爆破应力波的传播研究现状述评

爆破应力波的传播研究现状述评

摘要:从研究爆破应力波的远区传播机理和确定其破岩效应出发，介绍了爆炸应力波的传播及其破岩效应研究从简单到复杂、从理想化材料到尽可能与现实实际相吻合的材料、从近到远的研究历程, 及其各阶段取得成果与不足。认为目前的研究已由过去尽量简化岩性 ( 弹性均质体 )和爆源 (球状药包 ), 向尽量反应炸药爆炸与装药结构特征、反应岩体现状与本性的方向发展；由以破岩为目的, 向爆破后续的安全问题发展。并为研究爆破对保留岩体的影响及其稳定性, 提出了今后应加强工作的具体意见。

关键词: 爆破应力波；传播机理；岩体稳定

Abstract: From the far region of the blasting stress wave propagation mechanism and determine the effect of rock fragmentation, this paper introduces the explosion stress wave propagation and its effect of rock fragmentation should study from simple to complex, from the ideal material to as much as possible, in conformity with the actual reality, from near to far, studying process, and its various stages. The results and shortage believe that the current study has been developed from the past try to simplify the litho logy (elastic isotropic body) (spherical cartridge), an explosive source and to try to reflect the features of blast explosion and charge structure, the present situation in the reaction of rock mass and the nature of the direction of development; By for the purpose of broken rock, subsequent to the blasting safety development.

keywords：blasting stress wave; mechanism of propagation; stability of mass rock

1 引言

炸药在岩体中爆炸，引起周围介质扰动，并以波的形式向外传播。在爆破近区传播的是冲击波，中区是应力波，远区则是弹性波，即通常所说的爆破地震波，它实际上仍是一种弱应力波[1, 2]。因此爆破应力波对远区岩体已不再产生直接破坏和连续变形，但会造成远区岩体原有裂隙扩展和局部损伤，从而降低保留岩石的强度和稳定性。爆破应力波的传播机理和效应是研究爆破破岩为主所不必涉及的范围，却是研究爆后保留岩石的稳定性，研究软、破岩带地下工程受邻近爆破作业的影响程度所必须考虑的问题，因此越来越为工程爆破、岩土力学和采矿工程界所重视。

2 爆炸应力波在岩体中的传播特性

炸药爆炸对周围介质的作用可看作是波动力学过程，可视为应力波在介质中的传播和对介质的扰动[3]。所以要了解爆炸应力波在远区的破岩作用，就应了

解其在岩体中的传播特性。

对此国内外学者做了大量工作，如文献[4] 曾进行大量岩石冲击试验，讨论应力波传播衰减规律；文献[5] 在研究岩石冲击压缩之后，又扩展到脆性材料的冲击性能研究；文献[6] 给出了峰值压力与传播距离的关系；朱瑞赓等人[7]利用岩体中爆炸应力波参数的现场试验，研究爆炸与冲击等等。近年研究已由过去尽量简化岩性(弹性均质体) 和爆源(球状药包)，向尽量反应炸药爆炸与装药结构特征、反应岩体现状与本性的方向发展。李夕兵等[8, 9]研究了岩体软弱结构面对应力波传播的影响，认为在工程实际中应针对不同的地质构造和岩体特征，来选择爆破参数，才能获得好的爆破效果。齐金铎[10]介绍了国外裂隙岩体爆破理论研究的最新成果，认为应力波与结构面的相互作用是裂隙岩体破碎的主要因素，爆炸气体膨胀压对岩石的破碎作用很小。席道瑛等人[11]研究了饱和多孔岩石对应力波的衰减特性, 认为应力波的衰减与孔隙度具有良好的线性关系。崔新壮、陈士海等人[12]就裂隙岩体对应力波的衰减规律进行了研究, 认为应力波在裂隙岩体中传播, 由于裂隙作用会造成局部应力集中、过度破碎和后续传递能量减小, 造成裂隙岩体比均质岩体能量衰减快。龚敏、于亚伦[13]利用全息动光弹研究了非均质层状模型在有、无弱面条件下线型载荷应力波的传播特性, 证实应力波通过不连续面时将发生衍射。郭文章等人[14]研究了岩体节理对爆破作用的影响, 认为岩体节理的存在使爆炸应力波场更加复杂, 使爆炸应力衰减明显。崔新壮、李卫民等人[15]引入损伤力学来定量描述天然岩体中所含大量裂隙、节理等缺陷的尺寸和数目, 从而研究这些缺陷在爆破中, 对应力波的衰减作用。赵坚等人[16]用UDEC模拟, 研究了爆炸应力波在节理岩体中的传播, 认为岩体节理的存在使波衰减很快, 同时刚度较低的节理能造成较多的反射波, 因此产生波的衰减更大。

上述研究多是得出定性结论, 它揭示了应力波在复杂岩体中传播的基本规律, 但对定量准确描述仍有一定距离, 即使是有的给出了一些理论推导定量计算公式, 但它的普适性不强, 以至常出现改变应用地点, 计算数值与经验和实测数值间有较大差距。毕竟岩石是一种复杂介质, 使其力学性能的研究, 尤其是动态力学性能的研究, 无论在广度、还是深度上, 都远不及金属材料完善。正是由于这一原因, 有关裂隙岩体应力波传播方面的研究仍处在探索阶段。因此目前对应力波在岩体中的衰减计算, 较为普遍认可的仍是采用简化近似、经验统计公式进行计算, 它们在符合爆炸应力波衰减基本规律的基础上配置一些拟合参数, 且拟合参数取值往往较为宽泛, 使计算公式适应性强, 常能满足工程应用的一般要求。这在文献[ 2, 26~ 28]等中均有推荐。

3 爆炸应力波的破岩特征

爆炸应力波的破岩作用过程, 是一个相当复杂的动力学过程。炸药爆炸的初