随着我国矿产资源绿色开采概念的提出和发展,实现被爆岩体高效开挖,最大程度减小对保留岩体的损伤和破坏已成为当今学者关注的热点问题。在爆破工程中,炸药爆炸产生的能量随机释放,必然会对保护岩体造成损伤和破坏。因此,如何引导爆炸能量向被爆岩体传播,阻断和减小爆炸能量向保护岩体传播,减小爆炸对保留岩体破坏成为亟待解决的问题。本文正是基于此,研究了预裂爆破和护壁爆破减损机理,并提出双了系统减损技术,具体研究内容如下:1.利用数字激光动焦散实验系统和理论分析,研究预裂缝对保留岩体和被爆岩体裂纹起裂、扩展的影响规律。(1)预裂缝可以阻止爆生裂纹向保留岩体扩展,加大被爆岩体损伤。在爆炸荷载的作用下,预裂缝两端产生的翼裂纹向保留岩体扩展,随着预裂缝长度的增加,其翼裂纹扩展长度增大;随着预裂缝宽度的增加,其翼裂纹扩展长度减小。预裂缝长度和宽度变化对保留岩体内原生裂纹扩展有一定影响。长度较短的预裂缝(L=20~80 mm),对保留岩体内原生裂纹B扩展有促进作用,只有当预裂缝长度增加到一定程度(L=100 mm),才会对保留岩体内原生裂纹扩展有抑制作用;随着预裂缝宽度增加,保留岩体内原生裂纹B扩展长度呈现先降低后增加趋势,预裂缝存在一个最优宽度,使得保留岩体内原生B裂纹扩展长度最短。(2)原生裂纹B迎爆侧翼裂纹B_Z起裂时的K_I~d小于背爆侧B_Y起裂时的K_I~d;当有预裂缝存在时,原生裂纹B两端翼裂纹B_Z和B_Y起裂时的K_I~d均小于无预裂缝起裂时的K_I~d,且随着预裂缝长度和宽度的增加迎爆侧B_Z起裂时的K_I~d均逐渐降低;翼裂纹B_Z和B_Y的K_I~d峰值随着预裂缝长度增加而减小,B_Z和B_Y的K_I~d均值随着预裂缝宽度增加呈现先降低后上升趋势。(3)空孔不仅可以引导预裂孔产生定向裂纹,还可以抑制预裂缝尖端产生新的翼裂纹,对保留岩体起到很好的保护作用。空孔半径越大,空孔导向作用越来越明显,主应力差越来越小。(4)在主爆区和周边孔之间位置布置预裂孔,起爆顺序为预裂孔、主爆孔和周边孔。设计方案可以加大主爆区的破碎,阻断主爆区的爆生裂纹向保留岩体扩展,减弱主爆区应力波向保留岩体传播,抑制保留岩体内的原生裂纹起裂;预裂孔距离保留岩体有一段“安全距离”,预裂孔爆炸后在炮孔周围产生的损伤和裂纹不会扩展至保留岩体内;预裂孔和主爆区先起爆后,使周边孔起爆时多了一个临空面,临空面会引导爆炸能量向被爆岩体方向释放,减少向保留岩体方向释放,保护保留岩体。(5)在爆炸荷载下,预裂孔和周边孔之间的相互贯通裂纹会起裂扩展,翼裂纹主要从与入射应力波夹角较小和长度较长的分支裂纹端部起裂,沿环向最大拉应力垂直方向扩展;与入射应力波夹角较小和长度较长的分支裂纹对夹角较大和长度较短的分支裂纹动态应力强度因子及其扩展有抑制作用;分支翼裂纹尖端动态应力强度因子随分支裂纹与入射应力波夹角增大而减小,其扩展速度呈现振荡式变化规律。获取相互贯通裂纹扩展规律后,便可在翼裂纹扩展轨迹上设置空孔,阻断翼裂纹向保留岩体扩展。2.利用数值模拟软件建立含预裂缝的计算模型,研究预裂缝对爆炸应力场影响规律、预裂缝与应力波的作用机理和预裂缝减损的演化过程。(1)炸药爆炸后压缩应力波传至预裂缝会产生反射拉伸波,拉伸应力波使炮孔和预裂缝之间的被爆岩体损伤度加大,预裂缝的存在阻碍了损伤向保留岩体扩展。(2)在爆炸荷载作用下,预裂缝尖端产生应力集中,随着爆炸荷载持续加载,预裂缝两端部产生的集中应力和炮孔周围产生的集中应力相互吸引最终贯通,形成V字型应力集中区,贯通的应力集中区引导爆炸产生的损伤向预裂缝两端部扩展。随着预裂缝长度增加,裂纹尖端应力集中越来越大,应力峰值越来越高。(3)在爆炸荷载作用下,预裂缝的两裂纹面有闭合趋势,闭合后的裂纹面在爆生气体膨胀作用下相互挤压,产生压应力。随着预裂缝长度的增加,裂纹面闭合后挤压产生的压应力呈现先增加后降低的变化规律。预裂缝长度一定时随着预裂缝宽度的增加,两裂纹面闭合的时间越来越迟,产生压应力的峰值越来越小。3.自制三维水泥砂浆模型,采用RSM-SY5(T)非金属声波检测仪和TB4850测振仪等实验仪器,通过唯象学分析、超声波探损和HHT时频分析等方法对含预裂缝的水泥砂浆模型进行宏观断裂、微观损伤和振动信号分析。(1)宏观裂缝分析:直线型预裂缝和圆形预裂缝均能阻断爆炸产生的宏观裂纹向保留岩体扩展;与封闭的圆型预裂缝相比,直线型预裂缝更能加大被爆岩体损伤。(2)微观损伤分析:随着爆源距离的增大,无预裂缝模型损伤度呈近似线性下降,预裂缝模型损伤度呈“断崖式”下降,预裂缝两边测点的损伤度差异明显。分析被爆岩体,直线型预裂缝损伤度峰值是无预裂缝的1.55倍,直线型预裂缝可以加大被爆岩体的损伤。分析保留岩体,直线型预裂缝的损伤度为无预裂缝的58.2%,单圆型预裂缝损伤度为无预裂缝的21.2%,双圆型预裂缝的损伤度为无预裂缝的19.7%,预裂缝的存在可以降低保留岩体的损伤度,封闭型的预裂缝较直线型预裂缝对保留岩体的保护效果更好。预裂缝深度由150mm增加到180mm,保留岩体的损伤度峰值和均值分别下降了7.4%和10.8%,预裂缝深度增加可以降低保留岩体的损伤度。(3)振动信号分析表明,预裂缝具有降低振动速度峰值作用,且预裂缝越深,振动速度峰值下降越明显。对比直线型预裂缝和圆形预裂缝,单圆形预裂缝振速峰值为直线型的81.4%,双圆型预裂缝振速峰值为直线型的68.6%,封闭的预裂缝相比直线型预裂缝减振效果更好。直线型预裂缝可以使爆炸产生的振动能量由“低频”向“高频”转移,且预裂缝深度越深爆破产生的振动能量在频率带上的分布更加平均,峰值更小;圆型预裂缝模型比直线型预裂缝模型能量峰值降低,能量向高频段移动,且能量分布更加均匀。4.通过动焦散实验、模型实验和数值模拟来研究护壁爆破对爆生裂纹、原生裂纹和炮孔周围围岩损伤作用机理,并基于第2~5章研究内容提出双系统减损技术。(1)动焦散线实验表明:护壁爆破能抑制护壁一侧爆生裂纹和原生裂纹扩展;护壁一侧原生裂纹尖端动态应力强度因子两次峰值约为非护壁一侧的53%和77%,护壁管对爆炸应力波和爆生气体起到了很好的削弱作用。(2)水泥砂浆模型实验表明:护壁爆破可以在护壁管端部产生定向裂纹。各模型在护壁方向测点的损伤度均小于非护壁方向测点的损伤度。炮孔堵塞长度越短,爆生气体准静态作用越弱,试件破裂程度越小,各测点损伤度越低,护壁和非护壁两方向测点的损伤差距逐渐减小。护壁管对爆生气体破坏起到了很好的限制作用。(3)自由场数值模拟结果表明:由于护壁管反射作用,在非护壁方向和护壁管端部方向的高斯测点均有两次应力波峰值出现;护壁药包端部附近爆轰波发生了明显的绕射现象,并且有应力集中现象出现。在整个爆轰过程中,护壁管端部由于受到爆轰产物的持续冲击,一直处于压应力状态;护壁管在爆轰产物作用下处于膨胀状态,横向膨胀率明显大于纵向膨胀率。(4)约束场数值模拟结果表明:护壁爆破炸药爆炸后,由起爆位置传爆至护壁管端部形成的射流,作用于炮孔壁形成初始损伤;随后由沿炮孔壁向上传播的射流持续冲击护壁管端部岩体,形成“射流效应”,产生应力集中,驱动初始损伤扩展,最终形成定向裂纹。(5)基于2~5章研究成果,提出双减损系统技术,实现预裂爆破减损系统和护壁爆破减损系统联用。预裂炮孔布置在周边孔和主爆区之间,预裂孔和周边孔排距大于周边两相邻炮孔孔间距。预裂孔采用切缝药包产生预裂缝,周边孔采用护壁药包以保护围岩和产生定向裂纹,从而形成规整轮廓面。起爆顺序为预裂孔先爆,随后主爆区炮孔起爆,最后周边孔起爆。5.采用SHPB实验系统研究硬质PVC、硬质PVC和橡胶不同叠加模式对应力波的衰减规律和对岩石的防护作用。(1)在不同的速度下进行冲击实验,硬质PVC试件均没有发生宏观破裂,透射应力波峰值小于入射应力波峰值,护壁材料对透射应力波具有“削波”作用。随着冲击速度的增加护壁材料对应力波的削减程度均保持在40%左右,硬质PVC试件能量耗散呈现指数式增长。(2)B~E四种不同组合方案都能很好的保护围岩,四种防护方案下岩石试件均没有明显的宏观裂纹出现。(3)B~E四种不同组合方案下的透射应力波峰值分别为61.8MPa、53.6MPa、7.2MPa、9.9MPa,均小于无防护的透射应力波峰值78.6 MPa,说明4种护壁方案均具有消弱应力波传播,起到很好的保护围岩作用,其中方案D透射应力波峰值最小,防护效果最好。(4)B~E四种不同组合方案下的透射能和损伤度均小于无护壁材料方案A的透射能;对比分析护壁材料同为PVC的方案B和方案C,分层更多的方案C,透射应力波能量小,试件损伤度低,护壁效果好;对比分析四种不同组合防护方案,发现护壁材料中加入软橡胶等波阻抗更小的材料的方案D和E,透射应力波能量最小,损伤度最小,护壁效果最好。