初步分析爆破动载荷对深部巷道岩体破碎的影响

本科毕业论文外文翻译

外文译文题目 （中文） ：初步分析爆破动载荷对深部巷道岩体破碎的影响

学 院:理学院

专 业:工程力学

学 号:200607152016

学生姓名:胡世高

指导教师:段卫东

日 期:2010-4-26

Preliminary Analysis on the Broken Rock Zone of a DeepMine Tunnel under the Influence of Moving Load

Created by Blasting

Xu Ying 1，2 ，SUN Yong 1 ，FU Jugen 1 ，ZONG Qi 1

(1.Anhui University of Scienceand Technology,Huainan Anhui

Province,China,

2.Key Laboratory of Mine Safety and High Efficient Miningjointly Built by Province and Education Ministry,Anhui University of Science and Technology,Huainan，Anhui Province，China．)

初步分析爆破动载载对深部巷道岩体破碎的影响

徐颖1，2，孙勇1，付尤根1，宗琦1

(1 安徽科技大学，淮南，安徽，中国

2 煤矿安全高效开采省部共建重点实验室 ，安徽科技大

学，淮南，安徽，中国）

摘 要

对深矿井隧道围岩的力学特性分析，得出了由于爆破作用深井围岩破坏模式由脆性 转变为韧性，岩石的破碎半径可由岩石的破碎理论计算得出。用创建的力学模型来描述 爆破作用对破碎岩石带半径的影响和推导岩石的动态破碎半径公式，此文推导出的成果 为深井掘进爆破的设计提供了理论基础。

关键词：爆破动载荷；动态破碎岩带；深井隧道；振动

1 介绍

在深层矿井隧道中，围岩表面大量径向裂纹的形成是由于是受到了动态爆破应力振 动，振动越大，岩石缝隙生成的速度和频率增加越快，有狭长裂隙的岩层或岩层平面上 的岩石会明显的拉长，压缩和脱落。因此，围岩的完整性将受到严重的影响。失去围岩 的一部分区域半径就是岩石的破碎半径，多年来国内外科研人员对理论和实际测量的岩 石破碎带半径的研究做了大量的工作，取得了显著的研究成果，但在同一时间内有很少 人去研究爆破振动作用对岩石破碎带半径增大的影响，许多工程实践已经证实爆破区爆 破地震对破碎带半径的影响不能忽略。因此必须对其进行相关研究所得出的结果才有指 导工程实践的作用。

2 深矿井隧道岩体特征

由于高地应力作用，隧道岩体呈现不同的特点，尤其是岩体走向与隧道轴线方向相 垂直的岩层。 温度应力场与自重应力场叠加形成新的岩石围压 [1] ,初始情况下水平压力和 垂直压力的比值范围大约在1.5~10.6之间。深层岩层隧道的开挖的过程中破坏了原有的 应力平衡并导致应力重新分配，在岩层的某些地方会产生应力集中现象，应力集中的现 象通常发生在隧道的最前端，该地方岩层的应力大小和应力作用范围比其它任何地方的 岩层都要高。因此，在脆性破坏条件下岩石的强度极限随着围压的增加而呈线性递增的 关系。岩石由脆性破坏转变为韧性破坏，下图1描述了隧道顶端围岩压力的大小变化情 况。

图 1 隧道顶端应力分布图

从该图中可以看出隧道围岩应力的最大值出现在离隧道顶端距离为L的岩层中， 在 围岩扰动区域内，有较大变形和局部断裂的岩层处于应变软化状态，因此要在这些区域 进行爆破有两方面的因素必须考虑。岩石的夹制作用和由于岩体内部残余能量的释放而 发生的岩爆现象。因此，必须选择合理的爆破设计参数，以确保爆破的成功和防止岩爆 的发生。

3 深井巷道岩石破碎理论的研究

3.1 深井巷道岩石破碎理论

在深矿井巷道掘进过程中，原有巷道应力平衡状态被破坏，应力重新分布，随着距 离的增加径向应力减小，而随着应力集中现象的发生切向应力增大。除此之外，原位岩 体三维应力状态可以近似为二维应力状态。此时岩石的强度大大降低，如果集中应力小 于岩石的应力极限，岩石仍处于弹性状态，此时巷道处于稳定状态不需要多余的支护， 相反如果集中应力大于岩石的应力极限，此时岩石表面的裂纹一直向岩体内部延伸直到 新的应力平衡状态出现，在挖掘区附近会产生一个岩石松动带，根据岩石的破碎理论得 出，松动区域就是岩石的破碎区域，简称岩石破碎带。这个破碎带由内向外可以分为三 个区域，它们分别是粉碎区，裂隙区，弹性振动区，上述提到的应力包括爆炸应力波， 在实际工程中破碎带的半径可以用多种方法测得，在其它条件相同的情况下，爆破作业 对岩石破碎带的影响最大，因此在隧道施工设计中必须考虑爆破作用的影响。

3.2 破碎岩带半径的计算

为了简化计算，假设隧道的半径为 R0,隧道围岩是均匀的和各向同性的，并忽略自 重应力的影响，压力所产生的破碎带的半径为 R b，稳定破碎区的半径为Rw和弹性振动 区的半径为Rc，如图 2所示。稳定破碎区的大小和破碎带的大小是相互独立的。

图 2：各岩带示意图

基于弹塑性力学理论，破碎带的半径可由公式(1)计算得到。

( )( ) 1 0b b 0 1 cot 1sin ()cot cot m b w m

s w P k k k g R R p k j j j j éù +--- êú = êú + êú êú ëû (1)

此式中， 2sin m 1sin j j

= - ； w k 和 b k 是理想的塑性带强度参数； 0 P 是的弹性区无穷远处的 应力值； s P 是稳定破碎带的应力值； w b g R R

=

是介于0~1 之间的一个参数，当没有出现稳 定破碎带时其值接近于0。

当 w k = b k =k r 时，岩石处于理想弹塑性状态，当残余应力强度为零时，从公式(1)中 可以推导出塑性区的半径为： ( )( ) 1 0b 0 cot 1sin cot m s P k R R p k r r j j j éù +- = êú + êú ëû (2)

此式中，k r 是围岩的理想塑料强度参数。从公式(1)中可以得出，岩带的破碎厚度与 围岩应力和隧道的大小成正比，但与稳定破碎带岩体的抵抗强度成反比。