杜運(yùn)夯

(云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655001)

井巷掘進(jìn)是煤礦開采中的重要工作，爆破法是這項(xiàng)地下工程中的主要方法之一。爆破過程中產(chǎn)生的地震波對巷道圍巖有不同程度的影響[1]。當(dāng)爆破引起巷道圍巖內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振動速度大于巷道圍巖允許的最大安全振速時(shí)，巷道將被破壞。尤其是新掘巷道距離既有巷道較近時(shí)，爆破對既有巷道的影響[2-4]更為突出。目前，許多學(xué)者已從地震波的方向、爆源位置、單段起爆藥量、掏槽方式等方面對爆破振動作用下巷道的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究[5]。但這些工作并未涉及新掘巷道開挖時(shí)的爆破安全距離等問題，對實(shí)際施工指導(dǎo)仍存在一定的不足。

巷道在爆破前先評定其可能產(chǎn)生的振動等級，將振動破壞控制在安全范圍內(nèi)，工程實(shí)踐監(jiān)測表明，質(zhì)點(diǎn)振動速度與爆破振動破壞有更好的對應(yīng)關(guān)系。因此，國內(nèi)以質(zhì)點(diǎn)振動速度作為爆破控制標(biāo)準(zhǔn)。本文以雙家?guī)X礦新掘巷道爆破施工為工程背景，針對爆破作業(yè)引起相鄰巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象，運(yùn)用ANSYS有限元軟件對巷道間距與質(zhì)點(diǎn)振動速度間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，以確定合理的巷道間距。

1 工程概況

云南雙家?guī)X礦主要井筒施工完畢，采用爆破法開掘井底車場各硐室及巷道。新掘巷道與既有巷道斷面相同，均為半圓拱斷面，墻高1.5m，巷道掘進(jìn)寬度3.5m，采用錨噴支護(hù)，頂板及兩幫噴漿層厚度為100mm。雙家?guī)X礦施工巷道巖性軟弱結(jié)構(gòu)面較多，屬Ⅳ類圍巖。巷道圍巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 中細(xì)砂巖物理力學(xué)參數(shù)

因既有巷道距新掘巷道較近，既有巷道多次受鄰近施工巷道爆破振動的影響，導(dǎo)致既有巷道內(nèi)出現(xiàn)噴漿層離層掉渣、排水溝堵塞、壓風(fēng)管路漏氣等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。爆破參數(shù)見表2。巷道施工過程中爆破掘進(jìn)時(shí)采用NUBOX-6016型智能振動監(jiān)測儀、TP3V-4.5三維速度型傳感器對爆破振動進(jìn)行監(jiān)測和分析。

2 巷道合理間距的確定

2.1 建立數(shù)值模型

本文利用ANSYS有限元軟件分析在不同巷道間距下新掘巷道爆破振動對原有巷道內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動速度產(chǎn)生的影響。

將巷道建成二維模型并采用平面四結(jié)點(diǎn)四邊形等參有限單元法進(jìn)行分析，采用彈塑性模型，如圖1所示。該模型使用彈性和塑性兩種斜率來表示材料應(yīng)力應(yīng)變情況。炸藥模型采用高能炸藥材料模型，炸藥密度為1000kg/m3，爆速為4500m/s，模型左右兩側(cè)施加水平約束，保證水平方向位移不動，固定底部邊界，使垂直位移為零，地表荷載暫忽略不計(jì)，在三角荷載下進(jìn)行瞬態(tài)分析。

圖1 ANSYS數(shù)值模擬模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對爆破振動影響下的礦山巷道進(jìn)行穩(wěn)定性分析，主要從質(zhì)點(diǎn)振動速度進(jìn)行分析。以質(zhì)點(diǎn)的振動速度作為判斷失穩(wěn)的依據(jù)，根據(jù)我國《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，在巷道容許的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度為15～30cm/s，并將其作為數(shù)值模擬結(jié)果分析的依據(jù)對既有巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。

通過ANSYS有限元軟件分析，在相同炸藥量起爆下，既有巷道噴漿層頂板、底板、臨近幫處的最大振動速度值列于表3，速度變化趨勢如圖2所示。

由表3和圖2可知：

（1）新掘巷道爆破掘進(jìn)產(chǎn)生的振動對既有巷道迎爆側(cè)襯砌影響最大，其振動速度明顯高于其他部位，較其他位置發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性高，巷道間距在1.5D時(shí)臨近幫處的振動速度仍大于《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的15～30 cm/s允許安全振速。

（2）質(zhì)點(diǎn)的振動速度隨間距的增大而減小，當(dāng)間距小于2D時(shí)，振動速度隨間距的變化影響較大，而大于2D后，振動速度隨間距的變化較小。當(dāng)巷道間距進(jìn)一步增大時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動速度對距離的敏感度逐漸降低。

（3）當(dāng)巷道間距小于1.5D時(shí)，既有巷道噴漿層將發(fā)生破壞，既有巷道迎爆側(cè)襯砌先發(fā)生破壞。

表3 既有巷道最大振動速度

圖2 既有巷道內(nèi)不同位置的質(zhì)點(diǎn)振動速度

3 結(jié)論

（1）以質(zhì)點(diǎn)振速為安全標(biāo)準(zhǔn)，研究巷道內(nèi)不同位置對爆破振動速度響應(yīng)的效果，認(rèn)為巷道迎爆側(cè)比巷道頂?shù)装甯菀装l(fā)生破壞，在新掘巷道爆破時(shí)要加強(qiáng)對既有巷道的安全管理和防護(hù)。

（2）既有巷道迎爆側(cè)的質(zhì)點(diǎn)振動速度明顯高于頂?shù)装逄幍恼駝铀俣?，?shù)值上約是頂?shù)装逄幍?倍，當(dāng)巷道間距小于2倍巷寬時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動速度受巷道間距的影響較大，敏感度高；當(dāng)巷道間距大于2倍巷寬時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動速度變化趨于平緩。

（3）通過對采場與巷道間的不同安全距離對比分析發(fā)現(xiàn)，以礦山巷道容許的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度為15～30cm/s為判據(jù)，確定鄰近巷道距新掘巷道的最小安全距離為2倍的巷道寬度為宜。