深孔爆破出礦巷道的動態應力比評價分析

李文明

(中國神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，內蒙古鄂爾多斯市 010300)

深孔爆破出礦巷道的動態應力比評價分析

李文明

(中國神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，內蒙古鄂爾多斯市 010300)

以某鐵礦采場深孔爆破為研究背景，針對爆破震動引起的巷道片幫、冒頂等事故，為最大程度的降低爆破震動效應，采用blastmate型測振儀對深孔爆破時出礦巷道的震動信號進行監測。通過對測振數據進行回歸分析，發現爆破振動波衰減規律與礦巖的巖性基本一致；采用動態應力比評價體系對出礦巷道的穩定性進行計算，發現DSR＜0.0125時，以同等條件進行爆破作業時，巷道不會發生破壞。

深孔爆破；出礦巷道；穩定性；動態應力比

0 引言

金屬礦的礦巖較為堅固，鉆爆法被廣泛運用，但炸藥爆破所產生的能量大部分以地震波的形式耗散，引起鄰近自由面震動，繼而引起生產事故的發生[1-2]。出礦巷道作為礦山生產的主要作業場所，其穩定直接關系著井下作業人員的生命安全，間接影響著礦山企業的生產效益。

目前，眾多學者對動荷載作用下的巷道失穩機制進行了研究，并已產生眾多研究成果。韓曉亮以某釩礦為研究背景，以采場實測震動數據為依據，采用有限元差分軟件FLAC3D，對動荷載施加前后巷道圍巖的位移場、應力場、塑性區隨時間的變化規律進行計算，發現巷道施加動載后位移場、應力場與塑性區變化均較小，說明單次爆破震動對巷道破壞較小，不足以使巷道立即發生失穩[3]。周傳波以大冶鐵礦深孔爆破為工程依托，采用離散元軟件PFC研究爆破震動對巷道造成的累計損傷，發現巷道圍巖應力場與塑性區的變化幅度與動荷載施加的強度一致，且動荷載施加強度越大應力場與塑性區變化越明顯[4]。蔣楠以冬瓜山銅礦采場實測震動信號為依據，通過在模型底部施加爆破震動信號，分析動載施加前后巷道位移場、應力場、速度場的變化規律，發現其隨時間的變化規律與作為動荷載輸入波形的速度時間曲線變化基本一致[5]。熊良霄以黃草坪隧道為工程依托，采用FLAC3D對地震波作用下隧道的穩定性進行分析，討論模型橫向范圍和邊界條件對數值計算結果的影響，發現7～8倍洞徑，粘性邊界的模型最為合理[6]。目前，針對爆破動載作用下巷道圍巖的失穩機制研究，主要采用FLAC3D進行模擬分析，雖能有效地反應巷道圍巖物理量的變化，但卻無法反應巷道穩定性的破壞程度，而動態應力比分析評價方法根據礦巖的抗拉強度可以有效的判斷巷道圍巖的損傷程度[7-8]，因此，本文采用動態應力比分析評價法對某礦山出礦巷道的穩定性進行分析計算。

1 工程概況

某鐵礦位于閩西地區博平嶺山脈，地貌為侵蝕構造地形，山脈呈北北東一近南北向延伸。礦區位于龍巖盆地，東西長約4000 m，南北寬約700～1000 m。礦區年降水量為1350～1995 mm，屬雨量豐富地區。礦體為矽卡巖和變質砂質泥巖，上盤圍巖為大理巖、大理巖化灰巖，下盤圍巖為石英巖和石英砂巖。

該礦采用垂直扇形深孔爆破法落礦。中段高度為50 m，礦房沿走向布置，長為50 m，寬為20 m，礦房頂柱5 m，間柱5 m。使用KJ-90型鉆機鉆孔，孔徑70～80 mm，炮孔前傾8°～10°，邊孔水平夾角55°～60°，每排9孔，排距2 m，孔距2 m，孔深20 m；用2＃巖石乳化炸藥結合非電毫秒微差雷管系統進行爆破。

2 爆破振動現場測試

采準工作結束后伴隨著回采作業的開始，在爆破次數增加，爆破炸藥量增大及井下空間有限等因素的影響下，出礦巷道破壞愈發嚴重。為分析爆破震動對巷道的影響，對回采爆破引起的巷道質點震動強度進行監控，測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置

3 現場爆破震動測試及數據處理

3.1 薩道夫斯基公式

目前，測震儀可記錄測點3個方向的質點震動速度、加速度、位移、主震頻率及震動持續時間。以質點峰值震速作為爆破震動安全評價的主要指標，采用薩道夫斯基公式計算，即：

式中：Q——最大單段炸藥量，kg；

R——爆心距，m；

K、α——相關系數；

ρ——比例藥量。

3.2 爆破作業參數及監測數據

本次測震共進行5次，爆破地點為＋745中段3號采場(東側)，測震地點為＋795中段2號采場1號、2號、3號出礦巷道。測震結束后，首先將監測數據導入計算機，然后使用blastmave8軟件處理，得到峰值震速、主震頻率、持續時間等信息，最后將作業現場的爆破參數，如爆心距、單段藥量等進行整合，并將測震數據與爆破參數匯總，見表1。

表1 爆破參數及監測數據

3.3 爆破振動數據擬合

通過公式(1)對表1數據擬合，可得水平徑向速度、水平切向速度、垂直方向速度與合成速度4個方向爆破震動波的衰減規律。

三維合成震動速度為：

水平切向震動速度為：

水平徑向震動速度為：

垂直向震動速度為：

公式中的系數k和a與現場巖性條件和爆破作業環境有關。根據爆破安全規程(GB6722-2014)，不同巖性條件下k與a經驗數據如表2所示。

表2 不同巖性條件下k、a值

通過對各向速度進行線性擬合，依據水平方向衰減規律，巷道圍巖趨向中硬巖，依據垂直方向衰減

規律，巷道圍巖趨于硬巖。爆破震動波的衰減規律不僅與礦巖種類、地質構造與水文地質條件有關，還與采礦方法以及爆破作業參數有關。由于測點位于下盤巖層，爆點位于礦體，爆破震動波先穿過礦體再通過巖體，考慮到礦巖的穩定性差異，故各個方向的回歸系數不同，但與礦山實際相符。

4 動態應力比分析評價

4.1 動態應力比

目前，國內外眾多仍以爆破地震波峰值振速與主振頻率作為巷道失穩的依據，但由于巷道的穩定性不僅僅與震動持續時間、峰值振速和主振頻率有關，還與礦巖強度、風化程度、含水率高低等地質因素有關，因此，具有一定的局限性。為深入分析爆破震動對巷道圍巖穩定性的影響，引入動態應力比(DSR)分析評價方法，通過比較礦巖受到的動態應力與礦巖的極限應力強度進而判斷礦巖的損傷，DSR評價指標如表3所示。

表3 地下結構損傷、破壞評價標準

動態應力比法中提出了無量綱參數DSR的概念，并以其大小來作為判斷巷道破壞的依據[6]，其計算公式如下：

式中：σ——巖體受到的動態應力，MPa；

Ks——場地系數，Ks≈PQD＜1；

σ動——巖體動態抗拉強度，MPa。

巖體受到的動態應力可以由公式(4)求得：

式中：ρ——介質密度，kg/m3；

c0——巖體介質的縱波波速，m/s；

v——爆破震速，cm/s。

巖體動態抗拉強度可以由公式(5)求得：

式中：σ靜——巖體靜態抗拉應力，MPa。

4.2 巷道穩定性的動態應力比安全評價

通過對礦山進行實際調查，得知礦石主要成分為矽卡巖。通過對采場取得的巖芯進行室內試驗，測得：圍巖密度為 3200 kg/m3，縱波波速為 5000 cm/s，動態極限抗拉強度為44.06 MPa。考察場地選擇Ks＝PQD＝0.85。通過現場爆破震動測試，獲得測點最大峰值振速為18.197 cm/s。

根據公式(4)以及上述參數，可求得 DSR＝0.077，結合表3可知，DSR＜0.125，說明出礦巷道無破壞損傷，使用當前的爆破參數在該區域生產不會引發安全生產事故。

5 結 論

(1)以現場爆破測試結果為依據，通過對其直觀分析，發現隨著爆心距的增加，質點峰值振速快速降低；同時，通過對其二元回歸分析，發現礦巖巖性為中硬巖石，與該礦礦山巖性相符，進而證明爆破震動波衰減規律的準確性。

(2)利用動態應力比法結合室內試驗結果、現場爆破震動測試數據對出礦巷道的穩定性進行計算，得到DSR＜0.125時，以當前作業參數在該采場進行回采作業時，巷道無損傷。

[1] 鄧 飛，韓曉亮，尹麗冰，等.鄰近巷道爆破對既有巷道影響的數值模擬研究[J].礦業研究與開發，2015，35(11)：74-79.

[2] 鄧 飛，韓曉亮，廖聲銀，等.中深孔爆破出礦巷道震動強度的數值模擬[J].有色金屬科學與工程，2015(06)：106-110.

[3] 鄧 飛，韓曉亮，胡龍飛，等.爆破震動對巷道穩定性影響的數值模擬研究[J].礦業研究與開發，2015，35(10)：47-50.

[4] 周傳波，郭廖武，姚穎康，等.采礦巷道圍巖變形機制數值模擬研究[J].巖土力學，2009(03)：654-658.

[5] 蔣 楠，鄭曉碩，張 磊，等.采礦爆破振動對巷道圍巖影響的數值模擬研究[J].工程爆破，2010(03)：21-24.

[6] 熊良宵，李天斌，劉 勇，等.隧道地震響應數值模擬研究[J].地質力學學報，2007，13(3)：255-260.

[7] 陳國芳，王瀚霆，周 盼，等.生產爆破下巷道頂板穩定性的動態應力比分析評價[J].有色金屬科學與工程，2015(03)：83-87.

[8] 班克海，王 賀.高應力下中深孔爆破振動傳播規律及動態應力比安全判據研究[J].有色金屬(礦山部分)，2015(05)：81-84.

2016-07-17)

李文明(1977-)，男，內蒙古杭錦后旗人，工程師，主要從事露天礦山生產與管理工作，Email：931037036＠qq. com。