巖體結構面對爆炸沖擊工程響應的影響

胡建華，高宏偉，薛小蒙, 2，周科平

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巖體結構面對爆炸沖擊工程響應的影響

胡建華1，高宏偉1，薛小蒙1, 2，周科平1

(1. 中南大學資源與安全工程學院，湖南省深部金屬礦開發與災害控制重點實驗室，湖南長沙，410083；2. 中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司, 安徽馬鞍山，243000)

基于裂隙巖體的結構面是礦山安全生產的重要影響因素，對爆炸沖擊應力波的傳播規律有重要影響，以銅坑礦巖體力學參數為基礎，采用ANSYS /LS-DYNA軟件，建立結構面厚度、傾角及結構面充填材料對爆炸沖擊工程響應的數值模型，獲取結構面對爆炸沖擊下的工程響應特性，并基于神經網絡構建結構面參數灰關聯神經網絡預測模型，確定結構面參數在爆破沖擊工程響應的重要度。研究結果表明：結構面前、后測點的質點峰值振速的衰減度與結構面厚度呈指數函數，當結構面厚度為0，5，10，15和20 cm時，衰減度分別為0.365，1.508，2.303，2.418和2.443；結構面傾角對爆破沖擊工程響應與衰減度呈正相關，當結構面傾角為30°，45°和60°時，衰減度分別為1.580，2.495和2.698；當結構面的充填材料為膠結、碎屑、泥質時，質點峰值振速的衰減度分別為2.303，2.458和2.598，與充填材料的強度呈負相關；3種因素的影響度由大到小依次為結構面厚度、傾角、充填材料強度。

結構面；爆炸沖擊；質點峰值振速；影響度

巖體是由完整巖石和結構面構成的地質體，其結構面對巖體力學性質和爆破工程響應有重要的影響。在礦山破巖、開挖等爆破工程中，當巖體中存在結構面時，爆破應力波會在結構面處產生反射、透射現象，阻礙應力波的傳播，加速能量衰減。Mckenzie 等[1]指出，應力波的衰減取決于裂隙的數量、寬度以及充填物的波阻抗；柯新華等[2]認為不同尺度結構面對應力波衰減應采用不同方法研究其工程響應特性，并提出了采用應力波時空衰減相結合的方法研究多結構面耦合作用對應力波衰減的影響規律；張秀麗等[3]通過數值研究方法發現節理面能阻礙波的傳播、加速波的衰減，并指出節理面越多，波的反射越強，透射越弱；王洋等[4]采用LS-DYNA與離散元3DEC相結合的方法，分別模擬了爆炸應力波在不同裂隙條件中傳播的特點，認為巖體中裂隙越多，最小主應力降低越快；周劍等[5?6]根據應力波的時延理論推導了應力波透射線彈性結構面的時延關系式，并運用數值軟件模擬了應力波穿越不同產狀大型結構面的傳播特征；胡世麗等[7]在研究結構面間距對透射波的影響時發現，結構面間距與波長之比存在1個臨界值，超過此臨界值時，多重反射和投射對應力波傳播影響很小，對透射系數幾乎沒有影響。此外，已有大量研究表明爆炸沖擊波的能量隨著傳播距離的增加而衰減，并在爆破中遠區衰減為應力波。彭府華等[8]采用全數字型多通道微震檢測系統，結合現場試驗擬合得出應力波傳播速度，獲得振幅與傳播距離的衰減特性曲線；李洪濤等[9]基于地震學相關理論，研究了爆破地震的能量隨距離衰減規律，證明了爆破地震的能量隨距離迅速衰減。為探求結構面參數在爆炸沖擊應力波隨距離傳播工程響應的影響及其程度，本文作者采用ANSYS數值模擬軟件，以銅坑礦為例，建立不同狀態下結構面的有限元模型，分析結構面厚度、角度以及充填物材料性質對爆破沖擊應力波傳播的影響，并通過神經網絡軟件Easy NN-plus對各因素的影響度進行評價。

1 巖體結構面影響因素

1.1 工程概況

銅坑礦屬于錫多金屬礦山，巖體節理裂隙較發育，不同類型結構面的存在導致巖體力學參數降低。在鉆爆開采過程中，由于存在斷面過大、爆破震動和結構面分布等不良因素，導致采礦過程中采動爆破能耗損失大，工程結構出現局部冒頂、片幫甚至垮塌等災變現象，給礦山生產效率和安全帶來極大危害。為設計合理的爆破參數，分析不同狀態下結構面對爆炸沖擊應力波傳播的影響十分重要。

根據礦山提供的地質資料，其巖體與結構面的力學參數見表1。

表1 巖石及結構面物理力學參數

1.2 結構面影響因素

由于巖體中結構面規模、產狀各異，在構建模型時，將巖體中的優勢結構面及附近的較小裂隙一致等效為有一定厚度的結構面。Hakan等[10]認為巖體中應力波傳播至結構面處產生的反射、透射現象與結構面的厚度、角度有關。由于巖體結構面充填物是重要參數，在模型分析中，主要考察結構面厚度、角度及結構面充填物對爆炸沖擊應力波傳播的影響。

1.3 爆炸荷載加載方法

對于礦山地下工程，研究的工程響應主要針對爆炸作用的中遠區，針對該區域，許紅濤等[11?12]提出了爆炸等效荷載施加模擬爆炸方法，并實現爆破沖擊工程效應的模擬方法。根據圣維南原理，在爆源處采用三角形曲線加載方式施加爆炸荷載。加載力隨時間的變化規律如圖1所示。

圖1 爆炸三角形曲線加載

1.4 數值模型

為簡化計算，采用線彈性材料模型，并將其簡化為長度×寬度×厚度為6.00 m×4.00 m×0.05 m的長方體，沿寬度方向布置貫穿模型的裂隙結構面，模型采用共節點算法，映射網格劃分形式，網格長度為0.05 m，四周采用無反射邊界，并對前、后2個面進行法線方向上的位移約束。截取部分模型見圖2，材料力學參數見表1。以爆源中心為起點，沿長度方向在模型中布置測線，施加三角形爆炸荷載曲線。為考察爆炸沖擊波在結構面前后傳播過程中的質點振速變化的對比情況，選取的測點充分涵蓋了結構面前、后質點。為了更清晰地觀察質點振速的變化，測點距爆源中心的距離不應設過大，分別設為0.1，0.7，1.1，1.5和1.9 m，其中0.1 m和0.7 m處的測點位于結構面與爆源之間，其余測點均位于結構面之后的測線上。

(a) 測點布置圖；(b) 結構模型圖

為研究結構面的厚度、傾角和填充物對爆炸沖擊應力波傳播的影響，采用建立的模型分別對3種因素進行分析。設置結構面參數時考慮到后續計算時參與計算的結構面前后測點的距離僅為0.4 m，故模型中的節理層厚度不應設過大，將其分別設置為0，5，10，15和20 cm共5種，結構面傾角可設為0°，30°，45°和60°共4種，并依據強度不同選用膠結充填、碎屑充填和泥質填充3種充填材料類型共10種組合分析模式，模型組合方式的計算參數見表2，分別觀察爆炸沖擊經過各測點時相應質點的振動速度，比較不同參數組合下的工程響應(質點振速衰減)規律。充填物材料參數見表3。

表2 計算參數組合表

表3 結構面充填物材料參數

2 數值結果與分析

2.1 結構面厚度分析

在相同的結構面傾角及充填強度下，不同厚度爆破沖擊應力波的傳播各測點的向速度?時間曲線見圖3。

結構面厚度/cm：(a) 0(無節理)；(b) 5；(c) 10；(d) 15；(e) 20

由圖3可知：隨著與爆源距離增大，爆破振動在巖體傳播中均發生衰減；結構面的厚度是影響礦山工程爆破振動傳播的重要控制因素；在測點距離爆源0.1 m和0.7 m處，由于測點位于爆源與結構面之間，測點振動速度幅值基本相同，主要來源于爆破應力波傳播至結構面處質點響應速度以及結構面反射產生的應力波。另3個測點位于結構面的后方，在無結構面條件下，主要表現出巖體對爆炸波的正常衰減，而在有結構面條件下，向振速差異較大，且隨著結構面厚度增加，衰減幅度增加，表明結構面在一定程度上吸收了爆炸應力波的能量，進一步增強了爆炸波的衰減。各測點的和向速度見表4。由表4可以看出：各測點的向振速遠小于其向振速，遭遇結構面時，向振速衰減規律不太明顯，衰減程度遠比向的小。這說明此類型結構面主要導致向質點振速衰減。此外，對比相同厚度條件下各測點振速可以看出：隨著傳播距離增大，振速的衰減均趨向于緩慢，甚至出現波動。

表4 不同節理厚度下質點速度峰值

表4中5種節理厚度條件下各測點的質點振動速度峰值曲線見圖4(將結構面厚度0 cm的曲線設為基準線，以方便對比)。

節理厚度/cm：1—0(基準線)；2—5；3—10；4—15；5—20。

李洪濤等[9]的研究表明：爆炸振動波總能量與振速的平方近似成正比關系，即波速越大，應力波能量也越大。由圖4可知：爆破沖擊應力波穿過結構面后，振速大幅度下降，且結構面后的各測點峰值振速均小于無結構面時相同質點的振速，說明結構面吸收了爆破沖擊應力波的部分能量。定義衰減度為單位長度質點振速的衰減值，主要用于表征質點振動衰減隨著結構面的特征參數變化的程度，可根據式(1)計算。計算應力波通過不同結構面厚度的前后測點的振速峰值的衰減度和間距，繪制并擬合結構面厚度?衰減度曲線，如圖5所示。

式中：1和0為待測2點的速度，即爆心距1.1 m和0.7 m處的質點振速峰值，cm/s；為2個測點之間的距離，m，此處取測點2和測點3為計算目標，其值為0.4 m。

由圖5可知：5種結構面厚度對應的衰減度分別為0.365，1.508，2.303，2.418和2.443?？梢缘弥寒斀Y構面厚度在一定的范圍內時，隨著結構面厚度越大，應力波通過時質點振速衰減越快；當結構面厚度超過某一數值時(如超過15 cm時)，衰減度慢慢趨于穩定。這說明當結構面厚度與結構面前、后兩測點間距的比例達到某一值后，衰減度將不再繼續增大，與實際情況基本相符。其擬合方程式為

式中：為結構面厚度(m)。

圖5 結構面厚度?衰減度擬合曲線

Fig. 5 Fitting curve of thickness of structural planes?attenuation degree

2.2 結構面傾角分析

結構面的傾角主要影響爆破應力波的傳播方向的衰減，并通過不同傾角下的水平厚度變化改變爆破應力波衰減度。同時，在結構面的反射響應下，結構面前方的測點振動速度增加，形成爆破沖擊應力波與反射波的疊加。在同一結構面厚度、不同傾角條件下，爆破沖擊應力波在結構面巖體中各測點的質點振速峰值如表5所示。

表5 不同結構面傾角質點速度峰值

不同傾角條件下質點振速峰值變化見圖6。由圖6可知：結構面的角度也是影響礦山工程爆破振動傳播的重要控制因素；當結構面厚度一致、爆炸荷載相同時，爆炸應力波通過不同傾角結構面時質點振速峰值的衰減速率均比其他段的大。根據計算，當結構面傾角為0°，30°，45°和60°時，衰減度分別為2.303，1.580，2.495和2.698。結構面傾角越大，衰減度也越大。這是因為結構面傾角越大，爆炸沖擊應力波傳播時遭受反射和繞射的影響越大，而且因傾角增大造成的結構面水平厚度也越大，因此，爆炸應力波在結構面內傳播的能量損耗也隨之增大；當傾角為0°時，應力波垂直結構面入射，不少能量沿原路反射，導致結構面偏爆源一側產生能量聚集效應，測點振速偏大，衰減度計算值偏大。

結構面傾角/(°)：1—無結構面；2—0；3—30；4—45；5—60。

2.3 結構面充填材料分析

在相同的結構面厚度及傾角條件下，不同充填物爆破沖擊應力波在結構面巖體中各測點的質點振速峰值見表6。

表6 不同充填材料下測點振速峰值

不同充填物條件下質點振速峰值變化見圖7。由圖7可知：結構面充填物的存在加快了質點振速峰值的衰減，同時受結構面的影響，爆破沖擊應力波與反射波疊加，在爆破源與結構面間形成振動速度增加的趨勢。爆破沖擊應力波通過3種不同充填物的結構面時質點振速峰值的衰減速率均比其他段的大，根據計算，衰減度分別為2.458，2.303和2.598。膠結充填材料強度大，完整性好，結構面與兩側巖石力學性質相差不大，損耗的爆炸沖擊能量較少，因此，質點振速的衰減度最??；碎屑充填材料強度較小，完整性較差，應力波在結構面充填物中的反射、折射較多，損耗能量較多，質點振速的衰減度較大；泥質充填材料強度最小，細微顆粒多，含水多，結構面與兩側巖石力學性質相差較大，故損耗能量最多，質點振速衰減度最大。

1—無結構面；2—碎屑；3—膠結；4—泥質。

3 影響因素的相對重要性評價

灰關聯分析作為灰色系統的分析方法之一，可通過計算分析影響某現象發生的各因素親疏關系，該方法在礦業領域可用于建立安全評價體系[13]。而神經網絡模型可用于大規模并行分布處理非線性信息處理系統，通過學習和存儲大量的輸入層?輸出層映射關系并進行推理，找出對應關系，如空區地基穩定性、爆炸沖擊預測及影響因素的敏感性預測等[14?16]。胡建華等[17]耦合了灰關聯分析和神經網絡方法，建立了空區危險度的結構尺寸效應灰關聯神經網絡模型，分析了空區危險度與結構尺寸參數間的影響程度及響應 關系。

為深入分析結構面厚度、傾角及充填材料對爆炸沖擊傳播規律的影響程度，運用式(3)對結構面厚度、傾角進行歸一化處理，并根據巖體質量分級中節理面因素對3種充填材料進行評價，得出節理層強度且進行歸一化處理。將3種影響因素作為輸入層因子，衰減度處理后化為關聯度用作模型的學習輸出因子，基于神經網絡軟件Easy NN-plus建立結構面參數灰關聯神經網絡預測模型，見圖8。

式中：′為影響因素歸一化值；為影響因素的評價指標值；min()和max()分別為影響因素評價指標最小和最大值。

圖8 神經網絡預測模型

Fig. 8 Neural network prediction model

將學習率、慣性系數和目標訓練誤差分別設為0.60，0.80和0.01[18]，得到表征3個輸入因子對輸出因子的影響度的訓練結果，見圖9。

由圖9可知：學習率、慣性系數和目標訓練誤差在一定條件下，對結構面厚度、傾角和充填料強度這3種因素對輸出結果的影響度分別為69.8%，16.2%和14.0%，即影響度由大到小依次為結構面厚度、傾角、充填材料強度，說明這3個因素中，結構面厚度對爆炸沖擊應力波傳播的質點振速峰值衰減貢獻最大，結構面充填材料強度貢獻最小。

圖9 影響因素的影響度

4 結論

1) 爆炸沖擊應力波通過結構面時能量會被其吸收且主要產生質點向振速衰減，衰減度與結構面厚度呈指數函數規律，當結構面厚度為0，5，10，15和20 cm時，衰減度分別為0.365，1.508，2.303，2.418和2.443。

2) 爆炸沖擊穿過結構面時，結構面傾角與質點振速的衰減度呈正相關性。當傾角為0°，30°，45°和60°時，衰減度分別為2.303，1.580，2.495和2.698。當結構面傾角為0°時，應力波垂直結構面入射，不少能量沿原路反射，導致結構面偏爆源一側產生能量聚集效應，測點振速偏大，衰減度計算值偏大。

3) 當結構面充填材料分別取膠結充填、碎屑充填、泥質充填時，爆炸沖擊應力波傳播時質點振速衰減度分別為2.303，2.458和2.598，與充填材料的強度呈負相關。

4) 基于神經網絡構建結構面參數灰關聯神經網絡預測模型，研究結構面各因素的影響度，影響度由大到小依次為結構面厚度、傾角、充填材料強度。

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(編輯 陳燦華)

Influence of structural planes on response of explosion shock engineering

HU Jianhua1, GAO Hongwei1, XUE Xiaomeng1, 2, ZHOU Keping1

(1. Hunan Key Laboratory of Resource Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines,School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co. Ltd., Maanshan 243000, China)

Considering that structural plane of fractured rock mass is one of the important factors that affects mine safety production, and it has important effect on the propagation law of explosion shock waves, blasting engineering response numerical models with different structural planes’ thicknesses, angles and structural planes’ filling material conditions were established based on rock mass mechanics parameters and ANSYS/LS-DYNA software, structural plane engineering’s response characteristics were obtained. Then neural network forecasting model based on grey relational analysis with different structural plane parameters was built by neural network to study the response degree of structural plane parameters in blasting engineering. The results show that attenuation degree before and after the structure’s peak particle vibration velocities presents exponential function with structural plane’s thickness. When the thickness is 0, 5, 10, 15 and 20 cm, attenuation degree is 0.365, 1.508, 2.303, 2.418 and 2.443, respectively. Attenuation degree is alsopositively correlated with structural plane’s angle, when the angle is 30°, 45° and 60°, the attenuation degree is 1.580, 2.495 and 2.698, respectively. When structural plane’s filling material is consolidated, debris, argillaceous and attenuation degree is 2.303, 2.458 and 2.598, respectively, and it is negatively related to intensity of filling material. The influencing degree of three factors from big to small is structural plane’s thickness, angle and intensity of filling material.

structural planes; explosion shock; peak particle vibration velocities; influencing degree

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.020

O383

A

1672?7207(2017)06?1560?08

2016?07?10；

2016?08?22

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2015BAB12B01，2013BAB02B05)；國家自然科學基金資助項目(41672298)(Projects (2015BAB12B01, 2013BAB02B05) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period; Project (41672298) supported by the National Natural Science Foundation of China)

胡建華，博士，教授，從事高效安全采礦技術與巖土工程的穩定性分析研究；E-mail：hujh21@126.com