浅析岩石爆破损伤模型研究的几个问题

摘要：岩石爆破损伤模型研究一直是岩石爆破和岩石动力学研究领域的热点课题。随着近年来计算机技术和爆破技术的应用和发展，对岩石爆破理论的相关研究变得越来越迫切。在此背景下本文对岩石爆破损伤模型研究的几个问题进行了探讨。

关键词：岩石爆破；损伤模型；问题研究

岩石开挖过程涉及到岩石力学、爆炸力学、工程爆破及损伤力学等多个领域，其中关键问题是爆破损伤控制，它在建立岩石稳定性先关分析方法和设计岩体爆破理论等方面具有指导意义。同时在保障矿山开采安全和提高社会经济效益方面也具有重要作用。因此有必要对岩石爆破损伤模型研究中存在的几个问题进行探讨。

一、岩石爆破损伤模型研究现状

要想研究岩石爆破损伤机理和过程，必须对岩石爆破损伤模型进行研究，岩石爆破损伤模型在爆破参数设计优化和爆破技术研究方面起着重要作用。目前岩石爆破损伤模型应用比较广泛的有两种模型，一种是流体弹塑性模型，另一种是弹塑性理论模型。这两种模型之所以在该领域得到广泛应用，主要是因为其实用性强，模型清晰，且在很多情况下这种模型可以对岩石爆破机理做出合理解释，这种解释正是研究者们所需要的。比如在处理高围压等爆破问题时，就可选择流体弹塑性模型对其进行研究。

在岩石爆破损伤模型研究进程中，断裂力学相关理论为其提供了必要的依据。岩石爆破损伤模型研究重点在于从宏观层面出发，着重研究裂纹集合力学效应，而不对单个裂纹力学则不进行研究，这也是它的一个比较突出的特点。因此，这种模型能更好的为岩石爆破破碎和岩石介质相关研究提供有力支撑。另外岩石爆破损伤模型还有另外一个比较突出的特点，就是大部分岩石弹塑性模型可以运用到未受损的爆破岩石中，并且为其提供必要的试验参数和研究结果，在模型的模拟过程中，运用数值模拟技术可以模拟包括爆炸传播、岩石介质应力、介质运动等在内的爆炸损伤全过程。就目前岩石岩石损伤模型应用情况看，其研究主要朝岩石破碎和岩石断裂理论为基础的方向发展，具体来说，这两个研究方向分别为岩体微观爆破损伤模型和岩体断裂爆破损伤模型。其中岩体微观爆破损伤模型是以损伤系数增加值或裂纹密度为依据，而另一种爆破损伤模型是以岩体裂纹开裂扩展为依据。这两种损伤模型建立之前，应用最多的是Grady模型，应该说岩体微观爆破损伤模型和岩体断裂爆破损伤模型是在Grady模型基础上发展起来的。目前这两种模型有着广泛的应用和发展空间，但也存在一些问题。

二、岩石爆破损伤模型研究中的几个问题探析

（一）损伤模型中的分形维数问题

在岩石爆破损伤模型中，有岩石裂纹粗糙度、裂纹扩展路径、瑞丽波波速、损伤材料性质和加载应力条件等几个要素，这些要素之间有着密切的联系。岩石爆破破坏区微观结构特征中起着决定性作用的是不均匀分布的受压材料，其如果这种原始不均匀分布比较多，就会为粗糙性大的岩体裂纹提供传播路径，其相应的裂纹扩展传播的分型维数就会增大，结果是造成的岩石爆破损伤也就越大。

据有关资料表明，同一类岩体在宏观和微观两个层面的缺陷图像都显示出其统计的自相似性，而且自相似性无标度区跨越范围在5到6个数量级范围。因此在尺度跨越和宏观微观调节方面，分形维数都具有明显的优势。其中分形维数相同是岩体的微观损伤和宏观节理裂隙，因为其它们具有统计自相似性。用分形描述的岩石损伤具有全息性，它的测量是在不同测度条件下进行的，这方面与岩石裂纹调查和统计等的尺度测量有很大区别。岩石损伤力学可以作为分形的理论基础，因为在损伤定义方面其与分形相关定义最为接近。在分形理论中，它将岩石实体维数的降低等同于岩石中存在的损伤，相应的岩石等效模型的降低可以很好地描述岩石损伤的力学效应。因此，要想准确客观的反映岩石损伤的性质及岩石爆破破坏规律，可选择分形维数来对其演化及损伤进行描述。随着研究的深入，发现分形维数在岩石断裂过程中也能很好地描述材料与孔隙度之间的关系，因此，可以作为材料产生断了的特征参量。

影响岩石爆破过程中的主要因素是岩石中的节理裂纹等宏观层面的缺陷，而且这种宏观层面的缺陷同岩石微观层面的损伤具有某种密切的联系；在岩石的损伤及演化中，描述最简单和全息性稳定的参量是分形维数；岩石损伤演化过程中能量会发生变化，分形维数同这种能量的变化之间有某种密切的联系。基于这些观点，才提出了岩石爆破分形损伤模型。

（二）宏观裂纹岩体相关参数问题

损伤模型重要的理论基础是原岩中含有大量的裂纹，岩石比较密实的情况下，其裂纹尺寸数量级可以等同于晶粒数量级。在岩体中，影响和控制爆破的重要参数是岩石材料参数，另外包括岩石节理、裂纹等在内的宏观参数也是其中重要的影响和控制参数。目前在岩石爆破过程中研究其宏观裂纹参数影响和作用具有重要意义，也是岩石爆破损伤模型研究发展面临的巨大挑战。NAG模型和BCM模型在岩石爆破损伤模型研究计算模型中只适合研究一种岩石裂纹，且不能准确的确定初始裂纹参数。另一种研究模型是Grady模型，该模型岩石裂纹宏观层面的研究范尺寸围已相当广泛，因为其引入了一种假设，即岩石爆破碎块直径与岩体爆破所激活的裂纹尺寸成正比，但是问题在于，目前的试验方法尚无法确定宏观岩石裂纹的相关参数值（k和m）。

（三）岩石损伤模型使用性问题

岩石爆破损伤模型的构成 ，主要是考虑了变形模量同岩石爆破过程中损伤演化的影响因素，而不同损伤模型的的构造，需要确定不同的岩石损伤参量。不同的岩石爆破损伤模型具有相同的特点，即岩石材料内部动态构造关系在爆破过程中的力学响应，即反映了分布在岩石各点的应力变化关系，也反映了岩石在爆破过程中荷载作用下的损伤演化规律。但在实际问题的解决中却表现出较大差异。

在实际生产过程中，计算岩石爆破中的相关数值是岩石爆破损伤模型的实用性体现。这种实用性的强弱取决于对岩石爆破过程中的力学效应及与原始裂纹考虑是否全面。假设岩石天然损伤、裂纹和岩石节理等对岩石爆破作用没有直接的影响，可以利用一定的方法确定岩石爆破损伤模型中的参量。实践研究表明，这种假设条件下的研究理论存在一定不足之处，因为岩石天然损伤不可能不会对爆破过程中岩石的稳定性造成影响。这种假设条件下的模型由于只考虑了岩石等效模量降低问题，而对岩石损伤演化过程中的能量耗损问题欠缺考虑，因而在模型计算中会出现局部同实际不相符的问题。

结束语

综上所述，目前岩石爆破损伤模型研究虽然还存在一些问题，但就其发展趋势来看，这种模型的研究方向和发展情景是值得肯定的，因为该领域内相关研究工作已经取得了一定的进展，为以后进一步深入研究奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]张国华，陈礼彪，夏祥等.大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试验研究及数值计算[J].岩石力学与工程学报，2009（8）.

[2]胡英国，卢文波，陈明等.岩石爆破损伤模型的比选与改进[J].岩土力学，2012（11）.

[3]胡英国，卢文波，金旭浩等.岩石高边坡开挖爆破动力损伤的数值仿真[J].岩石力学与工程学报，2012（11）.

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