邢东升，王李管，刘晓明,3(.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 40083；2.中铝矿业有限公司，河南 郑州 45004;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243004)

基于声波测试的爆破震动对巷道围岩体累积损伤分析

邢东升1,2，王李管1，刘晓明1,3
(1.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2.中铝矿业有限公司，河南 郑州 450041;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243004)

为了研究巷道开挖过程中爆破动荷载对巷道围岩体的累积损伤，运用RSM-SY5智能型声波仪测试巷道围岩体的岩体声波速度。结合理论推导，分析多次爆破震动对巷道围岩体的累积损伤。结果表明，第一次爆破对巷道围岩体的影响最大，多次爆破震动的累积损伤作用仅增加围岩体的破碎程度，并没有扩大巷道围岩体的损伤范围。巷道围岩体的松动圈是由多次爆破累积损伤造成的，且对巷道顶板的累积损伤程度大于巷道两帮的累积损伤。根据巷道围岩体的累积损伤程度，巷道顶板围岩体的1.5 m范围内为开挖引起的围岩体破碎带，1.75～2.5 m为巷道围岩体裂隙带，2.75 m以外的岩体为开挖扰动带和原岩区。此研究为巷道开挖过程中控制巷道的稳定性和巷道支护提供可靠参考依据。

爆破震动;声波速度;累积损伤;围岩体

0 引言

自然状态下的岩体是一种非均质的材料，且受到复杂地质构造运动的破坏，导致岩体内部存在一些宏观和微观的裂纹和弱面等[1]，这就为研究工程岩体的破坏特性造成很大的困难。然而，在金属矿山地下开采的巷道掘进过程中，大多数都是采用钻爆法施工，而爆破震动对巷道围岩体的损伤与破坏一直是学术界研究的焦点[2]，同时也是工程施工过程中倍受关注的安全问题之一。鉴于此，众多的学者研究岩石爆破理论，研究基础主要包括弹塑性理论、损伤力学和断裂力学[3-6]。在实际工程中，由于岩体的声波测试为无损测试，且测试方便快捷，因此岩体的声波测试被广大学者用于研究岩体的完整性、评价工程岩体质量以及计算岩体的损伤度等[7-9]。

实际上，工程岩体的损伤并不是某一次爆破作用破坏的结果，而是由于多次爆破造成的累积损伤。例如最典型的巷道开挖后形成的损伤区与破坏区，即巷道围岩松动圈的形成，是由于开挖过程中循环掘进的爆破作业累积损伤形成的。如果只考虑第一次爆破作用来分析岩体形成的损伤区域，那是不全面的。因此，十分有必要测试和记录多次爆破的累积损伤作用，分析围岩体的损伤与破坏。闫长斌等人[10]利用声波在岩体中的传播特性，分析爆破动荷载作用下巷道围岩体的累积损伤效应，分析了多次爆破作用对巷道累积损伤范围。冯春等人[11]运用CDEM源程序结合JWL爆源模型和应变强度分布模型研究了爆破动荷载作用下岩石损伤及其破裂的全过程，并着重分析压碎区域、破损区域以及总破裂度随着岩石应变强度的变化规律。WANG Zhi-liang[12]等人将体积拉伸损伤模型(TCK模型)导入LS-DYNA软件中，运用LS-DYNA软件对爆破的整个动态过程进行数值模拟，分析爆破漏斗的形成过程。李新平[4]等人运用Flac3D结合Yang提出的损伤模型对爆破进行数值模拟，预测爆破对巷道围岩体的损伤范围。陈俊桦[13]等人结合岩体初始的完整性程度，对Yang等人提出的爆破损伤模型进行改进，建立岩体初始损伤的弹塑性爆破损伤模型，并提出巷道围岩体受爆破损伤影响的评判依据。王新生[14]等人研究周边孔的不同装药结构的爆破震动对巷道围岩体损伤的影响规律。胡英国[15]等人基于经典爆破损伤模型结合LS-DYNA软件模拟岩石高边坡爆破开挖的损伤区域，并应用岩体声波测试的方法来实测爆破损伤区的范围。

本文运用RSM-SY5智能型声波仪，测试受爆破震动的围岩体的声波特性，记录分析每一次爆破后巷道围岩体的声波变化程度，试图分析巷道围岩体受多次爆破震动后的损伤程度及其影响范围。并且考虑每次爆破的位置不同，根据不同距离测试点，分析爆破震动源与测试点的距离对测试点围岩体损伤程度。

1 岩体损伤度的计算

设完整岩石的弹性应变可表示为ε，即

(1)

式中：бc——完整岩石的单轴抗压强度；E——完整岩石的弹性模量。

同理可得，受损岩体的弹性应变可表示为

(2)

式中：бcD——受损岩体的单轴抗压强度；E′——受损岩体的弹性模量;DR——受损岩体的损伤变量。

由式(1)和式(2)可得

(3)

假设完整岩石与受损岩体的泊松比和密度近似相同。则完整岩石岩体与受损岩体的弹性变形近似相同。即(3)式可表示为:

E′=E(1-DR)

(4)

即岩体的损伤度可以表示为:

(5)

式中：E′——受损岩体的弹性模量；E——完整岩石的弹性模量；ε′——受损岩体的弹性应变；ε——完整岩石的弹性应变。

岩体由岩块与不规则的节理裂隙等结构面组成，结合损伤力学概念，视完整岩石为无损材料，受爆破震动影响的岩体为受损材料。则声波在完整岩块中的传播速度可表示为：

(6)

声波在受爆破震动损伤的岩体中的传播速度为：

(7)

假设岩体各向同性的情况下，岩块与岩体的泊松比和密度近似相同。则完整岩石与受爆破震动的岩体的静弹性模量和动弹性模量的比值相同[19]，即：

(8)

由式(4)和式(6)得

Em=Er(1-DR)

(9)

由式(3)至式(8)可知，则受爆破震动破坏后岩体的损伤变量可以表示为

(10)

2 现场测试

2.1 测试过程

现场测试主要对正在进行开挖的巷道进行测试，即对刚开挖的巷道进行巷道围岩体声波测试。测试位置为云南某矿深1 500 m矿山的探矿巷道，该矿深部岩体较为破碎，且处于高应力区域，地质条件极其复杂。因此十分有必要对探矿巷道进行岩体完整性测试，分析多次爆破对巷道围岩体的累积损伤。因此，本文RSM-SY5(T)型一发双收的智能声波测试仪，即在一个测试孔中测量岩体的声波速度，为了减小测试孔中空气对测试结果的影响，在测试孔中应用清水作为耦合介质，测试仪发射的超声波信号通过清水传递至测试孔壁的岩体，通过两个接收器获得超声波信号，从而计算岩体的声波速度。

此次测试中，为了减少现场的工作量，测试位置为刚开挖的探矿巷道，由于探矿巷道断面较小，探矿巷道的炮孔布置分别为掏槽孔、崩落孔和周边孔，因此在掘进过程中采用一次爆破成型。爆破参数见表1、表2和表3。

表2 炸药参数表Table 2 Explosive parameter table

表3 雷管参数表Table 3 Detonator parameter table

在刚开挖的探矿巷道中布置测试孔，由于深部矿井岩体较为破碎，因此分别测试探矿巷道顶板和两帮的岩体受到多次爆破累积损伤的声波特性，分析爆破对巷道围岩体的累积损伤。部分声波测试孔的布置简图见图1，为了降低测试结果的误差，边帮两边分别布置两个测孔，将测试结果求取平均值。顶板布置三个测试，计算每个测孔的平均值。

图1 测试孔布置示意图Fig.1 Arrangement of measuring holes

对于顶板的声波测试孔，孔口应用橡皮气囊进行封堵。在测试过中，采用专用充气泵不停的对气囊进行充气，保证气囊膨胀后有足够的压力能够封堵测试孔。同时结合该设备配置的充水泵不停的向测试孔内注水，当充水泵无法向测试孔中注入水时，便进行声波测试。在整个测试过程中，充水泵和充气泵都保持工作状态，以保证测试孔中有足够的水作为耦合剂。为了方便两帮声波测试孔的测试工作，巷道两帮的测试孔稍微向下倾斜5°左右，以保证测试孔中能够盛装清水作为耦合剂。

当探矿巷道进行第一次爆破之后，清理完废石后便进行围岩体的声波测试，记录岩体的声波测试结果。然后进行第二次掘进爆破，第三次掘进爆破和第四次掘进爆破，并测试每次掘进爆破后巷道围岩体的声波速度。爆破掘进的进尺约为1.5 m，因此，每掘进一次则测试点就远离爆源约1.5 m。从而分析多次爆破对围岩体的累积损伤。

3 测试结果分析

根据实验室对完整岩块测试的结果，完整岩块的声波速度为6 560。当孔深超过2.75 m时(图2)，声波速度几乎保持不变的趋势，说明巷道围岩体超过一定的范围后，几乎不受爆破震动的影响。即可以推测孔深超过2.75 m的声波速度为原岩状态的声波速度，即声波速度为5 714。这是由于地质构造的影响，原始状态的岩体受到一定的损伤，根据(10)式计算出原岩体的完整性系数和损伤度分别为0.76和0.24。因此，声波速度的测试与统计是在岩体已经存在一定的损伤程度下进行的。需要说明的是在巷道掘进过程中，每一次爆破是一个掘进循环的所有爆破。

表4 巷道顶板和两帮的测试孔的声波降低率/%Table 4 The variation of velocity at the roof and two sides of roadway

图2和图3分别为两帮测试孔和顶板测试孔的对应的不同爆破次数的声波特性数据。测试结果表明，爆破对巷道顶板的影响范围约为3.5 m，对巷道两帮的影响范围约为2.5 m。巷道围岩体发生累积损伤效应主要出现在前四次爆破，由于每次爆破与测试点的距离逐渐增加，因此第五次爆破后围岩体的声波速度基本上没有发生明显的降低。对于巷道两帮的围岩体的累积损伤的范围在0～2.5 m，而巷道顶板围岩体的损伤范围则分布在0～3.5 m。

图2 巷道边帮的声波速度与损伤度的变化曲线Fig.2 The typical curves of velocity, damage index and depth of roadway two sides

图3 巷道顶板的声波速度与损伤度的变化曲线Fig.3 The typical curves of velocity, damage index and depth of roadway roof

表4为测试孔的声波降低率。由表4可知，第一次爆破巷道围岩体在1.00 m的范围内出现较大降低，且巷道两帮测试孔的1.25至2 m范围出现波速急降，顶板测试孔的1.25至2.5 m范围出现波速急降。说明对于巷道的顶板而言，围岩体的声波降低率较大，在1.25 m的范围内为岩体的声波降低率超过了20%，1.25 m至2.5 m的范围为巷道围岩体的声波降低率2%至15%，2.5 m至3.5 m岩体的声波降低率均小于2%。巷道两帮的围岩体的声波速度的降低率小于顶板，仅在0.75 m的范围内为岩体的声波降低率超过了20%，当围岩体范围超过2 m时，声波的降低率小于1.5%。说明巷道开挖过程中，爆破震动对顶板的影响较大，对巷道两帮的影响相对顶板较小。

随着巷道开挖，先后进行多次爆破，对巷道围岩体的累积损伤，由表4可得，第二次爆破震动对围岩体虽然也有一定的影响，但是影响程度明显降低。对于巷道顶板，第二次爆破对巷道顶板的影响范围主要在围岩体2 m的范围内，且在第一次爆破的基础上，声波降低率都小于18%。当围岩体的范围超过2 m时，声波的降低率小于10%。第二次爆破对巷道两帮围岩体的影响较小，声波降低率基本都在10%以内。第三次爆破和第四爆破对巷道顶板和两帮围岩体的影响较小，基本都在10%以内，而第五次爆破对巷道围岩体基本没有影响，声波降低率都小于1%。因此，随着掘进开挖爆破次数的增加，以及测试点与爆源距离的增加，掘进开挖爆破震动对巷道围岩体的影响呈非线性规律较小，当爆源距离与测试点的距离超过7.5 m时，掘进开挖的爆破震动对巷道围岩体几乎没有影响。

统计爆破震动对围岩体的累积损伤之前，计算岩体已经受到损伤，即岩体在开挖之前的岩体损伤度为0.24。因此，本次测试是在岩体受到复杂的地质条件破坏，并且损伤度为0.24的环境下进行的。根据声波速度的测试结果，结合式(10)计算围岩体的损伤度。如图2和图3所示，随着巷道围岩体距离巷道越远(测试孔越深)，岩体的损伤度越小，岩体受到爆破震动的损伤就越小。随着爆破次数的增加，爆破振动源距离测试点越来越远，爆破的累积损伤在随着爆破次数的增加而增加，但增加的幅度越来越小，当第五次爆破时，爆破振动源距离测试点7.5 m时，爆破震动对测试点的围岩体几乎没有损伤。

表5为巷道顶板受到爆破累积损伤后的损伤度增加率。由表5可知，第一次爆破对巷道围岩体的损伤程度最大，且由于开挖前的岩体已经受到一定程度的损伤，因此第一次爆破对1.5 m范围内的围岩体的损伤度增加约1.0～1.5倍的损伤，随着测试孔深度的增加，爆破的损伤度的增加率逐渐降低，0.75～2.75 m范围内的围岩体损伤度增加率都小于1倍。第二次爆破对围岩体损伤度的增加率明显降低，在1.75 m范围内的围岩体损伤度的增加率都小于50%，然而在2～2.5 m范围内的围岩体的增加率却大于第一次爆破的增加率，可能是由于测试过程出现一定的失误，导致较大的误差。但是每次爆破累积损伤的损伤度增加率都成明显的降低趋势。第三次爆破对围岩体损伤度的增加率都小于10%，第四次爆破对围岩体损伤度的增加率都小于5%，第五次爆破对围岩体损伤度的增加率都小于1%，即第五次爆破对测试点的围岩体几乎没有损伤。

表5 巷道围岩体损伤度增加率/%Table 5 The variation of damage index at the roof and two sides of roadway

表4可知，第一次爆破对巷道两帮1.5 m范围内的围岩体损伤度的增加率相对顶板较小，约为35%至55%，当超过1.75 m时，损伤度的增加率小于10%，深度达到2.25 m时，损伤度的增加率小于1%，即几乎没有累积损伤。与顶板一致，随着爆破次数的增加，损伤度的增加率越来越小，但是围岩体的累积损伤度成非线性的增加。对比表4中顶板与两帮围岩体损伤的降低程度可得，爆破震动对顶板的累积损伤程度大于对两帮围岩体的损伤程度。因此，爆破震动对巷道顶板围岩体的损伤范围大于对巷道两帮围岩体的损伤范围。

以上分析可知，巷道开挖的爆破震动对巷道顶板造成的累积损伤程度和范围都大于巷道两帮。结合图3与图4和表5分析可得，多次爆破的累积损伤主要影响围岩体的损伤程度，围岩体的损伤范围几乎没有增加。因此，巷道开挖后的松动圈的范围是由于巷道掘进的多次爆破累积损伤形成的，而不是第一次开挖爆破直接形成的。根据对围岩体的累积损伤程度，对为岩体划分不同的区域，即巷道顶板的围岩体1.5 m的范围可以视为开挖引起的围岩体破碎带，1.75～2.5 m为巷道围岩体裂隙带，2.75 m以外的岩体可定义为开挖扰动带和原岩区。

4 结论

在巷道开挖过程中，由于多次爆破震动累积作用的影响，导致巷道围岩体遭受不同程度的损伤与破坏。根据本文跟进巷道掘进的过程，运用RSM-SY5智能型声波仪测试巷道开挖后围岩体声波速度的变化规律，分析围岩体遭受爆破震动的累积损伤程度。得出以下结论：

(1)巷道的松动圈破裂区是由多次爆破累积损伤造成的，且巷道开挖的扰动范围主要受第一次爆破震动的影响，随后的爆破震动累积损伤作用仅增加巷道围岩体的破碎程度，并不影响巷道围岩体的受损范围。

(2)随着爆破次数和测试点与爆破震源距离的增加，爆破累积损伤增加，累积损伤增加的程度逐渐降低，直至测试点与爆破震源距离约为7.5 m时，爆破震动对测试点几乎没有影响。

(3)根据对围岩体的累积损伤程度，将巷道围岩体划分不同的区域，即巷道顶板的围岩体1.5 m的范围可以视为开挖引起的围岩体破碎带，1.75～2.5 m为巷道围岩体裂隙带，2.75 m以外的岩体可定义为开挖扰动带和原岩区。

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Using sonic testing method to study cumulative damage of surrounding rock under blasting vibration

XING Dongsheng1,2,WANG Liguan1,LIU Xiaoming1,3
(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083,China; 2.ChinaAluminumMiningCo.,Ltd.，Zhengzhou,Henan450041,China; 3.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines,Maanshan,Anhui243004,China)

In order to study the cumulative damage of roadway surrounding rock in the process of roadway excavation, the intelligent acoustic meter of RSM-SY5 was used to measured acoustic velocity in the roadway. Combining theoretical derivation to analysis the cumulative damagecaused many times blasting vibration in the roadway surrounding rock. The results show that the first blasting vibration hasthe strongest impact onsurrounding rock of roadway. The cumulative damage of many times blasting vibration have only impact damagedegree of surrounding rock, not expand the damage scope of roadway surrounding rock. Roadway surrounding rock loose circle is caused by blasting cumulative damage for several times, and for the cumulative damage of roadway roof to a greater extent than that of two sides of roadway damage.Based on the cumulative damage degree of roadway surrounding rock mass, Surrounding rock mass of roadway roof of 1.5 m range belong to fracture zone, the range 1.75 m to 2.5 m is fissure zone, and beyond 2.75 m is excavation disturbed zone and the original rock area respectively. This study provides a reliable reference thatto control the stability and supporting of roadway in the process of roadway excavation.

blasting vibration; acoustic velocity; cumulative damage; surrounding rock mass

2016-08-18;

2016-09-27

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA060407);金属矿山安全与健康国家重点实验室开发基金(2015-JSKSSYS-01)

邢东升(1968-)，男，高工，主要从事矿山技术与管理工作。E-mail:zzsmxkxds@126.com

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.14

P642

A

1003-8035(2017)02-0108-07