減震溝相關參數對減震效果影響的數值模擬*

潘 濤 康 強 趙明生

(1.貴州久聯民爆器材發展股份有限公司;2.貴州新聯爆破工程有限公司)

爆破振動是爆破工程施工引起的多種危害中最難以避免的，因此爆破振動控制往往成為爆破安全工作中最主要的一個環節。爆破振動可以采用多種手段進行控制與削弱，既包括調整參數、控制微差時間等主動控制手段，也包括預裂爆破、開挖減震溝槽等被動降振方法［1］。開挖減震溝適用于爆源與被保護對象間存在易開挖巖土層的情況，是一種效果顯著的降振方法，降振率可達80%以上［2-3］。在使用上，減震溝降振效果受到溝槽深度、長度等參數的影響［4-5］，研究這些參數的影響規律與效果有助于減震溝的合理優化使用。對于這些參數影響規律的研究難以采用對比試驗來完成，因此在本研究中采用數值模擬的手段，對單孔條件下不同幾何參數條件減震溝的減震效果進行了模擬研究。

本研究中運用有限元分析軟件ANSYS/LSDYNA，采用單一炮孔施加爆破振動荷載的簡化模擬條件，并使用中心單點積分的單物質ALE方法，針對減震溝爆心距、長度、深度、寬度4項參數，以自由面節點水平徑向振動峰值速度作為指標對模擬所得結果進行對比分析。

1 模型及參數

本數值模擬模型如圖1所示，模型共有單元106 480個，除正面為對稱面，頂面為自由面外，其他面均施加無反射邊界條件［6-7］。模擬炮孔孔徑為90 mm，孔深3 m，2 m裝藥長度，反向起爆。

圖1 模 型

模型的巖石介質、炸藥等材料相關參數見表1～表3。

模擬中以右側距離炮孔5 m、長10 m、深4 m、寬1 m的減震溝作為基準，在此組基本參數基礎上分別改變單一參數進行多組模擬，然后比較模擬結果。

表1 巖石材料相關參數

表2 炸藥材料相關參數

表3 炸藥狀態方程相關參數

2 數值模擬結果及分析

如圖2所示，以5 m為間距，在頂面、對稱面交線上自距炮孔5 m處開始依次選取18個節點，基于節點x向質點振動速度峰值變化對比不同參數減震溝的減震效果。

圖2 選取的水平徑向節點

由于減震溝影響的是一個區域而不僅僅是個別點，為便于比較不同參數減震溝的減震效果，在此引入一個減震指數ARF［8］，ARF實際是選取的多個節點的平均減震率，具體定義如下:

式中，uDn為無減震溝時節點Dn處水平徑向質點振動速度峰值;vDn為有減震溝時節點Dn處水平徑向質點振動速度峰值。

2.1 減震溝寬度影響規律

以基本參數作為標準，其他參數不變，只改變減震溝寬度，模擬寬度分別為0.1、0.5、1.0 m。模擬所得結果見圖3及圖4。圖3所示為不同減震溝寬度下的水平徑向質點峰值振速，圖4所示為不同減震溝寬度下的減震指數。可以看到，減震效果隨著減震溝寬度增大而增大，兩者關系近似線性，但是增長幅度極小，減震溝寬度由0.1 m提高到1.0 m時減震指數僅僅提高了約4個百分點。

圖3 減震溝寬度與質點振速峰值

圖4 減震溝寬度與減震指數關系

2.2 減震溝深度影響規律

以基本參數作為標準，其他參數不變，只改變減震溝深度，模擬深度分別為3.0、4.0、5.0及6.0 m。模擬所得結果見圖5及圖6。圖5所示為不同減震溝深度下的水平徑向質點峰值振速，圖6所示為不同減震溝深度下的減震指數。由圖6可以看到，減震效果隨著減震溝深度增大而增大，兩者關系近似線性，減震溝深度由3.0 m提高到6.0 m時減震指數提高了約35個百分點。

2.3 減震溝長度影響規律

圖5 減震溝深度與質點振速峰值

圖6 減震溝深度與減震指數關系

以基本參數作為標準，其他參數不變，只改變減震溝長度，模擬長度分別為6、10、14、18及20 m。模擬所得結果見圖7及圖8。圖7所示為不同減震溝深度下的水平徑向質點峰值振速，圖8所示為不同減震溝長度下的減震指數。由圖8可以看到，減震溝長度由6 m提高到14 m時減震效果隨著減震溝長度增大而增大，兩者關系近似線性，當減震溝長度超過14 m，減震指數基本保持恒定。由6 m提高到20 m時減震指數提高了8.3個百分點。

圖7 水平徑向節點減震溝長度與質點振速峰值

圖8 水平徑向節點減震溝長度與減震指數關系

由圖8還可以看到，減震溝長度變化對于降低圖2中選取的炮孔到減震溝垂線上節點的振動強度有一定效果，但是效果有限。為了更全面地考察減震溝長度變化的影響，選取如圖9所示的減震溝后水平切向的10個節點，考察不同減震溝長度下的質點振動速度峰值，從而判斷減震溝長度變化對有效減震區域的影響。

圖9 選取的水平切向節點

圖10 所示為不同減震溝長度下選取的水平切向各節點的質點峰值振速，圖11所示為不同減震溝長度下在圖9所示水平切向位置節點的減震指數。觀察圖10，可以看到隨著減震溝長度增大，更大范圍的區域受到減震溝影響而有效減低了爆破振動。由圖11可以看到，圖9中選取節點所在區域的減震指數隨著減震溝長度增大而增大，且當減震溝深度超過14 m時減震溝長度增加的減震效果更為顯著。在圖9所示水平切向節點范圍內，當減震溝深度由6 m提高到20 m時減震指數由25.6%提高到81.8%，提高了56.2個百分點。

圖10 水平切向節點減震溝長度與質點振速峰值

圖11 水平切向節點減震溝長度與減震指數關系

2.4 減震溝爆心距影響規律

以基本參數作為標準，其他參數不變，只改變減震溝與炮孔的爆心距，模擬爆心距分別為5、10、15、20、25、30及50 m。模擬所得結果見圖12及圖13，圖12所示為不同爆心距下的水平徑向質點峰值振速，圖13所示為不同爆心距下的減震指數。觀察圖12，可以看到:當減震溝距離炮孔接近時可以取得極為顯著的減震效果;爆心距較大時，減震溝后的減震效果變得不太明顯。由圖13可以看到，減震溝爆心距由5 m提高到10 m時減震指數變化不大，爆心距超過10 m后減震效果隨著減震溝爆心距增大而不斷減小，兩者關系近似線性。爆心距由5 m提高到50 m，減震指數由56.8%降低到23.9%，降低了32.9個百分點。

圖12 減震溝爆心距與質點振速峰值

圖13 減震溝爆心距與減震指數關系

3 結論

(1)減震溝寬度對于減震效果雖然有一定影響，但是影響十分有限，長度、深度、爆心距相同時預裂縫與減震溝的減震效果差距極小。

(2)減震溝深度對于減震效果的影響較為顯著，減震溝越深，減震效果越好。

(3)減震溝長度對有效減震區域范圍及減震率均有影響。增加減震溝長度可以顯著地提高有效減震區域范圍。在一定長度范圍內減震溝長度的增加可以提高最大減震率，但是超過一定長度后幾乎沒有影響。

(4)減震溝距爆源距離越大，總體的減震效果越差。

［1］ 趙京林，李永剛.爆破振動的危害性及防治措施［J］.現代礦業，2010，490(2):40-42.

［2］ 方 向，高振儒，龍 源，等.減震溝對爆破震動減震效果的實驗研究［J］.工程爆破，2002，8(4):20-23.

［3］ 婁建武，龍 源，周 翔，等.爆炸波傳播的溝槽效應及分析［J］.礦冶工程，2004，24(1):11-15.

［4］ 鄭水明，姚運生，曾心傳.工程場地隔振溝減震效應［J］.爆破，2008，25(3):103-106.

［5］ Onder Uysal，Kaan Erarslan，Akif Cebi，et al.Effect of barrier holes on blasting induced vibration［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45(6):712-719.

［6］ 梁開水，陳天珠，易長平.減震溝減震效果的數值模擬研究［J］.爆破，2006，23(3):18-21.

［7］ 羅 毓，劉雁鷹，易長平.預裂縫參數對減振效果影響的數值分析［J］.爆破，2007，24(2):25-27.