《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Effects of stemming on rock fragmentation and energy dissipation in sandstone blasting
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钻孔爆破仍是隧道与采矿工程中诱导砂岩岩石断裂与破碎最有效且经济的方法。研究人员通过开展实验与数值研究，考察了三种炮泥封堵配置（无封堵、部分封堵与全封堵）与四种装药密度下砂岩圆柱试件的爆破解体特征与能耗规律。首先通过筛分称重获取爆破碎片尺寸分布(FSD)，利用图
钻孔爆破仍是隧道与采矿工程中诱导砂岩岩石断裂与破碎最有效且经济的方法。研究人员通过开展实验与数值研究，考察了三种炮泥封堵配置（无封堵、部分封堵与全封堵）与四种装药密度下砂岩圆柱试件的爆破解体特征与能耗规律。首先通过筛分称重获取爆破碎片尺寸分布(FSD)，利用图像处理分析碎片形状，并基于Griffith断裂准则确定能量消耗；同时采用LS-DYNA模拟压力演化、裂纹发展、砂岩解体及能量耗散。结果定量表明：岩石解体系列中无封堵、部分封堵、全封堵依次显著变细，平均碎片尺寸较无封堵分别降低约18.4%与27.9%；碎片长宽比主要落在0.6–0.8区间，与封堵配置无统计显著依赖（p>0.5，rs=-0.062）。无封堵、部分封堵、全封堵爆破中用于岩石破碎的爆炸能比例分别为5.15%–8.54%（均值6.57%）、5.90%–11.90%（均值9.36%）、8.28%–14.00%（均值10.40%），较无封堵工况能量利用率分别提升约42.47%与58.30%。数值模拟证实，封堵增强约束、延长压力作用时间，并改善爆轰能向内部能与动能模式的转化，从而提升岩石破碎与能量转换效率。
研究背景与立项依据
钻孔爆破在砂岩隧道与采矿中占据主导地位，炮孔上部通常采用钻屑或细砂作为炮泥封堵（stemming）以抑制空气冲击。已有研究指出大量爆炸能经孔口以空气超压与声发射形式逸散，封堵通过延长气体压力作用时间、提高孔壁约束来改善能量传递，但既有文献多依赖经验关联或简化能耗估算，缺乏在受控实验下对封堵配置影响碎片尺寸分布（Fragment Size Distribution, FSD）与新生破裂面能耗的系统性定量证据，导致现场向上孔或水平孔常省略封堵。为给智能爆破设计提供基础，研究人员在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》报道了融合物理实验、图像处理与LS-DYNA模拟的集成框架。
主要关键技术方法
研究人员采用四川隆昌砂岩制备直径与高度均200 mm的圆柱试件，中心轴钻φ15 mm全耦合装药孔，设置无封堵、部分封堵（孔底干砂+上部开敞）、全封堵（孔底与孔顶均填砂胶混合）三种配置，结合Nonel雷管与2号乳化炸药按等效装药1.179–6.179 g设四档装药密度，共12组爆破。碎片经17级筛分与称重获FSD；大于1.18 mm碎片用ImageJ提取长轴/短轴以算长宽比；基于Griffith断裂准则与椭球表面积增量算各粒级新生面能耗，并以大块实测质量校正椭球近似偏差。数值端采用LS-DYNA，岩石用RHT本构、炸药用JWL状态方程、空气用Null线性多项式、砂用Soil_and_Foam，2 mm网格共约80万单元，ALE-Lagrangian耦合复现压力与裂纹演化。
研究结果
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爆破诱发岩石解体
3.1 碎堆与筛分分析：随封堵完善与装药增大，FSD曲线左移，中细碎片占比上升、大块减少；全封堵在同装药下FSD累积曲线位于最上，证实封堵促细碎且封堵与装药密度存在耦合效应。
3.2 FSD特征：Weibull、GEV与扩展Swebrec分布拟合R2>0.973，全封堵平均碎片尺寸较无封堵降约27.9%，部分封堵降18.4%；装药密度增大亦使平均尺寸下降。
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岩石破碎中的能量耗散
4.1 图像处理流程：ImageJ二值化去噪后椭圆拟合，长宽比集中0.6–0.8，Spearman rs≈-0.062、Kruskal-Wallis p>0.5，形状与封堵无关；大碎片因保留原柱几何而长宽比略高。
4.2 能耗分析：按Griffith准则σm=σt算比表面能，椭球表面积乘各粒级质量比得总破碎能。无/部分/全封堵破碎能占化学能比为6.57%/9.36%/10.40%均值，较无封堵提升42.47%与58.30%；<0.6 mm细粒与≥75 mm大块为两处耗能高峰，全封堵下细粒耗能占比显著扩大。
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岩石爆破数值模拟
5.1–5.2 模型与参数：复现三类封堵几何，RHT模型含屈服/失效/残余三强度面与Mie-Grüneisen方程。
5.3 模拟结果：封堵使高压区扩大、孔底反射拉应力增强；部分封堵损伤偏聚下部，全封堵破碎带与裂纹网密度最高，与实验FSD趋势一致；装药密度对高压区放大强于封堵单一改善。
讨论与结论翻译
讨论指出，既有现场因缺乏定量说服证据而省略封堵，本研究通过图像处理和Griffith理论直接量化各粒级新裂面能，弥补了经验公式缺口。结论部分表明：封堵通过增强孔壁约束、抬高峰值应力并延长压力时长，将更多爆轰能转为破裂能与动能，使砂岩平均碎片尺寸最多缩减27.9%，破碎能利用率提升至10.40%均值（全封堵较无封堵+58.30%）；数值模型验证了压力场衰减变缓与裂纹网加密机制。该定量集成框架为隧道与矿山爆破参数优化及智能设计提供了直接依据。
