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        礦山爆破振動與地表車輛載荷相互影響分析

        2017-12-05 08:11:23明,潘冬,張
        采礦技術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:礦山公路振動

        雷 明,潘 冬,張 文

        (1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012;2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室, 湖南 長沙 410012)

        礦山爆破振動與地表車輛載荷相互影響分析

        雷 明1,2,潘 冬1,2,張 文1,2

        (1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012;2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室, 湖南 長沙 410012)

        某國有公路設(shè)計線路與地下開采礦山相鄰。為保證公路運營與井下采礦的共同安全,以巖土力學(xué)、爆破理論等為依據(jù),利用爆破震動速度原理的計算方法詳細(xì)分析了井下開采爆破振動沖擊波引起巖層移動的影響范圍。同時因地表車輛運行載荷可能對地下空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響,分別按集中分布、矩形分布、帶狀分布不同荷載分布形式進(jìn)行了理論計算分析,結(jié)果表明礦山開采爆破振動對公路建設(shè)與運營不會造成危害,公路運營也不會對地下采空區(qū)帶來不利影響。

        爆破振動;穩(wěn)定性;公路建設(shè);車輛荷載

        0 引 言

        346國道七鄉(xiāng)河大道改擴建項目棲霞段與某礦區(qū)邊緣相鄰,公路與礦區(qū)西南角最近距離約為163 m。礦山為“三下開采礦山”[1],位于風(fēng)景區(qū)下部,一直采用充填法開采,生產(chǎn)能力為35萬t/a;目前回采-575 m以下的礦體。由于充填體能較好的控制地壓,且暴露的采空區(qū)較小,能防止地面塌陷,保護(hù)地表建、構(gòu)筑物的安全,地表未出現(xiàn)明顯的塌陷及建筑物破壞現(xiàn)象。但是采礦活動需進(jìn)行爆破作業(yè),產(chǎn)生較大的爆破振動,可能會對地表公路造成影響;車輛運行的載荷也可能對地下空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為保證公路工程與采礦活動的安全,應(yīng)當(dāng)對礦山開采爆破作業(yè)與公路運營之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析與評估,杜絕安全事故的產(chǎn)生。

        1 工程地質(zhì)情況

        礦山早期進(jìn)行了《深部詳查地質(zhì)報告》,同時對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘與調(diào)研,進(jìn)行了深部巖體物理力學(xué)特性研究,得出相應(yīng)的巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù),并利用普氏分類法,巖石質(zhì)量指標(biāo)分類法[2]以及巖體質(zhì)量系數(shù)分類法對礦山巖體進(jìn)行了工程分類,為后期計算與分區(qū)控制爆破振動提供理論依據(jù)。

        礦巖的物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

        2 爆破震動對公路運營的影響分析

        井下爆破振動[3]可能對公路運營及施工產(chǎn)生影響,對于主要建、構(gòu)筑物,爆破地震應(yīng)滿足《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)[4]中關(guān)于建、構(gòu)筑物質(zhì)點震動速度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,詳見表3。

        表1 礦巖物理性質(zhì)

        表2 礦巖力學(xué)參數(shù)

        根據(jù)目前礦山開采實際情況,井下集中爆破作業(yè)點為-575 m和-625 m水平,單次最大藥量為87.45 kg。參照交通隧道爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)井下爆破引起地表公路爆破震動速度為最大安全允許速度0.1~0.2 m/s時,根據(jù)表4,取K=250,α=1.8,R=232.7~340.8 m。則井下爆破點與隧道的最小安全距離計算結(jié)果表明,為滿足《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)交通隧道安全震動速度小于0.1~0.2 m/s的要求,確保公路施工和運營安全,井下爆破作業(yè)點必須與隧道間保持340.8 m以上的安全距離。

        目前,棲霞山鉛鋅礦-525 m中段以上礦體已全部采完,-575 m以下為主要回采中段,地面標(biāo)高在+0 m以上,公路設(shè)計為一級公路,規(guī)范要求其安全保護(hù)距離為公路兩側(cè)100 m。因此保護(hù)邊界至礦山回采中段(-575 m)的爆破點距離大于575 m,遠(yuǎn)大于爆破安全距離340.8 m的要求,不會對地表公路運營造成影響。

        爆破震動速度計算方法[5]:

        (1)

        式中,K、α可根據(jù)不同巖性參考表4選取。

        表3 爆破振動安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)

        注:(1) 應(yīng)對質(zhì)點振動相互垂直的3個分量進(jìn)行測定;(2) 表中質(zhì)點振動速度為3個分量中的最大值,振動頻率為主振頻率;(3) 頻率范圍按實測波形來確定或依據(jù)下列數(shù)據(jù)選擇:硐室爆破f<20 Hz;露天深孔爆破10 Hz

        表4 爆區(qū)不同巖性的K、α值

        3 公路運營對地下空區(qū)影響

        地表車輛載荷也有可能產(chǎn)對地下空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[6],根據(jù)地面公路等級及運行車輛的性質(zhì)進(jìn)行荷載向深部傳遞的影響分析。

        根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2014)[7],載重為200,300 kN以及550 kN的車輛相關(guān)指標(biāo)如表5所示。

        設(shè)車輛噸位為P,汽車載荷按不同形式可分為:集中分布、矩形分布以及帶狀分布[8]。

        (1) 集中分布:荷載按一定的比例分布到車輛的各個車軸,其計算簡圖如圖1所示。

        表5 載重為200,300,550 kN汽車主要技術(shù)指標(biāo)

        圖1 車輛集中載荷

        以2個車軸的重車為例,利用Boussinesq解,得到4個集中載荷在M點處產(chǎn)生的附加應(yīng)力計算公式為:

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        (σz)M=(σz)M0+(σz)MA+(σz)MB+(σz)Mc

        (6)

        式中,P1為車前軸兩作用點集中載荷;P2為車后軸兩作用點集中載荷;a、b為車輛尺寸;Z為路面至計算點深度;R為載荷作用點到計算點距離。

        (2) 矩形分布:車輛荷載按規(guī)定比例分布到各個車軸,其具體計算簡圖如圖2所示。

        圖2車輛矩形載荷

        以具有2個車軸的重車為例,得出矩形作用面上的均布載荷在其角點以下深度為Z時所產(chǎn)生的附加應(yīng)力計算公式為:

        (7)

        式中,p為標(biāo)準(zhǔn)接觸面所受面力;m=L/B,L是標(biāo)準(zhǔn)接觸面長邊,B是標(biāo)準(zhǔn)接觸面短邊;n=z/B。

        (3) 帶狀分布:公路車流的特點往往是流量大、載荷作用頻率高。載荷沿公路呈帶狀連續(xù)分布的理論是,以車輛前輪標(biāo)準(zhǔn)接觸面寬度為L,且其值不因車輛超載而發(fā)生改變[8]。其簡化計算見圖3。

        圖3 車輛載荷帶狀分布簡圖

        得到離公路表面垂直距離為z點處的附加應(yīng)力計算公式為:

        (8)

        線載荷積分得:

        (9)

        式中,p為標(biāo)準(zhǔn)接觸面上所受面力;m=x/L,n=z/L。

        將式(9)中得到的計算結(jié)果乘以2即可得車輛荷載產(chǎn)生的總的附加應(yīng)力。

        公路設(shè)計為一級公路,雙向8車道,其容許最大載重為55 t。按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,最大載重量為55 t的車輛,前軸標(biāo)準(zhǔn)接觸面長×寬為300 mm×200 mm;后軸標(biāo)準(zhǔn)接觸面長×寬為600 mm×200 mm。車輛尺寸長×寬為15 m×2.5 m。根據(jù)上述分析的荷載分布形式,這里考慮最不利情況,車輛超載2倍,車輛載荷呈帶狀分布;x坐標(biāo)取為0,即m=0。根據(jù)測量,公路與礦山井下-625 m水平下部空區(qū)最小垂直距離約為640 m。帶入公式中計算得車輛荷載給地下開采最近處產(chǎn)生的附加應(yīng)力為852 kPa,而巖石強度為其近百倍,因此可以認(rèn)為公路運營后汽車產(chǎn)生的荷載不會對地下采空區(qū)帶來不利影響。

        4 結(jié) 論

        基于爆破安全規(guī)程的理論計算表明,根據(jù)一次最大裝藥量計算的地下采礦爆破震動影響距離約340.8 m。保護(hù)邊界至礦山回采中段(-575 m)的爆破點距離大于575 m,遠(yuǎn)大于爆破安全距離340.8 m的要求,因此地下采礦爆破不會對公路建設(shè)和運營產(chǎn)生影響。同時,基于理論計算與《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的計算表明,公路運營也不會對地下采礦帶來不利影響。

        [1]肖利民,劉曉亮,王 宇,等.楊家灣鐵鋅礦“三下”保護(hù)性開采安全措施研究[J].采礦技術(shù),2014,14(02):18 ̄20.

        [2]鄒 燦.大冶鐵礦井下開采巷道圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)研究[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2014.

        [3]藍(lán)成仁,王成鋼,張承超.井下爆破空氣沖擊波安全距離諾模圖實現(xiàn)[J].爆破,2013,30(03):39 ̄42.

        [4]GB6722-2014.爆破安全規(guī)程[S]北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2015.

        [5]唐 海,林大能,陳文昭.某鉛鋅礦爆破有害效應(yīng)分析及安全評估[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2008(09):93 ̄98.

        [6]陶 冶.車輛荷載作用下路基沉降計算方法研究[D].杭州:浙江大學(xué).2012.

        [7]JTGB01-2014.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]北京:人民交通出版社股份有限公司2014(12).

        [8]高玉峰,黎 冰,劉漢龍.車輛荷載作用下公路軟基沉降的擬靜力計算方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(S2):5470 ̄5477.(收稿日期:2017 ̄06 ̄17)

        雷 明(1985-),男,湖南永州人,工程師,碩士,主要從事礦山開采設(shè)計研究工作,Email:282860988@qq.com。

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