关于单轴应力与爆炸共同作用下岩石破坏特性的研究

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Research on Rock Failure Characteristics under Combined Action of Uniaxial Stress and Explosion

爆破技术下围岩损伤与裂纹扩展机制研究。通过爆炸试验、力学分析与LS-DYNA数值模拟，发现单轴应力可有效抑制裂纹扩展速度与范围，控制径向裂纹生长方向。实验结合ImageJ图像处理技术，分析不同应力条件下裂纹网络形态及分形特征，揭示定向爆破能量集中效应对围岩损伤的调控机理，为深部岩体工程安全爆破提供理论依据。

　　在深部岩体工程中，爆破技术作为一项广泛应用的手段，其对周围岩体造成的损伤与裂缝扩展往往受到地应力的影响。本研究旨在综合分析在单轴应力与爆破载荷共同作用下，钻孔周围岩体的破坏与裂缝传播特性。通过爆炸试验、力学分析以及有限元建模，从数值模拟与现场工程两个角度验证研究结果。采用LS-DYNA数值软件对爆炸实验进行验证，并利用修正的本构模型模拟不同单轴应力条件下岩石松动与形成立体药包爆破破坏特征。此外，利用ImageJ软件对裂缝网络进行处理，分析岩石表面裂缝形态与分形特征。结合弹性力学理论，进一步探讨单轴应力作用下形成立体药包爆破裂缝模式的变化，并深入讨论裂缝方向性的传播机制。

研究结果表明，在松动爆破过程中，裂缝的起始位置通常出现在钻孔周围最大拉应力区域。单轴应力的施加能够有效控制裂缝的生长速度与长度，同时引导径向裂缝的方向发展，使得裂缝传播更加符合应力方向，从而对岩体结构产生更有利的影响。在形成立体药包爆破过程中，随着单轴应力的增加，裂缝在药包方向上逐渐形成完整的破坏平面，显著抑制了非药包方向裂缝的扩展。这种现象导致裂缝数量减少，但裂缝扩展速度加快，同时岩石损伤的分形维度也有所降低。最终，通过形成立体药包爆破进行煤矿顶部切割与卸压的试验已经取得令人满意的结果。在深部岩体工程中，建议在各向异性地应力条件下采用形成立体药包爆破技术，以实现定向爆破，从而更好地维护岩体的完整性，并获得更光滑的爆破表面。

爆破技术在采矿与隧道工程中仍占据主导地位，因其具备成本效益、高生产效率以及简便的施工方式。然而，与水力压裂在煤层中的工艺和密封要求相比，爆破方法在工程实践中具有更广泛的应用范围。尽管如此，传统的爆破技术往往缺乏对爆破诱导裂缝发展的有效控制，这不仅增加了工程的安全风险，还提高了支护成本。为了确保爆破过程中岩体的完整性，避免因爆破载荷导致的岩体破坏，目前广泛应用了多种控制爆破技术，如光面爆破、定向预裂爆破以及槽孔爆破等。这些技术旨在减少爆破能量的径向扩散，从而更好地保护爆破区域以外的岩体结构。然而，现有的研究多集中于爆破顺序对岩体破坏的影响，而忽略了岩体初始应力状态及装药分布的控制，这在一定程度上限制了研究成果的普适性。

近年来，针对爆破过程中裂缝传播的控制，许多创新技术已被提出并研究。例如，Li等人通过引入目标槽孔策略，成功控制了爆破诱导裂缝的方向，并通过计算模拟验证了该方法的可行性。Zhang等人则开发了一种能量集中爆破技术，并将其应用于巷道顶部的爆破实践中，取得了良好的应用效果。Yin等人通过理论分析和数值模拟，研究了采用带有对称槽孔的圆柱形装药结构对岩石爆破的影响，进一步探讨了能量集中对岩体破坏的调控作用。此外，Li等人还提出了一种结合空气与水两种介质的耦合爆破方法，通过调整空气与水的比例以及解耦率，实现了对裂缝控制效果的优化。研究表明，空气-水耦合爆破在裂缝控制方面表现出卓越的性能。

在岩体爆破过程中，周围岩体的损伤监测主要依赖于现场测试和数值模拟两种方法。然而，现场测试由于受到环境条件的限制，往往难以全面观察岩体损伤的演化机制。随着计算机技术的发展，数值模拟已成为研究爆破载荷下岩体损伤过程的重要手段。例如，Li等人通过数值模拟研究了不同约束条件下爆炸对岩石破碎的影响，发现随着堵塞长度的增加，爆炸产生的碎片尺寸逐渐减小。虽然该实验方案较为详细，但在实际应用中仍存在一定的困难。Wang等人则对Riedel-Hiermaier-Thoma（RHT）模型和Holmquist-Johnson-Cook（HJC）模型在模拟爆炸诱导裂缝方面的有效性进行了评估。他们通过将失效准则与HJC模型结合，进一步描述了岩石材料的拉伸损伤过程。研究结果表明，RHT模型和改进的HJC模型均能有效模拟单次爆破过程中裂缝区域的形成和拉伸裂缝的扩展。然而，在周期性爆破中，基于RHT模型的模拟结果与实验结果保持一致，而改进的HJC模型则不适用。Ji等人建立的岩体损伤模型被嵌入到计算机程序中，并通过用户子程序和累积损伤公式模拟了多面全断面爆破下岩体的损伤过程。基于定义的损伤阈值和岩体最大损伤深度，他们研究了爆破顺序对岩体损伤的影响。尽管该研究聚焦于爆破顺序对岩体破坏的作用，但未充分考虑岩体初始应力状态及装药分布的影响，从而限制了研究成果的通用性。

Hosseini等人通过设计32项实验，采用田口方法对各种爆破设计参数的敏感性进行了分析。研究重点在于评估爆破孔径对爆破效果的影响，以及爆破振动和岩体损伤与孔径之间的关系。结果表明，爆破孔径是影响爆破效果的关键因素，而爆破振动和岩体损伤程度在很大程度上依赖于孔径的大小。此外，与爆炸特性相比，岩石爆炸的几何形状对振动和损伤的影响更为显著。其他研究人员也采用了数值模拟方法，对爆破载荷引起的岩体损伤进行了研究。

上述研究成果为岩体爆破提供了重要的理论指导。然而，目前尚缺乏对110采煤法中三维形成立体药包爆破对岩体损伤影响的系统研究。通过三维模拟，可以更直观地展示爆破过程中应力波的传播、裂缝的扩展以及岩体的破裂过程。这不仅有助于优化爆破参数（如装药量、装药结构、引爆顺序等），从而获得最佳的爆破效果，还能有效减少对周围岩体的破坏，进而提高剩余巷道的安全性，实现煤炭资源回收率的提升。

尽管多种定向爆破控制技术已在工程实践中得到应用，但关于岩石破碎机制及周围岩体损伤特征的研究仍不够深入。此外，爆破能量的释放形式尚未形成统一的标准。因此，本研究旨在深入探讨在复合应力与定向能量集中爆破作用下，周围岩体的损伤与破坏特征背后的机制。为实现这一目标，我们采用了110采煤法，该方法能够实现对特定区域能量的精准投放。研究过程中，我们结合了理论分析与数值模拟，以全面理解爆破对岩体的影响。为了验证所建立的数值模型的准确性，我们将其参数与Zhang等人之前进行的爆破实验中观察到的岩石破碎数据进行了对比。这些实验涵盖了三种不同的组合情况，包括一致的堵塞材料、空气条件和炸药种类。随后，我们利用验证后的本构模型构建了一个立方体模型，用于模拟在不同应力条件下爆炸导致的压力衰减与岩石裂纹的形成过程。最终，通过对模拟结果的后处理，我们确定了裂缝的最终传播路径。同时，我们整合了现场数据，分析了在用于顶部切割与卸压的定向能量集中爆破技术实施过程中，顶部切割与卸压的程度以及爆破引起的岩体损伤与破坏特征。此外，我们还探讨了在复合应力与爆破作用下裂缝演化的机制。本研究为顶部切割与卸压机制以及应力爆破引起的岩体损伤与破坏特征提供了新的见解，为在110采煤法中实施定向能量集中爆破工程提供了理论支持。

在本研究中，数值模型与验证过程是确保研究结果可靠性的重要环节。考虑到LS-DYNA库中不同本构模型在模拟爆炸产生的压力和岩石劣化过程中的有效性，我们采用该软件进行有限元建模，以模拟爆破引起的岩石破碎。在进行建模之前，我们首先通过Zhang等人开展的爆破实验对模型参数进行了验证。这些实验不仅提供了详细的实验数据，还为模型的准确性提供了保障。通过对比实验结果与模拟结果，我们能够进一步优化模型参数，确保其能够真实反映爆破过程中岩石的破坏行为。此外，为了全面分析爆破对岩体的影响，我们还结合了现场数据，以补充和验证模型的适用性。

在计算模块中，我们重点探讨了爆破过程中岩石的破坏机制及其与应力之间的相互作用。研究方法紧密贴合爆破工程的实际应用，采用了形成立体药包爆破技术，即通过装药管内的炸药实现爆破。在实验设计中，钻孔间距为500毫米，装药管长度为1500毫米，内径为38毫米。这些参数的选择旨在模拟实际工程条件，同时确保实验结果的可重复性与可比性。通过合理设置这些参数，我们能够更准确地再现爆破过程中岩石的应力分布与裂缝扩展路径。此外，我们还对不同应力条件下的爆破效果进行了对比分析，以评估应力对裂缝传播方向和速率的影响。

针对岩石损伤的分形特性，本研究采用ImageJ软件进行图像处理，以分析爆破作用下岩石表面裂缝的形态与结构。通过分形维数的计算，我们能够定量描述岩石损伤的复杂程度。在分形特性分析中，我们采用了基于盒子计数法的方法，对爆破引起的裂缝进行了系统研究。该方法通过将岩石表面划分为不同大小的网格，统计每个网格内裂缝的存在情况，从而计算出分形维数。分形维数的大小能够反映裂缝的复杂性与不规则性，进而揭示岩石在爆破作用下的破坏特征。研究结果表明，随着应力条件的变化，裂缝的分形维数也会相应改变。这一发现对于理解岩石在不同应力与爆破作用下的破坏行为具有重要意义。

综上所述，本研究通过结合数值模拟与现场实验，深入探讨了在复合应力与定向能量集中爆破作用下，岩石损伤与裂缝传播的机制。研究结果不仅揭示了裂缝起始位置与传播路径的变化规律，还明确了单轴应力对裂缝生长速度与方向的控制作用。此外，我们通过分析裂缝的分形特性，进一步量化了岩石破坏的复杂程度。这些发现为优化爆破参数、提高爆破效果以及减少对周围岩体的破坏提供了理论依据。在实际工程应用中，建议在各向异性地应力条件下采用形成立体药包爆破技术，以实现更精准的定向爆破，从而在深部岩体工程中更好地维护岩体的完整性，提高爆破效率与安全性。