岩石定向断裂的分子机理

岩石定向断裂的分子机理

为了获得整平岩开挖的岩石和胡同的轮廓，有效保护井巷围岩，提高边坡的稳定性，采用预裂爆炸性、光面爆炸性、缝合绷带爆炸、定向聚能破碎和其他材料结构的定向爆炸性和波速。在这些定向断裂爆破方法中,都有一个共同的特点就是在预定的轮廓线上形成一个定向断裂面。但是,这个定向断裂面究竟是怎样形成的呢?其断裂过程的机理怎样?过去,许多研究工作者都是围绕着应力波的干涉和应力波与爆生气体的综合作用的宏观观点来讨论裂缝形成机理的。本文就此问题,从分子微观结构的作用势来做一些探讨与分析。1岩样单轴难题岩石是由多种分子组成的多晶混合体,各分子之间相互作用,并存在一定的作用势。岩石材料在外载荷的作用下,各分子之间的作用势将会发生变化。根据资料,岩石分子间的作用势可表述为:V(r)=−Arm+BrnV(r)=-Arm+Brn式中r为分子间距,A、B、n、m分别为大于零的常数,n、m与晶粒类型有关。由V(r)可叠加出二维平面内的势阱图,在此二维势阱中,考虑分子体系的势能随分子之间距离r在受压方向(定义为Z方向,取拉伸方向为Z轴的正向)上投影的变化,当岩样单轴受压时,分子体系作用势随Z轴的变化如图1所示。岩样在外载作用下,应力-应变曲线呈线弹、屈服、体膨胀(弱化)的渐变过程。这时分子(或分子体系)在受力的Z方向其位能V(z)按图1所示变化。随外载增大,分子(或分子体系)的位能沿Z的反方向相应由A增加ΔE。随ΔE的增大,材料中的分子(或分子体系)穿越势垒C到D稳态的机率增大。当一分子(或分子体系)达到D稳态就对应材料中出现一微缺陷。从图中可以看出E1>E2,当分子从C状态到达D状态时要放出一定的能量,该能量一部分以声光方式释放出去,另一部分以弹性波的形式传递到已处激化态的分子,使这个激化态的分子又从C状态到达D状态且又要放出一部分能量,因此,只要ΔE的能量足够高,一旦有一部分分子跃到C状态到达D稳态,就会有大部分的分子能够到达D稳态。形成一个链锁反应,这样岩石就会出现宏观裂纹直至破裂。2聚能爆破的能量凝聚炸药爆炸后,炸药的能量转化成了爆轰波的能量,以爆轰波形式直接作用于介质,因此破岩过程中的能量是由爆轰波提供的。根据爆轰波理论,爆轰波的能量密度可用下式表示:E=ρ[p(n−1)ρ+12u2]=pn−1+12ρu2E=ρ[p(n-1)ρ+12u2]=pn-1+12ρu2式中ρ、p、u、n分别为爆轰波阵面的密度、压力、质点速度和多方指数。取多方指数为3,p=ρ0D2/4,ρ=4ρ0/3,u=D/4,则得:E=18ρ0D2+124ρ0D2=E′1+E′2E=18ρ0D2+124ρ0D2=E′1+E′2式中ρ0、D分别为炸药的密度和爆速。上式18ρ0D218ρ0D2为位能,124ρ0D2124ρ0D2为动能。而聚能过程中,动能是能够集中的,位能则不能集中,反而起分散作用。但在工程爆破中,如预裂爆破、光面爆破、切缝药包爆破、定向聚能切割爆破等爆破方法中,装药均在密闭的炮孔中爆炸,有的还带有较强的外壳,炮孔和外壳可以延缓圆周侧向的稀疏波进入炸药装药的时间,因而能减少装药层不完全分解的化学损失和高温、高压的爆生气体的位能过早散溢,提高装药能量的利用率,为定向断裂控制爆破获得理想的爆破效果提供了能量保障。不论是应力波还是爆生气体,它们在破岩过程中都只是提供能量的一种表现方式作用于介质上,使介质分子的能量发生改变。在这里不妨大致认为应力波是由炸药爆炸后的动能(E′2)的一种表现方式,爆生气体是由炸药爆炸后的位能(E′1)的一种表现方式。3采用定向误差法确定可变误差控制3.1爆生气体准静态作用根据上述岩石受外载荷的作用下的分子势能转化原理与定向断裂控制爆破炸药爆轰时的能量分析,下面对定向断裂控制爆破的微观断裂机理进行探讨。一般来说,装药在孔中爆炸后,首先是爆轰波作用于孔壁,产生一压缩应力波,并在介质中形成一个动态应力场,在此应力场中的介质分子也获得了一个能量增量,在较近的地方,此能量增量能使分子自动跃迁到C状态到达D稳态,形成链锁反应,使近区岩体直接产生裂纹。然而,在较远的地方,此能量增量衰减不能使分子自动跃迁到C状态到达D稳态,只能在后续的高温、高压的爆生气体的作用下,使动态应力场中的介质分子再次获得能量增量,使分子的能量增量变成,此时,介质分子自动跃迁到C状态的机率就大大增强,极易形成链锁反应,出现宏观裂纹。因此,装药在孔中爆炸后,爆炸应力波的动态作用和爆生气体的准静态作用,在破岩的过程中是相互相存、密不可分的。对定向断裂控制爆破来说,由于聚能药包采用了特殊的装药结构,使得装药在爆炸后,在聚能方向形成了一个加强了的爆轰射流直接撞击相对的孔壁,这个加强了的爆轰射流一方面因其能流密度较大,使得被撞击的孔壁附近介质分子已获得了一个较大的能量增量,这个增量在没有爆生气体准静态的作用下,就能使介质分子自动跃迁到C状态到达D稳态,从而直接形成定向裂缝;另一方面离孔壁较远处,因这个加强了的爆轰射流急剧衰减,其能流密度下降,使得介质分子获得的能量增量也降低,这样介质分子不能自动跃迁到C状态,从而不能直接形成裂缝,但是,在沿聚能方向的介质中,形成了一个加强了的应力场,因而在聚能方向的介质分子获得比非聚能方向介质分子更多的能量增量,这些分子在后续高温、高压的爆生气体的准静态作用下,又获得非聚能方向介质分子同样多的能量增量,这样聚能方向介质分子的总能量增量大于非聚能方向介质分子的能量增量,因此,沿聚能方向介质分子能自动跃迁到C状态的机率大大高于非聚能方向介质分子的机率,所以,沿聚能方向能形成定向裂缝而非聚能方向难以形成裂缝。3.2爆破时产生的定向裂纹定向断裂控制爆破如果采用双孔同时爆破,其情况就有一些变化,其不同之处主要有以下几个方面:1)当两个孔内的装药同时爆炸时,两孔所产生的爆炸应力波形成一对压应力波,同时作用于两孔中间的介质。由于这两个压应力波是相向而行的,在两孔中间的介质中产生应力波叠加,改变了孔周能量的中心对称性使得控制具有更强的方向性,这就是预裂爆破、光面爆破在单孔时不能形成定向裂纹,而在双孔爆破时能形成定向裂纹的原故。2)对于大多数岩石类工程材料来说,一般存在大量的裂隙、微孔穴和夹杂缺陷等初始损伤,当两个孔内的装药同时爆炸时,两孔所产生的爆炸应力波形成一对压应力波,同时作用于两孔中间的介质,使得岩石类工程材料中的内摩擦角、内摩擦系数以及内凝聚力都比单孔时有了明显的提高,导致相应的抗压强度、抗剪强度得以提高,削弱了初始损伤给爆破带来的不利影响,提高了应力波的透射能力,为后续的爆生气体传递能量提供了条件。3)由于爆炸应力波在介质中传播的衰减是连续的,当单孔装药爆炸后应力波所提供的能量衰减到两孔之间的介质分子不能自动跃迁到C状态到达D稳态,不能直接形成定向裂缝时,另一个炮孔的装药爆炸后应力波与其叠加达到介质分子能自动跃迁到C状态到达D稳态的能量,从而又能直接形成定向裂缝。使原单孔时只能以地震波传播的能量又得到有效的利用,提高了爆破能量的利用率。4线型切割弹爆破效果好,地层注意事项复杂,普遍缺乏聚能效应通过多年对定向断裂爆破理论的研究,对《聚能定向断裂线型切割石材新技术》切割石材的方法做了比较详细的可行性试验,在实验室分别采用用切缝药包与试制的线型切割弹在铝板上做了对比试验。从2种药包爆炸以后的结果来看:切缝药包爆炸后其所切的沟槽浅而宽,且沟槽边缘有爆轰冲压的明显痕迹;试制的线型切割弹新技术所切的沟槽深而窄,沟槽边缘没有爆轰冲压的明显痕迹,这说明作者试制的线型切割弹具有很强的聚能效应。用试制的线型切割弹进行了现场试验,得出了比较理想的结果:在65cm深的单炮孔爆破中,只装1支聚能药包,就能得到1.2~1.4m的定向裂纹(如图2、图3所示),且孔口肉眼未见其它任何裂纹。从用线型切割弹爆破切开的岩块效果来看:断裂面非常平整,炮孔装药区域段只见白色痕迹,用水冲洗、干后观察没有见到肉眼可见的其它任何裂纹,但是在断裂面上有炮烟薰黑的痕迹如图4所示。在1.2m深的多炮孔爆破中,孔距为1.2~1.4m的4个炮孔同时起爆,爆后其断裂面95%均在这条设定的直线上(如图5),说明试制的线型切割弹具有很强的方向性。5定向聚能切割爆破从微观能量理论出发,提出了定向断裂控制爆破的微观