循环爆破荷载作用下类铀矿岩损伤与氡析出规律的实验研究

谢小娥

摘要：岩体在爆破载荷作用下的损伤程度和损伤范围是影响矿山工程安全的关键问题之一。在利用爆破进行开采的过程中，因爆破形成的冲击波威力巨大，在提高生产效率的同时难免会对保留的岩柱造成一定程度的破坏并形成损伤，增加铀矿岩的氡气析出率，情况严重时甚至还会形成灾变。因此，研究循环爆破荷载作用下铀矿岩损伤演化及氡析出特征具有现实意义。本文就循环爆破荷载作用下类铀矿岩损伤与氡析出规律的实验展开探讨。

关键词：类铀矿岩;循环爆破荷载;岩石损伤;氡析出率

引言

钻孔爆破作为硬岩矿山最主要的岩石破碎手段，在矿山生产活动中被广泛应用，但爆破动载荷也不可避免地会对矿柱、巷道等地下岩体工程带来不利影响。一直以来，爆破载荷下岩石的损伤规律都是研究者们关注的热点，也是矿山工程设计的重要参考。

1类铀矿岩爆破损伤实验设计

（1）类铀矿岩制备和爆破荷载的施加方法。遵循相似理论，获取类铀矿岩样相似材料的最佳配比，制备长、宽、高分别为250mm、250mm、200mm的类铀矿岩试块。根据原岩的物理力学性质，将铀尾砂、石英砂、水泥、微硅粉和精铁粉等材料按一定质量百分比混合搅拌，在混合搅拌过程中配合使用小型混凝土振动棒，确保振搗均匀，并倒入模板中，人工养护28d。针对爆破过程的可控性较差以及在测量过程中容易受到人为因素干扰等特点，本次实验均按同一配比、在相同的条件下共制作6块试块进行实验，从而确保被研究对象的一致性。爆破装置采用304不锈钢制作，尺寸为长270mm、宽270mm、高250mm。根据该爆破装置的特点，在养护成型的类铀矿岩试块上表面中心处沿厚度方向钻取炮孔，爆破时在中心钻孔内放置炸药（用定做的鞭炮代替），起爆后施加爆破荷载，并模拟小剂量多次循环爆破荷载作用，直至类铀矿岩试块完全破裂，宏观裂纹完全贯穿整个类铀矿岩试块后，停止实验。（2）类铀矿岩爆破损伤测定与计算方法。采用损伤变量表征劣化程度，在损伤力学中，损伤变量实际上起着“劣化算子”的作用，它由大量的客观统计特征来确定，从而定量描述损伤状态量。爆破损伤的形成既包括了内部结构的演化（微观），也包括了某些物理力学性能的变化（宏观），因此可以从不同的层面来定义损伤变量。微观层面：通过统计裂纹密度、裂纹数量、裂纹长度、裂纹面积和体积等来反映损伤;宏观层面：通过统计弹性模量、屈服应力、拉伸强度、密度等来反映损伤。目前，损伤模型不断完善，损伤变量的选取也越来越有利于实验测量。在现有爆破损伤模型中，损伤变量的定义主要有承载面积定义法、质量密度变化定义法、弹性模量定义法、超声波波速变化定义法、CT数变化定义法和分形维数变化定义法等。本文结合现有的实验室条件，采用超声波波速变化定义法来进行测量和计算，即采用损伤演化过程中纵波波速减小的程度表示损伤变量D：式中v0和v分别为爆破前后介质的声波速度，km/s。为了分析类铀矿岩爆破损伤演化规律，采用非金属超声波检测仪测量类铀矿岩爆破前后超声波纵波波速，以过炮孔中心水平线和竖直线为基准线，每间隔4cm为一个测点进行布置，。

2爆破荷载作用下工程岩体损伤研究现状

爆破作用机理以及爆破作用方式，作为工程爆破界的重要研究对象，一直是爆破荷载作用下工程岩体损伤的分析手段，其具体的研究内容涉及爆破应力波（强冲击荷载传播）与强冲击荷载有害效应等，在数学上可归结为求解波动方程的初、边值问题，因此研究爆破应力波的传播以及具体的作用机理一直是爆破岩体力学的研究交点，研究成果更有利于进行工程爆破理论分析、计算和设计。在爆破荷载作用引起的岩体损伤与岩体声波测试等方面：开展了循环爆破作业下隧道结构的疲劳问题研究，分析了爆破荷载传播过程会破坏隧道结构的稳定性。完善了循环爆破冲击载荷作用下的岩体累计损伤的H一B准则，并提出了损伤因子D和完整性系数Kv新概念。研究了在爆破冲击荷载作用下地下采场裂隙的演化情况。通过获取峰前围压卸荷条件下岩石的应力一一应变全过程参数，研究了爆破荷载作用下岩体的损伤特性。利用声波法研究了矿柱的稳定性。通过建立边坡失稳模型，并利用声波测试技术综合分析了尖山磷矿边坡的累积损伤效应。在综合岩石和煤体爆破技术与理论研究文献的基础上，对煤体爆破机理进行详细试验研究、并利用数值模拟软件对煤体爆炸应力场进行分析。

3爆破损伤与氡析出测量实验

（一）类铀矿岩爆破损伤实验结果。

按照类铀矿岩爆破损伤实验方案，为了全面分析爆破损伤演化规律，根据损伤计算值绘制出爆破过程中损伤值随爆破次数的演化图形。因篇幅所限，本文只展示了爆破1次和2次后的各测点损伤值。

爆破损伤演化规律，根据损伤计算值绘制出爆破过程中损伤值随爆破次数的演化图形。因篇幅所限，本文只展示了爆破1次和2次后的各测点损伤值，如图3～4所示。（1）第3列与第3行测点损伤值大于其他对应行而且，第1列与第5列、第1行与第5行对应测点的损伤值接近。同样的，第2列与第4列、第2行与第4行也呈现出相同规律。（2）从对应测点的损伤值来看，第2次爆破比第1次爆破的损伤值有了明显增加，而且从距离炮孔位置最远的第1、第5行（列）到最近的第3行（列），损伤值不断增加。（3）从各行（横向）来看，各测点损伤值相对于第3行呈现对称分布;从各列（竖向）来看，各测点损伤值相对于第3列也呈现对称分布规律。第14次爆破后（该次爆破后，由于试块完全破裂，没有对相关数据进行测量），爆破加载终止。通过25个测点获得了13组数据，利用超声波波速变化定义法得到13组损伤变量。根据数据分析的初步结果，以基准点为例，即第3行、第3列的点，其损伤变量随爆破次数增加而增大，在第13次爆破后损伤变量达到0.181，与《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（DL/T5389—2007）规定的岩体损伤阈值D=0.19的标准基本一致，这也证明了上述实验过程及结果的正确性。

（二）类铀矿岩放射性氡气探测实验。按照密闭腔体法测氡原理，将上述自制爆破容器作为放射性氡气收集装置。单次施加爆破荷载后对内部试块破碎物体及爆破过程中作为边界条件的细沙进行清理，同时考虑到炮孔所在的上表面为爆破易损面（会有部分损坏，表面积增大导致氡析出量失真），为了分析内部损伤演化和宏观裂隙的贯穿过程，单次爆破后利用铝箔纸包裹试块的上表面和底面，以及试块四周的一组对称面，只裸露另外的一组对称面，并利用RAD7连续测氡仪测量其单次爆破前后累积氡浓度，此外在测量之前还需净化RAD7连续测氡仪30min，去除其中的残余氡含量并降低湿度，直至内部氡浓度测量值与空气本底值接近，并计算得出循环爆破前后放射性氡气析出率。

结语

在爆破动载荷影响的范围内，与爆源距离越小，岩体损伤的增量也越大。岩石爆破损伤随距爆源距离减小而导致的增长幅度在试验测试近区最大，中区次之，远区最小。

参考文献

[1]张国华.基于围岩累积损伤效应的大断面隧道施工参数优化研究[D].武汉：中国科学院研究生院武汉岩土力学研究所，2010.

[2]陈亚楠.多次爆破振动下岩体开挖累积损伤的研究[D].淮南：安徽理工大学能源与安全学院，2016.