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        采空區(qū)爆破振動響應(yīng)特征分析

        2021-03-02 06:13:14周建忠
        采礦技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:振動

        周建忠

        (陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 晉中市 045400)

        0 引言

        井工煤礦盜采亂挖情況較為普遍,形成了大跨度、縱橫交錯、厚度不均的采空區(qū)[1]。結(jié)合相關(guān)調(diào)查,大跨度的采空區(qū)塌落,誘導(dǎo)了地面下沉、建筑物地基不穩(wěn),影響了井下工人的安全,已被視為礦山首要解決的問題[1-3]。隨著安全意識的提高,采空區(qū)的安全性預(yù)測、評價(jià)及處理的研究工作越來越重要。采用先進(jìn)的數(shù)字化可視技術(shù)監(jiān)測了復(fù)雜環(huán)境采空區(qū)的分布結(jié)構(gòu)以及空區(qū)周圍巖石條件,采用數(shù)值模擬方法建立了與監(jiān)測采空區(qū)狀態(tài)較為類似的三維簡化計(jì)算模型,計(jì)算了采空區(qū)安全性評價(jià)指標(biāo)數(shù)值參數(shù)[3-7]。明確不同動荷載下復(fù)雜采空區(qū)的安全性情況,對空區(qū)防護(hù)與治理方案的制定具有一定的意義[8-10]。

        1 采空區(qū)賦存狀況

        開元煤礦3908工作面位于閆莊村北東部約264 m,中莊村北部約351 m,北燕竹村北西部約253 m的范圍內(nèi)。地面標(biāo)高為1109 m~1172 m。經(jīng)探測,空區(qū)規(guī)模大小不一,分布結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,并沒有制定支護(hù)方案。礦山生產(chǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)一處采空區(qū)部分頂板坍塌致使地面下沉,經(jīng)初步探測,該采空區(qū)頂板高度約8 m,跨度約25 m,并且采空區(qū)下方已探明存在另一采空區(qū),獲得了其規(guī)模、位置、跨度以及分布結(jié)構(gòu)等信息,采空區(qū)的存在對礦山正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響。爆破施工時(shí)增大了下層采空區(qū)失穩(wěn)垮落的概率,可能誘導(dǎo)上下層采空區(qū)貫通,進(jìn)而威脅到地面人員的安全。

        2 構(gòu)建采空區(qū)計(jì)算模型

        設(shè)計(jì)兩組僅起爆點(diǎn)位置不同的模擬試驗(yàn),上層采空區(qū)高度為8 m,跨度為25 m,下層采空區(qū)高度為6 m,兩個(gè)采空區(qū)相差12 m,炮孔位于采空區(qū)中部正上側(cè)。考慮到不同起爆方式的下層采空區(qū)頂板的動態(tài)響應(yīng)變化,以下層采空區(qū)頂板上下側(cè)選取10處節(jié)點(diǎn)1~5及單元A~E作為主要分析對象,所建立模型及其位置分布如圖1所示。

        圖1 不同起爆方式的采空區(qū)幾何模型

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 下層采空區(qū)頂板節(jié)點(diǎn)峰值振速分析

        圖2~圖3反映了不同起爆方式爆炸應(yīng)力波傳播情況,根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)列出節(jié)點(diǎn)峰值振速如表1所示,根據(jù)表1繪制節(jié)點(diǎn)峰值振速與起爆點(diǎn)位置的關(guān)系曲線,如圖4所示。

        圖2 模型A爆破過程應(yīng)力云圖

        圖3 模型B爆破過程應(yīng)力云圖

        表1 節(jié)點(diǎn)峰值振速/(cm·s-1)

        根據(jù)爆破振動安全規(guī)程,質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度變化是受到動荷載的作用,故頂板的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度可視為評價(jià)空區(qū)安全性的量化指標(biāo)。當(dāng)爆破施工時(shí),監(jiān)測頂板特征部位的峰值振動速度,參照安全規(guī)程以此評價(jià)空區(qū)的安全性。由表1可知:當(dāng)中部起爆時(shí),下層采空區(qū)頂板各節(jié)點(diǎn)峰值振速變化范圍處于5.01 cm/s~7.29 cm/s,近似于反向起爆各點(diǎn)峰值振速0.31~0.92倍,其中下層采空區(qū)頂板下側(cè)中部水平及豎直振速分別由11.80 cm/s、15.96 cm/s減小到7.29 cm/s、5.21 cm/s。從圖4可以看出,中部起爆與反向起爆對下層采空區(qū)頂板兩端節(jié)點(diǎn)振動速度影響不大,中部起爆方式下,下層采空區(qū)頂板兩端節(jié)點(diǎn)振動速度較反向起爆方式有降低趨勢,其主要破壞位置仍然位于下層采空區(qū)頂板中部。

        圖4 節(jié)點(diǎn)峰值振速與起爆點(diǎn)位置關(guān)系曲線

        3.2 下層采空區(qū)頂板單元有效應(yīng)力分析

        由計(jì)算結(jié)果列出下層采空區(qū)頂板 10處單元最大有效應(yīng)力,如表2所示,其單元最大有效應(yīng)力與起爆點(diǎn)位置關(guān)系曲線如圖5所示。

        圖5 單元最大有效應(yīng)力與起爆點(diǎn)位置關(guān)系曲線

        根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知:中部起爆時(shí),下層采空區(qū)頂板10處單元均有所減小。通過圖5可以更直觀地看出,選擇中部起爆方式時(shí),下層采空區(qū)頂板中部單元有效應(yīng)力明顯減小,上下側(cè)單元有效應(yīng)力差值較小。兩種起爆方式對下層采空區(qū)頂板兩端造成的應(yīng)力變化并不大,兩種起爆方式的爆破動荷載作用對下層采空區(qū)頂板兩端影響較小,對下層采空區(qū)頂板中部影響較為明顯。采用中部起爆方式時(shí),下層采空區(qū)頂板中部最大有效應(yīng)力明顯減小。

        表2 單元最大有效應(yīng)力/MPa

        4 結(jié)論

        (1)下層采空區(qū)頂板左側(cè)應(yīng)力波傳播將優(yōu)先于右側(cè)應(yīng)力波向中部交匯,導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域向下層采空區(qū)頂板右側(cè)偏移,由于下層空區(qū)頂板受到的應(yīng)力較大,增大了下層空區(qū)失穩(wěn)的可能性,存在上下采空區(qū)貫通的隱患。

        (2)當(dāng)中部起爆時(shí),下層采空區(qū)頂板各節(jié)點(diǎn)峰值振速變化范圍處于5.01 cm/s~7.29 cm/s,近似于反向起爆各點(diǎn)峰值振速的0.31~0.92倍,下層采空區(qū)頂板兩端節(jié)點(diǎn)振動速度受起爆方式影響不大。

        (3)采用中部起爆方式較反向起爆方式更能保障下層采空區(qū)的穩(wěn)定。

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