陳國芳，　王瀚霆，　周盼，　尹麗冰

（江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州341000）

生產(chǎn)爆破下巷道頂板穩(wěn)定性的動態(tài)應力比分析評價

陳國芳，王瀚霆，周盼，尹麗冰

（江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州341000）

為了研究某礦井下中深孔生產(chǎn)爆破對臨近巷道頂板穩(wěn)定性的影響，利用Blastmate III型測震儀對該礦山日常生產(chǎn)爆破時，對巷道頂板進行爆破振動現(xiàn)場測試.結果表明，爆破振動的振幅與頻率隨著測點到爆源距離的增加逐漸降低；在對測試結果分析的基礎上，利用動態(tài)應力比評價方法對所研究巷道的頂板穩(wěn)定性進行穩(wěn)定性計算分析，得到DSR≤0.125，以相同條件進行爆破生產(chǎn)時，所研究巷道頂板無損傷破壞.

爆破振動；巷道頂板；穩(wěn)定性；動態(tài)應力比

0　引　言

地下礦山巷道頂板的穩(wěn)定性，關乎著生產(chǎn)活動能否安全有效地進行[1-6].由于我國金屬礦山主要采用鉆孔爆破法進行開采，若采場附近存在巷道，則生產(chǎn)爆破過程易對巷道圍巖，尤其是頂板圍巖產(chǎn)生擾動和損傷，甚至引起圍巖失穩(wěn)破壞[7-12].通常對于巷道頂板的穩(wěn)定性研究是以國家爆破安全標準為判斷依據(jù)，利用薩道夫斯基公式對最大單段藥量或總藥量進行控制.但是由于薩道夫斯基公式無法反映多段微差爆破時的振動強度，而且國家標準關于礦山巷道的安全振速并未對不同地質條件、不同支護條件等實際問題做出規(guī)定，這使國家標準在用于指導客觀生產(chǎn)實踐時略顯寬泛.由于地下采場中頂板穩(wěn)定性問題最為復雜，國內(nèi)外對其進行了大量研究并取得了一定成果.周科平[13]利用灰色系統(tǒng)理論預測采場頂板穩(wěn)定性及其沉降規(guī)律；楊雙鎖等[14]利用有限元法對采場頂板穩(wěn)定性進行定量分析及分類研究；張樹光等[15]應用離散元法對頂板穩(wěn)定性進行分析；曹文貴等[16]對潭邵高速公路路基巖溶頂板穩(wěn)定性二級模糊進行了綜合評判．近年來隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值分析方法逐漸應用于該領域的研究，但由于數(shù)值計算和模擬難以真正反應爆破振動下采場頂板的變化，更不能準確地確定采場頂板損傷破壞的位置，該方法對指導工程實踐有一定的局限性．

為了明確臨近巷道生產(chǎn)爆破對巷道頂板產(chǎn)生的實際影響，以某礦為例，對巷道頂板進行實際爆破振動測試，并在分析振動峰值與振動主頻的基礎上，結合動態(tài)應力比評價體系對巷道頂板的穩(wěn)定性做出安全評價．

1　工程概況

某地下鐵礦礦區(qū)位于龍巖盆地東南邊緣，其東界為天山凹斷層，西界為溪馬河斷層，東西長約4 000m，南北寬700～1 000m．礦區(qū)介于分水嶺至河谷地帶，地勢由東向西逐漸降低，地形高程420～892 m，兩側山坡較陡，天然坡度為15°～35°．礦體主要集中于550～750 m高程范圍內(nèi)．勘查中將礦區(qū)劃為東、中、西3個礦段，本次討論范圍是標高為420～200m的中西礦段．該礦區(qū)主礦體主要為磁鐵礦，圍巖主要為石英巖．

該礦床采用無底柱崩落法開采．礦體采用后退式開采，且自上而下進行；同分段，上盤超前回采，相鄰礦塊超前回采時，一般不超過1～2個分段；上下分段同時回采時，上分段超前下分段25～30 m距離．落礦采用垂直扇形中深孔爆破．炮孔直徑75～80mm；炮孔向前傾斜8°～10°，邊孔水平夾角55°～60°；每排9孔，炮孔排距2m，孔底距2．1～2．4m，最大孔深約25 m；炸藥采用硝銨炸藥；起爆采用導爆管、非電毫秒雷管、導爆索復式起爆．

2　爆破振動測試及分析

隨著回采工作的進行，回采中形成了巷道，由于礦體圍巖較為完整穩(wěn)固，開采過程中對部分巷道未進行處理．現(xiàn)階段，隨著開采的深入，中西礦段巷道穩(wěn)定性問題日益凸顯，巷道頂板是否穩(wěn)定直接影響著該礦區(qū)開采活動是否能安全有序的進行．為了解該采區(qū)生產(chǎn)爆破對巷道頂板的影響，對代表性生產(chǎn)藥量起爆時巷道頂板的爆破振動進行了測試．測試儀器為產(chǎn)自加拿大的Blastmate III型測震儀．該儀器測量范圍為：振速254 mm/s；噪聲 88～148 db；頻響2～300 Hz．測試所得各點爆破振動曲線見圖1．

圖1　各測點爆破振動曲線Fig.1　Velocity curves of different points

分析圖1可得，測點6振動時間較長約為2.5 s，測點5爆破振動持續(xù)約2 s，其余測點爆破振動持續(xù)時間均略小于1 s；可知該礦山在日常生產(chǎn)中產(chǎn)生的爆破振動持續(xù)時間較短，均在3 s內(nèi).比較圖1中各點振動曲線可直觀發(fā)現(xiàn)，圖1（a）、圖1（b）爆破振動曲線最為密集，圖1（c）次之，圖1（d）第3，圖1（e）、（f）最為稀疏.結合各測點距爆源的實際距離分析可知，隨著測點到爆源距離的增加，爆破振動曲線整體上變得越來越稀疏，振幅越來越小，即爆破振動頻率越來越低，爆破振動強度越來越弱.為了驗證爆破振動主振頻率隨爆源距的變化關系，對爆破振動曲線進行傅立葉變換，以確定各測點爆破振動主振頻率及各方向振速峰值；為便于觀察對比，將各測點振速峰值及主振頻率進行提取并以表格形式列出，見表1.由表1可明顯得出隨著測點到爆源距離的增加，振幅越來越小，即爆破振動頻率越來越低，爆破振動強度越來越弱，驗證了爆破振動曲線所反映結論的正確性.

表1　各測點振速峰值及主振頻率Table1　The peak vibration velocity ofm onitoring points

3　地下結構動態(tài)應力比評價分析

由于巷道的失穩(wěn)破壞與巖性、支護、水環(huán)境等因素有密切關系，而國家爆破安全標準對地下構（建）筑物做出的判據(jù)較為寬泛，未對不同條件進行明確的規(guī)定，只是使用頻率與振速峰值作為寬泛的評價標準，對指導工程實踐有一定的局限性[17]．為了能夠較為全面的反映巷道受爆破振動時的動態(tài)應力狀態(tài)和損傷破壞程度，可采用動態(tài)應力比評價體系作為國家爆破安全標準的補充對巷道頂板的損傷破壞進行分析[18]．

動態(tài)應力比評價標準[19]（見表2），是一種綜合了爆破振動水平、巖體特征性質、現(xiàn)場條件及巖土支護系統(tǒng)等因素的評價方法，其實質是通過對比分析圍巖對爆破振動的動態(tài)與巖體結構（包括支護結構）本身抵抗爆破振動損傷破壞的能力，來確定巖土設施物遭受爆破振動時的損傷破壞判據(jù)．由于該體系結合了影響地下構（建）筑物失穩(wěn)破壞眾多影響因素，如振動強度、場地質量系數(shù)、巖體性質與支護方式等，故其能夠比較全面地反映爆破震動下巷道頂板的損傷破壞情況．

表2　地下結構損傷、破壞判據(jù)Table2　Criterion about damage and failure of underground structure

動態(tài)應力比評價體系中，利用DSR來反應地下構（建）筑物失穩(wěn)破壞類型和程度，為無量綱參數(shù)，可按式（1）求得：

式（1）中，σ表示爆破振動在巖體內(nèi)傳播產(chǎn)生的動態(tài)應力，單位為Pa；ks表示場地質量系數(shù)，ks≈PQD＜1；στ為巖體動態(tài)抗拉強度，單位為MPa．

由于爆破振動在巖體內(nèi)傳播產(chǎn)生的動態(tài)應力在實際生產(chǎn)過程中較難測試，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其可按式（2）計算：

式（2）中，d為巖體密度，單位為kg/m3；c0為巖體縱波速，單位為m/s；v為爆破振動速度，單位為cm/s．

由式（1）與式（2）可得DSR計算式：

通過查閱該礦山水文地質資料及礦山前期研究資料可知，該采場圍巖主要為石英巖，平均密度為2 640 kg/m3，極限抗壓強度為2．2×107Pa，縱波速c0為3 000～4 000 m/s，ks≈PQD=0．94．由式（3）可知：DSR正比于爆破振動速度v，為了盡可能保證開采活動的安全，計算中縱波速c0取均值，即3 500m/s，振速取最大監(jiān)測速度0．164m/s作為計算速度進行分析．

將各參數(shù)代入式（3）計算可得：DSR=0．073，與表2對比分析可知DSR≤0．125，說明巷道頂板無損傷破壞．即目前該采場以相同生產(chǎn)條件進行爆破生產(chǎn)時，該巷道頂板穩(wěn)定，不會影響正常開采活動．

4　結　論

1）通過分析現(xiàn)場爆破振動測試結果，得到了隨著測點到爆源距離的增加，振幅越來越小，即爆破振動頻率越來越低，爆破振動強度越來越弱的結論；

2）在爆破測振的基礎上，利用動態(tài)應力比評價標準對生產(chǎn)爆破時臨近巷道頂板的穩(wěn)定性進行了計算分析，結果可知，DSR≤0．125，以相同條件進行爆破生產(chǎn)時，所研究巷道頂板無損傷破壞．

分析可知，動態(tài)應力比評價體系中未對爆破振動主振頻率及爆破振動持續(xù)時間，對地下建（構）筑的穩(wěn)定性影響進行分析討論，后續(xù)研究將進行深入討論分析．

[1]GB6722-2003．爆破安全規(guī)程[S]．

[2]易長平，盧文波，張建華．爆破振動作用下的地下硐室臨界振速的研究[J]．爆破，2005，22（4）：4-7．

[3]胡建華，雷濤，周科平，等．充填采礦環(huán)境下爆破振動效應預測與控制[J]．爆破，2009，26（4）：81-84．

[4]汪茂華，成涌．銅綠山高分段中深孔充填采礦方法的爆破工藝技術[J]．采礦技術，2010，10（2）：81-83．

[5]周訓兵，李仕雄，平?。V山頂板安全預警新體系研究[J]．金屬礦山，2010（12）：140-143．

[6]王成，孫寶生，張建，等．中國礦山安全現(xiàn)狀與對策[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26（2）：81-85．

[7]肖福坤，孫豁然，柳小波，等．爆破震動對巷道穩(wěn)定性影響的模擬分析[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2004，24（5）：73-76．

[8]曹野，陳宏偉．基于時能密度的圍巖爆破安全判據(jù)實驗[J]．解放軍理工大學學報（自然科學版），2013（3）：264-269．

[9]閆長斌．爆破作用下巖體累積損傷效應及其穩(wěn)定性研究[D]．長沙：中南大學，2006.

[10]周建雄.爆破地震作用下出礦圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術研究[D].長沙：中南大學，2013.

[11]陳清運，蔡嗣經(jīng)，明世祥，等.采礦動壓對采場巷道穩(wěn)定性影響的研究[J].金屬礦山，2004（8）：16-19.

[12]劉煒，宋衛(wèi)東，趙炳祁，等.爆破震動對巷道穩(wěn)定性影響研究[J].金屬礦山，2011（1）：28-30.

[13]周科平.采場頂板穩(wěn)定性分析及其沉降規(guī)律的灰色預測[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，1994，14（4）：44-49.

[14]楊雙鎖，靳鐘銘.采場頂板穩(wěn)定性進行定量分析及分類研究[J].山西礦業(yè)學院學報，1997，15（1）：27-31.

[15]張樹光，張向東.離散元法在頂板穩(wěn)定性分析中的應用[J].煤，2000，9（4）：15-16.

[16]曹文貴，程嘩，袁騰芳，等.潭邵高速公路路基巖溶頂板穩(wěn)定性二級模糊綜合評判[J].公路，2003（1）：13-16.

[17]宋光明，江文明，史秀志，等.巖土結構爆破地震動態(tài)應力比評價標準的研究[J].礦冶工程，2000，20（1）：23-25.

[18]王禮先.水土保持工程學[M].北京：中國林業(yè)出版社，2000：55-67. [19]史秀志，楊月平，程愛寶.地下結構頂板爆破振動的動態(tài)應力比評價研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2005，25（2）：76-82.

Analysis and evaluation of dynam ic stress ratio for tunnel roof’s stability under production blasting

CHEN Guofang，WANG Hanting，ZHOU Pan，YIN Libing
(School of Resources and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

Blasting vibration field tests are performed on the tunnel roof under daily production blasting by Blastmate III to investigate the effect of middle-deep hole explosion on the roofing stability.The result indicates that blasting amplitude and frequency gradually decrease with increasing distance between test point and explosion source.Dynamic stress ratio is applied to analyze the roofing stability based on analyzing the testing results.(DSR≤0.125).The results indicate that there is no roofing damage or breakdown under the same explosive conditions.

blasting vibration;tunnel roof;stability；dynamic stress ratio

TD322

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.016

2014－12－12

江西省研究生創(chuàng)新基金項目（YC2013-S185）

陳國芳（1972-），男，副教授，主要從事危險源辨識與評價、安全系統(tǒng)工程等方面研究，E-mail：chgf666@126.com.