馬諭杰,唐海,2*,萬文,朱帥帥,丁安松,王建龍

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201; 2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

爆破開挖地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng),開挖成本低[1],在礦山井巷的施工中已得到了廣泛應(yīng)用.但爆破施工會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng),對(duì)周邊環(huán)境要求較高,若爆源周邊存在建筑物,則由爆破產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)引起周邊建筑物的振動(dòng),導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生裂縫,對(duì)以后的使用埋下安全隱患[2].為探究爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的影響,許多學(xué)者以爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的安全影響為前提,開展了關(guān)于降低爆破振動(dòng)速度方法的研究.常方強(qiáng)[3]研究了城市立交橋爆破對(duì)周邊建筑環(huán)境的影響,提出開挖減震溝,增加減震溝深度等減小振動(dòng)的方法.姜增國(guó)[4]為確保建筑物的穩(wěn)定性,利用孔內(nèi)、孔間微差去減小爆破振動(dòng).張夢(mèng)雅[5]提出在建筑物周邊進(jìn)行爆破時(shí)需要控制最大單響藥量,以及進(jìn)行長(zhǎng)期爆破時(shí)需考慮建筑物的累積損傷效應(yīng).Tian X X[6]分析了在隧道爆破施工中周邊建筑物的振動(dòng)頻率與振動(dòng)速度,認(rèn)為應(yīng)對(duì)爆破影響區(qū)域進(jìn)行分區(qū)處理,并提出了隧道分區(qū)爆破減振方案.

目前,采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)振動(dòng)速度和數(shù)值模擬的方法,研究工程爆破對(duì)周邊建筑物影響的成果較多[7-12],但在考慮振動(dòng)高程放大效應(yīng)的前提下,其周邊建筑物的安全與穩(wěn)定的研究還相對(duì)較少.為確保某大型磷礦主井爆破過程中周邊建筑物的安全與穩(wěn)定,作者考慮了振動(dòng)高程放大效應(yīng),運(yùn)用數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合的方法,對(duì)主井爆破時(shí)周邊建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.

1 工程背景

甕福磷礦位于貴州甕安福泉境內(nèi).地理坐標(biāo):東經(jīng)107°20′～107°26′,北緯26°55′～27°05′.礦區(qū)南北長(zhǎng)17.5 km,東西寬2.25～4.00 km,面積為58 km2.現(xiàn)階段甕福磷礦采用露天開采,服務(wù)年限26 a,之后將全部轉(zhuǎn)為地下開采,其露天開采現(xiàn)狀見圖1.在進(jìn)行地下開采準(zhǔn)備時(shí),需要爆破開挖主井,但主井周邊存在建筑物,且建筑物與主井距離較近,在爆破之前需對(duì)建筑物進(jìn)行穩(wěn)定性研究.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探資料可得,建筑物中破碎站距主井最近且距離僅為30 m,主井爆破作業(yè)對(duì)破碎站影響較大,故選取破碎站進(jìn)行穩(wěn)定性研究.其余建筑物結(jié)構(gòu)和破碎站相同(均為鋼結(jié)構(gòu)廠房),在爆破過程中若能保證破碎站安全,其余建筑物必然也安全.主井與破碎站位置示意圖見圖2.

圖1 露天開挖現(xiàn)狀

圖2 主井與破碎站位置

2 爆破設(shè)計(jì)方案

原爆破設(shè)計(jì)方案在主井每次爆破中設(shè)置掏槽眼13個(gè),輔助眼26個(gè),周邊眼32個(gè),采用直眼掏槽,掏槽眼深4.7 m,孔徑為50 mm,其他炮眼深4.5 m,孔徑為40 mm.主井爆破參數(shù)見表1,爆破炮眼布置及主井掘進(jìn)示意圖見圖3.

表1 主井爆破參數(shù)表

圖3 主井爆破炮眼布置與開挖掘進(jìn)(單位：mm)

3 有限元數(shù)值計(jì)算模型

利用數(shù)值模擬軟件ANSYS+LS-DYNA對(duì)主井爆破掘進(jìn)過程中破碎站的振動(dòng)速度進(jìn)行分析,以便對(duì)主井掘進(jìn)爆破過程中破碎站的振動(dòng)規(guī)律及動(dòng)態(tài)響應(yīng)有更全面的認(rèn)識(shí)和判斷.

3.1 模型建立

根據(jù)原爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬,假設(shè)巖體是均質(zhì)、連續(xù)、各向同性材料.在這種情況下,巖石將采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,該模型以Cowper-Symonds關(guān)系式為基礎(chǔ)來考慮應(yīng)變率的影響,適用于包含應(yīng)變率效應(yīng)的各向同性材料,可用來模擬爆破荷載下的巖石.炸藥采用LS-DYNA中炸藥特屬的高能炸藥材料模型,相關(guān)材料模型為MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,爆炸采用JWL狀態(tài)方程.主井巖層主要為白云巖,其動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)見表2,炸藥及JWL狀態(tài)方程參數(shù)見表3.

表2 白云巖動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)

表3 炸藥參數(shù)

空氣采用MAT_NULL空氣材料模型,結(jié)合狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL描述空氣的作用.其相關(guān)材料參數(shù)見表4.

表4 空氣材料參數(shù)

3.2 計(jì)算分析模型

3.2.1 模型建立

在爆炸的模擬中,常常會(huì)出現(xiàn)單元網(wǎng)格嚴(yán)重畸變而導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算終止的問題,采用ALE/Euler算法可以克服此問題,從而實(shí)現(xiàn)流體固體耦合的動(dòng)態(tài)分析.本模型中對(duì)炸藥、 空氣采用 ALE 單元,對(duì)巖體采用Lagrange單元,通過*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字進(jìn)行耦合.單元類型選用3D solid164.根據(jù)主井掘進(jìn)深度的增加,不斷改變炸藥的位置,以及主井中空氣層的高度.

3.2.2 邊界條件

空氣模型四周定義為無反射邊界,前后面約束其相應(yīng)位移,巖石上部定義為與空氣接觸面即自由面,左右面約束其對(duì)應(yīng)位移,下邊固定.設(shè)計(jì)炸藥位置為主井爆破爆源,根據(jù)工況中的破碎站與主井位置,設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)距主井爆破爆源水平距離30 m.

根據(jù)原爆破設(shè)計(jì)方案,最大段裝藥量為79.8 kg,本次模擬裝藥量均設(shè)置為80 kg,模擬主井按原設(shè)計(jì)方案爆破對(duì)破碎站的影響.模型示意圖見圖4.

圖4 數(shù)值模型計(jì)算

3.3 模擬結(jié)果及分析

模型求解之后,運(yùn)用LS-DYNA后處理軟件測(cè)出不同掘進(jìn)深度時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度.主井掘進(jìn)深度分別為4,36 m時(shí),數(shù)值模型的應(yīng)力云圖見圖5.

圖5 不同爆破深度時(shí)模型的應(yīng)力云圖

監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程是相對(duì)爆源來說的,在數(shù)值上等于主井深度.隨主井掘進(jìn)深度不同,爆源距及監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程均發(fā)生變化,提取模擬結(jié)果中監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的峰值速度將其列于表5中,爆破深度與振動(dòng)速度峰值的關(guān)系見圖6所示.

表5 不同爆破深度時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值

圖6 模型爆破深度與速度峰值的關(guān)系

4 理論基礎(chǔ)與計(jì)算

4.1 理論基礎(chǔ)

采用爆破發(fā)生時(shí)建筑物的振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)建筑物是否安全的標(biāo)準(zhǔn)已被國(guó)內(nèi)外所認(rèn)可.爆破振動(dòng)主要與一次爆破中的最大段藥量有關(guān),在實(shí)際的工程爆破中,通常根據(jù)炸藥的單耗和每次爆破的土石方量去確定一次爆破所需的炸藥量,而后根據(jù)式(1)預(yù)測(cè)周圍建筑物的振動(dòng)速度.

(1)

表6 爆區(qū)不同巖性的K,α值

式中:V為被保護(hù)對(duì)象允許的振動(dòng)速度,cm/s;Q為一次起爆最大段藥量,kg;R為被保護(hù)對(duì)象至爆源中心的距離,即爆源距,m;K,α分別為爆破振動(dòng)波衰減系數(shù)與衰減指數(shù),其取值范圍見表6.

主井爆破掘進(jìn)的過程中,破碎站與爆源之間存在著高程差.許多學(xué)者研究了由高程差導(dǎo)致的爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)[13-21],并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果回歸分析得到了考慮高程放大效應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度計(jì)算公式.

文獻(xiàn)[13,14]研究了高邊坡的放大效應(yīng),認(rèn)為放大效應(yīng)并不是隨坡高單調(diào)增加,還與爆源距、巖性有關(guān).并由現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)例回歸分析得到了質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度公式:

(2)

式中:H為測(cè)點(diǎn)與爆心之間的相對(duì)高差,m;β為高差影響系數(shù).

周同嶺[15,16]認(rèn)為測(cè)點(diǎn)與爆源之間的相對(duì)高差對(duì)振動(dòng)有很大的影響,給出高差為正時(shí)振動(dòng)增大；高差為負(fù)時(shí)振動(dòng)降低的結(jié)論.并指出質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度公式應(yīng)由式(3)決定.

(3)

式中:β取0.25～0.28,正高差時(shí)取正,負(fù)高差時(shí)取負(fù).硬巖中取大值，軟巖中取小值.

也有學(xué)者[17]在薩道夫斯基的公式基礎(chǔ)上,增加了高程影響因子,將質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式修改為

(4)

式中:S為爆心到測(cè)點(diǎn)的水平距離,m.

唐海等人[18-20]通過量綱分析也得到了反映高程放大效應(yīng)的爆破振動(dòng)速度計(jì)算公式

(5)

式中:K1為平整地形的場(chǎng)地系數(shù);K2為邊坡等凸形地貌影響系數(shù);β1為衰減系數(shù);β2為高程差影響系數(shù).

由目前的研究成果可知,測(cè)點(diǎn)與爆源之間存在的高程差會(huì)引起振動(dòng)的高程放大效應(yīng).故在進(jìn)行破碎站的穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)考慮高程產(chǎn)生的影響.

4.2 高程放大公式的選取

縱觀以上提到能反映高程放大效應(yīng)并預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)速度的公式不難發(fā)現(xiàn),式(2),式(4),式(5)都是需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析來確定高程影響系數(shù),即在存在高程差的情況下爆破已經(jīng)發(fā)生.若已知爆源與測(cè)點(diǎn)之間存在高程差,還未進(jìn)行爆破的情況下,需對(duì)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行預(yù)測(cè),不難發(fā)現(xiàn)這些公式并不適用,而且其系數(shù)較多使用起來并不方便.因此,在這種情況下,選用式(3)較為合適.對(duì)式(3)進(jìn)行變換得到式(6).由式(6)便可計(jì)算得到考慮高程放大效應(yīng)下的最大段藥量.

(6)

4.3 理論計(jì)算

4.3.1 原爆破設(shè)計(jì)方案

表7 小炮實(shí)驗(yàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 監(jiān)測(cè)結(jié)果回歸分析

由此便得到平坦地形下爆破振動(dòng)峰值速度衰減規(guī)律:

(7)

參照表1,取其第一次爆破最大段裝藥量76.8 kg代入式(7),計(jì)算得到主井第一次爆破時(shí)破碎站振動(dòng)速度為8.85 cm/s,根據(jù)文獻(xiàn)[22]得到建筑物爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn),見表8.

表8 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)小炮實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,破碎站應(yīng)采用工業(yè)和商用建筑物振動(dòng)速度閾值,參照表8,其值取4.2 cm/s.由于8.85 >4.2,故在不考慮高程影響下的第一次平坦地形的爆破中,破碎站的振動(dòng)速度超過了閾值4.2 cm/s,即破碎站不安全.

而由數(shù)值模擬的結(jié)果可知,隨著主井的爆破深度不斷增大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).由此來分析,當(dāng)按照原爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行主井掘進(jìn)爆破時(shí),破碎站的振動(dòng)速度會(huì)先增大后降低.

4.3.2 考慮高程放大效應(yīng)

考慮高程放大效應(yīng)對(duì)原爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,通過控制其最大段裝藥量來確保破碎站的安全.主井第一次爆破對(duì)破碎站無高程差的影響,取破碎站振動(dòng)速度閾值4.2 cm/s,將數(shù)據(jù)代入式(7).主井第二次爆破及后續(xù)爆破中爆源與破碎站以每次循環(huán)約4 m高程差逐漸加大,存在高程差的影響,將數(shù)據(jù)代入式(6),白云巖屬于硬巖取β=0.27,得到當(dāng)主井掘進(jìn)至約76 m時(shí),爆源距為81 m,最大段藥量為82.1 kg.主井爆破掘進(jìn)前92 m最大段裝藥量詳見表9,其線性關(guān)系見圖8.從表9和圖8可看出,為保證破碎站振動(dòng)速度不超過安全閾值,主井掘進(jìn)爆破的最大段裝藥量隨掘進(jìn)深度增加有先減少后增加的趨勢(shì).

表9 主井爆破最大段裝藥量

圖8 主井深度與最大段藥量的關(guān)系

5 結(jié)論

1)隨著主井爆破掘進(jìn)深度的不斷增加,爆破中爆源與破碎站的高程差也在增大,破碎站受到高程放大效應(yīng)的影響,其振動(dòng)速度出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律.

2)為保證破碎站在爆破過程中的安全,在考慮高程放大效應(yīng)的前提下,最大裝藥量應(yīng)隨著主井深度先減少后增加.

3)按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工時(shí),主井掘進(jìn)深度為0～72 m時(shí)破碎站振動(dòng)速度峰值均超過閾值速度,影響破碎站穩(wěn)定,需要控制最大段藥量;主井掘進(jìn)深度超過72 m時(shí)破碎站振動(dòng)速度峰值未超過閾值速度,此時(shí)主井爆破掘進(jìn)可按原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行.