浅析爆生气体在爆破破岩中的作用

2022-09-11

随着国民经济建设的迅速发展, 岩体爆破技术在水利水电、矿山、石油、交通、军事等各个领域获得了广泛的应用, 并且带来了巨大的经济效益和社会效益[1~2]。岩石的爆破破碎是应力波和准静态气体联合作用的结果。在爆生气体作用下, 爆破近区的裂纹在气体驱动压力下扩展, 而爆破中区的裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力共同作用下发生的。本论文是以岩石爆破理论为基础, 来研究岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理。

1 爆生气体的扩缝作用

在爆破工程中, 炸药起爆后高压爆轰冲击孔壁后, 其爆炸能量并未完全消失, 一般估计仍有约50%左右的能量保留在爆气之中, 它以较低的压力 (约几百个大气压) 继续向已破裂的岩石施加压力并产生对裂纹的再次扩展作用。被动压震裂的岩石, 其中各裂纹并未达到最大长度, 上述的“剩余”气体压力虽较低, 但其作用时间较长, 它可渗入到径向及各式裂纹中, 使其继续向前延伸。

岩石在爆生气体作用下的裂纹扩展机理研究已经历了二个阶段:第一阶段是弹性力学阶段, 第二阶段是断裂力学阶段, 第二阶段是损伤力学和断裂力学相结合的阶段。弹性力学阶段将岩石看作是各向同性、理想均匀、没有任何缺陷的连续介质, 通过弹性分析, 按照最大拉应力准则、莫尔库仑准则等经典的强度理论来判断岩石在爆生气体作用下的裂纹扩展情况。断裂力学阶段只考虑理想的宏观缺陷, 将炮孔附近所形成的宏观裂纹周围看成是均匀的连续介质, 裂纹在爆生气体的驱动作用下扩展, 并由裂纹尖端的应力场或位移场来求得应力强度因子, 然后用应力强度因子准则来确定裂纹扩展情况。损伤力学和断裂力学相结合的阶段认为岩石中往往存在着大量弥散分布的细观缺陷, 在外界压力作用下, 损伤将逐渐演化, 岩石的破坏往往是由于损伤的集中化发展, 最终形成宏观的裂纹;在宏观裂纹形成后, 细观的损伤仍在不断演化, 并推动宏观缺陷的发展, 裂纹扩展的过程就是裂纹尖端到附近岩石逐渐损伤引起的损伤区的移动过程。

经过分析可知, 岩石爆破损伤断裂过程包含了爆炸应力波的动作用和爆生气体的准静态作用两个阶段。爆生气体对岩石的损伤断裂作用是在爆炸应力波作用后所产生的初始裂隙及损伤场的基础上发生的。同时需要指出, 爆生气体对岩石的损伤断裂作用在爆破近区和中远区不相同:在爆破近区气体可能要渗入岩石内部的裂纹中, 裂纹的扩展以气体驱动下的模式扩展;而在爆破中远区的微裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力作用下发生的, 岩石中的微裂纹将在该静态压力场作用下产生二次扩展, 使岩石损伤加剧。

2 爆生气体的膨胀压力

假定爆生气体为多方气体, 并且爆生气体在裂纹面上无渗透, 爆生气体的膨胀流动是绝热过程。根据爆轰热力学理论, 爆生气体在炮孔中发生等炳绝热膨胀, 当其充满炮时压力为:

式中, Ve, Vo分别为装药体积和炮孔体积;Pw为ρc平均爆轰压力;D分别为咋要的密度和爆速;Pk为临界压力, 对T N T炸药P k=2 8 0 M P a, 一般炸药取Pk=200MPa;γ, k分别为绝热指数和等熵指数。

假定裂纹宽度保持不变, 不计爆生气体的泄逸, 爆生气体的压力遵循如下规律:

式中:Vs为裂缝扩展过程中的瞬时体积;Vb为跑孔体积;b为裂缝宽度;β为切槽角。

3 裂纹尖端处的应力场

在一定的孔壁压力和沿裂纹面分布的压力作用下, 具有长度a的初始裂纹间的夹角为2, 则裂纹数为N=π/α。以孔中心为极坐标原点, 岩石中爆生气体沿裂纹面的压力分布为p (r) , 孔半径为ro, 孔壁压力为p0。岩石中原岩应力为σ∞, 则该问题可由弹性断裂力学求解, 解由两部分组成, 即为在原岩应力σ∞和裂纹面上的压力p (r) 作用的叠加。

4 爆生气体作用下裂纹扩展条件及方向

若假定岩体是均质的、各向同性的弹脆性体, 可以按弹性断裂力学来分析爆生气体作用下裂纹的扩展机理。同时经研究证实, 径向裂纹是各式裂纹中最重要也最容易产生的一种, 在均质岩体中经常以均匀分布相互对称的方式出现, 故可认为轴对称加载断裂过程。假设爆生气体在每条裂纹中的流动规律一样, 那么可以只考虑裂纹间的平均效应, 故可认为I型加载问题。裂纹在爆生气体作用下向前发展。根据最大周向应力理论, 裂纹将沿着裂端区圆形损伤核周界的最大周向应力所处的位置开裂。

当为I型裂纹问题时, 裂纹将沿原开裂方向向前发展。在应力波作用下, 孔壁周围首先形成裂纹, 随着爆生气体的楔入裂纹将不断扩展。模型试验及理论计算皆表明, 工程计算中, 裂纹的初始长度常取为3倍炮孔半径。若裂纹尺寸远大十炮孔半径, 可将炮孔作为裂纹的一部分。按照损伤力学的思想, 材料在外界载荷作用下由于内部缺陷的产生和发展而劣化, 而且此过程是不可逆的, 材料的破坏过程就是这种劣化的累积过程;当累积到一定程度后材料就产生宏观裂纹, 致使材料破裂[3,4]。

从岩石的细观损伤断裂机理出发, 岩石在爆生气体的准静态压力场作用下, 岩石的本构关系不完全符合弹性关系, 在线弹性阶段后, 还存在非线性强化、应力跌落和应变软化阶段。由十损伤局部化主要考虑裂纹尖端小范围内的损伤断裂行为, 此时岩石的应力跌落和应变软化起着关键作用。