基于爆破振动对隧道不同级别围岩松动大范围影响对比分析

胡晓雯，刘荣桂，唐鑫媛

（南通理工学院，江苏南通 226002）

1 引言

岩石隧道掘进过程中，爆破掘进方式仍然是技术最成熟，应用最广泛的掘进模式，即使应用综合机械化掘进设备，也会由于截割机构功率问题和截齿硬度问题的影响而临时改为采用爆破掘进技术。特别是掘进工作面遇到火成岩侵入体等高硬度岩石地质环境时，爆破掘进是当前技术条件下唯一可行的掘进工艺。

虽然，爆破掘进施工技术适应性较好，掘进工艺相对成熟，现场操作较为简单，机械系统投入较少，但爆破过程的岩石冲击波会给围岩带来较大的冲击作用，该冲击作用主要是爆破纵波引发的压应力、拉应力和爆破横波带来的剪应力导致[1]。所以，在爆破围岩岩土力学研究中，需要对各种成分围岩的应力特征进行实验室分析，进而获得相应数据，并将这些数据代入有限元模型进行系统分析，以获得爆破掘进过程中的围岩破坏情况。

本文研究过程主要采用上述研究思路，但在细节上进行创新，综合考虑大范围内跨岩层的爆破扰动效果分析。

2 相关岩石的实验室试验结果

火成岩入侵结构中的主要成分为火成岩，包括玄武岩、安山岩、流纹岩、花岗岩、辉长岩、闪长岩等，火成岩是地球岩石最重要的组成部分。早期相关物探工作中发现，地壳中火成岩含量达到65.7%，但在绝大部分隧道施工中，因为基本没有工程活动进入富含火成岩的地层，所以，大部分掘进工程中遇到的岩层为灰岩、页岩、砂岩、砾岩等沉积岩岩石。从化学成分分析，火成岩与沉积岩最显著的差异是火成岩的主要成分是SiO2；沉积岩的主要成分是CaCO3等碳酸盐[2]。所以，火成岩一般硬度高、弹性应力特征明显、应力抗性较大，而沉积岩应力特征基本与其相反。

在实验室中测试上述玄武岩、安山岩、流纹岩、花岗岩、辉长岩、闪长岩等火成岩标本，以及灰岩、页岩、砂岩、砾岩等沉积岩标本，记录其抗剪、抗压、抗拉特征，可以得到表1 中的数据。

表1 常见岩石标本的应力强度特征

表1 中，抗压强度指在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，通过点载荷试验获得；抗拉强度指单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，通过点载荷试验获得；在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。抗剪强度的评价中，包括抗剪强度τ=c tanφ+C；抗切强度τC=C；摩擦强度τi=c tanφi+Ci。上述3 个公式中：τ、τC、τi均可在试验中直接测得；i 为特定的剪切力施加角度；C 为岩土体的摩擦强度；黏聚力c 与内摩擦角φ 可以用上述公式计算获得[3-6]。

上述基于抗压、抗拉、抗剪的应力强度试验可以得到大部分岩石标本的力学特征，但在爆破冲击波作用下，岩石的破坏过程还需要考虑到岩石对瞬间能量的吸收和传导能力，这与岩石的弹性和塑性属性有关，与地下水、裂隙等其他复杂属性同样有关[7]。所以，单纯进行上述实验不足以研究岩石在爆破冲击波作用下的实际反应效果。所以，本文对上述岩石标本进行重锤试验，岩石标本切削为直径200 mm，厚度75 mm 的圆柱形无节理致密标本，使用5 kg 球形重锤在准真空环境中，不同高度自由落体，每组岩石100 次试验中，记录岩石标本的损坏数量，见表2。

表2 重锤试验中岩石标本的损坏数量 块

重锤从不同高度自由落体后会产生冲击波能量，计算该能量值可以得到岩石被破坏的概率。重锤落下后，根据势能-动能计算公式，进行相关计算。首先，计算转化为动能的势能：

式中，EK为重锤的动能；m 为重锤的质量，kg；v 为重锤最终速度，m/s；h 为重锤的下落高度，m；g 为地球重力加速度，g=9.81 m/s2；ζ 为势能转化为动能的转化率，该转化率会受试验系统中真空度的影响；Ep为重锤的势能。

通过式（1）可以计算出表2 中4 个高度下落的重锤带来的冲击波能量分别为：14.7 J、24.5 J、49.1 J、98.1 J，然后计算岩石在冲击能量作用下发生破坏的概率，破坏概率值为0～100%，如图1 所示。

图1 不同岩石在冲击能量作用下的破坏率

图1 清晰地展现了4 类岩石（花岗岩、玄武岩组成的强火成岩；安山岩、流纹岩、辉长岩、闪长岩等组成的弱火成岩；页岩、砾岩、砂岩构成的弱沉积岩；灰岩等强沉积岩）破坏概率的变化，冲击波能量为98.1 J 时，花岗岩的破坏概率为54%、玄武岩为56%、安山岩为81%、闪长岩为85%、灰岩为88%、砂岩为93%、砾岩为95%。根据冲击波能量的不同，岩石的破坏程度也随之变化。将岩石单元视为弹塑性体，在冲击荷载作用下会产生一部分不可逆的塑性变形，或者称为损伤，结构破坏能主要取决于塑性变形所消耗的能量,也就是说结构破坏能主要用于岩石单元的损伤积累。

3 有限元模型的建立与试算

3.1 个案的筛选与基础模型建立

某矿开挖至-680 m，工厂标高+132.7 m，至全岩某开拓工作面，上下围岩层稳定，根据综合物探结果，发现其围岩特征较为显著。对该围岩特征进行分析，抛开煤层及薄夹层地层的影响，构建该测试模型。用于测试极限条件下的爆破掘进围岩破坏模型如图2 所示。

图2 中，共涉及4 个岩层，假定岩层赋存稳定，其中，中心区鲕状灰岩强度超过大部分弱火成岩的强度。岩层赋存角度为0°，上部强风化灰岩受到承压地下水侵袭，水压大于80 atm（1 atm=101 325 Pa），水量大于3 000 m3/h，对该矿掘进安全来说，防止爆破后大范围节理影响波及该强风化层成为水害防治重点[8-11]。即通过该模型确定爆破向上影响范围不超过220 m。

图2 用于测试极限条件下的爆破掘进围岩破坏模型

3.2 放炮模型的设立

该矿采用的硝酸铵铝柴油乳化炸药，每千克炸药的理论爆轰能量达到6.876×106J，均匀介质中，该炸药的爆轰能量传播符合立方递减法则（符合Taylor 函数），如式（2）：

式中，ρ0为介质密度；E0为初始爆炸能量；t 为爆炸后持续时间即冲击波传导时间；c 为衰减控制常数。Taylor 函数基函数较为复杂，还涉及爆轰冲击波初始压强P0，爆轰冲击波自由度γ等。但在爆炸烈度足够强时，这些参数的影响因子趋向于1，即对结果无显著影响。考虑到本文研究的数据不完备性，该部分影响对爆破冲击波的结果扰动误差小于原始数据误差，所以，按照强爆炸烈度条件下的简化公式[式（2）]计算[12-15]。

该方程在解算过程中，其破坏力V 的表达本质接近于爆破冲击波的波速，当该波速超过介质声速时，对介质产生激波影响，此时爆破冲击波快速衰减，对介质的破坏力最大。其破坏作用为冲击波能量转化为介质的热能等其他机械能。同时，介质不连续面也会产生冲击波反射，形成冲击波叠加效应。而介质受到的破坏能等同于冲击波的能量衰减量[16-18]。

对爆破点模型的设计中，因为工作面高6.3 m，宽5.6 m，为拱形断面，该断面内布置光面爆破炮眼，但因为该断面尺寸远小于评价区域尺寸，所以，等效为单点爆破。根据全断面光面爆破需求，待选方案为72 炮眼42.7 kg 炸药的装药方案A；67 炮眼39.4 kg 炸药的装药方案B；66 炮眼37.2 kg 炸药的装药方案C；爆炸初始能量值分别为2.936×108J（方案A）、2.709×108J（方案B）、2.559×108J（方案C）。为实现更佳的爆破效果，拟按照方案A 选用最高装药量，但应评估安全性可以得到保障的最高装药量方案。

4 有限元仿真结果比较

4.1 直接仿真结果比较

使用有限元仿真软件对3 套方案下围岩大范围破坏概率进行分析，分析目标为岩石节理破坏边界不超过承压水层界限，比较30%破坏概率和1%破坏概率，可以得到图3。

图3 围岩爆破损害概率有限元仿真分析结果图

图3 中，岩层赋存模型同图2，即距离爆破中心点220 m的承压水层界限破坏概率低于1%条件下，考察3 种方案的实际表现，发现3 套方案在30%破坏概率目标下的破坏边界基本一致，其中，方案A 的破坏边界略大于另外两者。但在1%破坏概率目标下，3 套方案表现显著不同，其中，方案A 的1%破坏概率边界深入强风化灰岩层超过80 m，其对承压水层的破坏概率远超过1%，可以认为方案A 具有极高水害风险。方案B 的1%破坏概率边界接近承压水层边界，最近距离小于10 m，认为方案B 的爆破过程仍有较大风险。而方案C 的1%破坏概率边界距离承压水层边界最近位置大于40 m，可认为3 套方案中，C 方案的水害风险最低。

含水层边界附近的破坏概率轴向分布分析结果如图4所示。

图4 含水层边界附近的破坏概率分布图

图4 为有限元模型中将含水层边界附近1%破坏概率边界线的局部细节沿轴向放大后的结果。根据此比较方法，如采用爆破方案A 则会有远超过1%的概率发生爆炸影响节理导通承压水含水层的后果。在矿井掘进工作中，该概率超出安全生产管理的容忍度，故方案A 应被排除在比较方案之外。即本文比较方案中，激进方案为方案B 即67 炮眼39.4 kg 炸药的装药方案，保守方案为方案C 即66 炮眼37.2 kg 炸药的装药方案。

4.2 仿真结果有效性的理论分析

为保证方案在整个井田区域内的通用性，该方案在该矿岩层赋存角度3～7 ℃的条件下，忽略了岩层倾角对仿真方案的影响，排除了诸多夹层岩层对仿真方案的影响，排除了断层结构对仿真方案的影响。其中：

1）因为该巷道沿岩层走向布置，其基础岩层相对赋存位置基本保持不变，所以，岩层赋存角度对方案的影响较小，可直接在仿真模型中予以忽略。

2）该巷道的夹层岩层包括砂岩层内的碳质泥岩层、碳质页岩层，及砂岩层内的砂岩沉积结构变化分层结构，因为砂岩层赋存位置约在爆破点以下约80 m，而该模型研究目标集中在爆破点以上约220 m，该距离内，考虑砂岩层与爆破点位于的鲕状灰岩层的不连续面冲击波反射，而基本无须考虑砂岩层内的冲击破衰减过程。

3）该巷道的夹层岩层另包括砾岩层内的砂质页岩夹层、即砾岩沉积结构的变化层。此部分夹层对砾岩层内的冲击波衰减影响较为显著，但其影响主要来自其各夹层的不连续面反射效应，其影响主要为加速衰减过程，所以，实际情况下，3 套比较方案的实际破坏情况，1%破坏概率边界的赋存高度会显著低于本文仿真分析结果。即该分析结果不会因为该层夹层影响而增加风险概率。

4）当巷道掘进到断层发育区时，会进行断层结构的深孔抽水试验确定地下水的实际分布情况，所以，断层发育情况并不在本文仿真研究范围内。

5 结论

引入岩层破坏概率的分析概念，改变了以往爆破效果分析的惯用方法。因为单纯分析爆破激波对岩层的破坏效应，该研究中的3 个待选方案均为安全方案。通过对井下爆破过程对大范围围岩带来的稳定性扰动影响进行分析，可以选择安全级别更高的爆破方案。通过该分析，可以发现待选方案中方案A 因为爆破产生的岩层节理导通上部承压水结构的概率超过1%，在井下施工安全管理中，该概率属于高风险概率。而方案B 虽然装药量超过方案C，但其爆破过程产生的大范围岩层节理导通承压水结构的概率远小于1%，所以，方案B可以作为激进方案使用。在实际施工中，可以考察方案C 的实际爆破效果，在该效果不足时，有选择方案B 的可行性。所以，该研究方法有助于提升矿井高风险作业过程中的安全管理水平。