摘要: 从研究爆破应力波的远区传播机理和确定其破岩效应出发，介绍了爆炸应力波的传播及其破岩效应研究从简单到复杂、从理想化材料到尽可能与现实实际相吻合的材料、从近到远的研究历程, 高清中国viad及其各阶段取得成果与不足。认为目前的研究已由过去尽量简化岩性 ( 弹性均质体 )和爆源 (球状药包 ), 向尽量反应爆炸与装药结构特征、反应岩体现状与本性的方向发展；由以破岩为目的, 向爆破后续的安全问题发展。并为研究爆破对保留岩体的影响及其稳定性, 提出了今后应加强工作的具体意见。 关键词: 爆破应力波；传播机理；岩体稳定
Abstract: From the far region of the blasting stress wave propagation mechanism and determine the effect of rock fragmentation, this paper introduces the explosion stress wave propagation and its effect of rock fragmentation should study from simple to complex, from the ideal material to as much as possible, in conformity with the actual reality, from near to far, studying process, and its various stages. The results and shortage believe that the curr
ent study has been developed from the past try to simplify the litho logy (elastic isotropic body) (spherical cartridge), an explosive source and to try to reflect the features of blast explosion and charge structure, the present situation in the reaction of rock mass and the nature of the direction of development; By for the purpose of broken rock, subsequent to the blasting safety development.
keywords：blasting stress wave; mechanism of propagation; stability of mass rock
1 引 言
在岩体中爆炸三聚氰胺树脂，引起周围介质扰动，并以波的形式向外传播。在爆破近区传播的是冲击波，中区是应力波六和，远区则是弹性波，即通常所说的爆破地震波，它实际上仍是一种弱应力波 [1, 2] 。因此爆破应力波对远区岩体已不再产生直接破坏和连续变形，但会造成远区岩体原有裂隙扩展和局部损伤，从而降低保留岩石的强度和稳定性。爆破应力波的传播机理和效应是研究爆破破岩为主所不必涉及的范围，却是研究爆后保留岩石的稳定性，研究软、破岩带地下工程受邻近爆破作业的影响程度所必须考虑的问题，因此越来越为工程爆破、岩土力学和采矿工程界所重视。 2 爆炸应力波在岩体中的传播特性
爆炸对周围介质的作用可看作是波动力学过程，可视为应力波在介质中的传播和对介质的扰动[3] 。所以要了解爆炸应力波在远区的破岩作用，就应了解其在岩体中的传播特性。
对此国内外学者做了大量工作，如文献 [4] 曾进行大量岩石冲击试验，讨论应力波传播衰减规律；文献 [5] 在研究岩石冲击压缩之后，数字阵列雷达又扩展到脆性材料的冲击性能研究；文献 [6] 给出了峰值压力与传播距离的关系；朱瑞赓等人[7] 利用岩体中爆炸应力波参数的现场试验，研究爆炸与冲击等等。近年研究已由过去尽量简化岩性 (弹性均质体) 和爆源 (球状药包)，向尽量反应爆炸与装药结构特征、反应岩体现状与本性的方向发展。李夕兵等[8, 9] 研究了岩体软弱结构面对应力波传播的影响，认为在工程实际中应针对不同的地质构造和岩体特征，来选择爆破参数，才能获得好的爆破效果。齐金铎[10]介绍了国外裂隙岩体爆破理论研究的最新成果，认为应力波与结构面的相互作用是裂隙岩体破碎的主要因素，爆炸气体膨胀压对岩石的破碎作用很小。席道瑛等人sari病例[11]研究了饱和多孔岩石对应力波的衰减特性, 认为应力波的衰减与孔隙度具有良好的线性关系。崔新壮、陈士海等人[12]就
裂隙岩体对应力波的衰减规律进行了研究, 认为应力波在裂隙岩体中传播, 由于裂隙作用会造成局部应力集中、过度破碎和后续传递能量减小, 造成裂隙岩体比均质岩体能量衰减快。龚敏、于亚伦[13]利用全息动光弹研究了非均质层状模型在有、无弱面条件下线型载荷应力波的传播特性, 证实应力波通过不连续面时将发生衍射。郭文章等人[14]研究了岩体节理对爆破作用的影响, 认为岩体节理的存在使爆炸应力波场更加复杂, 使爆炸应力衰减明显。崔新壮、李卫民等人[15]引入损伤力学来定量描述天然岩体中所含大量裂隙、节理等缺陷的尺寸和数目, 从而研究这些缺陷在爆破中, 对应力波的衰减作用。赵坚等人[16]用 UDEC模拟, 研究了爆炸应力波在节理岩体中的传播, 认为岩体节理的存在使波衰减很快, 同时刚度较低的节理能造成较多的反射波, 因此产生波的衰减更大。
上述研究多是得出定性结论, 它揭示了应力波在复杂岩体中传播的基本规律, 但对定量准确描述仍有一定距离, 即使是有的给出了一些理论推导定量计算公式, 但它的普适性不强, 以至常出现改变应用地点, 计算数值与经验和实测数值间有较大差距。毕竟岩石是一种复杂介质, 使其力学性能的研究, 尤其是动态力学性能的研究, 无论在广度、还是深度上, 都远不及金属材料完善。正是由于这一原因, 有关裂隙岩体应力波传播方面的研究仍处在探索阶段。
因此目前对应力波在岩体中的衰减计算, 较为普遍认可的仍是采用简化近似、经验统计公式进行计算, 它们在符合爆炸应力波衰减基本规律的基础上配置一些拟合参数, 且拟合参数取值往往较为宽泛, 使计算公式适应性强, 常能满足工程应用的一般要求。这在文献 [ 2, 26~ 28]等中均有推荐。
3 爆炸应力波的破岩特征
爆炸应力波的破岩作用过程, 是一个相当复杂的动力学过程。爆炸的初期其高温高压强烈的作用在岩石上, 使药包周围岩石被极度压碎, 形成粉碎区, 此时主要表现为强冲击波的超高压对岩石施加冲击压缩破坏效应。粉碎区范围很小, 却消耗了冲击波的大部分能量, 使冲击波衰减成压应力波。压应力波继续在岩石中沿径向传播, 对孔壁的径向方向产生压应力和压缩变形, 而切向方向产生拉应力和拉伸变形; 由于岩石的抗拉强度远低于其抗压强度, 因此受拉破坏所形成的裂隙区远大于受压破坏的压坏区。
目前人们对爆炸应力波的破岩过程有了进一步的认识, 尤其将爆炸应力波破岩分为了冲击波作用阶段、强应力波和弱应力波作用阶段。在计算各阶段破坏区范围时, 虽仍将岩体视为均质、各向同性的弹性体, 但由于各阶段的动力强度不同, 岩体性质和实际受力状况不同, 因
此其破坏形式和破坏范围不同; 材料破坏所遵循的破坏准则不同, 计算方法不同。这类计算在借鉴各种材料破坏计算方法的同时, 计入了爆炸应力波衰减和岩石性质特征, 因此在使用条件满足的情况下往往与实际数值有了很大的逼近, 能达到工程应用的要求。这方面王文龙[ 2]、张奇[ 32]、宗琦[ 33]、戴俊[ 34 ]、徐颖[ 35]等作了大量的工作, 取得众多成果, 对理论研究和工程设计有着重要的指导意义。但这类计算毕竟没有考虑岩石中实际存在的大量节理、裂隙、孔洞、裂纹等缺陷, 而这些岩石缺陷对爆破的破岩作用产生着极大的影响, 使这类计算的应用存在很大的局限性。
因此, 在定量计算中进一步考虑岩石的固有特性, 已成为这类研究的一大热门课题。对此, 陈静曦[36]通过对应力波作用下岩石断裂相关因素分析,指出应力波作用于岩石类含原生裂隙材料, 会使原生裂隙扩展、贯穿, 形成网状裂纹分布带; 应力波与岩石中的缺陷相遇, 会产生波的反射、透射和折射,在裂纹尖端还会出现衍射; 应力波在裂纹处会引起应力场变化, 尤其在裂尖出现应力场骤增, 岩石破裂是局部应力集中所致。吴刚、孙钧[37]通过裂隙岩体模型的卸荷破坏试验, 研究了裂隙岩体在卸荷条件下的变形破坏特性,认为卸荷与加荷一样均可导致岩体的破坏失稳; 岩体的变形及破坏强度与其加、卸载历史密切相关; 卸荷方式不同,
导致岩体的变形破坏特征不同。张大林等[38]利用 Monte Carlo技术模拟岩体的节理裂隙分布的网路结构, 运用断裂力学理论分析岩体在爆破作用下其节理裂隙的起裂、扩展和止裂, 并绘制了节理岩体爆破后的裂隙结构网路图。李浩、陶振宇[39]菅直人通过分析岩石在压应力作用下裂纹的扩展, 指出了目前几种常用的岩石中, 平面分支裂纹尖端应力强度因子的近似解析式所存在的问题, 同时给出了应力强度因子的较为简便且合理的近似表达式。张志呈[40, 41]运用断裂力学理论和光弹试验, 研究了岩石爆破裂纹的起裂、扩展、分岔和止裂, 认为岩石破坏是由裂纹发展过程决定, 爆炸应力波既使炮孔周壁产生径向爆生裂纹, 又使原生裂纹得到扩展和延伸; 材料的损伤断裂是外载作用下, 其内部大量微损伤 (裂纹、孔洞 )的萌生、扩展和连接所引起。
上述研究考虑了岩体的固有缺陷, 提出了裂隙岩体爆破分区作用定量计算方法, 其结论更接近于真实实际, 但这类研究多以强爆炸近场力学效应为主, 而对于中、远区岩体, 在爆破弱应力波作用下的破坏情况论及较少。随研究的深入和爆破安全问题的日趋突出, 对爆破的中、远区作用效应, 及爆破保留岩体的稳定性研究在日益增多。
4 结 语
爆破应力波的传播特性的研究涉及到多门学科的交叉, 加之爆破过程的瞬间高速、传播介质的纷繁复杂、岩石种类与特性的复杂多变等, 增加了研究的难度。然而正确描述研究对象、不断提高研究结论的准确性, 却是科研工作的永恒主体。为此, 研究爆后保留岩体的稳定性, 研究软、破岩带地下工程受邻近爆破作业的影响程度, 笔者认为还应加强以下方面的工作:
(1) 爆破应力波在粘弹性介质中的传播规律研究。包括: 研究反映软破矿岩特性的粘弹材料本构方程、粘弹性软破岩体的延长药包爆破破碎机理、爆破应力波在粘弹性介质中的衰减规律及其力学参数的定量确定等。
(2) 岩石裂纹的演化及其力学特性的研究。包括: 研究岩石裂纹和微裂纹的扩展机制, 建立其动态响应扩展模型; 裂纹演化及相互作用对岩性劣化的影响; 与时间相关的亚临界裂纹扩展对保留岩体稳定性及其损伤发展的影响等。
(3) 岩石疲劳损伤破坏的研究。包括: 岩石疲劳裂纹的发生和扩展机制; 岩石疲劳损伤的演化规律;长期反复冲击载荷作用下岩石疲劳破坏的力学参数与强度特性; 岩石疲劳损伤破坏对爆后保留岩体、软岩巷道的稳定性影响等。
参考文献：
[1] 哈努卡耶夫 A H. 矿岩爆破物理过程 [M]. 刘殿中,译. 北京: 冶金工业出版社, 1980.
[ 2] 王文龙. 钻眼爆破 [ M ]. 北京: 煤炭工业出版社,1980.
[ 3] 贾光辉. 爆炸过程中有关应力波传播问题探讨 [ J].爆破, 2001, 18( 3): 5~ 7.
[ 4] Grine D R. Shock wave and the Mechanical Properties of Solids [ R ]. California: Stanford Research Institute, 1971.
[5] Denn is Grady. Shock wave Properties of Brittle Solids[R] .Sandia: Experimental Impact Physics Dept Sandia National Lab, Technical Memorandum TM DG 0695, 1995.
