一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103412112 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103412112 A *CN103412112A* (21)申请号 201310365275.0 (22)申请日 2013.08.21 G01N 33/24(2006.01) (71)申请人 中国矿业大学 （北京） 地址 100083 北京市海淀区学院路丁 11 号 (72)发明人 郭东明 杨仁树 刘康 (74)专利代理机构 北京市广友专利事务所有限 责任公司 11237 代理人 祁献民 (54) 发明名称 一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩 破坏的实验方法 (57) 摘要 本发明公开一种用。

2、于模拟钻爆法施工巷道诱 发临近巷道围岩破坏的实验方法， 涉及巷道爆破 开挖技术领域， 为了解爆破动荷载对邻近巷道围 岩原始裂纹群的影响， 从而对邻近巷道布置的安 全距离确定以及钻爆法掘进巷道的经济合理支护 提供依据而发明。用于模拟钻爆法施工巷道诱发 临近巷道围岩破坏的实验方法包括 ： 在试块的局 部位置处预制模拟巷道， 并在所述模拟巷道轮廓 的预定位置处形成预制裂纹 ； 在所述试块上位于 所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装设 炸药 ； 在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模 拟巷道周边的损伤状况进行动态采集并进行分 析， 获得所述爆破对所述模拟巷道围岩断裂动态 因子的数据。本发明适用于钻。

3、爆法施工巷道诱发 临近巷道围岩破坏的模拟实验。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 9 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书11页 附图9页 (10)申请公布号 CN 103412112 A CN 103412112 A *CN103412112A* 1/2 页 2 1. 一种用于模拟钻爆法施工巷道诱发临近巷道围岩破坏的实验方法， 其特征在于， 包 括 ： 在试块的局部位置处预制模拟巷道， 并在所述模拟巷道轮廓的预定位置处形成预制裂 纹 ； 在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装设炸药 ； 对所。

4、述炸药进行起爆， 在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的断裂动 态因子状况进行动态采集 ； 对采集的所述模拟巷道周边的断裂动态因子进行分析， 获得所述爆破对所述模拟巷道 周边断裂损伤破坏的影响数据。 2. 根据权利要求 1 所述的实验方法， 其特征在于， 所述在试块的局部位置处开设模拟 巷道包括 ： 在 尺 寸 为 300mm300mm5mm 的 有 机 玻 璃 板，或 尺 寸 为 300mm300mm6mm 的 人 造 石 板 的 局 部 位 置 处 预 制 模 拟 巷 道 ； 其 中， 所 述 模 拟 巷 道 下 部 为 40mm 20mm 的半矩形， 上部为半径 20mm 的。

5、半圆顶。 3. 根据权利要求 1 所述的实验方法， 其特征在于， 所述在所述模拟巷道周边的预定位 置处预制裂纹包括 ： 在所述巷道的顶部形成预制裂纹， 以及在所述巷道的侧壁上靠近巷道底部和肩部的位 置处也分别形成预制裂纹 ； 并且， 所述预制裂纹自所述巷道周边朝向远离所述巷道中心的 方向延伸。 4. 根据权利要求 3 所述的实验方法， 其特征在于， 所形成的每条预制裂纹各自由两条 朝向不同方向弯曲的圆弧连接而成。 5. 根据权利要求 4 所述的实验方法， 其特征在于， 形成所述预制裂纹的每条圆弧的半 径为 3mm， 弦长为 2mm。 6. 根据权利要求 1 所述的实验方法， 其特征在于， 所述。

6、在所述试块上位于所述模拟巷 道临近的预定位置处开设炮孔并装设炸药包括 ： 在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔， 在所述试块的背面正对 所述炮孔的位置处粘贴一透明贴块 ； 在所述炮孔内装填炸药。 7. 根 据 权 利 要 求 6 所 述 的 实 验 方 法， 其 特 征 在 于， 当 所 述 试 块 采 用 尺 寸 为 300mm300mm5mm 的有机玻璃板时， 所述贴块采用尺寸为大于炮孔尺寸， 且可为透明胶 带 ； 当所述试块采用尺寸为 300mm300mm6mm 的人造石板时， 所述贴块采用尺寸为大于 炮孔尺寸， 且可为透明胶带。 8. 根据权利要求 2 所述的实验方法，。

7、 其特征在于， 所述炮孔的直径为 6mm， 且炮孔中心与巷道中心的间距为 40mm、 45mm、 50mm、 55mm、 60mm、 65mm 或 70mm。 9. 根据权利要求 8 所述的实验方法， 其特征在于， 所述装设炸药包括 ： 在所述炮孔内装 入 145mg 的叠氮化铅单质炸药。 10. 根据权利要求 1 所述的实验方法， 其特征在于， 所述在对所述炸药进行起爆的同 时， 对所述模拟巷道周边预制裂纹群的断裂损伤状况进行动态采集包括 ： 权 利 要 求 书 CN 103412112 A 2 2/2 页 3 在对所述炸药进行起爆的同时， 采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的损伤状况 进。

8、行动态采集。 权 利 要 求 书 CN 103412112 A 3 1/11 页 4 一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方 法 技术领域 0001 本发明涉及巷道爆破开挖技术领域， 尤其涉及一种用于模拟钻爆法施工诱发临近 巷道围岩破坏的实验方法。 背景技术 0002 钻爆法是目前我国井巷工程开掘的主要施工方法， 广泛应用于我国煤矿、 公路、 铁 路、 水利等行业的巷道 （隧道、 硐室等） 掘进， 但同时钻爆法开挖巷道也会带来负面影响 , 如 钻爆法施工巷道 （隧道、 硐室等） 对邻近巷道 （隧道、 硐室等） 的影响， 由于巷道 （隧道、 硐室等） 围岩中存在原始缺陷， 爆破荷载必。

9、然会对邻近巷道 （隧道、 硐室等） 围岩造成损伤， 甚至诱发 动力灾害， 目前我国工程技术界对于爆破载荷高效利用已取得了大量研究成果， 但对于爆 破对巷道特别是临近巷道围岩的破坏研究不够， 特别是实验室研究还很少， 本实验方法可 作为此类研究提供思路。 发明内容 0003 本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围 岩破坏的实验方法， 能够了解爆破动荷载对邻近巷道围岩原始裂纹群的影响， 便于确定两 邻近巷道安全距离以及巷道特别是深部巷道经济合理的支护提供依据。 0004 为解决上述技术问题， 本发明用于模拟巷道钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的 实验方法的实施例采用如下。

10、技术方案 ： 一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法， 包括 ： 在试块的局部位置处预制模拟巷道， 并在所述模拟巷道轮廓的预定位置处形成预制裂 纹 ； 在所述试块上位于所述模拟巷道外围的预定位置处开设炮孔并装设炸药 ； 对所述炸药进行起爆， 在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的断裂损 伤状况进行动态采集 ； 对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析， 获得所述爆 破载荷对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据。 0005 其中， 所述在试块的局部位置处开设模拟巷道包括 ： 在尺寸为300mm300mm5mm 的有机玻璃板， 或尺寸为 300mmX300mmX6mm。

11、 的人造石板的局部位置处开设模拟巷道 ； 其 中， 所述模拟巷道下部为 40mm 20mm 的半矩形， 上部为半径 20mm 的半圆顶。 0006 其中， 所述在所述模拟巷道周边的预定位置处形成预制裂纹包括 ： 在所述巷道的 顶部形成预制裂纹， 以及在所述巷道的侧壁上靠近巷道底部和肩部的位置处也分别形成预 制裂纹 ； 并且， 所述预制裂纹自所述巷道周边朝向远离所述巷道中心的方向延伸。 0007 进一步地， 所形成的每条预制裂纹各自由两条朝向不同方向弯曲的圆弧连接而 成。 说 明 书 CN 103412112 A 4 2/11 页 5 0008 进一步地， 形成所述预制裂纹的每条圆弧的半径为 3。

12、mm， 弦长为 2mm。 0009 其中， 所述在所述试块上位于所述模拟巷道外围的预定位置处开设炮孔并装设炸 药包括 ： 在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔， 在所述试块的背面 正对所述炮孔的位置处粘贴一贴块 ； 在所述炮孔内装填炸药。 0010 进一步地， 当所述试块采用尺寸为 300mm300mm5mm 的有机玻璃板时， 所述贴 块采用尺寸为 150mm150mm5mm 的氯仿 ； 当所述试块采用尺寸为 300mm300mm6mm 的 人造石板时， 所述贴块采用尺寸为 150mm150mm6mm 的环氧树脂。 0011 进一步地， 所述炮孔的直径为 6mm， 且炮孔中心与。

13、巷道中心的间距为 40mm、 45mm、 50mm、 55mm、 60mm、 65mm 或 70mm。 0012 其中， 所述装设炸药包括 ： 在所述炮孔内装入 145mg 的叠氮化铅单质炸药。 0013 其中， 所述在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的损伤状况进行 动态采集包括 ： 在对所述炸药进行起爆的同时， 采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边 的断裂损伤状况进行动态采集。 0014 进一步地， 所述采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采 集包括 ： 采用数码高速摄影仪， 对参考平面处的光强变化过程进行拍摄， 得到数码焦散斑照 片。 0015 可选地， 所。

14、述在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的损伤状况进 行动态采集包括 ： 在对所述炸药进行起爆的同时， 利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片 及与所述应变片相连的动态应变测试仪， 对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。 0016 进一步地， 所述利用贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动 态应变测试仪， 对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集包括 ： 利用横向或纵向粘贴 在所述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪， 对所述模拟巷道 周边的受力状况进行动态采集。 0017 其中， 所述对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析， 获得所述爆破 。

15、对所述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据包括 ： 根据焦散线实验记录下不同时刻裂纹尖端 的位置， 得到裂纹扩展距离与时间的关系曲线， 并根据该关系曲线得出各个瞬时的裂纹扩 展速度。 0018 其中， 所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析， 获得所述爆破对所 述模拟巷道周边损伤的影响数据包括 ： 通过测量获得扩展裂纹尖端的焦散斑直径 ； 通过测 得的扩展裂纹尖端的焦散斑直径， 确定不同时刻的动态应力强度因子并得出试件材料在裂 纹刚刚起裂扩展时的临界应力强度因子。 0019 其中， 所述对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析， 获得所述爆破对所 述模拟巷道周边断裂损伤的影响数据包括 ： 。

16、确定裂纹尖端的复合型裂纹动态裂纹强度因 子 ； 其中， 所述的复合型裂纹动态裂纹强度因子根据下式确定 ： 式中 ： 为沿裂纹方向的焦散斑最大直径 ； 为参考平面到物体平面的距离 ； 为材料 说 明 书 CN 103412112 A 5 3/11 页 6 的应力光学常数 ；为试件的有效厚度， 对于透明材料， 板的有效厚度即为板的实际厚 度 ； 为应力强度数值因子 ；为动态载荷作用下， 复合型扩展裂纹尖端的型动态应力 强度因子 ；为由裂纹扩展速度引起的修正因子， 在具有实际意义的裂纹扩展速度下， 其值约等于 1。 0020 本发明提供的一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法， 通过 。

17、在试块的局部位置处开设模拟巷道， 并在所述模拟巷道周边的预定位置处形成预制裂纹 群， 在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装填炸药， 在对所述炸 药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集， 对采集的所述模 拟巷道的预制裂纹群断裂损伤状况进行分析， 能够获得所述爆破载荷对所述模拟巷道周边 断裂损伤的影响数据， 从而能够了解爆破荷载对邻近巷道围岩原始裂纹群的影响， 便于对 邻近巷道安全距离的确定以及巷道经济合理的支护提供了依据。 附图说明 0021 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单。

18、地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些附图获得其它的附图。 0022 图 1 为本发明的实施例用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法 的流程示意图 ； 图 2 为用于本发明实验实施例的试块结构示意图 ； 图 3 为用于本发明实验实施例的另一试块结构示意图 ； 图 4 为应用于本发明实施例的透射式焦散线法的实验系统结构示意图 ； 图 5 为本发明一实施例中应变片在模拟巷道外围布置的结构示意图 ； 图 6 为用于本发明实验实施例的又一试块结构示意图 ； 图 7a-7d 为根据本发明。

19、一实施例获得的炮孔与巷道间距不同时的群裂纹扩展图 ； 图 8a-8b 为根据本发明一实施例获得的裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹尖端位 移以及速度随时间的变化规律 （L=45mm） 示意图。 具体实施方式 0023 下面结合附图对本发明实施例一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏 的实验方法进行详细描述。 应当明确， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提 下所获得的所有其它实施例， 都属于本发明保护的范围。 0024 图 1 为本发明的实施例用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法 的流程示。

20、意图。参看图 1 所示， 本发明实施例一种用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩 破坏的实验方法， 包括步骤 ： S1、 在试块的局部位置处开设模拟巷道， 并在所述模拟巷道轮廓的预定位置处形成预 制裂纹 ； 说 明 书 CN 103412112 A 6 4/11 页 7 S2、 在所述试块上位于所述模拟巷道外围的预定位置处开设炮孔并装填炸药 ； S3、 对所述炸药进行起爆， 在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的断裂 损伤状况进行动态采集 ； S4、 对采集的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析， 获得所述爆破对所述模拟 巷道周边断裂损伤的影响数据。 0025 通过在试块的局部位置处。

21、预制模拟巷道， 并在所述模拟巷道周边的预定位置处形 成预制裂纹， 在所述试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装填炸药， 在 对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行动态采集， 对采集 的所述模拟巷道周边的断裂损伤状况进行分析， 能够获得所述爆破动载荷对所述模拟巷道 周边断裂损伤的影响数据， 从而能够了解爆破荷载对邻近巷道围岩原始裂纹群的影响， 便 于对邻近巷道安全距离的确定以及巷道经济合理的支护提供了依据。 0026 在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 所述试 块可以采用有机玻璃板来制作， 也可以采用人造石板来制作。试块材料的具。

22、体选择根据试 块材料本身的特性并结合对模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集所利用的技术手段来 综合确定。 0027 有机玻璃板为各向同性的均匀光学非晶体介质， 具有良好的透光性， 且具有较好 的弹性和塑性， 是一种理想的光学模型材料。 因此， 当采用透射式焦散线法对所述模拟巷道 周边的断裂损伤状况进行动态采集时， 优选采用有机玻璃板作为试块的材料， 如采用人造 石材时， 可采用反射式焦散线法。 0028 图 2 为用于本发明实验实施例的试块结构示意图。参看图 2 所示， 当采用有机玻 璃板时， 所述在试块的局部位置处开设模拟巷道包括 ： 在尺寸为 300mm300mm5mm 的有 机玻璃板的局部。

23、位置处开设模拟巷道 10 ； 其中， 所述模拟巷道 10 下部为 40mm20mm 的半 矩形， 上部为半径 20mm 的半圆顶。 0029 人造石是用非天然的混合物制成的， 如树脂、 水、 钙粉、 玻璃珠、 铝石粉等等加碎石 黏合剂制作而成的， 因为人造石表现出比岩石材料要好的均质和各向同性， 相对岩石材料 实验较容易， 且实验结果相对较明显 ； 同时人造石板在物理力学性质等许多方面相似。因 此， 在利用应变片或声发射传感器对对模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集时， 优选采 用人造石板。 0030 参看图 2 所示， 当采用人造石板来制作试块时， 所述在试块的局部位置处开设模 拟巷道包括 ：。

24、 在尺寸为 300mm300mm6mm 的人造石板的局部位置处开设模拟巷道 10 ； 其 中， 所述模拟巷道 10 下部为 40mm20mm 的半矩形， 上部为半径 20mm 的半圆顶。 0031 参看图 2 所示， 在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实 施例中， 为了模拟巷道周边的原始缺陷， 在所述模拟巷道 10 周边的预定位置处形成预制裂 纹 30。其中， 所述在所述模拟巷道周边的预定位置处形成预制裂纹 30 包括 ： 在所述巷道 10 的顶部形成预制裂纹， 以及在所述巷道的侧壁上靠近巷道底部和肩部的位置处也分别形成 预制裂纹 ； 并且， 所述预制裂纹自所述巷道周边朝向。

25、远离所述巷道 10 中心的方向延伸。 0032 所述预制裂纹设置在巷道周边应力相对集中的地方， 既便于预制裂纹在试块上的 形成， 又有利于在受到爆炸冲击时发生较为明显的应力形变， 易于观察和实验。 0033 为了较为真实地模拟巷道周边原始的裂纹形状， 前述实施例中， 所形成的每条预 说 明 书 CN 103412112 A 7 5/11 页 8 制裂纹 30 各自由两条朝向不同方向弯曲的圆弧连接而成。优选地， 形成所述预制裂纹 30 的每条圆弧的半径为 3mm， 弦长为 2mm。 0034 在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 可以在 所述试块上位于所述模拟巷道10。

26、外围的左侧、 右侧、 右上侧或顶部等位置处开设炮孔20并 装设炸药。 0035 图 3 为用于本发明实验实施例的另一试块结构示意图。参看图 3 所示， 为了便于 炸药的装设及使得炸药爆炸所产生的能量较为充分地传递到试块上， 优选地， 所述在所述 试块上位于所述模拟巷道临近的预定位置处开设炮孔并装填炸药包括 ： 在所述试块上位于 所述模拟巷道 10 外围的预定位置处开设炮孔 20， 在所述试块的背面正对所述炮孔 20 的位 置处粘贴一贴块 40 ； 在所述炮孔 20 内装入炸药。所述贴块 40 表示巷道内待挖面， 也设有 预制裂纹 （图中未示出） 。 0036 当所述试块采用尺寸为300mm30。

27、0mm5mm的有机玻璃板时， 所述贴块40采用尺 寸为 150mm150mm5mm 的氯仿 ； 当所述试块采用尺寸为 300mm300mm6mm 的人造石板 时， 所述贴块 40 采用尺寸为 150mm150mm6mm 的环氧树脂。 0037 在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 所述炮 孔 20 的直径为 6mm， 且炮孔中心与巷道中心的间距 L 为 40mm、 45mm、 50mm、 55mm、 60mm、 65mm 或 70mm。 0038 加载方法采用少量敏感度高的单质炸药， 起爆后产生瞬时爆炸荷载。由于叠氮化 铅感度高， 起爆性能好， 而且爆炸产生的炮烟较。

28、少， 对视场清晰度影响程度较小。因此选用 叠氮化铅， 初选药量 140-150mg。优选地， 在所述炮孔内装设炸药包括 ： 在所述炮孔内装入 145mg 的叠氮化铅单质炸药。 0039 所述炮孔 20 可以是单炮孔， 也可以是双炮孔或多炮孔。 0040 上述实施例中、 试块尺寸、 模拟巷道尺寸、 炮孔直径、 炮孔中心与巷道中心的间距、 以及炮孔内所装炸药种类及炸药量的综合选择， 既能使试块较为充分地吸收炸药爆炸所产 生的冲击波， 获得较为真实的实验数据， 又能使试块的尺寸尽可能地小， 节省实验耗材， 降 低实验成本。 0041 在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 。

29、在对所 述炸药进行起爆的同时， 可以采取多种技术手段对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态 采集。下面对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集所利用的技术手段进行举例说 明。 0042 在一实施例中， 所述在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的损伤 状况进行动态采集包括 ： 在对所述炸药进行起爆的同时， 采用透射式焦散线法对所述模拟 巷道周边的损伤状况进行动态采集。 0043 透射式焦散线法的实验原理如下 ： （1） 、 焦散线法是利用纯几何光学的映射关系， 将物体、 特别是应力集中区域的复杂变 形状态， 转换或非常简单而清晰的阴影光学图形焦散线的一种实验方法。通过对焦散 线特征长度。

30、的测量和简单的计算， 就可以得到有关的力学参量。 用焦散线法去测量动、 静态 断裂过程中的裂纹尖端的应力强度因子， 所利用的信息是从应力场中非常接近裂纹尖端的 微小区域得到的， 不需要对外荷载和边条件的任何了解， 也不想其它光力学实验方法那样 说 明 书 CN 103412112 A 8 6/11 页 9 需要利用利用远场的应力场和适当的插值公式， 因此这个方法的精度高， 而且使用和计算 也都很简单。 0044 （2） 、 高速摄影系统 用高速摄影系统记录动态过程有两个要求 ： 一是曝光时间要足够短 ； 另一个是要求照 明光足够强， 以保证拍摄图像的底片上有足够的曝光量。由于爆炸冲击荷载下裂纹。

31、扩展速 度较快， 本实验采用 Photron 公司推出的 FASTCAM SA5. 高速摄影系统。 0045 （3） 、 起爆方法和起爆装置 装药时在炮孔内放置起爆导线， 连接高压起爆器， 利用高压放电产生的火花引爆炸药。 高压起爆器采用中国科学院力学研究所制的 MD-2000 多通道脉冲点火器， 手动触发方式， 利用自动跟踪式同步机的同步自校触发起爆器引爆炸药。实验前先对起爆器进行充电， 但 起爆充电时间不能过长， 充电时间过长则可能使起爆器自动放电而引爆炸药。所以要计算 好充电时间， 在实验室湿度较小的情况下， 起爆器的最长充电时间一般不超过 5 分钟。 如果 实验室的湿度很大， 则起爆器。

32、的充电时间就相应缩短， 放电也越快。每次试验完成后， 一定 要把高压起爆器内剩余的电荷放掉， 否则时间长了， 对起爆器会有损坏或影响其性能。 0046 为了避免实验仪器如透镜和高速摄影仪等被爆炸后的碎块所破坏， 同时也要尽可 能的减少防护设备对实验结果造成的影响。在爆破源与透镜之间设置了 3 毫米厚的无应力 氟化玻璃。 0047 图 4 为应用于本发明实施例的透射式焦散线法的实验系统结构示意图。参看图 4 所示， 透射式焦散线法的实验系统， 包括 ： 激光光源 41、 扩束镜 42、 场镜 43、 模型试件 44、 场 镜 45 及高速摄影仪 46 的中心在一条直线上。焦散线方法使用设备虽然简。

33、单， 但系统的调 整却很繁琐， 而且为保证实验的精确， 每次试验前都需要对光路进行检查。其中， 扩束镜 42 使激光均匀发散 ； 场镜 43 产生平行光 ； 场镜 45 将平行光聚焦投射到高速摄影仪 46 上。在 调整光路时， 要使投射到场镜 43 上的光强度及光场均匀。 0048 在采用透射式焦散线法对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集的实施例 中， 采用数码高速摄影仪 46， 对参考平面处的光强变化过程进行拍摄， 得到数码焦散斑照 片。 0049 在另一实施例中， 所述在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的损 伤状况进行动态采集包括 ： 在对所述炸药进行起爆的同时， 利用贴。

34、在所述预制裂纹尖端处 的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪， 对所述模拟巷道周边的受力状况进行动 态采集。 0050 实验原理 ： （1） 、 电阻应变测量原理 这种电测方法是通过电阻应变片测定构件的应变， 再根据应力应变关系确定应力状 态。其中电阻应变片的工作原理是基于导体的 “电阻应变效应” ， 也就是利用导体的电阻 随机械变形而变化的物理性质。 0051 （2） 、 电阻应变片的选择 由于本实验是测定在爆破荷载作用下的构件应变， 应变变化频率高达几千至几兆赫， 因此选用酚醛基底的箔式应变片， 根据试件尺寸及材料最终确定选用 101-BX120-1AA 型号 的应变片。 说 明 书 。

35、CN 103412112 A 9 7/11 页 10 0052 （3） 、 应变片的粘贴方法 用电测法测量应变的重要一环是把应变片牢固地粘贴在测点表面上， 使应变片能够随 试件一起变形。在常温下， 贴片分为以下几步 ： （31） 选片。 0053 （32） 试件表面处理 ： 用砂纸打磨应变片粘贴位置， 一是为了去除表面涂层、 油污和 不平整， 二是为了增加粘结力。最后用脱脂棉蘸酒精沿同一方向清洗贴片处。 0054 （33） 贴片 ： 采用 502 胶粘贴应变片， 因其固化很快， 通常改为先将应变片定位， 然 后在应变片底面滴一点 502 胶， 用玻璃纸轻压。 0055 （34） 干燥固化。 0。

36、056 （35） 接线 ： 将导线与应变片通过端子焊在一起， 最后再用万用表检查一下应变片 的阻值 （120） 。 0057 (36) 应变片的粘贴方案 ： 图 5 为本发明一实施例中应变片在模拟巷道外围布置的 结构示意图。 参看图5所示， 由于实验主要是探究爆破震动对巷道10周边原始裂纹的影响， 应变片 9 的粘贴主要在裂纹尖端附近。因为在爆炸冲击波的作用下， 在试件中会先后产生 拉压应变， 同时在横向也会有一定的应变， 由此粘贴应变片时采用纵横两向的粘贴。 0058 （4） 、 动态应变测量系统 ： 在进行动态应变测量时， 由于动态应变随时间变化的特点， 所以除应变仪外， 还需另配 记录显。

37、示的装置。 由于该实验应变变化频率较高， 为爆炸冲击波产生的瞬态应变， 因此采用 超动态应变测试仪。超动态应变仪是测量系统的核心部分， 它将应变片的电阻变化信号转 换成电压信号并根据需要进行放大， 然后传递给记录显示仪器。 它主要由三大部分， 即同步 触发部分， 信号转换及放大部分和应变标定部分。 0059 （5） 、 数据分析 ： 通过最终记录的应变波形了解爆破时巷道周边围岩受力情况， 研究对周边围岩的损伤 破坏。 0060 由于上述实施例中粘贴应变片时采用纵横两向的粘贴方式， 因此所述利用贴在所 述预制裂纹尖端处的应变片及与所述应变片相连的动态应变测试仪， 对所述模拟巷道周边 的受力状况进。

38、行动态采集包括 ： 利用横向和纵向粘贴在所述预制裂纹尖端处的应变片及与 所述应变片相连的动态应变测试仪， 对所述模拟巷道周边的受力状况进行动态采集。 0061 进一步地， 该实施例中还可同时采用高速摄影技术研究爆破时巷道断裂破坏的整 个过程， 即用高速摄影仪对爆破时巷道裂纹起裂及扩展过程中不同时刻裂纹尖端的位置进 行实时采集。 0062 图 6 为用于本发明实验实施例的又一试块结构示意图。参看图 6 所示， 在又一实 施例中， 所述在对所述炸药进行起爆的同时， 对所述模拟巷道周边的损伤状况进行动态采 集包括 ： 所述在对所述炸药进行起爆的同时， 采用设置在所述预制裂纹附近的声发射传感 器 50。

39、 对所述预制裂纹 30 的声发射现象进行动态采集。试块采用人造石板材料。 0063 所述采用设置在所述预制裂纹附近的声发射传感器对所述预制裂纹的声发射现 象进行动态采集包括 ： 采用设置在所述预制裂纹附近的声发射传感器对所述预制裂纹在爆 炸荷载作用下的声发射现象进行动态采集 ； 目的是观测由于爆破产生的声发射。 0064 下面对本发明用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 说 明 书 CN 103412112 A 10 8/11 页 11 对采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析， 获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤 的影响数据进行举例说明。 0065 在前述用于模拟钻爆。

40、法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 所述对 采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析， 获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的 影响数据包括 ： 根据焦散线实验记录下不同时刻裂纹尖端的位置， 得到裂纹扩展距离与时 间的关系曲线， 并根据该关系曲线得出各个瞬时的裂纹扩展速度。 0066 在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 所述对 采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析， 获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的 影响数据包括 ： 通过测量获得扩展裂纹尖端的焦散斑直径 ； 通过测得的扩展裂纹尖端的焦 散斑直径， 确定不同时刻的动态应力强度因子并得出试件材料在裂。

41、纹刚刚起裂扩展时的临 界应力强度因子。应力强度因子可反映不同时刻裂纹尖端的应力集中程度。 0067 爆炸应力场中爆炸应力波分膨胀波和剪切波两种， 爆炸应力波以这两种体波形式 向外传播， 膨胀波是一种压缩波， 在裂纹处产生压缩或拉伸作用， 而剪切波对介质产生剪切 作用， 所以， 在这两种波的作用下， 在介质内产生正应力和剪应力， 即爆炸应力是复合应力 场， 在裂纹尖端产生的焦散线是复合型。 0068 在前述用于模拟钻爆法施工诱发临近巷道围岩破坏的实验方法实施例中， 所述对 采集的所述模拟巷道周边的损伤状况进行分析， 获得所述爆破对所述模拟巷道周边损伤的 影响数据包括 ： 确定裂纹尖端的复合型裂纹。

42、动态裂纹强度因子 ； 其中， 所述的复合型裂纹 动态裂纹强度因子根据下式确定 ： 式中 ：为沿裂纹方向的焦散斑最大直径 ； 为参考平面到物体平面的距离 ； 为材料的应力光学常数 ；为试件的有效厚度， 对于透明材料， 板的有效厚度即为板的实 际厚度 ； 为应力强度数值因子 ； 为动态载荷作用下， 复合型扩展裂纹尖端的型动态 应力强度因子 ；为由裂纹扩展速度引起的修正因子， 在具有实际意义的裂纹扩展速度 下， 其值约等于 1。 0069 实施例 ： 下面以焦散线方法对模拟巷道周边的损伤状况进行动态采集为例对本发明作进一步 的详细说明。 0070 1模型加工 参看图 2 至图 3 所示， 试验模型材。

43、料为有机玻璃板， 规格 300mm300mm5mm。在板中 部加工贯通的直墙拱形巷道， 巷道下部为 40mm20mm 的半矩形， 上部为半径 20mm 的半圆 顶。 0071 考虑到巷道受载时的应力集中区及易造成破坏点， 在巷道周边不同位置预制不同 倾角的 7 条弧线状的裂纹， 裂纹由两条相同圆弧组成， 圆弧对应半径为 3mm， 圆弧对应弦长 为 2mm， 以此模拟巷道周边围岩的原始缺陷。为清晰解释， 将裂纹从左下角依次顺时针编号 1#7#。 说 明 书 CN 103412112 A 11 9/11 页 12 0072 在巷道左侧加工直径为 6mm 的炮孔， 且炮孔中心与巷道中心的间距 L 分。

44、别设为 40mm、 45mm、 50mm、 55mm、 60mm、 65mm 和 70mm， 在炮孔内装入 145mg 叠氮化铅单质炸药， 以此 模拟不同间距邻近巷道爆破。有机玻璃的动态力学参数 ：=2320m/s，=1260m/s， =6.1GN/m2，=0.31，=85m2/N。 0073 2试验结果与分析 2.1 试验结果 图 7a-7d 为根据本发明一实施例获得的炮孔与巷道间距不同时的群裂纹扩展图。图 7a-7d 所示为炮孔距巷道中心 L 为 40mm、 45mm、 50mm、 70mm 时试验结果照片。由于爆炸应力 波的作用， 炮孔周围的群裂纹出现了不同程度的扩展。由图 7a， L=。

45、40mm 时， 炮孔距巷道很 近， 在炮孔和巷道左壁间形成了较为严重的破碎区， 炸药爆炸在炮孔附近产生的裂纹与 1#、 2#、 3# 裂纹贯穿。5#、 7# 裂纹扩展明显， 分别达 1.26cm、 3.11cm， 而 4#、 6# 裂纹基本未扩展。 当应力波传播到巷道左侧时， 由于不同介质临界面的出现， 应力波从巷道顶部和底部绕射 到巷道右侧， 然后与 5#、 7# 预制裂纹相互作用， 诱发其扩展。5# 与 7# 裂纹扩展时耗散了部 分能量， 当应力波传播到 6# 裂纹时， 尽管会有波的叠加， 但此时应力波的能量已较小， 因此 6# 裂纹扩展较小。由图 7b， L=45mm 时， 巷道左侧出现。

46、了较严重破坏， 1# 裂纹、 2# 裂纹和 3# 裂纹均与炮孔周围的裂纹相互贯穿或接近贯穿。 0074 综合图7a-7d中的试验结果， 随着炮孔与巷道间距L增加， 当L45mm时， 5#裂纹均 不再出现明显扩展。因为 7# 裂纹处于巷道直角处， 应力集中比 5# 裂纹处的大， 且 7# 裂纹 倾向为水平与应力波的切向垂直， 所以有较大的扩展。1# 裂纹、 3# 裂纹和 4# 裂纹， 可能由 于其所处位置及倾角影响， 无论间距如何改变， 裂纹几乎无扩展或扩展不明显。当 L65mm时， 巷道左侧都会出现三角形状破坏区域， 当L65mm 时， 爆生气体只是使炮孔 周围产生了较小的裂纹， 应力波起了关。

47、键作用， 而当在两者之间时， 爆生气体会在炮孔周围 诱发各种较大裂纹， 但不足以影响巷道的周边， 而应力波会使被诱发的随机裂纹扩展。 0075 2.2 群裂纹扩展规律 图 8a-8b 为根据本发明一实施例获得的裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹尖端位 移以及速度随时间的变化规律 （L=45mm） 示意图。 参看图8a所示， 为L=45mm时， 裂纹2#、 5#、 6#、 7# 尖端的动态应力强度因子变化规律。2# 裂纹， 20s 后，开始由零逐渐增大， 能量 释放率急剧增加， 35s时，值达到峰值2.27MN/m3/2， 之后开始减小， 在40s时， 裂纹扩 展到接近炮孔位置， 无法观测到焦散斑。。

48、 对于5#裂纹， 33.33s后，开始由零逐渐增大， 53.33s 时，达到第一个峰值 0.86 MN/m3/2， 之后振荡减小后增大， 当 140s 时，达 到第二个峰值0.95 MN/m3/2， 随后振荡减小。 对于6#裂纹和7#裂纹，的变化趋势基本一 致， 都在开始时振荡着增加， 在大约 145s 左右分别达到第一个峰值 1.20 MN/m3/2和 1.25 MN/m3/2， 之后开始振荡减小， 7# 裂纹和 6# 裂纹相继达到谷值 0.69 MN/m3/2和 0.76 MN/ m3/2， 然后振荡增加分别达到第二个峰值 1.27 MN/m3/2和 1.09 MN/m3/2， 之后振荡减。

49、小。动态 说 明 书 CN 103412112 A 12 10/11 页 13 应力强度因子的变化趋势基本呈现先振荡增大到峰值， 后减小， 然后再增大到第二个峰 值， 最后振荡减小到零的规律， 且当裂纹最终扩展位移越小时， 这种规律越明显， 可能由于 两方面的原因 ： 一是裂纹的形状， 二是能量释放率。 当裂纹由于所处位置以及倾角而导致裂 纹扩展位移较小时的情况， 裂纹的形状对这种规律起主导作用， 且规律较明显， 因为此时的 能量释放率较低， 能量释放率不仅要克服裂纹尖端的裂纹扩展阻力， 同时在裂纹拐点处也 要消耗部分， 这对于相对较小的能量释放率来说， 显得较明显， 故出现较明显的规律 ； 而当 扩展位移较大时， 如 6# 裂纹， 当裂纹扩展时， 积累的能量得以释放， 能量释放率多于裂纹扩 展阻。