室内小药量岩石爆破损伤评价方法及装置

王雁冰，于冰冰，孔骥，王兆阳，吴后为

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083

在井巷(隧道)等岩体开挖工程中，钻爆法是一种主要的破岩方法。爆破作业在造成被爆区岩体破碎和崩落的同时，不可避免地造成近区岩体的扰动和损伤，以及中远区岩体的振动等危害。损伤岩体的力学性能劣化，强度降低，完整性变差，从而对被保留岩体的安全稳定造成威胁[1-2]。损伤岩体究竟劣化到何种程度？爆后岩体的损伤破裂程度如何定量描述？针对上述问题，许多学者从不同角度开展了研究，取得了一些成果。

在工程现场，常借助声波测试检测和评价损伤区范围。闫长斌等[3]利用RSM-SY5智能型声波仪对某巷围岩在爆破动载下产生的累积损伤效应进行了现场试验，发现随着爆破次数的不断增加，岩体声波波速逐渐降低，损伤度呈现非线性累积规律；随着与爆源距离增大，岩体爆破损伤程度减小；爆破作用下岩体损伤具有各向异性的特征。唐红梅等[4]基于围岩开挖爆破主频率衰减过程定义损伤变量，得到围岩爆破损伤量随爆心距变化的函数关系式；通过围岩爆破损伤量、爆心距函数关系曲线变化规律以及围岩破坏特征总结出围岩损伤破坏的5个区，并得出对应的分界损伤变量、爆心距以及围岩损伤范围。胡刚[5]用声波法研究了爆区附近岩体的损伤，发现经历过冲击载荷扰动的岩体与未受扰动前相比，其纵波波速均降低，接收波的主频向低频移动，岩体的纵波速度和横波速度之比也发生劣化。杨栋等[6]在赣龙铁路梅花山隧道工程现场进行岩体声波测试，得到围岩的损伤范围。根据爆破荷载作用下岩体损伤发展规律，采用基于概率形式的损伤变量定义，运用三维有限差分软件对不同地应力状态下爆破产生的围岩损伤范围进行数值模拟，并与现场岩体声波测试结果进行比较。

还有一些通过图像处理或内部损伤裂隙扫描的方法用以分析爆破损伤。例如，祝文化等[7]尝试采用分形维数作为表征岩石损伤的参量，结合实际工程爆破施工，采用数字式全景钻孔摄像系统进行了现场测试。通过对实测的爆前、爆后岩体的影像资料进行裂纹提取及图形处理，得到了爆破前后岩体损伤裂纹对应的分形维数，确定了爆破作用下所产生的损伤增量。朱和玲等[8]在综合分析当前岩体爆破损伤研究方法的基础上，引进核磁共振检测技术，从研究爆破作用导致岩石损伤的本质着手，以岩石孔隙度、横向弛豫时间T2谱等参数为判据，采用核磁共振成像技术，定量确定岩体爆破损伤范围。

另外，近年来地质雷达法[9-10]也广泛应用于岩体损伤监测的研究中。利用基于所探介质的电性差异对所探物体内部不可见目标体或不同介质分界面进行精确判别并定位，对损伤区域实施连续扫描，通过研究电磁波的传播特性对图像进行解释，便可判别目标体形状及其物理特征。

上述方法都存在一定的局限性。超声波检测是一种综合反映岩体损伤特性的方法，岩体中的节理、裂隙对波速的反应非常敏感，可以较好地描述岩体损伤特性。但由于岩石类材料本身的颗粒较大，密度也不均匀，且所测数据都是两测点间的平均值，精度不是很高。地质雷达在实践过程中也存在许多问题，如地质雷达的探测精度和雷达图像的判释依据等，在很大程度上影响了地质雷达探测结果的准确性，并且检测大断面空间保留岩体时，操作较困难；对于大规模的地下空间开挖，长期进行损伤区跟踪检测，检测精度受到坡体地质结构的制约，且检测难度大，需耗费很多人力和物力。

本文在前人研究成果的基础上，设计了一种实验室内小药量定量爆破装置，同时结合CT扫描和3D重构技术提出了岩石爆破损伤度的计算方法，并进行了案例展示。

1 爆炸加载试验装置及操作流程

1.1 主动围压与边界约束装置

考虑爆炸荷载的巨大威力，装置选用的材料为经过淬火处理的高强度钢材，不易变形。装置总体为圆柱形，外径100 mm，高度 200 mm，中间为直径50 mm、高度150 mm的圆柱形空间，用于放置试件，为了方便试件的放、取，将装置做成对称结构，即由两个对称的半圆柱对接拼装而成。圆柱体外侧设置对称的套箍，套箍上设有6个螺栓，用于施加主动压力和夹紧试件。圆柱体上方有一法兰圆盘，在实验时通过螺栓将法兰圆盘固定在圆柱钢体上。装置实物如图1所示。

图1 装置实物Fig.1 Physical drawing

1.2 试件准备

图2为试件示意图。一般选用直径D=50 mm的试件。试件的高度H可根据实际情况设计，当高度H不足150 mm时，可在装置底部垫相应的圆柱体。在圆柱上钻深度为L的炮孔，用于装填炸药，炮孔的直径和深度可根据实际情况而定。

1.3 试验流程

(1) 试验开始前将试件拿到工业CT上进行扫描，保存CT扫描的原始图片。

(2) 在炮孔内装入少量炸药。有条件的爆破实验室内可选用叠氮化铅或DDNP炸药，这两种均为起爆药。如需进行不耦合装药爆破试验或其他装药结构类试验，可将炸药预先装在一个薄壁塑料管(图3)，连同塑料管一起放入炮孔中。

图3 炸药装在薄壁塑料管Fig.3 Explosives in thin-walled plastic tubes

(3) 将起爆线插到炸药中并引出，连接起爆器。

(4) 堵塞炮孔。炸药与炮孔孔口之间有一段孔隙需要用炮泥封堵，为保证封堵效果，用502胶水与细砂的混合物进行封堵。

(5) 在试件的周围套一层热缩管或缠一层胶带，目的是使爆后碎块还能够拼装在一起。

(6) 将试件放入装置的腔体中，保证试件上表面与装置上表面平齐，若试件高度小于150 mm，可预先在空腔底部放置垫块。两半钢柱并接在一起，之后再将外围的套箍拧紧。另外，通过套箍也可以向试件施加一定的围压。

(7) 将直径略大于炮孔直径、厚度2～3 mm的橡胶垫放在岩石试件上表面上。此操作主要是防止炸药爆炸时的“冲孔”现象。

(8) 盖上法兰圆盘，拧紧4个螺钉。此时法兰圆盘下表面与装置上表面会有缝隙，螺栓上的预紧力将通过法兰圆盘作用到橡胶垫上。起爆线等也可以通过此缝隙引出。

(9) 做好一定的防护后，起爆炸药。

(10) 将装置拆开，取出爆后的试件。不脱热缩管或胶带。

(11) 将爆后的试件再次进行CT扫描。具体操作见步骤1。

(12) 将两次扫描所得的图片(包括试件破坏前的和破坏后的)导入Matlab中进行二值化处理。实际操作中，拍摄到的CT图片分辨率可能比较低，二值化处理软件也并非十分完善，处理后的图片上仍可能存在许多伪影，可以用Photoshop等图片处理软件将这些伪影人工擦除。经过上述处理的图片，可非常直观地看见每个扫描层面的损伤破裂的情况。

(13) 将处理后的CT扫描图片导入Mimics10.01，得到重构出的岩石试件。

(14) 计算重构试件的分形维数。分形几何中最重要概念就是分形维数(fractal dimension)，最早是由Hausdorff在1919年提出[11]，实际研究中主要采用容量维数、信息维数、相关维数3种分形维数。此处可任选一种分形维数即可。

(15) 计算损伤度。建立材料损伤度ω与分形维数D的关系，关系表达式[12]为

(1)

2 实例展示

2.1 不同围压下的红砂岩爆破试验

试验红砂岩取自湖南浏阳市焦溪乡，平均密度为2 500 kg/m3，单轴抗压强度约为75 MPa。试件尺寸为φ50 mm×100 mm的圆柱，自试件的上表面向下钻凿长度为70 mm的炮孔，炮孔直径为4 mm。将50 mg DDNP单质炸药装入直径3 mm的塑料管中，药包的两端用橡皮泥封堵，中部为炸药，起爆线的端部置于炸药中，沿塑料管壁将起爆线引出。将药包放置于炮孔中，用502胶水蘸细砂封堵炮孔上部空间。将试件整体装入自主研发的“主动围压与边界约束装置”中。试验中围压的加设是通过电子数显扭力扳手定量拧紧6个螺栓，间接地将力施加至试件上，故将围压称为“相对围压”。设置了4组不同的扭矩：50 N·m、250 N·m、500 N·m、750 N·m。试件爆破后的照片如图4所示。

图4 爆破后的试件Fig.4 Specimens after blast

2.2 CT扫描

本次试验使用煤炭资源与安全开采国家重点试验室ACTIS 300-320/225型X射线工业CT，如图5所示。CT技术的物理原理[13-14]是基于射线与物质的相互作用，射线穿越物体时，相当部分的入射光子被物质分散，从而使射线的强度减弱，再通过成像技术转换成CT图像。

图5 X射线工业CT检测系统Fig.5 X-ray industrial CT detection system

CT扫描试验的设备参数：200 kV，0.4 mA。岩石试件爆后的CT扫描方案(由于试验条件限制，只在试验后对试件进行了扫描)：扫描范围+5.0～+95 mm；断层扫描间距0.125 mm，CT图像大小55 mm× 55 mm，像素大小55/1 024 mm×55/1 024 mm。对爆破破坏后的4个试件进行CT扫描，每个试件扫描得到800张CT图片，下面仅选取一些较为典型的原始图像(第150、350、500层)进行展示，如图6所示。

2.3 CT图片信息提取

图6 原始的CT扫描图片Fig.6 Original CT scan images

从图6可看出，试验中得到原始的CT扫描图片大致能够反映出爆破后试件每个断面的损伤破坏情况。但是由于岩石材料的穿透性差，原始CT图片的分辨率并不高，而且存在着很多伪影。为此，就需将CT图片中真实的裂隙提取出来，将原始图片导入Matlab中，利用灰度阈值分割法对CT图像进行二值化分割处理。部分处理后的图片还有伪影存在，在Photoshop软件中将其进行人工擦除。最终得到的图片如图7所示。从经过二值化和一系列人工处理后的图片上可以清晰地看出每个扫描层面的损伤破裂分布情况。不同围压下爆破后试件裂隙分布情况差别很大，裂隙的所在位置、尺度等都有较大差别。由此可以推知，4个试件爆破后裂隙的空间分布也会有很大的差别。另外，利用Mimics 10.01对4个经过二值化和伪影去除后试件的灰度值及灰度方差进行统计，统计结果见表1。

由表1可以看出，灰度值随着相对围压的增大而逐渐减小。经二值化分割处理和人工去除伪影后的CT图片上只保留了黑色和白色，其中黑色代表裂隙，其余部分均为白色。灰度值从侧面反映了裂隙占该层面的大小，即灰度值越大，该层面裂隙所占比例越大。由图8可知，随着相对围压的增大，试件的灰度值有减小的趋势，说明相对围压越小，试件内部的破坏越大，内部裂隙的空间分布越复杂。

表1 不同断面CT试验数据统计

图8 灰度值与相对围压的关系曲线Fig.8 Relation curve between gray value and relative confining pressure

2.4 试件的三维重构

将经处理的CT扫描图片，导入Mimics 10.01软件中，重构出爆破破坏后的试件(图9)。将重构的试件和实际破坏的试件(图4)对比可发现，3D重构试件与真实样品具有极高的相似度，即可证明Mimics三维重构可以获得爆后岩石内部的损伤破裂分布特征，对于研究爆炸荷载作用下岩石破坏的力学机制有着重要的意义。

图9 三维重构Fig.9 3D reconstruction

2.5 爆生裂隙的损伤描述

试验采用的是容量维数(也称盒维数)[11，15]，其定义为：设N(ε)是能够覆盖住一个点集F的直径为ε的小球或边长为ε的立方体盒子的最小数目，则这个点集的容量维数为

(2)

计算点集F容量维数的具体算法为：先构造一个直径为a的小球(或边长为a的立方体盒子)覆盖点集F，然后变换不同直径值对应形成若干个小球(小盒子)，计算包含有点集F的小盒子数N(ε)，经过多次变换可得到一系列ε-N(ε)数据，再作lg(1/ε)与lgN(ε)关系的散点图，采用最小二乘法求其斜率，即容量维数。这就是通用的计算维数的覆盖法。

本文基于Matlab的CT图像盒维数计算方法，用不同尺寸ε的小球去覆盖CT扫描图片中裂隙组成的点集，来定量计算不同相对围压条件下爆破后试样的盒维数。最终得到破坏后试件内部裂纹的体分形维数，结果如图10所示。砂岩试样在不同相对围压条件下爆破，内部出现了不同程度的破坏，各个试件的体分形维数D均不同，但都介于1～3之间。围压较小时，内部裂隙比较发育，相应地体分形维数D最大；围压较大时，内部裂隙发育相对较小，得到的D最小。

图10 三维裂隙面的分形数Fig.10 Fractal number of 3D fracture surfaces

2.6 爆破损伤度计算

将分形维数D代入公式(1)计算损伤度。认为爆破前的分形维数D0=0。从图11也可以看到，随着相对围压增大，破坏后试样的损伤度逐渐减小。

图11 损伤度与相对围压的关系曲线Fig.11 Relation between damage degree and relative confining pressure

3 结论与展望

自主设计研发了“主动围压与边界约束装置”，基于CT扫描和三维重构，提出了爆破后岩石损伤度的测试及计算方法。开展了相对围压下的岩石爆破试验，发现随着相对围压的增大，分形维数呈减小趋势，破坏后试样的损伤度逐渐减小；相对围压越小，试件内部的破坏越大，内部裂隙的空间分布越复杂。研究成果为定量评价爆破损伤提供了一种新的思路。

本试验仅是一次尝试，还有很多工作需要加强和完善：

(1) 本试验受CT精度的限制，所用试件相对较小，可考虑采用高精度大功率的工业CT和大型的试件。

(2) 所采用的“相对围压”略显粗糙，可设计改造新型的加压装置并在试件上安装受力传感器等。