何 峰,楊 松,王富強(qiáng),李 彬

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.神華神東煤炭集團(tuán),內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

爆破技術(shù)作為一種常規(guī)工程手段被廣泛應(yīng)用于礦山的開采以及隧道開挖等各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。巷道圍巖在爆破地震波的作用下會(huì)受到不同程度的影響,當(dāng)巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度大于巷道圍巖最大允許安全振動(dòng)速度時(shí),巷道將被破壞,尤其是當(dāng)新建巷道靠近既有巷道時(shí),振動(dòng)對既有巷道的影響更為突出[3-4]。由此可見,研究地下礦山回采爆破振動(dòng)效應(yīng)對地下采場巷道圍巖的影響,得出能有效降低爆破振動(dòng)危害的控制措施是亟需解決的問題。

為了解爆破振動(dòng)對巷道的影響,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。Siskind D E等[5]討論了無限大、均勻、彈性介質(zhì)中的球形空腔受爆炸時(shí)的壓力問題;吳波等[6]結(jié)合強(qiáng)度折減動(dòng)力分析法和數(shù)值模擬,對隧道中隔巖進(jìn)行動(dòng)力安全系數(shù)分析;Spathis A T[7]運(yùn)用FLAC3D軟件模擬了炮孔壓力函數(shù),并運(yùn)用該函數(shù)得到了圍巖振速的計(jì)算公式;Coursen D L[8]提出了一種減少延遲爆破地面振動(dòng)的擬議方法;趙曉等[9]通過FLAC3D對爆破振動(dòng)作用下巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)距爆心越遠(yuǎn),質(zhì)點(diǎn)峰值振速衰減得越明顯;徐振洋等[10]結(jié)合巖石的性質(zhì)以及裝藥量與爆心距對公路爆破測振的信號進(jìn)行了HHT分析,得到了爆破振動(dòng)的主要能量頻帶大致分布在10～60 Hz;皇民等[11]采用FLAC3D軟件對不同方向的爆破地振波作用對巷道穩(wěn)定性的影響程度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)爆破地振波對巷道水平方向的影響最為明顯;張繼春[12]通過對三峽工程的基巖進(jìn)行爆破試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)中所得到的基巖質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度要比采用薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式估算的值要小,并且在爆破近區(qū)的誤差更加明顯;喬憲隊(duì)等[13]通過FLAC3D運(yùn)用耦合柱狀的裝藥形式爆破,對鄰近隧洞的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;王振毅等[14]運(yùn)用了ANSYS/LS-DYNA軟件,建立有限元模型來模擬研究硐室的應(yīng)力場以及位移場和速度場的特征;夏昌敬等[15]運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件對爆炸產(chǎn)生的沖擊波在巖體巷道中的傳播和能量的損耗進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在爆炸近區(qū),爆炸應(yīng)力波衰減會(huì)較快。

以上研究表明,爆破振動(dòng)對巷道穩(wěn)定性影響明顯,但前人研究對象都比較廣泛,沒有細(xì)致地對爆破振動(dòng)影響下巷道質(zhì)點(diǎn)的振速和位移變化規(guī)律進(jìn)行分析?；谏鲜鰡栴},以某露天礦爆破開采對相鄰煤礦巷道的影響為研究背景進(jìn)行數(shù)值模擬研究,并且對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行位移收斂分析,對爆破振動(dòng)影響下矩形巷道質(zhì)點(diǎn)的振速和位移變化規(guī)律進(jìn)行更深入的研究,為保證巷道穩(wěn)定、礦山安全高效生產(chǎn)有著重要意義。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某露天煤礦基本形態(tài)為單斜構(gòu)造,煤層傾角為1°～3°,開采深度為50～240 m,屬非深部礦井,頂板相對穩(wěn)定,巖性為較軟巖。井田分為4個(gè)盤區(qū),主要開采1-2、2-2、3-1煤層。目前回采的1-2煤三盤區(qū),集中回風(fēng)巷、主運(yùn)巷及三盤區(qū)輔運(yùn)大巷,布置于井田南界。由于相鄰煤礦巷道自西向東主要受到露天煤礦504區(qū)、404區(qū)下、405區(qū)下、305區(qū)和406區(qū)爆破振動(dòng)影響,影響長度達(dá)1 400 m左右,加之巷道支護(hù)設(shè)計(jì)之初沒有考慮動(dòng)荷載影響,已對相鄰煤礦三盤區(qū)安全高效回采造成威脅。在此露天煤礦爆破開采過程中,通過合理的爆破設(shè)計(jì)、測試分析、數(shù)值模擬,采取切實(shí)可行的爆破減振措施,在保證礦山正常生產(chǎn)和安全生產(chǎn)的前提下,有效降低爆破振動(dòng)的動(dòng)力效應(yīng)和損傷效應(yīng),確保巷道安全的爆破最小安全距離,減小爆破振動(dòng)對鄰近邊坡的危害,避免邊坡的破壞、失穩(wěn)滑移,開展露天煤礦開采過程研究以及開展爆破振動(dòng)效應(yīng)對鄰近煤礦輔運(yùn)平硐的影響,具有十分重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 數(shù)值模型建立

論文運(yùn)用Auto CAD以及南方Cass軟件繪制出巷道與采區(qū)位置及爆破點(diǎn)的剖面圖,如圖1所示。

圖1 地質(zhì)平面Fig.1 Geological plan

由圖1可知,模型左側(cè)高143 m,右側(cè)高39 m,左側(cè)巷道高4 m,寬6 m,中間巷道寬度較左右側(cè)的小,寬度為5 m,右側(cè)巷道寬6 m,高4 m。炸藥埋在2 m以下的深度,長度為5 m,封堵為2 m。第一個(gè)巷道頂面與爆破點(diǎn)的水平距離為68 m,豎直方向與離爆破點(diǎn)的距離為18 m;第二個(gè)巷道右側(cè)頂點(diǎn)與爆破點(diǎn)的水平距離為98 m,因?yàn)橄锏蓝荚谕恢本€上,所以豎直方向與爆破點(diǎn)距離與右側(cè)巷道相同,均為18 m;最左側(cè)巷道右側(cè)頂點(diǎn)與爆破點(diǎn)的水平距離為128 m,豎直方向距離為18 m。

將圖1導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中,通過ANSYS軟件構(gòu)建有限元模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分出巷道、炮孔區(qū)域以及炮孔區(qū)域填塞和巖石材料的位置,如圖2所示。模型各個(gè)邊界設(shè)置為無反射邊界,隧道已開挖區(qū)設(shè)為自由邊界。

圖2 網(wǎng)格劃分后的模型Fig.2 Model after meshing

定義二次黏度系數(shù)為1.5,線性黏性系數(shù)為0.06,建議剛度系數(shù)不超過0.14,沙漏系數(shù)為0.1,時(shí)間步長控制為0.9,計(jì)算時(shí)間為0.05 s,定義好各項(xiàng)參數(shù)后,輸出文件類型為LSDYNA,輸出k文件。由于ANSYS/LS-DYNA中沒有空氣及混凝土和炸藥的材料模型,采用線彈性模型,利用軟件Textpart對炸藥、混凝土以及空氣的材料參數(shù)進(jìn)行修改,修改完成后,運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行求解,將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入LS-PrePost后處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。得到的炸藥和空氣域以及封堵的模型,如圖3所示。

圖3 炸藥和空氣域以及封堵的模型Fig.3 Explosives and air domains and blocking model

由圖3可知,炸藥選取質(zhì)量為150 kg的乳化炸藥,埋在2 m深的地下,高度可達(dá)5 m,周圍被空氣域包裹,空氣域?qū)挾葹? m,高度為8 m,封堵高度為2 m,基本符合剖面建模圖形。

3 模擬結(jié)果

爆破振動(dòng)所產(chǎn)生的地振波會(huì)對巖層及巷道周圍造成極大的破壞力,在爆破振動(dòng)的影響下,爆破地振波由爆源處向周圍擴(kuò)散,使巷道周圍各質(zhì)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移和速度,當(dāng)爆破引起巷道圍巖內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度大于巷道圍巖允許的最大安全振速時(shí),巷道會(huì)被破壞。所以在爆破振動(dòng)影響下,巷道周圍各質(zhì)點(diǎn)振速大小的變化情況也是衡量巷道變形的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 巷道周圍質(zhì)點(diǎn)的速度分析

將計(jì)算結(jié)果代入LS-PrePost進(jìn)行后處理,導(dǎo)出位移速度云圖后,在巷道周圍取質(zhì)點(diǎn),導(dǎo)出各質(zhì)點(diǎn)的位移和速度隨時(shí)間的變化曲線,對其變化規(guī)律進(jìn)行分析,各質(zhì)點(diǎn)編號及位置如圖4所示,爆破前、中、后期速度矢量云圖如圖5、6、7所示。

圖4 取點(diǎn)的位置Fig.4 Location of the point

圖5 速度矢量云圖-爆破前期Fig.5 Velocity vector cloud map-early stage of blasting

圖6 速度矢量云圖-爆破中期Fig.6 Velocity vector cloud picture-medium blasting period

圖7 速度矢量云圖-爆破后期Fig.7 Velocity vector cloud map-late blasting

通過觀察爆破前中后3個(gè)時(shí)期的云圖,可以得到各個(gè)質(zhì)點(diǎn)速度的大致分布情況。在LS-PrePost后處理模塊中,分別選中模型中的1～24號質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,導(dǎo)出各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的最大振速值,如圖8所示。

圖8 巷道上各質(zhì)點(diǎn)的最大振速和爆心距Fig.8 The maximum vibration velocity and blasting center distance of each particle on the roadway

巷道拱頂決定了整個(gè)巷道的穩(wěn)定,巷道拱頂質(zhì)點(diǎn)為3～5號質(zhì)點(diǎn),其中5號質(zhì)點(diǎn)爆心距最大,所以對5號質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行分析。在爆破開始至0.029 8 s時(shí),其速度達(dá)到最大值6.64 cm/s。位于同一水平面上的1～5號質(zhì)點(diǎn),與爆破點(diǎn)的豎直方向距離相同均為18 m,水平方向距離由1～5號質(zhì)點(diǎn)依次增加。1～5號質(zhì)點(diǎn)的最大速度分別為v1=11.1 cm/s,v2=10.52 cm/s,v3=12.5 cm/s,v4=8.6 cm/s,v5=6.64 cm/s。所呈現(xiàn)的規(guī)律是v1>v2,v3>v4>v5,其中3號質(zhì)點(diǎn)、4號質(zhì)點(diǎn)和5號質(zhì)點(diǎn)位與3個(gè)巷道拱頂,爆心距依次遞增,振速依次遞減。

在最右側(cè)巷道,8號質(zhì)點(diǎn)的爆心距小于3號質(zhì)點(diǎn),而8號質(zhì)點(diǎn)的振速明顯大于3號質(zhì)點(diǎn)的振速,這是由于8號質(zhì)點(diǎn)位于巷道右側(cè)邊墻中部,為迎爆側(cè),3號質(zhì)點(diǎn)位于此巷道拱頂中部,迎爆側(cè)振速比拱頂要大,說明兩點(diǎn)的約束條件對振速有一定的影響。在同一巷道迎爆側(cè),8號質(zhì)點(diǎn)振速大于16號質(zhì)點(diǎn),10號質(zhì)點(diǎn)振速大于19號質(zhì)點(diǎn),12號質(zhì)點(diǎn)振速大于22號質(zhì)點(diǎn),說明迎爆側(cè)質(zhì)點(diǎn)振速分布規(guī)律沿軸向遞減。根據(jù)近似約束條件,對各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行分組對比可知,巷道周圍各質(zhì)點(diǎn)的最大振速隨爆心距的增大而減小,爆心距越小的質(zhì)點(diǎn),越容易受到爆破振動(dòng)的影響,但是巷道周圍某些特殊位置的約束條件不同,會(huì)較容易受到爆破振動(dòng)的影響。依照礦山巷道爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)為15～30 cm/s,為了安全起見,安全振速應(yīng)取15 cm/s,除了最右側(cè)巷道邊墻右側(cè)中部的8號質(zhì)點(diǎn)振速為16.7 cm/s之外,模型中所取各質(zhì)點(diǎn)振速均低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),符合安全準(zhǔn)則,需對最右側(cè)巷道邊墻右側(cè)中部加強(qiáng)支護(hù),并適當(dāng)減少炸藥的用量。

3.2 巷道周圍質(zhì)點(diǎn)的位移分析

在爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響下,各質(zhì)點(diǎn)的合位移測試也是分析巷道變形規(guī)律的一個(gè)參量。運(yùn)用LS-PrePost后處理軟件導(dǎo)出各質(zhì)點(diǎn)位移發(fā)生時(shí)間及爆心距曲線,如圖9所示。

圖9 各質(zhì)點(diǎn)位移發(fā)生時(shí)間及爆心距Fig.9 The occurrence time of each particle displacement and the explosion center distance

由圖9可知,所取的24個(gè)質(zhì)點(diǎn)中,1～5號質(zhì)點(diǎn)位于同一水平面,6～13號質(zhì)點(diǎn)位于同一水平面,14～24號質(zhì)點(diǎn)位于同一水平面,且爆心距逐漸增大,位移發(fā)生時(shí)間隨爆心距的增大呈現(xiàn)遞增趨勢,說明爆破振動(dòng)對質(zhì)點(diǎn)位移的影響與爆心距相關(guān),爆心距越小,位移發(fā)生時(shí)間越短。各質(zhì)點(diǎn)的爆心距及爆破振動(dòng)影響下產(chǎn)生的最大位移如圖10所示。

圖10 各質(zhì)點(diǎn)的爆心距及最大位移Fig.10 Blasting center distance and maximum displacement of each particle

由圖10可知,3、4、5號質(zhì)點(diǎn)分別位于模型右側(cè)巷道、中間巷道、左側(cè)巷道拱頂?shù)闹虚g位置,最大位移隨爆心距的增大而減小。8～13號質(zhì)點(diǎn)位于巷道邊墻兩側(cè)的中間位置,絕對位移依次增大,但由于約束條件的不同,最大位移隨著爆心距的增大,并非呈現(xiàn)遞減趨勢,而是間隔式遞減。當(dāng)約束條件相同的情況下,取8、10、12號質(zhì)點(diǎn)為一組進(jìn)行比較,9、11、13號質(zhì)點(diǎn)為一組進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,最大位移均隨爆心距的增大而減小。16至24號質(zhì)點(diǎn)位于巷道底板,根據(jù)約束條件,將其分成3組:16、19、22號質(zhì)點(diǎn)為一組,17、20、23號質(zhì)點(diǎn)為一組,18、21、24號質(zhì)點(diǎn)為一組,可知當(dāng)約束條件相同時(shí),質(zhì)點(diǎn)的最大位移依舊隨爆心距的增大而減小。而且,在3個(gè)巷道邊墻兩側(cè)的中部,迎爆側(cè)的質(zhì)點(diǎn)位移會(huì)明顯大于背爆側(cè)的質(zhì)點(diǎn)位移,例如8號質(zhì)點(diǎn)和9號質(zhì)點(diǎn),10號和11號,12號和13號,在巷道底板的18號點(diǎn)和19號點(diǎn),21號點(diǎn)和22號點(diǎn)等。由此可知,在爆破振動(dòng)開始之前,需要加強(qiáng)巷道迎爆側(cè)的支護(hù),保證爆破過程中的安全。尤其是巷道邊墻兩側(cè)的中部位置,產(chǎn)生的影響較大。

4 現(xiàn)場收斂位移監(jiān)測結(jié)果分析

隨著煤礦爆破作業(yè)距離逐漸向巷道推進(jìn),將引起圍巖力學(xué)性能變化,如圍巖變形、巷道的穩(wěn)定性受到極大威脅。巷道收斂量測對于了解圍巖穩(wěn)定情況、支護(hù)系統(tǒng)的作用效果以及支護(hù)系統(tǒng)與圍巖之間的相互作用規(guī)律,監(jiān)測礦山巷道穩(wěn)定性、保障礦山安全生產(chǎn)均起著重要的作用,因此,巷道收斂量測作為井巷工程中的一項(xiàng)主要測試內(nèi)容,不僅成為巷道掘進(jìn)和采場回采過程中重要的安全監(jiān)視手段,而且為調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)和選定合理的支護(hù)時(shí)間及綜合評價(jià)圍巖穩(wěn)定性提供科學(xué)信息。

現(xiàn)場采用數(shù)顯收斂計(jì)對煤礦回風(fēng)巷道圍巖進(jìn)行收斂觀測,在巷道中設(shè)置觀測斷面共有8個(gè)斷面,每個(gè)斷面埋設(shè)3個(gè)測點(diǎn),分別位于巷道拱頂中間和兩幫距離巷道底板以上1.0 m處,用其觀測巷道圍巖在露天爆破振動(dòng)作用下其圍巖位移變化情況。為了掌握收斂隨時(shí)間增長變化情況,將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)收斂值-監(jiān)測時(shí)間作圖,同時(shí)還繪制出單次收斂值-監(jiān)測時(shí)間圖,方便掌握巷道在某階段時(shí)間的變化情況,如圖11～14所示。

圖11 巷道迎爆側(cè)圍巖監(jiān)測截面收斂值變化趨勢Fig.11 Trend of convergence value of surrounding rock monitoring section on blasting side of roadway

圖12 巷道迎爆側(cè)圍巖監(jiān)測截面單次收斂變化趨勢Fig.12 Single convergence trend of surrounding rock monitoring section on blasting side of roadway

圖13 巷道背爆側(cè)圍巖監(jiān)測截面收斂值變化趨勢Fig.13 Trend of convergence value of monitoring section of surrounding rock on back burst side of roadway

圖14 巷道背爆側(cè)圍巖監(jiān)測截面單次收斂變化趨勢Fig.14 Single convergence trend of monitoring section of surrounding rock on back burst side of roadway

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,相鄰巷道圍巖在原始支護(hù)作用下的水平收斂值變化依然較小,最大收斂值依然出現(xiàn)在監(jiān)測截面中的S-2截面,兩個(gè)多月時(shí)間內(nèi)巷道兩幫收斂值為0.97 mm;最小收斂值出現(xiàn)在監(jiān)測截面中的S-7截面,兩個(gè)多月時(shí)間內(nèi)巷道兩幫收斂值為0.57 mm;各截面的平均收斂值為0.80 mm,且各截面收斂變化率平均小于0.2 mm/d,該收斂速度變化不會(huì)導(dǎo)致巷道的破壞,因此可以判斷該巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從相鄰巷道背爆側(cè)圍巖的收斂值監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,巷道背爆側(cè)圍巖的收斂值仍較小,收斂值最大出現(xiàn)在監(jiān)測截面中的S-8截面,兩個(gè)多月時(shí)間內(nèi)巷道兩幫收斂值為1.58 mm;收斂值最小出現(xiàn)在監(jiān)測截面中的S-6截面,兩個(gè)多月時(shí)間內(nèi)巷道兩幫收斂值為0.96 mm;各截面的平均收斂值為1.38 mm,且各截面收斂變化率平均小于0.2 mm/d,由此可以判斷該巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài),該收斂速度變化不會(huì)導(dǎo)致巷道的破壞。

隨著爆破區(qū)域逐漸靠近煤礦巷道,且爆破作業(yè)次數(shù)逐漸頻繁,因此巷道收斂變化值逐漸增大,在今后巷道近區(qū)進(jìn)行露天爆破作業(yè)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)爆破振動(dòng)的控制,嚴(yán)格按照近區(qū)減振爆破方案實(shí)施爆破作業(yè),與此同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)巷道穩(wěn)定性變化的監(jiān)測,防止巷道失穩(wěn)而發(fā)生安全事故。

5 爆破振動(dòng)模擬中合速度衰減方程

對質(zhì)點(diǎn)的振速和位移分析之后,運(yùn)用薩道夫斯基公式[16]對振動(dòng)模擬中合速度的衰減方程進(jìn)行計(jì)算。

薩道夫斯基提出的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

v=K(Q1/3/R)α

(1)

式中:v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;Q為炸藥量,kg;R為質(zhì)點(diǎn)爆心距;K是介質(zhì)相關(guān)系數(shù);α為衰減系數(shù)。

以比例距離跟質(zhì)點(diǎn)的最大振速為變量,依據(jù)薩道夫斯基公式及回歸原理找出合速度v跟比例距離R/Q1/3的值,反演得到K、α的值。采用最小二乘法原理對公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化換算,得K、α的計(jì)算公式分別如下:

(2)

由于考慮到約束條件的影響,應(yīng)該選取同一約束條件的質(zhì)點(diǎn)最大振速代入上述公式中,測試選取右側(cè)巷道邊墻中間位置質(zhì)點(diǎn)的最大振速代入公式(2),其中xi=ln(Q1/3/R),yi=lnv,參數(shù)反演結(jié)果如表1所示。

表1 反演參數(shù)

由此得到本次模擬爆破振動(dòng)測試合速度的衰減方程為

(3)

6 結(jié)論

1)巷道周圍各質(zhì)點(diǎn)的最大振速隨爆心距增大而減小,距離爆源越近的質(zhì)點(diǎn),越容易受到爆破振動(dòng)的影響。右側(cè)巷道邊墻中部質(zhì)點(diǎn)振速高于標(biāo)準(zhǔn),需加強(qiáng)支護(hù),適當(dāng)減少炸藥的用量,或者增大爆心距。

2)位于同一水平面的質(zhì)點(diǎn),位移發(fā)生時(shí)間隨爆心距的增大而增大。位于右側(cè)巷道、左側(cè)巷道拱頂中部的質(zhì)點(diǎn),其位移隨爆心距的增大而減小。巷道兩側(cè)邊墻中部的絕對位移依次增大,但由于約束條件的不同,最大位移隨著爆心距的增大,并非呈現(xiàn)遞減趨勢,而是間隔式遞減。當(dāng)約束條件相同的情況下,質(zhì)點(diǎn)的最大位移依舊隨爆心距的增大而減小。

3)收斂監(jiān)測結(jié)果表明爆破振動(dòng)作用對巷道的穩(wěn)定性造成的影響仍處于穩(wěn)定變形階段,不會(huì)導(dǎo)致巷道的破壞。

4)采用最小二乘法回歸原理反演得到煤礦爆破的薩道夫斯基公式中的K值及α值分別是30.814及1.085,計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)公式對于預(yù)測露天礦爆破中質(zhì)點(diǎn)振速以及爆破地振波對巷道的影響具有一定的參考意義。