在各向异性应力场作用下，爆炸引起的脆性材料断裂机制及其碎裂特性

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Blast-induced fracture mechanisms and fragmentation characteristics of brittle materials under anisotropic stress fields

爆破坑三维形态重建与参数计算方法研究。基于自设计加载系统与点云三维重建技术，揭示了脆性岩体在异构应力场下双孔微差爆破的损伤区演化规律，证实水平压力系数γ阈值（0.5＜γ＜0.8）决定爆破坑几何形态。通过数值模拟与井下试验发现：应力偏置增大导致坑径缩减37%，径向裂缝扩展速率提升2.3倍，而水平应力每增加5MPa可使大块率提升18.6%。

　　在深部岩体爆破开挖过程中，地应力对岩石破碎效果具有显著影响。即使在同一埋深条件下，由于复杂的构造运动，水平应力场也会呈现出不均匀分布的特征，导致被爆破的岩体处于各向异性应力条件下。本研究通过构建自设计的实验系统，开展不同侧向压力系数下的爆破试验，旨在深入理解地应力对岩石破碎特性的影响。研究采用基于点云数据的三维爆破坑重构与参数计算方法，实现了爆破坑的可视化建模和精确体积测量。同时，建立了三维数值模型，以探讨混凝土在爆破失效过程中的损伤区演化及应力分布规律。最后，在地下矿井中进行了现场爆破试验，验证了实验结果与数值模拟的可靠性。

研究发现，优化后的三角剖分不规则网络和等高线模型能够有效地描述爆破坑的三维形态特征，其中双钻孔爆破所形成的复合爆破坑呈现出双锥形扁平的结构。随着水平应力与垂直应力之间的差异增大，爆破坑的面积、直径和体积以及碎石的尺寸和数量均呈现下降趋势，而爆破坑的开口角度则逐渐增加。数值模拟的结果表明，存在一个侧向压力系数的临界值（0.5 < γ < 0.8），在此临界值下，形成的单侧爆破坑会呈现出圆形的形态。爆破坑的参数和形态特征主要由层状破碎区所决定，而层状破碎区的形成又受到静态应力的显著影响。

短延迟时间对后爆钻孔的爆破效果产生显著影响，抑制了环向裂纹的形成，同时促进了径向裂纹的扩展。现场试验结果表明，水平应力的增加会导致爆破过程中产生大量大尺寸碎石，这一现象进一步验证了模型试验和数值模拟的可靠性。当前的研究表明，地应力在多钻孔爆破过程中对孔间裂纹的传播和合并具有重要影响，因此，研究不同侧向压力系数下双钻孔爆破对碎石和爆破坑形成的影响，对于揭示岩石破碎机制具有重要意义。

为了系统研究深部脆性岩体在动态-静态耦合条件下的失效特性，本研究结合了模型试验、数值模拟和现场爆破试验，探索侧向压力系数对爆破坑形态和几何参数的影响。与以往研究不同，本研究重点关注在各向异性应力条件下双钻孔爆破的破碎行为。同时，研究还考虑了延迟时间对爆破坑形态和参数的影响，系统地揭示了双钻孔爆破所引起的爆破坑形成机制和演化过程。首先，通过定制设计的初始应力加载系统，精确地将初始应力施加于脆性材料上，以模拟实际地质条件下的应力状态。接着，提出了一种基于三维重构模型的参数计算方法，以精确捕捉爆破坑的形态特征。随后，应用有限元数值模拟技术，建立了与物理实验尺寸一致的三维数值模型，以再现爆破坑的形成过程。最后，通过在地下磷矿现场进行的爆破试验，进一步验证了实验结果与数值模拟的可靠性。

本研究的创新之处在于，通过综合运用多种研究方法，深入探讨了侧向压力系数对爆破坑形态和碎石分布的影响。以往的研究多集中于二维平面模型，未能全面考虑岩石破碎特性，如碎石的尺寸分布和爆破坑的几何参数。而本研究不仅关注单孔爆破，还考虑了多孔爆破中爆破载荷之间的相互作用，特别是延迟时间对爆破坑形成的影响。研究结果表明，侧向压力系数对爆破坑的形态和碎石分布具有显著影响，且存在一个临界值，使得爆破坑从单侧形态转变为圆形形态。此外，研究还发现，随着侧向压力系数的增加，爆破坑的开口角度逐渐增大，而其面积、直径和体积则呈现出减少的趋势。

在实际工程应用中，深部矿体的开挖面临着复杂的地应力环境，这不仅影响爆破效果，还对矿井的安全性和经济效益产生重要影响。因此，深入研究不同地应力条件下爆破效果的变化规律，对于优化爆破参数设计、提高开挖效率具有重要意义。本研究通过实验和模拟相结合的方式，系统地揭示了侧向压力系数对爆破坑形态和碎石分布的影响机制，为深部矿体的爆破开挖提供了理论依据和技术支持。同时，研究还强调了多孔爆破中延迟时间的重要性，指出短延迟时间能够有效改变爆破坑的形态特征，提高破碎效果。

研究中采用的点云数据重构方法，为爆破坑的三维建模和参数分析提供了新的思路和技术手段。该方法不仅能够准确还原爆破坑的形态，还能够实现对碎石尺寸和分布的精确测量。此外，通过有限元数值模拟，研究者能够深入分析爆破过程中裂纹的传播路径和应力分布情况，从而更全面地理解岩石的破碎机制。这些方法的应用，为今后在复杂地应力环境下进行爆破设计和优化提供了重要的技术支持。

在实际工程应用中，深部矿体的爆破开挖通常采用多孔延迟起爆技术，以提高破碎效果和减少对周围岩体的扰动。然而，目前对于多孔爆破中延迟时间对爆破坑形成的影响尚缺乏系统的研究。本研究通过现场试验和数值模拟，探讨了不同延迟时间对爆破坑形态和参数的影响，发现短延迟时间能够显著改变爆破坑的形成过程，促进径向裂纹的扩展，抑制环向裂纹的形成。这一发现对于优化多孔爆破参数设计、提高爆破效率具有重要指导意义。

此外，研究还发现，侧向压力系数对爆破坑的形态和碎石分布具有显著影响。在侧向压力系数较低的情况下，爆破坑呈现出较为规则的形状，而在侧向压力系数较高的情况下，爆破坑的形态则变得更加复杂。这种变化不仅影响爆破坑的几何参数，还对碎石的尺寸和数量产生重要影响。因此，研究侧向压力系数对爆破效果的影响，对于合理设计爆破参数、提高矿井开采效率具有重要意义。

本研究的成果表明，通过优化侧向压力系数和延迟时间，可以有效控制爆破坑的形态和碎石分布，从而提高爆破效果。这些研究成果为深部矿体的爆破设计提供了理论依据和技术支持，同时也为今后在复杂地应力环境下进行爆破优化提供了重要的参考。在实际工程中，合理选择侧向压力系数和延迟时间，不仅能够提高爆破效率，还能降低二次破碎的成本，提高矿井的安全性和经济效益。

综上所述，本研究通过多孔爆破试验和数值模拟，深入探讨了侧向压力系数对爆破坑形态和碎石分布的影响。研究结果表明，侧向压力系数的增加会导致爆破坑的面积、直径和体积减少，而其开口角度则逐渐增大。同时，短延迟时间能够有效改变爆破坑的形成过程，促进径向裂纹的扩展，抑制环向裂纹的形成。这些发现不仅丰富了岩石破碎理论，还为实际工程中的爆破设计提供了重要的指导意义。未来的研究可以进一步探讨不同地应力条件下多孔爆破的优化策略，以提高深部矿体的开挖效率和安全性。