Page 164 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 马泗洲，等： 地应力对岩体预裂爆破成缝过程的影响 第 9 期

displacements, which was demonstrated by the evolution of circumferential tensile stress and particle displacement vectors.
Moreover, a crack coalescence criterion in presplit blasting was proposed to predict whether inter-borehole cracks penetrate
based on the damage theory of stress wave superposition, and the relationship between charge diameter and hole spacing under
various in-situ stress can guide the arrangement of boreholes, thus improving the presplit blasting effectiveness for deep rock.
Keywords: presplit blasting; in-situ stress; crack coalescence mechanism; theoretical model; deep rock

预裂爆破是岩体开挖工程中广泛使用的一种控制爆破技术。在主爆区爆破前沿设计轮廓线预先生
成一条贯通裂缝，从而改善主爆区岩体破碎效果并降低围岩爆破振动 [1-2] 。预裂爆破效果不仅与岩体力
学性质和布孔方式相关，更依赖于岩体赋存的地质环境。随着地下工程的大量开发与利用，岩体开挖深
度不断增加。浅部岩体所受地应力较低，地压对岩体预裂爆破影响较小。然而，深部岩体所受地应力较
高，高地压强约束条件下，岩体预裂爆破会表现出与浅部不同的力学行为 [3-4] 。
20 世纪 60 年代，Langefors 等 [5] 首次开展了光面爆破试验，并取得了良好的控制爆破效果。在光面
爆破技术的基础上，进一步发展出了预裂爆破技术。这 2 种技术都被归类为周边爆破技术，或者称为轮
[6]
廓爆破技术 。Nicholls 等 [7] 考虑了地应力的影响，率先开展了露天花岗岩原位预裂爆破试验，研究发现
爆破主裂纹的扩展方向始终与水平应力方向保持一致。受到这一研究的启发，Yang 等 [8] 开展了单向压
力下岩体深孔预裂爆破模型试验，发现当压力方向与炮孔连线垂直时，预裂成缝效果较差，而当压力方
向与炮孔连线平行时，裂纹在孔间容易贯通。在工程实践方面，Lu 等 [9] 总结了国内大型地下厂房的岩体
开挖程序及轮廓爆破方式，讨论了地应力对深埋岩体预裂爆破的影响，并针对水平应力较高的工程岩体
提出了先拉槽再预裂的爆破开挖方案。Hu 等 [10] 通过数学模型分析了深谷高边坡预裂爆破损伤机理，发
现地应力对岩体爆破裂纹扩展有明显的抑制作用，并指出传统的预裂爆破方法无法实现岩体理想的开
挖效果。针对这一问题，众多学者又相继开展了预应力下聚能爆破 [11] 和切缝爆破 [12] 等新型控制爆破技
术的研究，并取得了丰硕的成果。
数值模拟在岩体爆炸动力学研究领域具有显著的优势，它不仅能够丰富研究数据和信息，还能为深
入解析岩体爆破损伤机理提供有力的理论支持 [13] 。白羽 [14] 在 COMSOL Multiphysics 软件环境下进行有
限元编程，建立了地应力下岩体双孔爆破损伤力学模型，并模拟了爆破过程中的裂纹扩展行为，发现爆
炸应力波在裂纹萌生阶段起主导作用，而爆生气体压力则会促使裂纹进一步扩展和贯通。杨建华等 [15]
将多孔爆破简化为双孔爆破模型，采用 FEM (finite element method)-SPH（smoothed particle hydrodynamics）
耦合法模拟了孔间裂纹传播及贯通过程，并通过分析炮孔周围环向应力场的演化和分布特征，揭示了地
应力下多孔爆破的破岩机制。Li 等 [16] 探讨了地应力作用下深埋隧洞轮廓爆破的超/欠挖问题，通过对隧
洞顶板和侧壁进行受力分析，总结了爆破损伤特征，结合数值模拟结果，讨论了不同压力条件下隧洞周
边爆破裂纹的扩展行为，并提出了相应的优化方案。Lu 等 [17] 利用自主开发的数值分析软件 FDEM
(finite-discrete element method)，研究了初始应力、孔间距和径向不耦合系数对爆炸应力叠加和孔间开裂
特征的影响，为地应力影响下的轮廓爆破提供了思路，并通过锦屏二级水电站隧洞爆破开挖工程进行了
有效性验证。
本文中，在前人研究的基础上，进一步探究地应力对岩体预裂爆破裂纹扩展行为的影响。基于弹性
力学中平面应变问题假设，建立地应力下岩体预裂爆破的理论模型。通过 Laplace 变换和数值反演的方
法计算岩体爆炸应力的传播和衰减过程，并分析初始应力对岩体预裂爆破压力场分布的影响。结合应
力波叠加破坏理论推导岩体预裂爆破孔间成缝时的判别条件，即不同地应力条件下，孔间成缝时炮孔间
距与装药不耦合系数之间的关系。此外，依据室内小型岩石爆破实验，结合爆破裂纹分布特征与压力衰
减曲线验证有限元模型的合理性。通过验证的模型进一步模拟静水压力和非静水压力条件下岩体预裂
爆破的损伤过程，并依据矢量演化揭示岩体预裂爆破时的成缝机制。结合理论计算结果对岩体预裂爆
破提供参数优化，优化方案不仅可以保证岩体预裂成缝，同时，在很大程度上减少对围岩的破坏，以期为
深部岩体预裂爆破提供理论参考。

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