徐玖云

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

大煤山山坡露天礦爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

徐玖云

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

礦山生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的爆破振動(dòng)一直是最主要的爆破危害，因此有必要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格預(yù)測(cè)和控制。針對(duì)大煤山山坡露天礦特點(diǎn)，闡明了礦山爆破振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理及傳播特性，對(duì)山坡地形爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了不同山坡地形尺寸以及爆破位置的爆破地震波傳播衰減規(guī)律。選取5個(gè)不同參數(shù)變量，通過(guò)量綱分析得出了爆破振速預(yù)測(cè)的函數(shù)模型，運(yùn)用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行了振速預(yù)測(cè)公式的回歸擬合，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試應(yīng)用檢驗(yàn)了上述數(shù)值分析成果的有效性。

爆破振動(dòng) 爆破危害 數(shù)值模擬 爆破振速 SPSS

湖州南方礦業(yè)有限公司大煤山石灰石礦位于長(zhǎng)興縣城北西28 km的煤山鎮(zhèn)西側(cè)。礦區(qū)地處低山丘陵區(qū)，山體呈NE—SW長(zhǎng)條形展布，最高點(diǎn)位于礦區(qū)東側(cè)大煤山，頂部標(biāo)高約+171.39 m，礦體為硬質(zhì)碳酸鹽巖組石灰?guī)r，薄—厚層狀構(gòu)造，礦石較致密堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，傾角較小，構(gòu)造、節(jié)理裂隙較發(fā)育，邊坡高度總體較小，現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。礦區(qū)開(kāi)采較規(guī)整，自礦山頂部向下分臺(tái)階式開(kāi)采，邊坡高度14～16 m，坡度55°～75°。目前開(kāi)采平臺(tái)標(biāo)高110 m，由于礦山南側(cè)山腳有村莊，生產(chǎn)中的爆破振動(dòng)對(duì)其有一定的影響，因而有必要對(duì)該山坡露天礦爆破振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行深入研究。

1 爆破振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)炸藥在巖體介質(zhì)中發(fā)生爆炸時(shí)，首先產(chǎn)生的爆炸沖擊波和應(yīng)力波隨著傳播能量的衰減產(chǎn)生爆堆地震波。一般情況下，可認(rèn)為爆破地震波在巖土介質(zhì)中的傳播及衰減的規(guī)律主要受巖體介質(zhì)特性、傳播過(guò)程中的地形條件、裝藥參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等因素的影響[1-4]。當(dāng)炸藥在巖體介質(zhì)中爆炸時(shí)，首先在炮孔內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓氣體，氣體膨脹對(duì)周?chē)鷰r石做功，產(chǎn)生爆炸沖擊波，對(duì)炮孔周?chē)膸r土體造成破壞，形成壓碎圈和破碎圈；然后隨著傳播距離的增加，距離爆源10～15倍的藥包半徑時(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波通過(guò)破碎圈時(shí)，由于裂隙的存在導(dǎo)致其強(qiáng)度迅速衰減，減弱到不足以對(duì)巖體造成破壞，僅能引起巖體質(zhì)點(diǎn)的彈性振動(dòng)，該類(lèi)彈性振動(dòng)便以彈性波的形式繼續(xù)向前傳播，與自然界地震類(lèi)似的彈性振動(dòng)波也會(huì)引起地表震動(dòng)，因而稱(chēng)該類(lèi)彈性振動(dòng)波為爆破地震波。

2 振動(dòng)波在介質(zhì)交界面處的傳播特性

圖1 P波入射時(shí)的反射和透射

SH波入射到交界面會(huì)產(chǎn)生2種波形，B1,B2,B3為各波對(duì)應(yīng)的位移幅值，見(jiàn)圖2。

圖2 SH波入射時(shí)的反射和透射

SV波入射到交界面與P波一致，也會(huì)產(chǎn)生4種新的波，各入射、反射、透射角度以及波的幅值(B1,B2,B3，B4,B5)如圖3所示。

圖3 SV波入射時(shí)的反射和透射

3 山坡對(duì)爆破地震波傳播的影響

根據(jù)動(dòng)量和能量守恒定律，當(dāng)彈性波從一種傳播介質(zhì)到另一種波阻抗不一致的介質(zhì)時(shí)，勢(shì)必引起另一種介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)以同樣的速度發(fā)生振動(dòng)，這就發(fā)生了彈性波的透射，由于2種介質(zhì)之間存在交界面，入射的彈性波在交界面發(fā)生反射，一部分回到原介質(zhì)之中。當(dāng)山坡頂部炮孔內(nèi)炸藥爆炸時(shí)，爆破地震波以不同的角度傳播進(jìn)入山坡體內(nèi)，到達(dá)山坡坡面與空氣的交界面時(shí)，爆破地震波發(fā)生透射和反射，由于空氣介質(zhì)的波阻抗遠(yuǎn)小于山坡巖體，相比之下，空氣介質(zhì)的波阻抗幾乎趨近于0，所以通過(guò)山坡坡面透射進(jìn)入空氣中的部分很小，幾乎沒(méi)有發(fā)生透射，因而僅需考慮山坡坡面的反射作用。

炮孔中炸藥爆炸產(chǎn)生的地震波有一部分傳播遇到山坡坡面自由面，在坡面自由面處僅發(fā)生了波的反射，爆破地震波中的P波成分入射自由平面時(shí)，僅產(chǎn)生了反射的P波和SV波，當(dāng)P波垂直入射自由面時(shí)，入射P波和反射P波具有相同的振幅，但符號(hào)相反，并且未產(chǎn)生反射SV波，無(wú)轉(zhuǎn)換波發(fā)生。當(dāng)SH波入射到自由面時(shí)，未發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，反射后仍?xún)H有SH波(β1=β2)，且其波幅值不變，在坡面較近的一部分表面，還產(chǎn)生了彈性表面波，即為瑞利波。傾斜的山坡坡面對(duì)爆破地震波造成了反射，使得一部分地震波傳播方向發(fā)生了改變，無(wú)法傳播至山腳下繼續(xù)向前傳播，而是往其他方向，如此便形成了山坡地形對(duì)爆破地震波的衰減作用。山坡的尺寸(坡高H、坡度L)不同，即山坡角度的改變會(huì)影響爆破地震波的入射角度，使得地震波的反射角度各不一致，使得到達(dá)山腳的爆破振動(dòng)波的能量比例不同。不同的山坡地形尺寸對(duì)爆破振動(dòng)的傳播衰減影響各不相同。

4 爆破振動(dòng)數(shù)值模擬分析

4.1 模型構(gòu)建

利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)該露天礦爆破地震波的傳播衰減規(guī)律進(jìn)行分析。為模擬礦山實(shí)際情況，建立了三維單個(gè)炮孔爆破數(shù)值分析模型。炸藥劃分的網(wǎng)格尺寸為0.111 m，山坡巖體的網(wǎng)格尺寸為111 m。以炮孔中心軸線所在平面及山腳所在平面的垂直交線構(gòu)成的平面為剖面，以40 m為步距，選取位于10，50，90，130，170 m處的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

4.2 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律

4.2.1 質(zhì)點(diǎn)振速衰減規(guī)律

在模型中設(shè)定邊坡高度為30m，山坡長(zhǎng)度為30 m，A、B、C、D、E等5條速度歷程曲線分別對(duì)應(yīng)山下10，50，90，130，170 m處各測(cè)點(diǎn)位置的質(zhì)點(diǎn)振速的衰減情況，見(jiàn)圖5。不同坡高(H)、不同坡長(zhǎng)(L)對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速見(jiàn)表1。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置位置

圖5 測(cè)點(diǎn)振速衰減情況

表1 不同坡高(H)、坡長(zhǎng)(L)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速

4.2.2 相同坡高(H)不同坡長(zhǎng)(L)對(duì)比分析

據(jù)表1繪制出質(zhì)點(diǎn)峰值振速-坡長(zhǎng)(L)對(duì)比圖(圖6)。由圖6可知：在坡高(H)一定的情況下，隨著坡長(zhǎng)(L)的增加，山下質(zhì)點(diǎn)垂直方向的峰值振速呈冪級(jí)衰減，在坡長(zhǎng)(L)從30～45 m的變化過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)峰值振速衰減較快，衰減幅度達(dá)到了35%，隨著坡長(zhǎng)(L)的進(jìn)一步增加，質(zhì)點(diǎn)的峰值振速衰減幅度逐漸減小，趨于平緩；在山坡高度(H)不斷增大的情況下，質(zhì)點(diǎn)峰值振速的衰減趨于平緩。

4.2.3 相同坡長(zhǎng)(L)不同坡高(H)對(duì)比分析

據(jù)表1繪制出如圖7所示的垂直方向質(zhì)點(diǎn)峰值振速-坡高(H)對(duì)比圖。由圖7可知：在坡長(zhǎng)(L)固定不變的情況下，隨著坡高(H)的不斷增大，山坡下質(zhì)點(diǎn)垂直方向的峰值振速呈線性衰減。

圖6 垂直方向質(zhì)點(diǎn)峰值振速-坡長(zhǎng)(L)對(duì)比

4.3 爆破質(zhì)點(diǎn)振速預(yù)測(cè)函數(shù)模型

由量綱分析可知：爆破質(zhì)點(diǎn)振速與單孔裝藥量(Q)、炮孔到邊坡坡頂距離(B)、邊坡的垂直高度(H)、坡下不同距離(D)、邊坡水平投影距離(L)等因素有關(guān)(圖8)。經(jīng)一系列量綱變換，由爆破振動(dòng)隨相對(duì)高度、距離變化比例因子的變化規(guī)律可得振速預(yù)測(cè)模型為

(1)

圖7 垂直方向質(zhì)點(diǎn)峰值振速-坡高(H)對(duì)比

式中，k1為地質(zhì)影響系數(shù)；k2為邊坡地形影響系數(shù)；α為衰減系數(shù)；β為垂直高度影響因子；γ為爆源到邊坡頂部水平距離及測(cè)點(diǎn)到邊坡底部水平距離變化的影響因子；δ為邊坡水平投影距離影響因子。

圖8 爆破振動(dòng)影響因素

為研究上述影響爆破振速的5個(gè)因素對(duì)爆破地震波衰減的影響規(guī)律，對(duì)其分別取5個(gè)不同的水平值(表2)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，據(jù)此建立不同參數(shù)的數(shù)值模擬分析模型。

表2 不同因素水平的取值

求解上述建立的各組數(shù)值模擬分析模型，在每組模型中分別選取山坡下的5個(gè)測(cè)點(diǎn)(20，40，60，80，100 m)得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)水平徑向質(zhì)點(diǎn)峰值振速和垂直方向的質(zhì)點(diǎn)峰值振速，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 測(cè)點(diǎn)振速

將表1中測(cè)點(diǎn)的垂直振速數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中，輸入函數(shù)模型(式1)，進(jìn)行回歸分析并輸出式(1)中各系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，從而得到最終數(shù)值模擬分析的高邊坡爆破振速的預(yù)測(cè)公式：

.

(2)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫降馁|(zhì)點(diǎn)垂直振速與經(jīng)上述預(yù)測(cè)公式得到的測(cè)點(diǎn)垂直振速的平均相對(duì)誤差為14.59%，基本達(dá)到了爆破工程振速預(yù)測(cè)的精度要求。同理得到測(cè)點(diǎn)水平徑向爆破振速的預(yù)測(cè)公式：

.

(3)

5 結(jié) 語(yǔ)

以大煤山石灰石礦生產(chǎn)爆破為例，對(duì)其特殊山坡地形條件下的爆破振速進(jìn)行了預(yù)測(cè)，給出了水平徑向、垂直方向的爆破振速預(yù)測(cè)公式并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其有效性，可供類(lèi)似礦山參考。

[1] George P K， George D B， Charis J G. Analytical calculation of blast-induced strains to buried pipelines [J]. International Journal of Impact Engineering,2007,34(10):1683-1704.

[2] 畢明芽，李名山，劉朝紅，等.爆破地震預(yù)測(cè)誤差的因素分析[J].爆破，2009，26(2)：96-98.

[3] 張?jiān)?露天礦爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響及其預(yù)測(cè)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[4] 陳繼強(qiáng)，王 杰，常 劍.某露天礦山爆破振動(dòng)測(cè)試研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(4)：208-210.

Blasting Vibration Simulation of Dameishan Hillside Open-pit Mine

Xu Jiuyun

(Huzhou Southern Mining Company Co., Ltd.)

Blasting vibration is always the major blasting hazards in the process of mine production, it is necessary to conduct strict prediction and control of the blasting vibration. Based on the characteristics Dameishan slope open-pit mine, the mechanism and transmission characteristics of mine blasting vibration are discussed in depth, the hillside terrain blasting is numerical simulated to analyze the propagation attenuation regularity of blasting seismic wave of the the different blasting position and different hillside terrain size. The five different parameters are selected and the dimensional analysis method is adopted to establish the function model of blasting vibration velocity prediction. The blasting vibration velocity function is conducted regression fitting, and the feasibility of the above numerical simulation results in this paper is verified based on the scene application results.

Blasting vibration, Blasting hazards, Numerical simulation, Blasting vibration velocity, SPSS

2015-08-12)

徐玖云(1961—)，男，工程師，313117 浙江省湖州市長(zhǎng)興縣煤山鎮(zhèn)。