高寒区冻岩爆破机理分析及力学特性试验研究

张新河 贾世杰 赵国强

（1.新疆雪峰科技（集团）股份有限公司；2.新疆雪峰爆破工程有限公司）

随着我国经济技术的发展，在高寒地区内的矿山开采活动逐步活跃起来。一般地，高寒地区具有高海拔、常年低温、含有冻土层等特点［1-2］，不利于矿山进行爆破开采作业，具体表现为施工困难、爆破设计受限、爆破效果难以控制等。

目前，有大量学者进行负温状态下岩石的物理力学特性研究［3-4］。赵涛等［5］研究冻结岩土在多个负温等级下的力学特性变化，发现不同冻结温度下孔隙内冰、水含量是岩石抗拉和抗压强度差异巨大的必要因素；李金明等［6］研究了温度和围压对风化花岗岩力学性能影响规律，得出负温和高围压改变岩石内部结构从而提高岩石强度的结论；杨阳等［7］通过负温状态下SHPB 动态冲击试验，结合电镜扫描砂岩微观断口形貌，表明动载荷与负温双重作用下红砂岩内部组成物质界面处生成大量裂纹，而砂岩动态力学强度急剧下降；刘红军等［8］利用室内三轴实验及现场监测方法进行粉砂质黏土路堑边坡内部冻融失稳研究，研究表明含水率对土体的黏聚力及内摩擦角影响较大，且冻融循环作用会导致土体黏聚力降低；董英健等［9］通过高寒区爆破振动对边坡响应特征研究，发现冻结态矿岩内部爆破振动衰减速率随着温度降低而减小，延长了爆破振动对边坡作用时间，从而边坡底部沉降位移增大等；张功等［10］通过声发射研究砂质泥岩在冻结过程中的损伤变化特征，尤其在单轴试验岩石压密过程中，随着温度降低，损伤行为更为明显；单仁亮等［11］利用多次冻融循环作用发现红砂岩力学强度及黏聚力逐步减小，且负温对红砂岩主要产生单破裂剪切破坏；单仁亮等［12］研究发现环境温度10～-15℃、围压0～2MPa 变化时，饱水红砂岩三轴抗压强度与温度呈指数关系，与围压呈线性关系，满足Mohr准则；刘莹等［13］针对内蒙古鄂尔多斯地区白垩系冻结岩层，研究不同负温下岩石力学特性，试验结果对该地区进行冻结法施工具有参考价值。上述研究成果虽说在一定程度上还原了高寒区的环境温度条件，但缺乏相对全面的力学试验环境。

新疆某露天矿区平均海拔高度为2200m，属高原大陆性气候，冬季长达8 个月，最低气温达-30℃，属于典型的高寒区。矿区以白云岩和铁矿层为主，层理不发育，岩石致密。为探明负温对岩石物理力学参数影响变化规律，以现有的寒区冻岩爆破机理研究为理论基础，开展静动态冻岩力学强度测试试验，分析不同负温下岩石物理力学特性变化特征，为寒区冻岩控制爆破提供相关的理论参考。

1 高海拔寒区冻岩爆破机理分析

1.1 岩石爆破破碎基本理论

岩石在爆破作用下的破碎过程是瞬态的、复杂的，伴随爆生气体和爆破冲击波能量的急剧释放和热量传递。岩石爆破破碎效果受到炸药性能、岩石特性和爆破性能等多种因素的影响，其中，炸药性能包括炸药类型、密度、爆速、猛度、爆力等；岩石特性包括岩石类型、强度、节理裂隙、结构面、阻抗、孔隙度、含水量等；爆破性能包括抵抗线、埋深、药包直径、药量、单耗、温度、起爆方式等，其复杂性使得岩石爆破破碎机理没有形成系统的理论体系，但目前有3种较为流行的岩石爆破破碎机理［14～17］：

（1）爆炸应力波理论。该理论认为岩石破碎的主要原因是炸药爆炸产生的压缩应力波和反射后的拉伸应力波共同作用。炸药爆炸瞬间会形成高温、高压、高速的冲击波，冲击波首先在岩体中引起强烈的压缩应力波，当压缩应力波的强度超过岩石的抗压强度时，岩石发生破坏。随着应力波的传递，当它达到自由面时，压缩应力波在自由面发生反射，形成拉伸应力波，当拉伸应力波的强度大于岩石抗拉强度，岩石发生破坏，随着应力波的传播，“压碎”和“片落”现象持续发生，直至应力波强度衰减到岩石强度以下。爆生气体的作用只限于岩石的辅助破碎和抛掷。

（2）爆生气体膨胀理论。该理论认为岩石破碎的主要原因是炸药爆炸产生的高温高压气体膨胀对岩石做功的结果，其主要表现为岩石的径向裂纹。药包爆炸后产生大量的高温高压气体，其膨胀时产生的推力作用在岩壁上，岩石质点产生径向和环向位移，从而形成拉伸和剪切应力，引起岩石破碎。

（3）爆生气体和应力波耦合作用理论。该理论认为岩石破碎的主要原因是爆炸应力波和爆生气体的耦合作用结果。爆炸冲击波产生的压缩应力波和拉伸应力波加剧岩体损伤，使岩石产生裂纹，爆生气体的侵入和膨胀加速了岩石裂纹扩展、破碎和岩块的运动及抛掷。2 种作用在不用爆破阶段和状态下发挥的作用不同，但二者相辅相成，共同造成岩石的破碎。

1.2 高海拔寒区冻岩爆破机理分析

岩性与爆破效果密切相关，高海拔寒区的低温环境使得岩石的岩性发生了改变。低温环境下，岩石中水冻结成冰的相变过程伴随着一系列物理和化学变化，如岩石内部的水分前移、裂隙扩展，含水量、孔隙大小、矿物成分和岩石结构改变等。此外，寒区岩土爆破工程上覆冻土层，这使得高海拔寒区冻岩的爆破机理更为复杂。

炸药在冻结岩体中爆炸后，当埋深很大时，其爆破作用达不到自由面，或无法穿透冻土层，爆破作用发生在冻结岩体内部或冻土层内，在爆炸应力波及高温高压气体的耦合作用下，炸药周围一定厚度的冻结岩石发生融熔，形成粉碎区。一定范围内的岩石受到压应力的作用，同时随着质点位移发生拉应力和剪切应力，产生较大的压缩腔体，形成压密区。随着埋深减小，炸药爆炸作用范围向上移动，内部作用减弱，外部作用增强，当爆破应力波达到自由面时，反射成为拉伸应力波，其强度大于岩土体抗拉强度时，发生片状剥离现象。与此同时，爆生气体膨胀时，对岩石的气楔挤压作用促使裂纹扩展，形成环向和径向交错的裂隙区。随着爆破应力波的衰减，应力波强度不足以达到岩石的破坏强度，直至爆破作用衰减完毕后形成振动区。在空间上，从药包中心由内向外形成粉碎区、压密区、裂隙区、振动区，各区之间没有可明显的界线，且存在一定的联系。

相比于非冻结岩石爆破效果，冻结软岩或者上覆冻土层的冻结岩体爆破具有更强的塑变性，压密区在一定程度上制约了爆炸应力波的传播，削弱了爆炸能量的利用率，阻碍了裂纹扩展的范围，易造成冻岩区爆破效果弱于非冻结区的现象，易产生大块，严重时形成未爆破下的冻结岩土覆盖层。

2 高海拔寒区冻岩力学特性试验

2.1 试样制备

试样取自高海拔寒区矿山岩块，根据国际岩石力学学会标准，岩块通过钻孔、切割、磨平等工序，加工成直径50 mm、高度100 mm 的圆柱体用作单轴压缩变形试验，直径50 mm、高度50 mm 的圆柱体用作抗拉试验。圆柱试件表面光滑，平整度及垂直度＜0.02 mm，符合测试精度要求。

为最大程度降低岩样的离散度，保证试验结果的可靠度，采用HS-YS2B 型非金属超声检测仪对岩样进行逐一检测，剔除波速差距较大的岩样。岩样的主要物理性质如表1所示。

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2.2 试验方案

考虑高海拔寒区矿山环境条件，主要从温度和爆破振动2个方面开展寒区岩石力学特性试验研究。分别在20 ℃（常温）、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃的温度环境下测试试样的静力学和动力学特性。

2.2.1 静力学试验

采用RTX-3000 型高低温高压岩石三轴压缩试验机（图1），进行不同负温条件下的单轴压缩（控制围压为零）和拉伸试验，最大轴向压力3 000 kN，精度0.25%，容纳试验样品直径25～65 mm，温度控制范围-30 ℃～+60 ℃，可达到高海拔寒区负温条件要求。将试样包裹上保鲜膜，按照设定的每个温度条件提前24 h置于环境箱中，加载速率取1 mm/s。

2.2.2 动力学试验

采用分离式霍普金斯杆测试系统获取试样的动力学强度特征。如图2 所示，压杆直径50 mm，由冲击气阀、纺锤形冲击头、入射杆、透射杆、吸收杆、控制台、温控箱组成。该试验装置配备温控箱，由液氮喷射制冷，常规制冷可达-50 ℃，符合试验要求。设置环境温度为20 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃。

2.3 试验结果分析

2.3.1 静力学试验结果

以20℃条件下的岩样为对照，测试了不同冻结温度下试样的单轴抗压强度、抗拉强度，计算得到弹性模量、泊松比等岩石力学参数。岩样的静力学参数与冻结温度的关系见图3。

试验结果表明，随着冻结温度的降低，岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量皆表现为逐渐增加趋势，变化率在逐步增大。就岩石单轴抗压强度而言，-30 ℃较常温20 ℃的岩石力学强度提升了116.84%；岩石泊松比从常温20 ℃到- 30 ℃降低21.74%。结合前节相关叙述，饱和条件下环境温度降至0 ℃后，岩石孔隙水-冰相体积膨胀，内部孔隙减少。随着温度进一步降低，孔隙水完全冻结，增加了岩石内部胶结性能，宏观上岩石强度显示增大。负温条件下由于岩石空隙减少，岩石内矿物颗粒收缩，岩石受到外部压力压缩后应变降低，岩石泊松比呈现逐步下降的趋势。通过曲线拟合发现，静力学参数与冻结温度存在较好的线性关系，如表2所示。

注：表中y为岩石参数，x为温度。

2.3.2 动力学试验结果

动力学试验结果如图4 和图5 所示，与岩石静态力学特性相同，随着冻结温度降低，岩石动态抗压、抗拉强度皆表现出线性增加的趋势，如表3所示。试验边界温度-30 ℃比常温条件下岩石单轴抗压强度增加了一倍以上，而抗拉强度大幅度增加。在冲击载荷作用下，岩石内部会形成数条的裂隙甚至贯穿岩石表面［18］。0～-30 ℃温度变化范围内，岩石整体收缩，矿物颗粒及孔隙冰相之间嵌合更为紧密，岩石动态力学强度显著提升，岩石整体承载能力增大，抗冲击能力增强。

注：表中y为岩石参数，x为温度。

相同温度下，岩石动态强度显著大于静态强度，说明冲击载荷下岩石强度增长明显。0～-30 ℃温度变化范围内，岩石动态力学强度增长率更为显著，抗压强度增长近一倍，抗拉强度呈指数增长的趋势。

从岩石爆破角度来说，岩石冻结后增大了岩石强度参数，一定程度上增加了爆破破岩的难度，爆破后大块较多，爆破效果差；与常温下岩石爆破相比，同等条件下势必增大冻结岩石的炸药单耗，不利于降低爆破作业成本。

3 结 论

（1）静态条件下，0～-30 ℃温度变化范围内，岩石抗拉强度呈指数增长趋势，抗压强度增加一倍以上，这说明负温对饱水岩石力学强度影响较大。负温条件下由于岩石空隙减少，岩石受到外部压力压缩后应变降低，岩石泊松比呈现逐步下降的趋势。

（2）动态条件下，外部施加冲击载荷使得岩石内部结构发生改变。0～-30 ℃温度变化范围内，岩石整体收缩，岩石动态力学强度显著提升，岩石整体承载能力增大。

（3）岩石冻结后，其物理力学条件的改变使得冻岩爆破难度加大，增大冻结岩石的炸药单耗，不利于降低爆破作业成本。