岩石爆破破碎机理研究

黄志强

（桂林工学院，广西，桂林541004）

【摘 要】岩体的软弱层面会影响到爆破破碎效果，如何确定岩石材料的缺陷在爆破破碎中的影响因子是研究岩石破碎机理的关键。通过对当前岩石爆破破碎的研究现状进行综合分析、评述，讨论了岩石爆破破碎机理研究的要点以及今后的研究重点，为后续相关研究指出了方向。

【关键词】岩石破碎；爆破机理；损伤

【中图分类号】TD231.1 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2007)12-0086-02

岩石爆破的破碎效应是影响交通土建、水利、矿山等工程效益的重要指标，它影响到生产过程中的铲装、运输和粗碎等工序的效率和成本，也影响到道路、堤坝等基础工程的渗透性、沉降性和稳定性。因此，岩石爆破破碎理论的研究一直是岩石动力学和岩石爆破研究领域的一个热点问题，研究并揭示爆破作用下岩石破碎机理对促进爆破理论和相关技术的发展、提高工程质量和效益具有十分重要的理论和实际意义。

（一）当前研究成果

岩体由于其材料的特殊性，内部具有较多的节理、裂隙、层理等不连续层面，这些不连续面对爆破破碎效果会产生严重的影响，主要体现在应力集中、应力波反射增强、能量耗散、高压爆生气体外逸等。因此在岩石爆破设计、施工中如何处理岩石中的不连续面对爆破效果的影响，是当前研究岩石爆破破碎机理的主要问题。

国内外学者进行的大量研究指出：裂隙岩石的破碎是由爆炸冲击波与爆生气体共同作用的结果，但与均匀介质材料爆破相比，岩体的破碎主要是爆炸应力波作用的结果，裂隙岩体的爆炸气体膨胀压力较小，只是当应力波将岩石破碎成块以后，起到促使碎块分离的作用；应力波在裂隙岩体的传播过程中，在裂隙之间传播的扰动将会产生新的破裂；由于裂隙的发展速度有限，爆炸载荷的速率对裂隙的成长有较大的作用，而高应变率载荷容易产生较多的裂隙。

在此基础之上，当前的相关研究主要在两方面展开，一是追求普遍适用于各种爆破计算和分析、旨在建立相关计算模型的理论研究；一是结合一定工程实践，适用于一定范围的具体工程设计和参数优化的实验研究。在理论研究方面，从岩石破碎研究的发展历程来看，可将其分为弹性理论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段和分形损伤理论4个阶段。

1.弹性理论阶段

弹性力学模型将岩石视为各向同性的均质、连续的弹性体，岩石在爆炸荷载作用下的破坏是因其内部最大应力超过岩石应力极限引起的。在破碎之前，岩石处于弹性状态。这种理论以弹性力学及有限元方法为基础，运用现代计算机技术可方便的简化工程问题、建立力学模型并加以分析计算。由于这种理论模型不考虑岩石的材料缺陷，其理论基础与实际情况有一定的差距。

2.断裂理论阶段

断裂力学模型认为岩石中的裂纹扩展及断裂破坏是影响岩石爆破破碎效果的主要因素。与弹性模型不同的是该类模型将岩石视为含有微裂纹的脆性材料，岩石的破化过程就是其内部裂纹产生、扩展和断裂的过程。但断裂力学模型仍将裂纹周围看作是均匀的连续介质，因而其仅适用于宏观裂纹形成之后的断裂阶段，对材料开始劣化到宏观裂纹形成之间的力学行为和物理过程并未进行分析描述，其适用范围只限于宏观裂纹已形成的有层理或沉积类岩石。

3.损伤理论阶段

1980年美国Sandia国家实验室的Kipp和Grady开始进行岩石爆破损伤模型的研究，他们认为岩石中存在着大量随机分布的原生裂纹，在爆破作用下部分原生裂纹将被激活并发生扩展，激活的裂纹数服从指数分布。他们运用损伤因子D表示这些岩石裂纹开裂及损伤程度。经过 Seamen、Grady、Kipp、Kus 等人的努力，最后，由 Throne 进一步完善建立了一个能

【收稿日期】2007-10-29

【作者简介】桂林工学院青年扶持基金项目，桂工院科［2007］4号

【作者简介】黄志强（1977－），男，四川武胜人，桂林工学院讲师，主要从事工程力学相关科研工作。

岩石爆破破碎机理研究

够模拟脆性岩石动态破碎过程的二维数值计算模型，并在油页岩爆破实践中得到检验。这些模型采用裂纹激活的假设来描述损伤的产生和发展，并认为材料在体积拉伸状态下存在累积损伤、材料刚度发生劣化，而在压缩状态下采用了未考虑损伤的理想弹塑性本构模型，因此，其合理程度尚需进一步研究；同时假定裂纹密度与应变服从 Weibull 分布，但决定裂纹密度分布的两个材料参数 k，m 难以确定，因而其应用受到限制。

国内有关岩石损伤理论的研究发展于上世纪八十年代，主要是在以Grady等的理论基础上进行模型修正、针对一些具体问题进行计算分析，对一些新的计算方法进行了讨论研究。

损伤力学模型认为岩石在爆破作用下的破碎是由于岩石原有损伤激活、发展的结果，对断裂力学模型而言又进了一步。但该理论仍然有一些问题，除了计算困难外，还主要存在如下缺点：首先，用裂纹密度方法解决损伤因子的确定问题。在模型中采取裂纹激活假设，忽视了岩石中原有存在的裂隙、孔洞等天然损伤对爆破作用的直接影响。而冲击载荷作用于含有初始损伤的岩石，将产生两种效应：一是材料刚度的劣化；二是应力波能量的耗散。这就反映了初始损伤的存在有利于岩石动态损伤的演化、发展（提供裂纹源），同时，岩石中的颗粒界面、节理、层理等不连续面，作为一种“量屏障”（耗散能量起屏障作用），使得扩展裂纹常终止于此，只有当更多的能量提供给介质时，才有可能产生新的裂纹。现有损伤模型仅考虑了损伤的发展引起岩石等效模量的降低，而没有考虑损伤的演化导致能量的耗散等因素，从而导致了数值模拟计算时出现局部与实际不相符的现象。事实上，当应变率越高时，微裂纹扩展的应力降低区越小，被激活的裂纹数越多，亦即介质的损伤程度越高，冲击波能量的耗散也越大。因此，建立岩石动态损伤模型，应考虑伴随损伤演化过程的能量耗散问题。其次，未考虑爆生气体对岩石的损伤和破坏作用，实际情况中，爆炸应力波对岩石形成的微损伤在爆生气体的作用下会进一步发展，因此爆生气体对岩石的损伤和破坏不容忽视。损伤力学模型适用于各类岩石，相对于弹性模型和断裂模型，在模拟岩石性质方面更加合理且接近实际，尽管还存在一些问题，但在岩石爆破理论研究中仍被广泛接受和采用。

4.分形损伤理论阶段

有文献指出，岩体的各种断裂构造，无论是断层还是节理以及微裂隙，其分布状态或几何形状在一定的测度范围内均有较好的统计自相似性，可用分形维数来描述其形状的复杂程度，并且在相同的测度变化比例条件下，不同规模的断裂之间能用分维值来定量对比分析，用分形维数来描述比传统的用倾角、倾向、走向等参数来描述更方便，且更具全息性，而且简单明了，还具有易于代入数学方程来构造新的数学模型的优点。介于此，有学者将分形几何的概念引入岩石的动态特性研究中，利用分形理论提出一种新的岩石爆破模型。该类模型将岩体中的各种结构弱面视为初始损伤，以分形维数作为岩石性质的主要参量，并将损伤和分形纳入热力学框架，从而克服了以往模型中未考虑初始损伤和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。目前，广为大家所接受的爆破理论关系模型主要就是损伤模型和分形损伤模型。

分形损伤理论模型将分形几何的概念引入损伤理论模型中，使节理、裂隙等宏观弱面能以分形维数的形式在爆破模型中得以体现，不仅考虑岩石原始损伤的影响，还与损伤演化过程的能量耗散联系起来，而且利用分形维数与破碎块度的关系能够实现爆破块度预报。然而有关岩石内部的分形维数计算还不成熟，损伤过程的分形与能量耗散的有关试验参数也不易获得，使得该模型的应用范围受到了很大限制。但随着研究的进一步深入，该模型将会得到更广泛的应用。

在实验研究方面，国内外主要是针对具体的工程问题运用超声波等技术进行测试岩体在爆炸等冲击荷载作用下的损伤程度，力图建立相关的岩石破坏规律，从而为相关的后续工作做出指导。主要表现在：史瑾瑾等利用一级轻气炮对岩石试件进行冲击损伤实验，采用软回收装置回收样品，并用筛分法确定冲击试验后矿岩破碎块度组成，分析不同动荷载下岩石的不同块度分布，建立动荷载下岩石破碎块度的分布规律，该实验方法对相应的爆破设计有一定的指导作用。

林大能等为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应，对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载，测试受冲击后试件轴向超声波波速，用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响，得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系，分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明：岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应，围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。

杨军、高文学、金乾件等探索岩石动态损伤参量及其演化表征方式以构造岩石爆破损伤模型。通过岩石冲击损伤实验．对冲击前后试件进行超声波测试，得出岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系。在考虑岩石冲击损伤过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础上，建立新的岩石爆破损伤模型。通过实验验证该模型的计算结果并实现了岩石台阶爆破数值计算。

现今的实验研究虽然是针对于具体的实际问题，但其实验结果如果能够和相关理论相结合的话，对揭示岩体的爆破破碎机理还是有很大的帮助。

（二）发展趋势

为了揭示节理岩体爆破破碎的本质，人们采用了多种手段和方法来进行研究，其中计算机模拟因其特殊优势而日益受到关注，计算机模拟岩体爆破的关键是建立合适的爆破理论。岩石爆破的损伤力学理论及分形理论被认为代表了岩石爆破的最新方向，因此岩石爆破理论的发展应以此为基础进行完善拓展。从实际应用效果来看，现有爆破理论模型都存在着许多不足之处，都需要进一步地改进和完善。对现有爆破模型的改进也是爆破理论研究的一个方向。爆破作用下岩石的力学响应特征通常与空隙、颗粒、基质裂纹等细观尺度的基本要素相联系。岩石的初始损伤在很大程度上控制着岩石的破碎过程，必须充分考虑初始损伤对损伤演化过程的影响，而这正是当前很多爆破模型所忽略的。如何恰如其分地将初始损伤引入岩石爆破理论模型，这也是以后的爆破理论模型需要解决的。通常认为爆破作用下岩石的破碎是爆炸波和爆生气体共（下转第63页）