CN114754648B - 一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法，包括如下步骤：步骤（1）：收集爆破岩体和保护对象的工程地质资料；步骤（2）：利用炮孔内炸药爆破冲击压力理论公式计算得到理论值；步骤（3）：确定爆破岩体和保护对象不同区域对应力波传播的衰减指数；步骤（4）：计算岩石爆破炮孔近区裂隙圈范围；步骤（5）：计算确定保护对象内部应力场之间的关系；步骤（6）：确定最大保护柱的厚度；步骤（7）：计算保护对象的破坏损伤情况及爆破岩体的破碎情况；步骤（8）：根据实际要求最终确定保护柱厚度。应用本技术方案可实现针对实际保护对象和具体的工程地质条件计算确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度。

Description

一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法
技术领域
本发明涉及爆破技术领域，特别是一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法。
背景技术
随着我国城市化与工业化的快速推进，城市内各种复杂环境下，如居民区和医院等人口密集区附近以及加油站、铁路、高速公路等高危或国家重要保护对象附近的岩土爆破项目数量增加迅速。同时在资源富集区域，随着深部矿产资源的不断开采，矿山为维护地压对采空区进行充填，针对充填体的保护也日趋重要。如何在高危或国家重要保护对象附近进行安全高效的保护性爆破开挖，成为设计施工方、安全监管部门等的重中之重。
在爆破过程中，爆破岩体-被保护对象界面是工程结构的薄弱环节，也是爆破动态效应控制的关键环节。爆破产生的爆炸应力波及爆破振动等都将在该界面上发生复杂的折反射和衰减效应，从而在很大程度上改变爆炸应力波及爆破振动的传播特性和载荷强度。针对保护对象，爆破施工通常采用在保护体侧设计保护柱的方式来达到平衡保护对象损伤、减小爆破振动和稳定爆区的目的。但保护柱的厚度直接决定了整体爆破项目的施工效率。但现有技术确定保护柱厚度的方法无法确保爆破对复杂环境下的保护对象安全性与稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法，实现针对实际保护对象和具体的工程地质条件计算确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：收集爆破岩体和保护对象的工程地质资料，获取炸药参数、爆破岩体和保护对象的抗压强度σc、抗拉强度σt和岩石力学参数；
步骤(2)：利用炮孔内炸药爆破冲击压力理论公式计算得到理论值，并辅以高速多路动态应变测试系统进行孔壁冲击压力测试实验，综合计算得到孔壁及孔底的入射压力；
步骤(3)：利用地震波在传递过程中呈指数衰减规律，通过高速多路动态应变测试系统测试和计算确定爆破岩体和保护对象不同区域对应力波传播的衰减指数；
步骤(4)：根据岩体抗压抗拉强度，计算得到临近保护体的岩石爆破炮孔近区裂隙圈范围；
步骤(5)：通过爆破岩体和保护对象力学性质关系，计算确定爆破岩体侧边界任意点应力场同保护对象内部应力场之间的关系；
步骤(6)：根据保护对象的抗拉强度及抗压强度确定最大保护柱的厚度；
步骤(7)：根据现场实际情况，在最大保护柱厚度与裂隙圈范围之间，确定多组保护柱厚度，并根据不同保护柱厚度，计算保护对象的破坏损伤情况及爆破岩体的破碎情况；
步骤(8)：根据实际要求最终确定保护柱厚度。
在一较佳的实施例中：在步骤(1)中,炸药参数包括密度和爆速关键技术指标。
在一较佳的实施例中：在步骤(2)中,根据炸药参数包括密度和爆速关键技术指标计算炮孔内炸药爆破冲击压力，并通过应变测试系统测试得到的动态应变信号计算修正。
在一较佳的实施例中：在步骤(3)中，地震波在传递过程中的衰减规律同岩石岩性与孔壁峰值压力p2有关，在传递过程中遵循指数衰减规律，定量体现为
Figure GDA0004057182310000031
α和岩石损伤性质以及岩石波阻抗有关；
在一较佳的实施例中：在步骤(4)中，根据岩体的动态最大抗拉强度等于考虑围压作用下的横向应力和抗拉强度叠加得到动态最大抗拉强度，根据爆破岩体的动态最大抗拉强度等于径向峰值应力得到对应岩石爆破炮孔近区裂隙圈范围；
在一较佳的实施例中：在步骤(6)和步骤(7)中，根据保护对象内部应力场反推计算得到对应的的多组保护柱厚度。
在一较佳的实施例中：所述岩石力学参数具体包括被爆岩体以及被保护对象的密度、波阻抗、赋存深度即地应力大小、抗拉抗压抗剪强度、泊松比及岩石质量指标和炸药的爆速、密度、波阻抗及感度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本申请首先通过多通道冲击测试仪，初步测得炮孔内部初始峰值冲击压力；基于此明确爆破岩体内部各点应力波衰减规律的初始值，同时能够得到不同区域应力波的衰减指数，以此得到各区域任意一点的应力场。根据破坏准则得到被保护对象损伤同保护柱厚度的关系。
由于该方法在确定保护矿柱厚度时，采用的反推定量计算取值，可以定量的分析爆破危害效应而不是采用经验取值法，对于各类复杂情况下确定保护柱厚度有着指导意义。
附图说明
图1为本发明优选实施例的高速多路动态应变测试系统；
图2为本发明优选实施例的岩组岩石物理力学试验成果表；
图3为本发明优选实施例的炮孔裂隙圈、保护柱及保护对象示意图；
图4为本发明优选实施例的工程实例示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
参考图1至4，一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：收集爆破岩体和保护对象的工程地质资料，获取炸药参数、爆破岩体和保护对象的抗压强度σc、抗拉强度σt和岩石力学参数；所述岩石力学参数具体包括被爆岩体以及被保护对象的密度、波阻抗、赋存深度即地应力大小、抗拉抗压抗剪强度、泊松比及岩石质量指标和炸药的爆速、密度、波阻抗及感度。
内蒙古某矿矿区，资源储量估算范围面积2.28km2，矿体赋矿标高399.44至1050.72m，矿区内土石裸露，植被稀疏，常见有沙蒿、白剌、沙拐枣和碱蒿等，呈现了荒漠草原的自然地理景观。
针对工程实例设计所在的630中段4406采场，矿岩赋存高度为630至664m。所在区域的岩性、物质成分、成层条件及其厚度的变化，构造作用对岩石的破坏程度，划分2个工程地质岩组。
1.片岩岩组
主要分布于东升庙倒转背斜的核部及南北两翼，层状结构，由绿泥绢云石英片岩、石墨绢云片岩、绢云石墨片岩、二云石英片岩及混合质眼球状二云片岩等组成。厚度95～418m，平均厚度226m。地表裂隙发育，倾向为218°∠82°，341°∠66°属坚硬、半坚硬岩石。其中绢云石墨片岩为主矿体的直接顶底板，比重3.02，密度2.91g/cm3，软化系数2.91，抗压强度37.6(饱和)～50.5(干)Mpa,抗拉强度6.1(饱和)～9.2(干)Mpa,抗剪强度(凝聚力)0.83Mpa。RQD＝56～94％,平均为77.8％,岩石质量等级为好的，岩体较完整。岩体质量指标M＝0.15,岩体质量为Ⅲ级，岩体质量中等。
2.白云石大理岩岩组
区内普遍发育，夹有矿体、绢云石墨片岩，块状－层状结构，平均厚度300余米,地表裂隙发育，倾向为75°∠80°，220°∠76°,岩石坚硬，少数为半坚硬岩石。该岩组为含矿岩层的顶底板，比重2.73～2.90，密度2.67～2.85/cm3，软化系数0.16～0.94，抗压强度饱和21.8～52.4Mpa；干基40.1～136.3Mpa,抗拉强度饱和3.8～8.8Mpa；干基7.9～12.7Mpa,,抗剪强度(凝聚力)0.98～13.91Mpa。RQD＝67.9％,岩石质量等级为Ⅲ级，岩体完整性中等。岩体质量指标M＝0.09,岩体质量为Ⅳ级，岩体质量差。
步骤(2)：利用炮孔内炸药爆破冲击压力理论公式计算得到理论值，并辅以高速多路动态应变测试系统进行孔壁冲击压力测试实验，综合计算得到孔壁及孔底的入射压力；在本实施例中，采用KD60009A型应变放大器和Blast-Ultra多通道冲击测试仪组成测试采集装置数据导入TD-View软件实现试验数据分析，得到峰值测试压力，与理论计算值误差在允许范围内，可继续采用理论值计算。
在耦合装药条件下炸药爆炸后，高温高压气体迅速膨胀并冲击孔壁，在孔壁上形成一作用力很大的压力圈，其压力值根据声学近似理论可推得：
Figure GDA0004057182310000061
式中，ρCp为岩石波阻抗，其中ρ为岩石密度，取均值ρ＝2945kg/m3，Cp为岩石中纵波传播速度，Cp＝3428.57m/s；ρ0D为炸药波阻抗，其中ρ0为炸药密度，ρ0＝900kg/m3，D为炸药爆速，计算取D＝2600m/s；
P0为炸药爆轰压力，由此可得其值为
Figure GDA0004057182310000062
由此可得，炮孔中炸药爆炸在孔壁(底)产生的冲击压力为
Figure GDA0004057182310000071
步骤(3)：利用地震波在传递过程中呈指数衰减规律，通过高速多路动态应变测试系统测试和计算确定爆破岩体和保护对象不同区域对应力波传播的衰减指数；
根据损伤参量及应力波在岩石中的衰减规律，可推得裂隙岩石中任一点引起的径向应力和切向应力的衰减规律为：
Figure GDA0004057182310000072
σθ＝-b(D)σr
Figure GDA0004057182310000073
式中，σr为径向应力峰值，MPa；σθ为切向应力峰值，MPa；Pd为透射入岩石中的冲击波初始压力，MPa；
Figure GDA0004057182310000076
为比距离，
Figure GDA0004057182310000077
r为计算点距爆源的距离，m；rb为装药半径，取0.076m和0.090m；α为爆炸波衰减指数，对于冲击波作用区域测得α1＝2.3889，对于应力波作用区域可取为α2＝1.6111，保护体内应力波衰减系数为α3＝2；μa为岩石的动态泊松比,取μa＝0.8μ＝0.8×0.35＝0.28；Cd为损伤引起的裂纹密度,均值岩体时取Cd＝0；
步骤(4)：根据岩体抗压抗拉强度，计算得到临近保护体的岩石爆破炮孔近区裂隙圈范围；
根据Mises准则及损伤定义，如果满足
Figure GDA0004057182310000074
Figure GDA0004057182310000075
式中，σ0——为岩石的单轴受力条件下的破坏强度，Mpa；σcd——为岩石的单轴动态抗压强度，Mpa；σtd——为岩石的单轴动态抗拉强度，Mpa；
取4406采场所在深度630—660米中间值，取h＝645mσH—为初始围压应力σH＝γ×h＝5.4MPa
根据实验得到围压作用下抗压强度σc与围压σH的表达式为
σc＝σ0+3.90σH＝60.7+3.9×5.4＝81.76MPa
抗拉强度σt与围压σH的表达式为
σt＝σ0+0.36σH＝9.65+0.3×5.4＝11.27MPa
岩石动态强度与静态强度之间的关系：
Figure GDA0004057182310000081
由σc＝81.76MPa，ε＝102～104s-1,σt＝11.27MPa
Figure GDA0004057182310000082
步骤(5)：通过爆破岩体和保护对象力学性质关系，计算确定爆破岩体侧边界任意点应力场同保护对象内部应力场之间的关系；
爆破岩体-被保护对象介质面透反射损耗得到入射应力与投射应力满足
Figure GDA0004057182310000083
岩体ρr＝2945kg/m3Cpr＝3428.57m/s充填体纵波速度测得Cpc＝1700m/s
透射系数β＝1.53。
步骤(6)：根据保护对象的抗拉强度及抗压强度确定最大保护柱的厚度见图3；具体根据步骤(4)中得到的裂隙圈范围得到保护柱的最小厚度，根据步骤(5)中得到的保护侧边应力和被保护对象的抗拉强度来确定保护柱的最大厚度，在最大和最小厚度中取多组值进行计算步骤(7)。
步骤(7)：根据现场实际情况，在最大保护柱厚度与裂隙圈范围之间，确定多组保护柱厚度，并根据不同保护柱厚度，计算保护对象的破坏损伤情况及爆破岩体的破碎情况，见图4；
步骤(8)：根据实际要求最终确定保护柱厚度。
76mm炮孔保护矿柱厚度n1＝1.15m，
保护体裂隙及损伤厚度n2＝1.58m，n3＝1.74～2.05m，n4＝1.56m，
90mm炮孔保护矿柱厚度n1＝1.32m，
保护体裂隙及损伤厚度n2＝1.82m，n3＝1.88～2.02m，n4＝1.8m。
在步骤(1)中,炸药参数包括密度和爆速关键技术指标。
在步骤(2)中,根据炸药参数包括密度和爆速关键技术指标计算炮孔内炸药爆破冲击压力，并通过应变测试系统测试得到的动态应变信号计算修正。
在步骤(3)中，地震波在传递过程中的衰减规律同岩石岩性与孔壁峰值压力p2有关，在传递过程中遵循指数衰减规律，定量体现为
Figure GDA0004057182310000091
α和岩石损伤性质以及岩石波阻抗有关；
在步骤(4)中，根据岩体的动态最大抗拉强度等于考虑围压作用下的横向应力和抗拉强度叠加得到动态最大抗拉强度，根据爆破岩体的动态最大抗拉强度等于径向峰值应力得到对应岩石爆破炮孔近区裂隙圈范围；
在步骤(6)和步骤(7)中，根据保护对象内部应力场反推计算得到对应的的多组保护柱厚度。

Claims (3)

1.一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：收集爆破岩体和保护对象的工程地质资料，获取炸药参数、爆破岩体和保护对象的抗压强度σc、抗拉强度σt和岩石力学参数；
步骤(2)：利用炮孔内炸药爆破冲击压力理论公式计算得到理论值，并辅以高速多路动态应变测试系统进行孔壁冲击压力测试实验，综合计算得到孔壁及孔底的入射压力；
步骤(3)：利用地震波在传递过程中呈指数衰减规律，通过高速多路动态应变测试系统测试和计算确定爆破岩体和保护对象不同区域对应力波传播的衰减指数；
步骤(4)：根据岩体抗压抗拉强度，计算得到临近保护体的岩石爆破炮孔近区裂隙圈范围；
步骤(5)：通过爆破岩体和保护对象力学性质关系，计算确定爆破岩体侧边界任意点应力场同保护对象内部应力场之间的关系；
步骤(6)：根据保护对象的抗拉强度及抗压强度确定最大保护柱的厚度；
步骤(7)：根据现场实际情况，在最大保护柱厚度与裂隙圈范围之间，确定多组保护柱厚度，并根据不同保护柱厚度，计算保护对象的破坏损伤情况及爆破岩体的破碎情况；
步骤(8)：根据实际要求最终确定保护柱厚度；
在步骤(2)中,根据炸药参数包括密度和爆速关键技术指标计算炮孔内炸药爆破冲击压力，并通过高速多路动态应变测试系统测试得到的动态应变信号计算修正；炮孔内炸药爆破冲击压力值根据声学近似理论推得：
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
式中，ρCp为岩石波阻抗，其中ρ为岩石密度，Cp为岩石中纵波传播速度，ρ0D为炸药波阻抗，ρ0为炸药密度，D为炸药爆速；P0为炸药爆轰压力；
在步骤(3)中，地震波在传递过程中的衰减规律同岩石岩性与孔壁峰值压力p2有关，在传递过程中遵循指数衰减规律，定量体现为
Figure QLYQS_3
α和岩石损伤性质以及岩石波阻抗有关；ρ是地震波传播介质的密度，σr是径向应力，rb是装药半径，r为计算点到爆源的距离，α为衰减指数，ρCp为介质的波阻抗；
在步骤(4)中，根据岩体的动态最大抗拉强度等于考虑围压作用下的横向应力和抗拉强度叠加得到动态最大抗拉强度，根据爆破岩体的动态最大抗拉强度等于径向峰值应力得到对应岩石爆破炮孔近区裂隙圈范围；
步骤(6)具体为：根据保护对象的抗拉强度及抗压强度确定最大保护柱的厚度；具体根据步骤(4)中得到的裂隙圈范围得到保护柱的最小厚度，根据步骤(5)中得到的保护侧边应力和被保护对象的抗拉强度来确定保护柱的最大厚度，在最大和最小厚度中取多组值进行计算步骤(7)。
2.根据权利要求1所述的一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法，其特征在于：在步骤(1)中,炸药参数包括密度和爆速关键技术指标。
3.根据权利要求1所述的一种确定岩石爆破时临近保护体侧的保护柱厚度的方法，其特征在于：所述岩石力学参数具体包括被爆岩体以及被保护对象的密度、波阻抗、赋存深度即地应力大小、抗拉抗压抗剪强度、泊松比及岩石质量指标和炸药的爆速、密度、波阻抗及感度。
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