黃 東，謝學斌，黃曉陽(中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

爆破荷載下噴錨支護動載響應的數(shù)值分析

Numerical analysis of response to dynamic loads of shotcrete and bolt support under blasting loads

黃 東，謝學斌，黃曉陽(中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

噴錨支護廣泛應用于采礦巷道支護、交通隧道支護、地下硐室加固等工程中。利用顯式動力分析軟件LS-DYNA，對微差爆破作用下噴錨支護的動態(tài)力學性能進行分析，比較了4種不同爆破方案下混凝土支護的受力與振動特性以及錨桿軸力的變化特點。結(jié)果表明：采用25ms的延期時間，微差爆破能夠有效減弱爆炸應力的破壞效應；當爆炸應力作用在拱頂時，錨桿安裝角越低，所受軸向應力越??；巷道拱頂錨桿交替承受拉壓應力，水平錨桿主要承受拉應力。將數(shù)值模擬結(jié)果與冬瓜山銅礦現(xiàn)場情況相結(jié)合，提出了巷道支護的修改方案。

噴錨支護；微差爆破；爆炸應力；動載響應

1 前言

在深井采礦中，出礦巷道的穩(wěn)定性對于提高生產(chǎn)效率和保證人員安全有重要意義。巷道支護中，噴錨支護具有施工簡單、支護效果好和支護費用低等優(yōu)點，是一種應用十分廣泛的主動支護方式。通過國內(nèi)外人員所做的理論分析、現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬等研究[1～3]，噴錨支護的工藝得到不斷地改進與完善。但這些研究大都是基于靜態(tài)條件的。在實際工程中，出礦巷道經(jīng)常會受到爆破、地震、巖爆等動載的影響，但對于噴錨支護的動載響應研究卻較少。薛亞東等[4]采用FLAC軟件，對回采巷道錨桿支護進行了地震動載模擬分析，指出動載巷道錨桿支護應采用端錨或加長端錨。楊志友[5]通過試驗與數(shù)值模擬，對錨桿加固圍巖進行了動態(tài)力學性能分析，得到錨桿間距與錨桿安裝角等支護參數(shù)對圍巖加固效果的影響。王承樹[6]通過大量的爆炸試驗，研究了爆炸荷載作用下坑道噴錨支護的破壞形態(tài)。易長平[7]應用波函數(shù)展開法，研究了爆破地震波與砂漿錨桿的相互作用機理，推導了動荷載下錨桿、砂漿以及圍巖的應力和位移的表達式，確定了不同爆炸荷載下砂漿的安全振速范圍。

在巷道掘進中，大空孔直眼掏槽應用廣泛，為提高空孔的作用，裝藥要采用微差起爆。同時，微差起爆使爆破荷載的能量在時間上和空間上分散[8]，能很好地削弱爆破荷載強度，降低爆破作業(yè)對鄰近巷道穩(wěn)定性的影響。對微差爆破作用下的支護結(jié)構(gòu)進行動力學分析有較好的工程意義，但目前這方面的研究還很少。

本文針對出礦巷道，采用顯式動力分析軟件LS-DYNA，模擬了上部出礦穿脈開挖時的爆破作業(yè)對下部出礦巷道噴錨支護的影響，研究了不同掏槽方案下噴錨支護的受力與振動情況，為工程設(shè)計與施工提供參考。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 建立模型

本文的數(shù)值模擬以銅陵冬瓜山銅礦井下巷道為原型。首采地段50～58線采用階段空場嗣后充填采礦方法，以盤區(qū)為回采單元組織生產(chǎn)，在隔離礦柱內(nèi)布置出礦水平穿脈。出礦穿脈的掘進采用微差爆破，其圍巖主要為含銅蛇紋石和粉砂巖。力學實驗測得，蛇紋石抗壓強度R約為131MPa，巖石堅固性系數(shù)為13.1，粉砂巖抗壓強度R約為187MPa，巖石堅固性系數(shù)為18.7。井巷掘進斷面S=16.51m2，工作面無瓦斯。爆破布孔與裝藥見圖1和表1所示。

圖1 出礦穿脈巷道光面爆破布孔圖

表1 出礦巷道光面爆破裝藥

巷道掘進中，掏槽眼裝藥多，自由面少，產(chǎn)生的爆破振動最劇烈。1、2、3號掏槽炮孔直徑42mm，單孔藥量2.25kg，本測試中取掏槽孔部分進行數(shù)值模擬，研究其引爆后下方出礦巷道的支護動載響應。

掘進施工巷道下方有支護好的出礦巷道，出礦巷道圍巖主要為粉砂巖、矽卡巖、石英閃長巖等，巖性堅硬，力學強度高。巷道斷面為三心拱，大小為4.5m×3.75m，采用錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護，噴射混凝土為干噴法，混凝土強度C20，噴射厚度80mm。錨桿為全長粘結(jié)式錨桿，長度1.8m。

計算模型見圖2，計算范圍為50m×42m，為減少計算單元數(shù)，計算厚度取3m，將模型簡化為平面應變模型。為避免自由邊界反射的應力波對模型產(chǎn)生干擾，模型的四周設(shè)置為無反射邊界。本文主要研究噴錨支護在爆破荷載下的應力應變規(guī)律，忽略地應力的影響。

圖2 巷道模型示意圖

2.2 材料模型的選取

未擾動巖體與松動圍巖主要是粉砂巖，選用PLASTIC_KINEMATIC材料，噴射混凝土選用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料，錨桿選用BEAM161單元，材料參數(shù)見表2。其中 ρ1、G 、Fc、T分別為混凝土的密度、剪切模量、單軸抗拉強度、單軸抗壓強度；ρ2、E 、μ、fyk分別為錨桿的密度、彈性模量、泊松比和屈服應力。

表2 混凝土與錨桿材料參數(shù)

炮孔裝藥為二號巖石炸藥，用HIGH_EXPLOSIVE_BURN炸藥材料，JWL狀態(tài)方程為：

式中:P、R2E、V分別指爆轟產(chǎn)物的壓力、內(nèi)能和體積，A、B 、R1、、ω為輸入?yún)?shù)，取值見表3。其中 ρ3、D、PCJ分別為二號巖石炸藥的密度、爆壓、爆速。

表3 二號巖石炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)取值

2.3 模擬方案

微差時間的選取是微差爆破的關(guān)鍵。微差爆破中，先爆孔必須在微差時間內(nèi)破碎抵抗線內(nèi)的巖石，為后續(xù)炮孔創(chuàng)造自由面，才能保證爆破成功。以產(chǎn)生新的自由面為原則，按照經(jīng)驗公式確定微差時間[9]：

式中:k1、k2——系數(shù)，k1=1.2～2.0，k2＝9（a-0.18）；

a——炸藥與巖石的波阻抗比值；

Q——藥量，kg；

s——爆區(qū)巖塊與原巖脫離距離，一般取s=0.1m；

v——巖塊移動平均速度，v=2～5m/s。

根據(jù)上式計算，同時考慮到毫秒雷管段別的限制，微差時間一般取為25ms或50ms。

經(jīng)過分析，確定數(shù)值模擬中爆破的4種方案。方案一：為研究空孔在爆破降震中的作用，模擬無空孔，3個炮孔無延時情況。方案二：設(shè)置空孔，3個炮孔無延時。方案三：設(shè)置空孔，1、2號炮孔無延時，3號炮孔延時25ms。方案四：設(shè)置空孔，1、2號炮孔無延時，3號炮孔延時50ms。

3 計算結(jié)果分析

3.1 爆破動載對混凝土支護的影響

爆破荷載下巖石與混凝土的破壞過程是一個復雜的多軸損傷過程。用有效應力準則，可以簡單有效地將多軸應力響應過程轉(zhuǎn)換為單軸應力過程[11]。根據(jù)上述確定的4種模擬方案進行數(shù)值計算，經(jīng)軟件處理后得出爆破后混凝土襯砌的有效應力值，分析其損傷情況。4種方案對應的最大有效應力值見圖3所示。

圖3 不同方案時混凝土支護的最大有效應力值

在爆破振動分析中，質(zhì)點振速法是實際工程中最常用的控制標準。炮孔爆炸后，爆破作用產(chǎn)生的應力波傳播到巷道周邊，產(chǎn)生多重反射與繞射，引起質(zhì)點振動。質(zhì)點振動速度的大小與質(zhì)點所受應力成正比。數(shù)值計算得4種方案對應的混凝土襯砌最大質(zhì)點振速見圖4所示。

分析圖3、4，兩條曲線總體上都呈下降趨勢，可知混凝土支護的破壞程度為：方案一＞方案二＞方案三＞方案四。方案一中，最大有效應力為5.26MPa，質(zhì)點最大振速為81.16cm/s。與方案一相比，方案二的有效應力與質(zhì)點振速有明顯降低，為4.97MPa、71.15cm/s，大空孔在提供掏槽自由面的同時能有效降低爆破振動，減低爆破荷載對混凝土的破壞。方案三采用微差爆破，3號炮孔延期時間為25ms，對應的有效應力與質(zhì)點振速有較大減小，為3.85MPa、51.19cm/s。方案四中，3號炮孔延時50ms，對應的有效應力與質(zhì)點振速略有減小，為3.27MPa、47.06cm/s。

圖4 不同方案時混凝土支護的最大質(zhì)點振速

我國《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)[12]規(guī)定，礦山巷道的安全允許振速為15～30cm/s。數(shù)值模擬中4個方案的最大質(zhì)點振速均高于該規(guī)程中規(guī)定振速，說明在實際工程中，應進一步采取措施降低爆破振動，同時建議修改支護參數(shù)，提高巷道支護的抗震能力。

3.2 爆破動載對錨桿的影響

由數(shù)值分析求出錨桿單元的最大軸力與最小軸力，得出不同方案下的錨桿最大拉力與最大壓力值，見圖5所示。

圖5 不同方案時錨桿最大拉應力與最大壓應力

為研究不同安裝角的錨桿的受力情況，取4、5、6、7號錨桿的中間單元#6267、#6275、#6283、#6291號單元，見圖6。方案三時，這些單元軸力—時程曲線見圖7所示。分析圖5，方案一與方案二時，錨桿所受壓應力大于拉應力，方案三與方案四時拉應力大于壓應力。當單響藥量減少時，錨桿所受的最大壓應力下降較快，所受最大拉應力下降較少。錨桿為直徑22mm二級鋼筋，能夠承受的最大軸力為127.3kN。在本文模擬的爆破動荷載下，錨桿不會發(fā)生徑向屈服。

圖6 錨桿單元分布示意圖

圖7單元軸力—時程曲線中，正值表示錨桿受軸向拉應力，負值表示錨桿受軸向壓應力。以錨桿與水平方向的夾角作為錨桿安裝角，錨桿4、5、6、7的安裝角分別是90°、60°、30°、0°。1、2號炮孔爆炸產(chǎn)生應力波約經(jīng)過0.005秒后傳播至錨桿，圖中4個錨桿單元中#6267單元最先受到瞬時的壓力作用，隨后應力波被拱頂反射，生成拉伸波，錨桿單元受到拉應力。應力波在巷道直墻處發(fā)上繞射，使安裝角為0°的#6291單元軸向主要處于被拉伸狀態(tài)。對比不同安裝角錨桿單元的軸力—時程曲線可知，隨著安裝角的減小，錨桿單元受到的軸力逐漸變小。3號炮孔產(chǎn)生的應力波約經(jīng)過0.030秒后傳播至錨桿，由于單響藥量的降低，后一次應力波對錨桿的作用遠小于前一次。

楊自友[13]等人通過實驗室地質(zhì)力學模型試驗，研究了爆炸波作用下錨桿的力學性能。通過對比分析可知，本文數(shù)值模擬結(jié)果與文獻[13]的試驗結(jié)果吻合較好，說明本文的數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

4 巷道破壞現(xiàn)狀與支護方案修改

4.1 巷道破壞現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，在爆破荷載下，目前冬瓜山銅礦出礦巷道支護的破壞狀況如圖8所示，具體破壞形式有以下幾種。

（1）噴射混凝土層掉皮、剝落。噴射混凝土與圍巖之間的粘結(jié)力遠低于噴射混凝土與圍巖自身的強度。當噴射混凝土層很薄或強度較低時，爆破震動和圍巖變形很容易使巷道掉皮或剝落。

（2）噴層開裂?；炷恋目估瓘姸冗h小于其抗壓強度，當混凝土噴層不密實或者不均勻時會造成應力集中現(xiàn)象，混凝土受到局部彎曲張拉作用，導致出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

（3）錨桿錨固力下降。錨桿桿體未垂直穿過巖層，鋼筋與水泥砂漿接觸面破壞或圍巖與水泥砂漿接觸面破壞均會導致錨桿達不到應有的錨固力。

（4）部分錨網(wǎng)與圍巖接觸不夠緊密。

圖7 方案三時不同錨桿單元軸力—時程曲線

圖8 冬瓜山銅礦出礦巷道支護的破壞狀況

4.2 支護方案修改

針對現(xiàn)場的巷道破壞情況，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，提出巷道支護的修改方案。

（1）現(xiàn)場巷道的掘進與支護施工基本上分成兩個獨立的部分，由不同的施工隊完成，支護工序嚴重滯后于掘進工序，使得圍巖嚴重變形后才得到支護，不能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，不符合新奧法理論的施工原則，導致巷道支護效果較差。建議支護施工時施工隊間相互協(xié)調(diào)，盡量做到邊開挖邊支護，做到及時支護。

（2）目前冬瓜山銅礦噴射混凝土施工都是采用干式噴射方法，混凝土回彈量達35%～45%，大量粗骨料被回彈，降低了噴射混凝土的強度。建議改用濕噴法進行噴射混凝土施工。濕噴法的基本原理是將攪拌好的混凝土送入濕式噴射機，用壓縮空氣在噴嘴處與從計量泵壓到噴嘴的霧化速凝劑混合，形成料束，噴到受噴面。

與干噴法相比，濕噴法有以下優(yōu)越性：濕噴法的配合比易于控制，能夠較好地保證混凝土噴層的強度；回彈率低，一般在15%左右，因此濕噴的生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟效益高；施工時粉塵濃度低，工作環(huán)境相對較好。預期改用濕噴法后，混凝土噴層的強度得到提高，巷道的支護效果將得到較大改善。

（3）加大噴射混凝土厚度至120mm。在爆破震動下，噴射混凝土層過薄會造成掉皮與剝落。當錨網(wǎng)不能夠承受集中應力時，就可能出現(xiàn)圖8所示的破壞情況。

（4）控制錨桿的注漿質(zhì)量，嚴格按照水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4的配合比配置水泥砂漿，保證錨桿與水泥砂漿、巖石與水泥砂漿之間有足夠的粘結(jié)強度。

5 結(jié)論

通過應用LS-DYNA軟件對微差爆破下出礦巷道的噴錨支護進行動載響應分析，比較了不同微差爆破方案時混凝土襯砌的受力特點與質(zhì)點振動規(guī)律，以及錨桿的軸力變化情況，得到以下結(jié)論。

（1）對比方案一與方案二，直眼掏槽中，設(shè)置大空孔增加自由面可以改善掏槽效果，同時，更多的臨空面可以減小圍巖的夾制作用造成的爆破振動，減小爆炸荷載對已支護好的巷道的破壞。

（2）在雷管延期時間準確的前提下，25ms的延期時間足以使爆炸應力的破壞效應得到較大減弱，更多的延期時間對減小爆破振動的效果不明顯。

（3）在微差爆破中，降低單響藥量能夠有效地減小爆破振動與爆炸荷載的破壞效應。

（4）不同安裝角的錨桿受力不同。安裝角小的錨桿，所受的軸力小。拱頂錨桿受到拉、壓應力的交替作用，直墻部位錨桿主要受到拉應力。

數(shù)值模擬得到了巷道支護在爆破荷載下的響應規(guī)律，結(jié)合冬瓜山銅礦出礦巷道破壞現(xiàn)狀，提出了巷道支護的修改方案，具有工程實用價值，能夠為其他礦山的巷道掘進與支護工程提供參考。

[1]高 謙，宋建國，余偉健等.金川深部高應力巷道錨噴支護設(shè)計與數(shù)值模擬技術(shù)[J].巖土工程學報，2007，29(2):270-284.

[2]Ziping H,et al.Cavern roof stability-mechanism of arch?ing and stabilization by rockbolting[J].Tunnelling and Un?derground Space Technology，2002，17:249-261.

[3]鄧統(tǒng)輝.山區(qū)淺埋偏壓連拱隧道錨噴支護的優(yōu)化研究[D].長沙:中南大學，2008.

[4]薛亞東，張世平，康天合.回采巷道錨桿動載響應的數(shù)值分析[J].巖石力學與工程學報，2003，22(11):1904-1906.

[5]楊自友，顧金才，楊本水等.錨桿對圍巖的加固效果和動載響應的數(shù)值分析[J].巖土力學，2009，30(09):2805-2809.

[6]王承樹.爆炸荷載作用下坑道噴錨支護的破壞形態(tài)[J].巖石力學與工程學報，1989,8(1):73-91.

[7]易長平，盧文波.爆破振動對砂漿錨桿的影響研究[J].巖土力學，2006，27(8):1312-1316.

[8]郭學斌，張繼春，劉 泉等.微差爆破的波形疊加作用分析[J].爆破，2006，23(02):4-8.

[9]高金石，張 奇.爆炸理論與爆破優(yōu)化[M].西安：西安地圖出版社，1993.

[10]戴 俊.巖石動力學特性與爆破理論[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[11]金奕山，李 琳.隨機振動載荷作用下結(jié)構(gòu)VonMises應力過程的研究[J].應用力學學報，2004，21(03)：13-16.

[12]GB6722-2003，爆破安全規(guī)程[S].北京：中國標準出版社，2004.

[13]楊自友，顧金才，陳安敏等.爆炸波作用下錨桿間距對圍巖加固效果影響的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(04):757-764.

TD350.1

A

2010-05-23

2010-06-01

黃 東（1976-），男，湖南岳陽人，在讀碩士，主要從事巖土工程勘察及設(shè)計工作。

Abstract:The shotcrete-bolt support is widely used in mine roadway support,traffic tunnel support,reinforcement of underground excavation.The dynamic mechanical properties of shotcrete-bolt support under millisecond blasting are analyzed by using LS-DY?NA software.The stress and the vibration characteristics of concrete support and variation characteristics of axial stress of bolt un?der four different blasting plans are compared.The results shows that the destructive effects of blasting can be effectively weakened by using millisecond blasting,and the delay time is 25ms.When the blasting stress acts on arch cover,and the installation angles of anchor bolt is low,the axial stress of rock bolts is lower.The bolts on arch cover bear pressure and tension alternately,and the bolts in horizontal direction bear tension principally.The modification scheme for roadway support is proposed on the basis of com?bining numerical simulation result and field condition of Dongguashan copper mine.

Key words:shotcrete and bolt support;millisecond blasting;explosive stress;dynamic loads response

1672-609X（2011）01-0048-06