CN103412112B - 一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于模拟钻爆法施工巷道诱发临近巷道围岩破坏的实验方法，涉及巷道爆破开挖技术领域，为了解爆破动荷载对邻近巷道围岩原始裂纹群的影响，从而对邻近巷道布置的安全距离确定以及钻爆法掘进巷道的经济合理支护提供依据而发明。用于模拟钻爆法施工巷道诱发临近巷道围岩破坏的实验方法包括：在试块的局部位置处预制模拟巷道，并在所述模拟巷道轮廓的预定位置处形成预制裂纹；在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装设炸药；在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集并进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道围岩断裂动态因子的数据。本发明适用于钻爆法施工巷道诱发临近巷道围岩破坏的模拟实验。

Description

一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法

技术领域

本发明涉及巷道爆破开挖技术领域，尤其涉及一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法。

背景技术

钻爆法是目前我国井巷工程开掘的主要施工方法，广泛应用于我国煤矿、公路、铁路、水利等行业的巷道（隧道、硐室等）掘进，但同时钻爆法开挖巷道也会带来负面影响,如钻爆法施工巷道（隧道、硐室等）对邻近巷道（隧道、硐室等）的影响，由于巷道（隧道、硐室等）围岩中存在原始缺陷，爆破荷载必然会对邻近巷道（隧道、硐室等）围岩造成损伤，甚至诱发动力灾害，目前我国工程技术界对于爆破载荷高效利用已取得了大量研究成果，但对于爆破对巷道特别是临近巷道围岩的破坏研究不够，特别是实验室研究还很少，本实验方法可作为此类研究提供思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法，能够了解爆破动荷载对邻近巷道围岩原始裂纹群的影响，便于确定两邻近巷道安全距离以及巷道特别是深部巷道经济合理的支护提供依据。

为解决上述技术问题，本发明用于模拟巷道钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法的实施例采用如下技术方案：

一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法，包括：

在试块的局部位置处预制模拟巷道，并在所述模拟巷道轮廓的预定位置处形成预制裂纹；

在所述试块上位于所述模拟巷道外围的预定位置处开设炮孔并装设炸药；

对所述炸药进行起爆，在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集；对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析，获得所述爆破载荷对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据。

其中，所述在试块的局部位置处开设模拟巷道包括：在尺寸为300mm×300mm×5mm的有机玻璃板，或尺寸为300mmX300mmX6mm 的人造石板的局部位置处开设模拟巷道；其中，所述模拟巷道下部为40mm                                                20mm的半矩形，上部为半径20mm的半圆顶。

其中，所述在所述模拟巷道周边的预定位置处形成预制裂纹包括：在所述巷道的顶部形成预制裂纹，以及在所述巷道的侧壁上靠近巷道底部和肩部的位置处也分别形成预制裂纹；并且，所述预制裂纹自所述巷道周边朝向远离所述巷道中心的方向延伸。

进一步地，所形成的每条预制裂纹各自由两条朝向不同方向弯曲的圆弧连接而成。

进一步地，形成所述预制裂纹的每条圆弧的半径为3mm，弦长为2mm。

其中，所述在所述试块上位于所述模拟巷道外围的预定位置处开设炮孔并装设炸药包括：在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔，在所述试块的背面正对所述炮孔的位置处粘贴一贴块；在所述炮孔内装填炸药。

进一步地，当所述试块采用尺寸为300mm×300mm×5mm的有机玻璃板时，所述贴块采用尺寸为150mm×150mm×5mm的氯仿；当所述试块采用尺寸为300mm×300mm×6mm 的人造石板时，所述贴块采用尺寸为150mm×150mm×6mm的环氧树脂。

进一步地，所述炮孔的直径为6mm，且炮孔中心与巷道中心的间距为40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm或70mm。

其中，所述装设炸药包括：在所述炮孔内装入145mg的叠氮化铅单质炸药。

其中，所述在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集包括：在对所述炸药进行起爆的同时，采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集。

进一步地，所述采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集包括：采用数码高速摄影仪，对参考平面处的光强变化过程进行拍摄，得到数码焦散斑照片。

可选地，所述在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集包括：在对所述炸药进行起爆的同时，利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。

进一步地，所述利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集包括：利用横向或纵向粘贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。

其中，所述对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据包括：根据焦散线实验记录下不同时刻裂纹尖端的位置，得到裂纹扩展距离与时间的关系曲线，并根据该关系曲线得出各个瞬时的裂纹扩展速度。

其中，所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据包括：通过测量获得扩展裂纹尖端的焦散斑直径；通过测得的扩展裂纹尖端的焦散斑直径，确定不同时刻的动态应力强度因子并得出试件材料在裂纹刚刚起裂扩展时的临界应力强度因子。

其中，所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据包括：确定裂纹尖端的复合型裂纹动态裂纹强度因子；其中，所述的复合型裂纹动态裂纹强度因子根据下式确定：

                                                           

式中：为沿裂纹方向的焦散斑最大直径；为参考平面到物体平面的距离；为材料的应力光学常数；为试件的有效厚度，对于透明材料，板的有效厚度即为板的实际厚度；为应力强度数值因子；为动态载荷作用下，复合型扩展裂纹尖端的Ⅰ型动态应力强度因子；为由裂纹扩展速度引起的修正因子，在具有实际意义的裂纹扩展速度下，其值约等于1。

本发明提供的一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法，通过在试块的局部位置处开设模拟巷道，并在所述模拟巷道周边的预定位置处形成预制裂纹群，在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装填炸药，在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集，对采集的所述模拟巷道的预制裂纹群断裂损伤状况进行分析，能够获得所述爆破载荷对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据，从而能够了解爆破荷载对邻近巷道围岩原始裂纹群的影响，便于对邻近巷道安全距离的确定以及巷道经济合理的支护提供了依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的实施例用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法的流程示意图；

图2为用于本发明实验实施例的试块结构示意图；

图3为用于本发明实验实施例的另一试块结构示意图；

图4为应用于本发明实施例的透射式焦散线法的实验系统结构示意图；

图5为本发明一实施例中应变片在模拟巷道外围布置的结构示意图；

图6为用于本发明实验实施例的又一试块结构示意图；

图7a-7d为根据本发明一实施例获得的炮孔与巷道间距不同时的群裂纹扩展图；

图8a-8b为根据本发明一实施例获得的裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹尖端位移以及速度随时间的变化规律（L=45mm）示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的实施例用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法的流程示意图。参看图1所示，本发明实施例一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法，包括步骤：

S1、在试块的局部位置处开设模拟巷道，并在所述模拟巷道轮廓的预定位置处形成预制裂纹；

S2、在所述试块上位于所述模拟巷道外围的预定位置处开设炮孔并装填炸药；

S3、对所述炸药进行起爆，在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集；

S4、对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据。

通过在试块的局部位置处预制模拟巷道，并在所述模拟巷道周边的预定位置处形成预制裂纹，在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装填炸药，在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集，对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析，能够获得所述爆破动载荷对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据，从而能够了解爆破荷载对邻近巷道围岩原始裂纹群的影响，便于对邻近巷道安全距离的确定以及巷道经济合理的支护提供了依据。

在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，所述试块可以采用有机玻璃板来制作，也可以采用人造石板来制作。试块材料的具体选择根据试块材料本身的特性并结合对模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集所利用的技术手段来综合确定。

有机玻璃板为各向同性的均匀光学非晶体介质，具有良好的透光性，且具有较好的弹性和塑性，是一种理想的光学模型材料。因此，当采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集时，优选采用有机玻璃板作为试块的材料，如采用人造石材时，可采用反射式焦散线法。

图2为用于本发明实验实施例的试块结构示意图。参看图2所示，当采用有机玻璃板时，所述在试块的局部位置处开设模拟巷道包括：在尺寸为300mm×300mm×5mm的有机玻璃板的局部位置处开设模拟巷道10；其中，所述模拟巷道10下部为40mm20mm的半矩形，上部为半径20mm的半圆顶。

人造石是用非天然的混合物制成的，如树脂、水、钙粉、玻璃珠、铝石粉等等加碎石黏合剂制作而成的，因为人造石表现出比岩石材料要好的均质和各向同性，相对岩石材料实验较容易，且实验结果相对较明显；同时人造石板在物理力学性质等许多方面相似。因此，在利用应变片或声发射传感器对对模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集时，优选采用人造石板。

参看图2所示，当采用人造石板来制作试块时，所述在试块的局部位置处开设模拟巷道包括：在尺寸为300mm×300mm×6mm 的人造石板的局部位置处开设模拟巷道10；其中，所述模拟巷道10下部为40mm20mm的半矩形，上部为半径20mm的半圆顶。

参看图2所示，在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，为了模拟巷道周边的原始缺陷，在所述模拟巷道10周边的预定位置处形成预制裂纹30。其中，所述在所述模拟巷道周边的预定位置处形成预制裂纹30包括：在所述巷道10的顶部形成预制裂纹，以及在所述巷道的侧壁上靠近巷道底部和肩部的位置处也分别形成预制裂纹；并且，所述预制裂纹自所述巷道周边朝向远离所述巷道10中心的方向延伸。

所述预制裂纹设置在巷道周边应力相对集中的地方，既便于预制裂纹在试块上的形成，又有利于在受到爆炸冲击时发生较为明显的应力形变，易于观察和实验。

为了较为真实地模拟巷道周边原始的裂纹形状，前述实施例中，所形成的每条预制裂纹30各自由两条朝向不同方向弯曲的圆弧连接而成。优选地，形成所述预制裂纹30的每条圆弧的半径为3mm，弦长为2mm。

在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，可以在所述试块上位于所述模拟巷道10外围的左侧、右侧、右上侧或顶部等位置处开设炮孔20并装设炸药。

图3为用于本发明实验实施例的另一试块结构示意图。参看图3所示，为了便于炸药的装设及使得炸药爆炸所产生的能量较为充分地传递到试块上，优选地，所述在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装填炸药包括：在所述试块上位于所述模拟巷道10外围的预定位置处开设炮孔20，在所述试块的背面正对所述炮孔20的位置处粘贴一贴块40；在所述炮孔20内装入炸药。所述贴块40表示巷道内待挖面，也设有预制裂纹（图中未示出）。

当所述试块采用尺寸为300mm×300mm×5mm的有机玻璃板时，所述贴块40采用尺寸为150mm×150mm×5mm的氯仿；当所述试块采用尺寸为300mm×300mm×6mm 的人造石板时，所述贴块40采用尺寸为150mm×150mm×6mm的环氧树脂。

在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，所述炮孔20的直径为6mm，且炮孔中心与巷道中心的间距L为40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm或70mm。

加载方法采用少量敏感度高的单质炸药，起爆后产生瞬时爆炸荷载。由于叠氮化铅感度高，起爆性能好，而且爆炸产生的炮烟较少，对视场清晰度影响程度较小。因此选用叠氮化铅，初选药量140-150mg。优选地，在所述炮孔内装设炸药包括：在所述炮孔内装入145mg的叠氮化铅单质炸药。

所述炮孔20可以是单炮孔，也可以是双炮孔或多炮孔。

上述实施例中、试块尺寸、模拟巷道尺寸、炮孔直径、炮孔中心与巷道中心的间距、以及炮孔内所装炸药种类及炸药量的综合选择，既能使试块较为充分地吸收炸药爆炸所产生的冲击波，获得较为真实的实验数据，又能使试块的尺寸尽可能地小，节省实验耗材，降低实验成本。

在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，在对所述炸药进行起爆的同时，可以采取多种技术手段对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集。下面对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集所利用的技术手段进行举例说明。

在一实施例中，所述在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集包括：在对所述炸药进行起爆的同时，采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集。

透射式焦散线法的实验原理如下：

（1）、焦散线法是利用纯几何光学的映射关系，将物体、特别是应力集中区域的复杂变形状态，转换或非常简单而清晰的阴影光学图形——焦散线的一种实验方法。通过对焦散线特征长度的测量和简单的计算，就可以得到有关的力学参量。用焦散线法去测量动、静态断裂过程中的裂纹尖端的应力强度因子，所利用的信息是从应力场中非常接近裂纹尖端的微小区域得到的，不需要对外荷载和边条件的任何了解，也不想其它光力学实验方法那样需要利用利用远场的应力场和适当的插值公式，因此这个方法的精度高，而且使用和计算也都很简单。

（2）、高速摄影系统

用高速摄影系统记录动态过程有两个要求：一是曝光时间要足够短；另一个是要求照明光足够强，以保证拍摄图像的底片上有足够的曝光量。由于爆炸冲击荷载下裂纹扩展速度较快，本实验采用Photron公司推出的FASTCAM SA5.高速摄影系统。

（3）、起爆方法和起爆装置

装药时在炮孔内放置起爆导线，连接高压起爆器，利用高压放电产生的火花引爆炸药。高压起爆器采用中国科学院力学研究所制的MD-2000多通道脉冲点火器，手动触发方式，利用自动跟踪式同步机的同步自校触发起爆器引爆炸药。实验前先对起爆器进行充电，但起爆充电时间不能过长，充电时间过长则可能使起爆器自动放电而引爆炸药。所以要计算好充电时间，在实验室湿度较小的情况下，起爆器的最长充电时间一般不超过5分钟。如果实验室的湿度很大，则起爆器的充电时间就相应缩短，放电也越快。每次试验完成后，一定要把高压起爆器内剩余的电荷放掉，否则时间长了，对起爆器会有损坏或影响其性能。

为了避免实验仪器如透镜和高速摄影仪等被爆炸后的碎块所破坏，同时也要尽可能的减少防护设备对实验结果造成的影响。在爆破源与透镜之间设置了3毫米厚的无应力氟化玻璃。

图4为应用于本发明实施例的透射式焦散线法的实验系统结构示意图。参看图4所示，透射式焦散线法的实验系统，包括：激光光源41、扩束镜42、场镜43、模型试件44、场镜45及高速摄影仪46的中心在一条直线上。焦散线方法使用设备虽然简单，但系统的调整却很繁琐，而且为保证实验的精确，每次试验前都需要对光路进行检查。其中，扩束镜42使激光均匀发散；场镜43产生平行光；场镜45将平行光聚焦投射到高速摄影仪46上。在调整光路时，要使投射到场镜43上的光强度及光场均匀。

在采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集的实施例中，采用数码高速摄影仪46，对参考平面处的光强变化过程进行拍摄，得到数码焦散斑照片。

在另一实施例中，所述在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集包括：在对所述炸药进行起爆的同时，利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。

实验原理：

（1）、电阻应变测量原理

这种电测方法是通过电阻应变片测定构件的应变，再根据应力应变关系确定应力状态。其中电阻应变片的工作原理是基于导体的“电阻—应变效应”，也就是利用导体的电阻随机械变形而变化的物理性质。

     （2）、电阻应变片的选择

由于本实验是测定在爆破荷载作用下的构件应变，应变变化频率高达几千至几兆赫，因此选用酚醛基底的箔式应变片，根据试件尺寸及材料最终确定选用101-BX120-1AA型号的应变片。

（3）、应变片的粘贴方法

用电测法测量应变的重要一环是把应变片牢固地粘贴在测点表面上，使应变片能够随试件一起变形。在常温下，贴片分为以下几步：

（31）选片。

（32）试件表面处理：用砂纸打磨应变片粘贴位置，一是为了去除表面涂层、油污和不平整，二是为了增加粘结力。最后用脱脂棉蘸酒精沿同一方向清洗贴片处。

（33）贴片：采用502胶粘贴应变片，因其固化很快，通常改为先将应变片定位，然后在应变片底面滴一点502胶，用玻璃纸轻压。

（34）干燥固化。

（35）接线：将导线与应变片通过端子焊在一起，最后再用万用表检查一下应变片的阻值（120Ω）。

(36)应变片的粘贴方案：图5为本发明一实施例中应变片在模拟巷道外围布置的结构示意图。参看图5所示，由于实验主要是探究爆破震动对巷道10周边原始裂纹的影响，应变片9的粘贴主要在裂纹尖端附近。因为在爆炸冲击波的作用下，在试件中会先后产生拉压应变，同时在横向也会有一定的应变，由此粘贴应变片时采用纵横两向的粘贴。

（4）、动态应变测量系统：

在进行动态应变测量时，由于动态应变随时间变化的特点，所以除应变仪外，还需另配记录显示的装置。由于该实验应变变化频率较高，为爆炸冲击波产生的瞬态应变，因此采用超动态应变测试仪。超动态应变仪是测量系统的核心部分，它将应变片的电阻变化信号转换成电压信号并根据需要进行放大，然后传递给记录显示仪器。它主要由三大部分，即同步触发部分，信号转换及放大部分和应变标定部分。

（5）、数据分析：

通过最终记录的应变波形了解爆破时巷道周边围岩受力情况，研究对周边围岩的损伤破坏。

由于上述实施例中粘贴应变片时采用纵横两向的粘贴方式，因此所述利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集包括：利用横向和纵向粘贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。

进一步地，该实施例中还可同时采用高速摄影技术研究爆破时巷道断裂破坏的整个过程，即用高速摄影仪对爆破时巷道裂纹起裂及扩展过程中不同时刻裂纹尖端的位置进行实时采集。

图6为用于本发明实验实施例的又一试块结构示意图。参看图6所示，在又一实施例中，所述在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集包括：所述在对所述炸药进行起爆的同时，采用设置在所述预制裂纹附近的声发射传感器50对所述预制裂纹30的声发射现象进行动态采集。试块采用人造石板材料。

所述采用设置在所述预制裂纹附近的声发射传感器对所述预制裂纹的声发射现象进行动态采集包括：采用设置在所述预制裂纹附近的声发射传感器对所述预制裂纹在爆炸荷载作用下的声发射现象进行动态采集；目的是观测由于爆破产生的声发射。

下面对本发明用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据进行举例说明。

在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据包括：根据焦散线实验记录下不同时刻裂纹尖端的位置，得到裂纹扩展距离与时间的关系曲线，并根据该关系曲线得出各个瞬时的裂纹扩展速度。

在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据包括：通过测量获得扩展裂纹尖端的焦散斑直径；通过测得的扩展裂纹尖端的焦散斑直径，确定不同时刻的动态应力强度因子并得出试件材料在裂纹刚刚起裂扩展时的临界应力强度因子。应力强度因子可反映不同时刻裂纹尖端的应力集中程度。

爆炸应力场中爆炸应力波分膨胀波和剪切波两种，爆炸应力波以这两种体波形式向外传播，膨胀波是一种压缩波，在裂纹处产生压缩或拉伸作用，而剪切波对介质产生剪切作用，所以，在这两种波的作用下，在介质内产生正应力和剪应力，即爆炸应力是复合应力场，在裂纹尖端产生的焦散线是复合型。

在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中，所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据包括：确定裂纹尖端的复合型裂纹动态裂纹强度因子；其中，所述的复合型裂纹动态裂纹强度因子根据下式确定：

                                          

式中：为沿裂纹方向的焦散斑最大直径；为参考平面到物体平面的距离；为材料的应力光学常数；为试件的有效厚度，对于透明材料，板的有效厚度即为板的实际厚度；为应力强度数值因子；为动态载荷作用下，复合型扩展裂纹尖端的Ⅰ型动态应力强度因子；为由裂纹扩展速度引起的修正因子，在具有实际意义的裂纹扩展速度下，其值约等于1。

实施例：

下面以焦散线方法对模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集为例对本发明作进一步的详细说明。

1．模型加工

参看图2至图3所示，试验模型材料为有机玻璃板，规格300mm×300mm×5mm。在板中部加工贯通的直墙拱形巷道，巷道下部为40mm20mm的半矩形，上部为半径20mm的半圆顶。

考虑到巷道受载时的应力集中区及易造成破坏点，在巷道周边不同位置预制不同倾角的7条弧线状的裂纹，裂纹由两条相同圆弧组成，圆弧对应半径为3mm，圆弧对应弦长为2mm，以此模拟巷道周边围岩的原始缺陷。为清晰解释，将裂纹从左下角依次顺时针编号1#—7#。

在巷道左侧加工直径为6mm的炮孔，且炮孔中心与巷道中心的间距L分别设为40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm和70mm，在炮孔内装入145mg叠氮化铅单质炸药，以此模拟不同间距邻近巷道爆破。有机玻璃的动态力学参数：=2320m/s，=1260m/s，=6.1GN/m²，=0.31，=85μm²/N。

2．试验结果与分析

2.1 试验结果

图7a-7d为根据本发明一实施例获得的炮孔与巷道间距不同时的群裂纹扩展图。图7a-7d所示为炮孔距巷道中心L为40mm、45mm、50mm、70mm时试验结果照片。由于爆炸应力波的作用，炮孔周围的群裂纹出现了不同程度的扩展。由图7a，L=40mm时，炮孔距巷道很近，在炮孔和巷道左壁间形成了较为严重的破碎区，炸药爆炸在炮孔附近产生的裂纹与1#、2#、3#裂纹贯穿。5#、7#裂纹扩展明显，分别达1.26cm、3.11cm，而4#、6#裂纹基本未扩展。当应力波传播到巷道左侧时，由于不同介质临界面的出现，应力波从巷道顶部和底部绕射到巷道右侧，然后与5#、7#预制裂纹相互作用，诱发其扩展。5#与7#裂纹扩展时耗散了部分能量，当应力波传播到6#裂纹时，尽管会有波的叠加，但此时应力波的能量已较小，因此6#裂纹扩展较小。由图7b，L=45mm时，巷道左侧出现了较严重破坏，1#裂纹、2#裂纹和3#裂纹均与炮孔周围的裂纹相互贯穿或接近贯穿。

综合图7a-7d中的试验结果，随着炮孔与巷道间距L增加，当L>45mm时，5#裂纹均不再出现明显扩展。因为7#裂纹处于巷道直角处，应力集中比5#裂纹处的大，且7#裂纹倾向为水平与应力波的切向垂直，所以有较大的扩展。1#裂纹、3#裂纹和4#裂纹，可能由于其所处位置及倾角影响，无论间距如何改变，裂纹几乎无扩展或扩展不明显。当L<45mm和L>65mm时，巷道左侧都会出现三角形状破坏区域，当L<45mm可能是由于炮孔与巷道间距较小，巷道距爆炸破碎区近，爆生气体起了关键作用；而当L>65mm时，爆生气体只是使炮孔周围产生了较小的裂纹，应力波起了关键作用，而当在两者之间时，爆生气体会在炮孔周围诱发各种较大裂纹，但不足以影响巷道的周边，而应力波会使被诱发的随机裂纹扩展。

2.2 群裂纹扩展规律

图8a-8b为根据本发明一实施例获得的裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹尖端位移以及速度随时间的变化规律（L=45mm）示意图。参看图8a所示，为L=45mm时，裂纹2#、5#、6#、7#尖端的动态应力强度因子变化规律。2#裂纹，20μs后，开始由零逐渐增大，能量释放率急剧增加，35μs时，值达到峰值2.27MN/m^3/2，之后开始减小，在40μs时，裂纹扩展到接近炮孔位置，无法观测到焦散斑。对于5#裂纹，33.33μs后，开始由零逐渐增大，53.33μs时，达到第一个峰值0.86 MN/m^3/2，之后振荡减小后增大，当140μs时，达到第二个峰值0.95 MN/m^3/2，随后振荡减小。对于6#裂纹和7#裂纹，的变化趋势基本一致，都在开始时振荡着增加，在大约145μs左右分别达到第一个峰值1.20 MN/m^3/2和1.25 MN/m^3/2，之后开始振荡减小，7#裂纹和6#裂纹相继达到谷值0.69 MN/m^3/2和0.76 MN/m^3/2，然后振荡增加分别达到第二个峰值1.27 MN/m^3/2和1.09 MN/m^3/2，之后振荡减小。动态应力强度因子的变化趋势基本呈现先振荡增大到峰值，后减小，然后再增大到第二个峰值，最后振荡减小到零的规律，且当裂纹最终扩展位移越小时，这种规律越明显，可能由于两方面的原因：一是裂纹的形状，二是能量释放率。当裂纹由于所处位置以及倾角而导致裂纹扩展位移较小时的情况，裂纹的形状对这种规律起主导作用，且规律较明显，因为此时的能量释放率较低，能量释放率不仅要克服裂纹尖端的裂纹扩展阻力，同时在裂纹拐点处也要消耗部分，这对于相对较小的能量释放率来说，显得较明显，故出现较明显的规律；而当扩展位移较大时，如6#裂纹，当裂纹扩展时，积累的能量得以释放，能量释放率多于裂纹扩展阻力的部分转化为裂纹扩展动能，由于能量释放率较大，因此，拐点处消耗的能量相对较小，动态强度因子变化曲线中出现了短暂的谷值。且对于不同位置不同倾角的裂纹，动态应力强度因子平均大小也存在差异，这与裂纹所处位置及倾角有较大关系，决定了裂纹的扩展的最终位移。

图8b为L=45mm时，裂纹尖端位移和速度变化曲线。2#裂纹起裂后，扩展速度急剧增加，裂纹尖端位移迅速增大，很快扩展到炮孔位置，与炮孔贯穿，这与裂纹距巷道较近以及裂纹沿水平方向有直接关系。5#裂纹、6#裂纹和7#裂纹扩展位移曲线存在一段时间内位移不变和裂纹扩展速度为零的现象，主要由于裂纹由两个圆弧组成，当能量释放率较小时，在拐点处也会造成能量的损失，无法再使裂纹尖端扩展。另外由于6#裂纹与7#裂纹水平倾角为零，与应力波的切线方向垂直，在切线方向上产生较大的拉应力，使裂纹扩展较大。6#裂纹与7#裂纹裂纹扩展速度振荡曲线变化基本一致。6#裂纹扩展位移最大，其次7#裂纹，再次5#裂纹；而对于裂纹扩展速度，2#裂纹最大，其次6#裂纹，再次7#裂纹，最后5#裂纹，这充分证明当受到爆炸冲击荷载时，巷道周边预制裂纹受到的影响随裂纹所在位置及裂纹倾角的不同而不同。

2.3 炮孔与巷道间距L对裂纹扩展的影响规律

从图8a中，可看到随L增大，动态强度因子随时间变化曲线基本一致，t=66.67μs，6#裂纹的动态应力强度因子均分别达到第一个峰值0.67 MN/m^3/2、0.39 MN/m^3/2和0.42 MN/m^3/2， t=80μs左右，分别达到第一个谷值0.12 MN/m^3/2、0.06 MN/m^3/2和0.11 MN/m^3/2，这是由于预制裂纹是两个圆弧组成，存在拐点，在爆炸初始阶段能量积累较小时，由于裂纹拐点的能量消耗以及裂纹轻微扩展引起的能量释放，导致了动态应力强度因子第一个谷值的出现，使能量释放率低于了裂纹扩展阻力。之后由于裂纹停止扩展，能量开始积累，动态应力强度因子出现快速振荡增加，t=146.67μs左右时，分别达到第二个峰值1.2 MN/m^3/2、1.39 MN/m^3/2和0.85 MN/m^3/2，之后由于裂纹扩展引起较大能量的释放，再次出现谷值，但随后由于能量释放率的增加，动态应力强度因子开始振荡着增加，之后随着裂纹扩展引起的能量消耗，又逐渐振荡减小到零。

如图8a所示，随着L增加，动态应力强度因子的平均值逐渐减小，对于速度曲线，如图8b所示，与动态应力强度因子的变化曲线类似，说明动态应力强度因子与裂纹扩展速度具有一致性，进一步说明图8b所示扩展位移随L增大，裂纹扩展位移减小的规律，扩展位移分别为：L=45mm时，扩展位移35.4mm；L=50mm时，扩展位移17.1mm；L=55mm时，扩展位移4.5mm；当L>65mm时，扩展几乎接近零。由以上分析可知，随L增大，裂纹扩展位移逐渐减小。通过图7b-7d也可以清晰地看到爆炸加载后6裂纹的扩展情况。

2.4综合分析

上述对L=45mm时，不同位置不同倾角群裂纹扩展情况的分析，验证了在应力波作用下，切向拉伸，径向扩张的原理，同时并行巷道开挖确定加固方案时，可采用不同位置，不同加固的思想，以节约成本。对炮孔距巷道不同间距的爆破现象典型裂纹的研究分析，得出随着间距的增加，绕射到巷道右侧的能量减少，导致预制裂纹扩展逐渐减小。因此，在实际工程中，当出现并行巷道或在邻近巷道一侧开挖时，应合理的设计巷道间距，防止意外发生。当L>60mm时，巷道右侧裂纹不再扩展，而左侧在1#裂纹与2#裂纹间形成三角形状破坏。当L<45mm时，巷道左侧也产生三角形状破坏，而右侧5#、7#裂纹扩展较明显，6#裂纹扩展相对不明显。因此，在并行巷道开挖时，尤其在靠近正在爆破开挖巷道一侧的巷道围岩存在明显原始缺陷时，在新巷道开挖前，必须加强支护，以防止三角形状破坏。爆破荷载对邻近巷道围岩原始缺陷具有较大影响，在施工过程中应该对这个部位进行重点监控，同时，在现实情况下，应通过一定的检测，合理的设计支护方案，尤其存在较大断层及裂隙的围岩，以避免爆破或地震等动荷载，对巷道围岩造成破坏。

3 结论

(1)当炮孔与巷道中心间距L不变时，预制裂纹扩展情况随裂纹所在位置及倾角不同而不同，其中以2#裂纹和6#裂纹的扩展现象较为明显。当L改变时，1#、3#和4#裂纹基本未扩展。

(2)当L变化时，除 L=40mm时由于5#和7#裂纹扩展分担较大能量导致6#裂纹扩展较小外，随L增大，6#裂纹扩展位移呈现逐渐减小规律。

(3)当L<45mm或L>60mm时，在巷道左侧出现三角形破坏，且均为2#裂纹迅速向炮孔处扩展，而炮孔处出现裂纹向1#或3#裂纹扩展造成。

(4)存在拐点的弧线预制裂纹，当能量释放率较小时，会导致动态应力强度因子出现谷值，裂纹扩展出现短暂止裂；当能量释放率较大时，也会影响动态应力强度因子，但影响不再明显，使位移曲线呈现扩展-止裂-快速扩展-止裂的规律。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种用于模拟钻爆法施工巷道诱发临近巷道围岩破坏的实验方法，其特征在于，包括：

在试块的局部位置处预制模拟巷道，并在所述模拟巷道轮廓的预定位置处形成预制裂纹；

在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装设炸药；

对所述炸药进行起爆以对所述模拟巷道进行爆破，在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集；

对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边断裂损伤破坏的影响数据；其中

所述在试块的局部位置处开设模拟巷道包括：在尺寸为300mm×300mm×5mm的有机玻璃板，或尺寸为300mm                                                300mm6mm 的人造石板的局部位置处预制模拟巷道；其中，所述模拟巷道下部为40mm20mm的半矩形，上部为半径20mm的半圆顶；

所述在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边预制裂纹群的断裂损伤状况进行动态采集包括：在对所述炸药进行起爆的同时，采用数码高速摄影仪，对参考平面处的光强变化过程进行拍摄，得到数码焦散斑照片；

所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据包括：确定裂纹尖端的复合型裂纹动态裂纹强度因子；其中，所述的复合型裂纹动态裂纹强度因子根据下式确定： 

                                          

式中：为沿裂纹方向的焦散斑最大直径；为参考平面到物体平面的距离；为材料的应力光学常数；为试件的有效厚度，对于透明材料，板的有效厚度即为板的实际厚度；为应力强度数值因子；为动态载荷作用下，复合型扩展裂纹尖端的Ⅰ型动态应力强度因子；为由裂纹扩展速度引起的修正因子，在具有实际意义的裂纹扩展速度下，其值约等于1。

2.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述在所述模拟巷道周边的预定位置处预制裂纹包括：

在所述模拟巷道的顶部形成预制裂纹，以及在所述模拟巷道的侧壁上靠近模拟巷道底部和肩部的位置处也分别形成预制裂纹；并且，所述预制裂纹自所述模拟巷道周边朝向远离所述模拟巷道中心的方向延伸。

3.根据权利要求2所述的实验方法，其特征在于，所形成的每条预制裂纹各自由两条朝向不同方向弯曲的圆弧连接而成。

4.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，形成所述预制裂纹的每条圆弧的半径为3mm，弦长为2mm。

5.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装设炸药包括：

在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔，在所述试块的背面正对所述炮孔的位置处粘贴一透明贴块；在所述炮孔内装填炸药。

6.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于，当所述试块采用尺寸为300mm×300mm×5mm的有机玻璃板时，所述贴块采用尺寸为大于炮孔尺寸，且为透明胶带；

当所述试块采用尺寸为300mm300mm6mm 的人造石板时，所述贴块采用尺寸为大于炮孔尺寸，且为透明胶带。

7.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，

所述炮孔的直径为6mm，且炮孔中心与模拟巷道中心的间距为40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm或70mm。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，所述装设炸药包括：在所述炮孔内装入145mg的叠氮化铅单质炸药。

9.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述在对所述炸药进行起爆的同时，对所述模拟巷道周边预制裂纹群的断裂损伤状况进行动态采集包括：

在对所述炸药进行起爆的同时，利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。

10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于，所述利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集包括：

利用横向或纵向粘贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪，对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。

11.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据包括：

根据焦散线实验记录下不同时刻裂纹尖端的位置，得到裂纹扩展距离与时间的关系曲线，并根据该关系曲线得出各个瞬时的裂纹扩展速度。

12.根据权利要求1所述的实验方法，其特征在于，所述对采集的所述模拟巷道周边预制裂纹群的断裂损伤状况进行分析，获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的影响数据包括：

通过测量获得扩展裂纹尖端的焦散斑直径；

通过测得的扩展裂纹尖端的焦散斑直径，确定不同时刻的动态应力强度因子并得出试件材料在裂纹刚刚起裂扩展时的临界应力强度因子。