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)湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

爆破開挖地質(zhì)條件適應(yīng)性強,開挖成本低[1],在礦山井巷的施工中已得到了廣泛應(yīng)用.但爆破施工會產(chǎn)生爆破振動,對周邊環(huán)境要求較高,若爆源周邊存在建筑物,則由爆破產(chǎn)生的振動會引起周邊建筑物的振動,導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生裂縫,對以后的使用埋下安全隱患[2].為探究爆破振動對周邊建筑物的影響,許多學(xué)者以爆破振動對周邊建筑物的安全影響為前提,開展了關(guān)于降低爆破振動速度方法的研究.常方強[3]研究了城市立交橋爆破對周邊建筑環(huán)境的影響,提出開挖減震溝,增加減震溝深度等減小振動的方法.姜增國[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.張夢雅[5]提出在建筑物周邊進行爆破時需要控制最大單響藥量,以及進行長期爆破時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頻率與振動速度,認為應(yīng)對爆破影響區(qū)域進行分區(qū)處理,并提出了隧道分區(qū)爆破減振方案.

目前,采用振動監(jiān)測儀監(jiān)測振動速度和數(shù)值模擬的方法,研究工程爆破對周邊建筑物影響的成果較多[7-12],但在考慮振動高程放大效應(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,作者考慮了振動高程放大效應(yīng),運用數(shù)值模擬和理論計算相結(jié)合的方法,對主井爆破時周邊建筑物的穩(wěn)定性進行了研究.

1 工程背景

甕福磷礦位于貴州甕安福泉境內(nèi).地理坐標:東經(jīng)107°20′～107°26′,北緯26°55′～27°05′.礦區(qū)南北長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.在進行地下開采準備時,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,在爆破之前需對建筑物進行穩(wěn)定性研究.根據(jù)現(xiàn)場勘探資料可得,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)對破碎站影響較大,故選取破碎站進行穩(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)計方案

原爆破設(shè)計方案在主井每次爆破中設(shè)置掏槽眼13個,輔助眼26個,周邊眼32個,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(單位：mm)

3 有限元數(shù)值計算模型

利用數(shù)值模擬軟件ANSYS+LS-DYNA對主井爆破掘進過程中破碎站的振動速度進行分析,以便對主井掘進爆破過程中破碎站的振動規(guī)律及動態(tài)響應(yīng)有更全面的認識和判斷.

3.1 模型建立

根據(jù)原爆破設(shè)計方案進行數(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 計算分析模型

3.2.1 模型建立

在爆炸的模擬中,常常會出現(xiàn)單元網(wǎng)格嚴重畸變而導(dǎo)致數(shù)值計算終止的問題,采用ALE/Euler算法可以克服此問題,從而實現(xiàn)流體固體耦合的動態(tài)分析.本模型中對炸藥、 空氣采用 ALE 單元,對巖體采用Lagrange單元,通過*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字進行耦合.單元類型選用3D solid164.根據(jù)主井掘進深度的增加,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,左右面約束其對應(yīng)位移,下邊固定.設(shè)計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)測點,監(jiān)測點距主井爆破爆源水平距離30 m.

根據(jù)原爆破設(shè)計方案,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)計方案爆破對破碎站的影響.模型示意圖見圖4.

圖4 數(shù)值模型計算

3.3 模擬結(jié)果及分析

模型求解之后,運用LS-DYNA后處理軟件測出不同掘進深度時監(jiān)測點的振動速度.主井掘進深度分別為4,36 m時,數(shù)值模型的應(yīng)力云圖見圖5.

圖5 不同爆破深度時模型的應(yīng)力云圖

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

表5 不同爆破深度時監(jiān)測點振動速度峰值

圖6 模型爆破深度與速度峰值的關(guān)系

4 理論基礎(chǔ)與計算

4.1 理論基礎(chǔ)

采用爆破發(fā)生時建筑物的振動速度作為評價建筑物是否安全的標準已被國內(nèi)外所認可.爆破振動主要與一次爆破中的最大段藥量有關(guān),在實際的工程爆破中,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)測周圍建筑物的振動速度.

(1)

表6 爆區(qū)不同巖性的K,α值

式中:V為被保護對象允許的振動速度,cm/s;Q為一次起爆最大段藥量,kg;R為被保護對象至爆源中心的距離,即爆源距,m;K,α分別為爆破振動波衰減系數(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)致的爆破振動高程放大效應(yīng)[13-21],并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果回歸分析得到了考慮高程放大效應(yīng)的質(zhì)點振動速度計算公式.

文獻[13,14]研究了高邊坡的放大效應(yīng),認為放大效應(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)場振動監(jiān)測實例回歸分析得到了質(zhì)點的振動速度公式:

(2)

式中:H為測點與爆心之間的相對高差,m;β為高差影響系數(shù).

周同嶺[15,16]認為測點與爆源之間的相對高差對振動有很大的影響,給出高差為正時振動增大；高差為負時振動降低的結(jié)論.并指出質(zhì)點的振動速度公式應(yīng)由式(3)決定.

(3)

式中:β取0.25～0.28,正高差時取正,負高差時取負.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)點振動速度公式修改為

(4)

式中:S為爆心到測點的水平距離,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)的爆破振動速度計算公式

(5)

式中:K1為平整地形的場地系數(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,測點與爆源之間存在的高程差會引起振動的高程放大效應(yīng).故在進行破碎站的穩(wěn)定性分析時應(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)測爆破振動速度的公式不難發(fā)現(xiàn),式(2),式(4),式(5)都是需要根據(jù)現(xiàn)場爆破情況進行監(jiān)測,并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進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.若已知爆源與測點之間存在高程差,還未進行爆破的情況下,需對測點的振動速度進行預(yù)測,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.對式(3)進行變換得到式(6).由式(6)便可計算得到考慮高程放大效應(yīng)下的最大段藥量.

(6)

4.3 理論計算

4.3.1 原爆破設(shè)計方案

表7 小炮實驗振動監(jiān)測結(jié)果

圖7 監(jiān)測結(jié)果回歸分析

由此便得到平坦地形下爆破振動峰值速度衰減規(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),計算得到主井第一次爆破時破碎站振動速度為8.85 cm/s,根據(jù)文獻[22]得到建筑物爆破振動安全允許標準,見表8.

表8 爆破振動安全允許標準

根據(jù)小炮實驗的監(jiān)測結(jié)果,破碎站應(yīng)采用工業(yè)和商用建筑物振動速度閾值,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)測點的振動速度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢.由此來分析,當(dāng)按照原爆破設(shè)計方案進行主井掘進爆破時,破碎站的振動速度會先增大后降低.

4.3.2 考慮高程放大效應(yīng)

考慮高程放大效應(yīng)對原爆破設(shè)計方案進行優(yōu)化計算,通過控制其最大段裝藥量來確保破碎站的安全.主井第一次爆破對破碎站無高程差的影響,取破碎站振動速度閾值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)主井掘進至約76 m時,爆源距為81 m,最大段藥量為82.1 kg.主井爆破掘進前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,為保證破碎站振動速度不超過安全閾值,主井掘進爆破的最大段裝藥量隨掘進深度增加有先減少后增加的趨勢.

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)計方案進行施工時,主井掘進深度為0～72 m時破碎站振動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;主井掘進深度超過72 m時破碎站振動速度峰值未超過閾值速度,此時主井爆破掘進可按原設(shè)計方案進行.