爆破影響下巷道振速及位移變化規律分析

何 峰,楊 松,王富強,李 彬

(1.遼寧工程技術大學力學與工程學院,遼寧 阜新 123000;2.神華神東煤炭集團,內蒙古 鄂爾多斯 017209)

爆破技術作為一種常規工程手段被廣泛應用于礦山的開采以及隧道開挖等各個領域[1-2]。巷道圍巖在爆破地震波的作用下會受到不同程度的影響,當巷道圍巖質點的振動速度大于巷道圍巖最大允許安全振動速度時,巷道將被破壞,尤其是當新建巷道靠近既有巷道時,振動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效應對地下采場巷道圍巖的影響,得出能有效降低爆破振動危害的控制措施是亟需解決的問題。

為了解爆破振動對巷道的影響,國內外學者進行了一系列的研究。Siskind D E等[5]討論了無限大、均勻、彈性介質中的球形空腔受爆炸時的壓力問題;吳波等[6]結合強度折減動力分析法和數值模擬,對隧道中隔巖進行動力安全系數分析;Spathis A T[7]運用FLAC3D軟件模擬了炮孔壓力函數,并運用該函數得到了圍巖振速的計算公式;Coursen D L[8]提出了一種減少延遲爆破地面振動的擬議方法;趙曉等[9]通過FLAC3D對爆破振動作用下巷道的穩定性進行了分析,發現距爆心越遠,質點峰值振速衰減得越明顯;徐振洋等[10]結合巖石的性質以及裝藥量與爆心距對公路爆破測振的信號進行了HHT分析,得到了爆破振動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定性的影響程度進行分析,發現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行爆破試驗,發現在試驗中所得到的基巖質點的振動速度要比采用薩道夫斯基的經驗公式估算的值要小,并且在爆破近區的誤差更加明顯;喬憲隊等[13]通過FLAC3D運用耦合柱狀的裝藥形式爆破,對鄰近隧洞的影響進行了數值模擬研究;王振毅等[14]運用了ANSYS/LS-DYNA軟件,建立有限元模型來模擬研究硐室的應力場以及位移場和速度場的特征;夏昌敬等[15]運用ANSYS/LS-DYNA軟件對爆炸產生的沖擊波在巖體巷道中的傳播和能量的損耗進行了數值模擬,發現在爆炸近區,爆炸應力波衰減會較快。

以上研究表明,爆破振動對巷道穩定性影響明顯,但前人研究對象都比較廣泛,沒有細致地對爆破振動影響下巷道質點的振速和位移變化規律進行分析。基于上述問題,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行數值模擬研究,并且對現場監測結果進行位移收斂分析,對爆破振動影響下矩形巷道質點的振速和位移變化規律進行更深入的研究,為保證巷道穩定、礦山安全高效生產有著重要意義。

1 工程概況

內蒙古某露天煤礦基本形態為單斜構造,煤層傾角為1°～3°,開采深度為50～240 m,屬非深部礦井,頂板相對穩定,巖性為較軟巖。井田分為4個盤區,主要開采1-2、2-2、3-1煤層。目前回采的1-2煤三盤區,集中回風巷、主運巷及三盤區輔運大巷,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、404區下、405區下、305區和406區爆破振動影響,影響長度達1 400 m左右,加之巷道支護設計之初沒有考慮動荷載影響,已對相鄰煤礦三盤區安全高效回采造成威脅。在此露天煤礦爆破開采過程中,通過合理的爆破設計、測試分析、數值模擬,采取切實可行的爆破減振措施,在保證礦山正常生產和安全生產的前提下,有效降低爆破振動的動力效應和損傷效應,確保巷道安全的爆破最小安全距離,減小爆破振動對鄰近邊坡的危害,避免邊坡的破壞、失穩滑移,開展露天煤礦開采過程研究以及開展爆破振動效應對鄰近煤礦輔運平硐的影響,具有十分重要的理論意義和經濟價值。

2 數值模型建立

論文運用Auto CAD以及南方Cass軟件繪制出巷道與采區位置及爆破點的剖面圖,如圖1所示。

圖1 地質平面Fig.1 Geological plan

由圖1可知,模型左側高143 m,右側高39 m,左側巷道高4 m,寬6 m,中間巷道寬度較左右側的小,寬度為5 m,右側巷道寬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。第一個巷道頂面與爆破點的水平距離為68 m,豎直方向與離爆破點的距離為18 m;第二個巷道右側頂點與爆破點的水平距離為98 m,因為巷道都在同一直線上,所以豎直方向與爆破點距離與右側巷道相同,均為18 m;最左側巷道右側頂點與爆破點的水平距離為128 m,豎直方向距離為18 m。

將圖1導入到ANSYS/LS-DYNA中,通過ANSYS軟件構建有限元模型,并進行網格劃分,劃分出巷道、炮孔區域以及炮孔區域填塞和巖石材料的位置,如圖2所示。模型各個邊界設置為無反射邊界,隧道已開挖區設為自由邊界。

圖2 網格劃分后的模型Fig.2 Model after meshing

定義二次黏度系數為1.5,線性黏性系數為0.06,建議剛度系數不超過0.14,沙漏系數為0.1,時間步長控制為0.9,計算時間為0.05 s,定義好各項參數后,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進行修改,修改完成后,運用ANSYS/LS-DYNA軟件進行求解,將計算結果導入LS-PrePost后處理程序進行數據處理。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,炸藥選取質量為150 kg的乳化炸藥,埋在2 m深的地下,高度可達5 m,周圍被空氣域包裹,空氣域寬度為4 m,高度為8 m,封堵高度為2 m,基本符合剖面建模圖形。

3 模擬結果

爆破振動所產生的地振波會對巖層及巷道周圍造成極大的破壞力,在爆破振動的影響下,爆破地振波由爆源處向周圍擴散,使巷道周圍各質點都會產生相應的位移和速度,當爆破引起巷道圍巖內質點的振動速度大于巷道圍巖允許的最大安全振速時,巷道會被破壞。所以在爆破振動影響下,巷道周圍各質點振速大小的變化情況也是衡量巷道變形的標準。

3.1 巷道周圍質點的速度分析

將計算結果代入LS-PrePost進行后處理,導出位移速度云圖后,在巷道周圍取質點,導出各質點的位移和速度隨時間的變化曲線,對其變化規律進行分析,各質點編號及位置如圖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個時期的云圖,可以得到各個質點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號質點進行計算,導出各個質點的最大振速值,如圖8所示。

圖8 巷道上各質點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巷道的穩定,巷道拱頂質點為3～5號質點,其中5號質點爆心距最大,所以對5號質點進行分析。在爆破開始至0.029 8 s時,其速度達到最大值6.64 cm/s。位于同一水平面上的1～5號質點,與爆破點的豎直方向距離相同均為18 m,水平方向距離由1～5號質點依次增加。1～5號質點的最大速度分別為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。所呈現的規律是v1>v2,v3>v4>v5,其中3號質點、4號質點和5號質點位與3個巷道拱頂,爆心距依次遞增,振速依次遞減。

在最右側巷道,8號質點的爆心距小于3號質點,而8號質點的振速明顯大于3號質點的振速,這是由于8號質點位于巷道右側邊墻中部,為迎爆側,3號質點位于此巷道拱頂中部,迎爆側振速比拱頂要大,說明兩點的約束條件對振速有一定的影響。在同一巷道迎爆側,8號質點振速大于16號質點,10號質點振速大于19號質點,12號質點振速大于22號質點,說明迎爆側質點振速分布規律沿軸向遞減。根據近似約束條件,對各質點的振動速度進行分組對比可知,巷道周圍各質點的最大振速隨爆心距的增大而減小,爆心距越小的質點,越容易受到爆破振動的影響,但是巷道周圍某些特殊位置的約束條件不同,會較容易受到爆破振動的影響。依照礦山巷道爆破振動安全允許標準為15～30 cm/s,為了安全起見,安全振速應取15 cm/s,除了最右側巷道邊墻右側中部的8號質點振速為16.7 cm/s之外,模型中所取各質點振速均低于這個標準,符合安全準則,需對最右側巷道邊墻右側中部加強支護,并適當減少炸藥的用量。

3.2 巷道周圍質點的位移分析

在爆破振動效應的影響下,各質點的合位移測試也是分析巷道變形規律的一個參量。運用LS-PrePost后處理軟件導出各質點位移發生時間及爆心距曲線,如圖9所示。

圖9 各質點位移發生時間及爆心距Fig.9 The occurrence time of each particle displacement and the explosion center distance

由圖9可知,所取的24個質點中,1～5號質點位于同一水平面,6～13號質點位于同一水平面,14～24號質點位于同一水平面,且爆心距逐漸增大,位移發生時間隨爆心距的增大呈現遞增趨勢,說明爆破振動對質點位移的影響與爆心距相關,爆心距越小,位移發生時間越短。各質點的爆心距及爆破振動影響下產生的最大位移如圖10所示。

圖10 各質點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號質點分別位于模型右側巷道、中間巷道、左側巷道拱頂的中間位置,最大位移隨爆心距的增大而減小。8～13號質點位于巷道邊墻兩側的中間位置,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,并非呈現遞減趨勢,而是間隔式遞減。當約束條件相同的情況下,取8、10、12號質點為一組進行比較,9、11、13號質點為一組進行比較,結果顯示,最大位移均隨爆心距的增大而減小。16至24號質點位于巷道底板,根據約束條件,將其分成3組:16、19、22號質點為一組,17、20、23號質點為一組,18、21、24號質點為一組,可知當約束條件相同時,質點的最大位移依舊隨爆心距的增大而減小。而且,在3個巷道邊墻兩側的中部,迎爆側的質點位移會明顯大于背爆側的質點位移,例如8號質點和9號質點,10號和11號,12號和13號,在巷道底板的18號點和19號點,21號點和22號點等。由此可知,在爆破振動開始之前,需要加強巷道迎爆側的支護,保證爆破過程中的安全。尤其是巷道邊墻兩側的中部位置,產生的影響較大。

4 現場收斂位移監測結果分析

隨著煤礦爆破作業距離逐漸向巷道推進,將引起圍巖力學性能變化,如圍巖變形、巷道的穩定性受到極大威脅。巷道收斂量測對于了解圍巖穩定情況、支護系統的作用效果以及支護系統與圍巖之間的相互作用規律,監測礦山巷道穩定性、保障礦山安全生產均起著重要的作用,因此,巷道收斂量測作為井巷工程中的一項主要測試內容,不僅成為巷道掘進和采場回采過程中重要的安全監視手段,而且為調整支護設計和選定合理的支護時間及綜合評價圍巖穩定性提供科學信息。

現場采用數顯收斂計對煤礦回風巷道圍巖進行收斂觀測,在巷道中設置觀測斷面共有8個斷面,每個斷面埋設3個測點,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作用下其圍巖位移變化情況。為了掌握收斂隨時間增長變化情況,將監測數據進行累計收斂值-監測時間作圖,同時還繪制出單次收斂值-監測時間圖,方便掌握巷道在某階段時間的變化情況,如圖11～14所示。

圖11 巷道迎爆側圍巖監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 巷道迎爆側圍巖監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 巷道背爆側圍巖監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 巷道背爆側圍巖監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

監測數據表明,相鄰巷道圍巖在原始支護作用下的水平收斂值變化依然較小,最大收斂值依然出現在監測截面中的S-2截面,兩個多月時間內巷道兩幫收斂值為0.97 mm;最小收斂值出現在監測截面中的S-7截面,兩個多月時間內巷道兩幫收斂值為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導致巷道的破壞,因此可以判斷該巷道圍巖基本處于穩定狀態。

從相鄰巷道背爆側圍巖的收斂值監測數據表明,巷道背爆側圍巖的收斂值仍較小,收斂值最大出現在監測截面中的S-8截面,兩個多月時間內巷道兩幫收斂值為1.58 mm;收斂值最小出現在監測截面中的S-6截面,兩個多月時間內巷道兩幫收斂值為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定狀態,該收斂速度變化不會導致巷道的破壞。

隨著爆破區域逐漸靠近煤礦巷道,且爆破作業次數逐漸頻繁,因此巷道收斂變化值逐漸增大,在今后巷道近區進行露天爆破作業時應加強爆破振動的控制,嚴格按照近區減振爆破方案實施爆破作業,與此同時應加強巷道穩定性變化的監測,防止巷道失穩而發生安全事故。

5 爆破振動模擬中合速度衰減方程

對質點的振速和位移分析之后,運用薩道夫斯基公式[16]對振動模擬中合速度的衰減方程進行計算。

薩道夫斯基提出的經驗公式如下:

v=K(Q1/3/R)α

(1)

式中:v為質點振動速度,cm/s;Q為炸藥量,kg;R為質點爆心距;K是介質相關系數;α為衰減系數。

以比例距離跟質點的最大振速為變量,依據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)進行轉化換算,得K、α的計算公式分別如下:

(2)

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

表1 反演參數

由此得到本次模擬爆破振動測試合速度的衰減方程為

(3)

6 結論

1)巷道周圍各質點的最大振速隨爆心距增大而減小,距離爆源越近的質點,越容易受到爆破振動的影響。右側巷道邊墻中部質點振速高于標準,需加強支護,適當減少炸藥的用量,或者增大爆心距。

2)位于同一水平面的質點,位移發生時間隨爆心距的增大而增大。位于右側巷道、左側巷道拱頂中部的質點,其位移隨爆心距的增大而減小。巷道兩側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,并非呈現遞減趨勢,而是間隔式遞減。當約束條件相同的情況下,質點的最大位移依舊隨爆心距的增大而減小。

3)收斂監測結果表明爆破振動作用對巷道的穩定性造成的影響仍處于穩定變形階段,不會導致巷道的破壞。

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,計算得到的經驗公式對于預測露天礦爆破中質點振速以及爆破地振波對巷道的影響具有一定的參考意義。