 不 具 备 的 诸 多 优 点, 声 波 测 试 技 术 已 成 为 研 究 岩 体 爆 破 损 伤 的 主 要 方 法 之 一 [5] 在 多 次 模 拟 爆 破 岩 体 损 伤 声 波 现 场 测 试 的 基 础 上, 以 声 速 变 化 表 征 损 伤 变 量, 尝 试 建 立 以 声 速 变 化 为 特 征 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 扩 展 模 型 由 前 述 讨 论 可 知, 实 施 模 拟 爆 破 后 测 试 并 分 析 得 到 的 岩 体 损 伤 应 该 包 括 两 个 部 分 : 一 部 分 是 由 于 岩 体 中 天 然 节 理 裂 隙 微 孔 洞 等 地 质 缺 陷 导 致 的 初 始 损 伤 D ; 另 一 部 分 是 爆 破 应 力 波 作 用 促 使 裂 纹 扩 展 导 致 的 爆 破 损 伤 D 因 此, 爆 破 后 岩 体 损 伤 D 可 表 述 如 下 : D D D (4) 在 式 () 中 已 经 基 于 声 速 变 化 定 义 了 岩 体 初 始 损 伤 D 的 表 达 式, 这 里 将 岩 体 初 始 损 伤 D 的 表 达 式 改 写 为 : v m v v D v v (5) 式 中 : v m 为 岩 体 的 声 波 速 度 ; v 为 岩 块 的 声 波 速 度 ; v 为 岩 块 声 速 与 岩 体 声 速 的 差 值 ; 为 爆 破 前 岩 体 初 始 声 速 降 低 率 爆 破 应 力 波 作 用 后, 岩 体 爆 破 损 伤 出 现, 损 伤 总 量 增 加 基 于 声 速 变 化, 岩 体 爆 破 损 伤 D 可 以 定 义 为 v v D v v m m (6) 式 中 :v 为 爆 破 后 岩 体 的 声 波 速 度 ; v 为 爆 破 前 后 岩 体 声 速 的 变 化 值 ; 为 爆 破 后 岩 体 的 声 速 降 低 率 多 次 爆 破 作 用 下, 岩 体 爆 破 损 伤 不 断 增 大, 但 每 一 次 爆 破 后 岩 体 的 爆 破 损 伤 D 都 可 以 用 声 速 降 低 率 来 描 述 假 定 爆 破 次 数 为, 则 有 : v v D (7) v v D v v D 由 此 可 得, 次 爆 破 后 岩 体 的 损 伤 总 量 为 (8) (9) D D D () 将 式 (9) 进 一 步 整 理 后, 可 得 : D () 式 () 就 是 以 岩 体 声 速 降 低 率 为 基 准 量 表 征 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 扩 展 模 型 矿 山 开 采 和 隧 道 掘 进 时, 存 在 频 繁 爆 破 作 业 多 次 爆 破 作 用 下, 岩 体 损 伤 不 断 累 积, 当 损 伤 累 积 达 到 一 定 程 度 时, 就 会 导 致 岩 体 失 稳 破 坏 若 在 生 产 过 程, 应 用 声 波 测 试 技 术 对 岩 体 爆 破 损 伤 进 行 监 测, 根 据 测 试 数 据 得 到 爆 破 后 岩 体 声 速 降 低 率, 则 可 利 用 式 () 得 到 岩 体 的 损 伤 累 积 程 度 经 回 归 分 析, 在 确 定 回 归 系 数 A A 和 A 3 的 基 础 上, 结 合 式 () 给 出 的 岩 体 爆 破 疲 劳 损 伤 累 积 预 测 模 型, 就 可 以 对 后 续 爆 破 造 成 的 岩 体 损 伤 进 行 估 算 经 估 算 得 到 的 岩 体 损 伤 接 近 岩 体 损 伤 阀 值 ( D 阀 可 取.85) 时, 应 及 时 调 整 爆 破 设 计, 并 对 关 键 部 位 岩 体 ( 或 软 弱 破 碎 岩 体 ) 采 取 加 固 措 施, 预 防 岩 体 失 稳 破 坏 事 故 5 结 论 () 基 于 声 波 测 试, 以 声 速 变 化 表 征 岩 体 爆 破 损 伤 变 量, 研 究 多 次 爆 破 作 用 下 岩 体 累 积 损 伤 效 应 与 损 伤 演 化 规 律 的 方 法 是 可 行 的 () 声 波 测 试 数 据 回 归 分 析 的 相 关 系 数 R.98 6, 说 明 基 于 声 速 变 化 建 立 的 岩 体 爆 破 损 伤 非 线 性 累 积 回 归 预 测 模 型 是 正 确 的 (3) 建 立 的 以 声 速 降 低 率 作 为 基 准 量 的 岩 体 爆 破 累 积 损 伤 扩 展 模 型, 综 合 考 虑 了 岩 体 初 始 损 伤 和 爆 破 累 积 损 伤 效 应 的 影 响, 能 够 真 实 地 反 映 岩 体 损 伤 程 度, 是 合 理 的 参 考 文 献 [] HAO H, WU C h, ZHOU Y X. Numerical aalysis of blast-iduced stress waves i a rock mass with aisotropic cotiuum damage models. Part I: Equivalet material
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