摘要：评价岩体爆破损伤程度及其范围对工程爆破参数设计和岩体结构支护具有重要指导意义。在引进核磁共振检测技术，从研究爆破作用导致岩石损伤的本质着手，以岩石孔隙度、横向弛豫时间T2谱等参数为判据，以及核磁共振成像技术这一直观方式定量确定岩体爆破损伤范围。同时，结合超声波测试和岩石力学强度测定等技术手段对核磁共振结果进行比较和论证，研究结果表明，核磁共振技术具有较高的实用性和准确性，为研究爆破岩体损伤开辟一种新的技术手段。
关键词：岩石力学；爆破损伤；损伤范围；核磁共振；试验
一、岩体爆破损伤试验设计
1.试验方案
本文研究思路是：取爆破前后2组岩芯，先后进行超声波、核磁共振以及单轴抗压强度测试，再分析、比较2组岩芯的各测试参数的变化规律，得出爆破损伤的程度和范围。
为提高模拟试验的针对性，选取某矿+650m水平新掘巷道开展爆破试验，该位置远离生产作业区，围岩扰动损伤相对较小，且岩体类型单一，均为炭质沉凝灰岩。本次爆破损伤试验共设置一个爆破孔和2组测试孔，其中测试孔分为爆前测试孔和爆后测试孔，每组各10个，各孔之间相距0.8m。2组测试孔相距1.5m，以尽量确保2组测试孔岩芯物理结构相近的同时，避免在钻取一组岩芯时对另一组岩芯的扰动。故在本试验中，可以将爆破前测试孔岩芯物理力学参数近似等同于爆破后测试孔岩芯的初始物理力学参数。巷道开挖后，周边围岩会形成一定深度的“松动圈”，即所谓既有开挖对围岩的损伤范围，在该范围内岩体力学参数会被弱化。考虑到本次试验围岩完整性好，故取1.3m处的岩芯进行爆破损伤研究。各爆破参数为：炮孔直径Φ=120mm，孔深L=1.5m；测试孔直径Φ=50mm，孔深L=1.3m；爆破采用乳化炸药，根据相似原理，试验采场深孔爆破设计中炮孔装药系数为70%，求得本试验炮孔装药量Q=4.5kg，埋深1.5m，堵塞长度不小于0.5m。
2.试验过程
按爆破前后顺序将试验过程分为2个步骤。爆破前，分别取1#～10#测试孔岩芯，切割打磨成尺寸为Φ50mm×100mm的岩样；爆破后，炮孔周围形成爆破漏斗，半径约为1.41m，1#，2#测试孔所在位置岩体完全破碎而无法获取岩芯，3#测试孔处岩体破坏较大，难以获得完整岩芯，故最后只获得4#～10#共7组测试孔岩芯。因每一组岩芯均要进行声波测试、核磁共振测试及单轴抗压测试，考虑到声波测试和核磁共振测试都是无损测试，但核磁共振测试还需对岩芯进行4h真空饱和，为确保整个试验顺序进行，并最大限度减少试验过程误差，故将试验顺序设定为声波测试→核磁共振测试→单轴抗压测试，各试验采用的仪器分别为TICO超声波测试仪、MiniMR–60核磁共振岩芯分析仪与AniMR–150核磁共振成像分析仪和MTS815岩石试验机。
二、试验结果及分析
1.超声波测试
通过检测声波在岩石中的传播速度可得到岩体质量和强度的相关信息。一般来说，岩石强度愈大、完整性愈高，则波速愈大，反之则愈小；测定爆破前后岩石中波速的变化就能够表征岩石物理力学性质以及动态力学性质的变化，反映岩石内部所产生的损伤或缺陷。本试验对爆破前后所取的芯样进行了超声波检测，所得结果见表1。
表1爆破损伤声波测试结果
根据表1可以看出，爆破前后部分测孔岩芯波速发生了明显变化，说明爆炸冲击载荷对炮孔附近一定范围内的岩体造成了损伤。根据《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》（SL47—94）中采用波降率来判定岩体爆破损伤范围公式：
当η≤10%时，爆破对岩体无影响或影响甚微；当10%＜η≤15%时，爆破对岩体影响轻微；当η＞15%时，爆破对岩体有影响。据此可判断爆破损伤范围在6.4m以内。为定量描述岩石的损伤程度，引入损伤变量，如下式所示：
式中：D为岩石损伤变量，当D=1时表示岩石产生了宏观断裂或者是已经破碎，D=0时则表示芯样没有产生损伤和破坏。将表1中的测试结果代入上式中，即可得到各组岩芯的损伤程度（见表1）。
2.核磁共振测试
（1）横向弛豫时间T2分析。核磁共振弛豫时间主要取决于岩石的固液界面特性和孔隙的比表面积，故其能直观反映岩石在承载前后孔隙结构的变化特征。本文中孔隙度的概念可理解为所有大小裂隙的集合，其总体积与岩石体积的百分比，宏观上是描述岩石致密程度，微观上则表征岩石的组织结构形式与微裂隙发育情况。有学者研究认为，横向弛豫时间T2谱面积等于或略小于岩石的有效孔隙度，可以视为核磁共振孔隙度，且横向弛豫时间T2主要取决于表面弛豫，即直接反映孔隙结构的变化；T2值与岩石平均孔隙半径一一对应，当孔隙越小时，T2时间也越短，故采用横向弛豫时间T2来分析岩石承载前后孔隙大小及其孔径分布变化。
（2）核磁共振成像分析。核磁共振成像技术使试验结果更加直观。通过爆后7组岩芯与爆前1组岩芯的核磁共振成像，需要说明的是图像中白色亮点为水分子所在区域，代表的是孔隙范围，白色亮点越多，意味着岩石中孔隙越大，反之，则孔隙越小；黑色背景作为底色，与白色形成对比便于查看。很容易得出，7组爆后岩芯的孔隙量随距炮孔距离的增大依次减小，这一结论与孔隙度的变化曲线相一致。还可以看出，4#～6#岩芯内部的孔隙尺寸较大、数量较多，且相互贯通，这必然使岩石的完整性和强度大大降低；7#岩芯内部孔隙贯通性减少，但尺寸仍然较大，8#岩芯内部孔隙尺寸减小，但数量仍然较多，这些也不可避免地削弱岩石强度；9#，10#岩芯内部孔隙数量少、无贯通，且未见较大尺寸，总体上均质性较好，爆破损伤影响较小。通过与爆前岩芯（7#）核磁共振成像结果相比较，得出9#和10#岩芯差异最小，可以认为其未受爆破损伤，故推断该条件下爆破损伤范围为7.2m。
3.单轴抗压测试
单轴抗压强度是反映岩体强度的一个重要参数。在爆炸冲击载荷作用下，岩石单轴抗压强度与岩石的损伤程度密切相关，声波测试和核磁共振测试结果已经表明，岩石爆破损伤与距炮孔距离有重要关系。为减少饱和水对试验结果的影响，将岩芯自然风干48 h 后再进行单轴抗压强度测试，测试结果如表2 所示。
表2 爆破前后岩芯单轴抗压强度对比
结论
（1）工程爆破会对一定范围内的岩体造成损伤，岩体与爆源距离的愈近，其损伤程度愈大。试验结果表明，2.4m范围内的岩体完全破坏；声波测试得出爆破损伤范围为6.4m，核磁共振和单轴抗压测试均得出爆破损伤范围为7.2m，综合比较认为，在该爆破条件下岩体的损伤范围为7.2m。
（2）核磁共振技术是通过测定岩体孔隙度、横向弛豫时间T2谱等参数以及核磁共振成像方式，直观地展现岩体内部微孔隙的分布情况和扩展规律，并以此为基础推断出岩体爆破损伤程度和范围，这为岩体爆破损伤研究开辟了一种新的技术手段。
参考文献：
[1]颜峰，姜福兴.爆炸冲击载荷作用下岩石的损伤实验[J].爆炸与冲击，2009，29（3）：275–280.
[2]夏祥.爆炸荷载作用下岩体损伤特征及安全阈值研究[博士学位论文][D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2006.
论文作者:张强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/18
标签：损伤论文; 岩石论文; 孔隙论文; 测试论文; 核磁共振论文; 声波论文; 抗压强度论文; 《基层建设》2018年第25期论文;