爆破震動(dòng)作用下高地應(yīng)力巷道動(dòng)力響應(yīng)特征與穩(wěn)定性研究

摘要

為了研究爆破震動(dòng)作用下高地應(yīng)力巷道的動(dòng)力響應(yīng)特征及其穩(wěn)定性，以淮南潘三礦超前預(yù)裂卸壓爆破擾動(dòng)瓦斯綜合治理巷為工程背景，通過理論分析建立了爆破作業(yè)擾動(dòng)巷道圍巖模型，并根據(jù)應(yīng)力波傳播理論及波前動(dòng)量守恒定理推導(dǎo)出了爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖振動(dòng)方程。使用數(shù)值模擬研究了巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度（Peak Particle Velocity，PPV）的衰減特征，從應(yīng)力分布規(guī)律的角度對(duì)理論分析進(jìn)行了補(bǔ)充，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：巷道圍巖振動(dòng)方程顯示，爆炸應(yīng)力波入射角度的不同會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖不同區(qū)域的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征存在差異。隨著爆心距增大，巷道輪廓面附近圍巖PPV出現(xiàn)波動(dòng)，并在自由面處獲得最大峰值振速；地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖PPV具有抑制作用，地應(yīng)力越大抑制作用越明顯，且不同位置圍巖的PPV對(duì)地應(yīng)力敏感度存在差異；隨著地應(yīng)力增大，爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖受力狀態(tài)從拉剪變?yōu)閴杭簦畲笾鲬?yīng)力和剪切應(yīng)力也隨之增大。研究認(rèn)為隨著埋深增加，在對(duì)爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估時(shí)地應(yīng)力因素不可忽略。對(duì)于潘三礦超前預(yù)裂卸壓爆破工程現(xiàn)場而言，除了巷道的直墻外，墻角、拱墻也是危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)當(dāng)著重予以加固并加強(qiáng)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞

地應(yīng)力; 動(dòng)力響應(yīng); 爆破震動(dòng); 圍巖失穩(wěn); 質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度

1 概 述

爆破技術(shù)在煤炭開采過程中運(yùn)用廣泛，如硬巖巷道掘進(jìn)［1］、爆破切頂［2］、低透氣性煤層爆破增透［3］、爆破過硬巖斷層［4］等。而井下爆破作業(yè)同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多負(fù)面效應(yīng)，其中以爆破震動(dòng)危害最為突出［5］。在爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖出現(xiàn)動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)造成巷道圍巖破壞，如片幫、冒頂、巷道開裂等，影響巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成威脅。高宇璠等［6］，Jiang等［7］，Yi等［8］對(duì)于爆破震動(dòng)作用下淺埋巷道（隧道）圍巖動(dòng)力響應(yīng)及穩(wěn)定性的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的成果。深部高地應(yīng)力爆破動(dòng)載作用下圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特征也受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。董春亮等［9］研究認(rèn)為，爆破瞬時(shí)加載耦合初始地應(yīng)力會(huì)誘發(fā)爆破開挖面內(nèi)的裂隙發(fā)育，進(jìn)而形成破壞區(qū)。Tokso¨z等［10］，Cao等［11］研究認(rèn)為在深部高地應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行爆破開挖時(shí)，巖石的瞬態(tài)卸荷會(huì)造成圍巖振動(dòng)。Yang等［12］通過時(shí)頻分析方法對(duì)圍壓動(dòng)態(tài)卸荷作用下的巖石振動(dòng)特征進(jìn)行了分析識(shí)別。

現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道多集中在爆破動(dòng)載對(duì)淺埋隧道的影響，以及對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境下爆破開挖誘發(fā)巖石動(dòng)態(tài)卸荷方面的研究。而對(duì)于考慮地應(yīng)力條件的煤礦井下爆破作業(yè)誘發(fā)巷道圍巖動(dòng)力失穩(wěn)的研究相對(duì)匱乏。目前中國煤炭開采正以每年10～25 m的速度逐漸向深部轉(zhuǎn)移［13］，在煤炭深部開采時(shí)，巷道圍巖處在高地應(yīng)力狀態(tài)下較小的爆破擾動(dòng)就能引發(fā)圍巖嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)破壞［14］。

淮南潘三煤礦采用“一巷多用、聯(lián)合治理、連續(xù)開采”的治理模式對(duì)深部煤層群進(jìn)行瓦斯治理。東四11?2煤下部采區(qū)某工作面標(biāo)高-732～-801 m，工作面上方設(shè)置有瓦斯綜合治理巷。為解決采空區(qū)“F”形懸臂結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的巷道圍巖變形問題，在現(xiàn)場開展超前預(yù)裂卸壓爆破。卸壓爆破作業(yè)示意圖如圖1所示。爆破施工過程中使用爆破測振儀監(jiān)測巷道墻角、拱頂?shù)忍幍膰鷰r質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，各傳感器監(jiān)測到的振動(dòng)速度均未超過《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）［15］規(guī)定的礦山巷道安全允許振速。然而現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)巷道迎爆側(cè)圍巖出現(xiàn)了輕微開裂松動(dòng)等動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)象。考慮到瓦斯綜合治理巷受采空區(qū)側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)及巷道上覆巖層重力的影響，巷道圍巖處于高地應(yīng)力狀態(tài)，認(rèn)為巷道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)的原因與地應(yīng)力因素有關(guān)。

由于超前預(yù)裂卸壓爆破作業(yè)的周期性施工會(huì)使巷道圍巖產(chǎn)生累積損傷從而降低瓦斯綜治巷的使用壽命，因此需要預(yù)先找出巷道圍巖的易受損區(qū)域并進(jìn)行重點(diǎn)加固與監(jiān)測。本文以潘三礦超前預(yù)裂卸壓爆破擾動(dòng)瓦斯綜治巷為工程背景，針對(duì)深井高地應(yīng)力環(huán)境爆破作業(yè)導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)這一問題進(jìn)行研究。首先通過理論分析，根據(jù)應(yīng)力波傳播理論及波前動(dòng)量守恒定理推導(dǎo)出深井爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖的振動(dòng)方程，從理論上證明巷道不同位置的圍巖受爆炸應(yīng)力波影響的程度存在差異；然后使用ANSYS/LS?DYNA數(shù)值模擬軟件通過對(duì)不同地應(yīng)力工況中爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)理論分析進(jìn)行補(bǔ)充；最后根據(jù)研究成果對(duì)瓦斯綜治巷的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，得到巷道圍巖的易受損區(qū)域。

2 爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖振動(dòng)方程

2.1 問題求解的假設(shè)與說明

理論分析是研究爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖動(dòng)力響應(yīng)特征的一種重要方式。通過理論分析可以揭示爆破地震波作用下巷道圍巖動(dòng)力響應(yīng)的機(jī)制，并為現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算提供指引。為簡化計(jì)算，將超前預(yù)裂卸壓爆破的傾斜柱狀藥包簡化為垂直于紙面的柱狀藥包，如圖2所示。在問題求解前作出如下必要假設(shè)與說明：①巷道埋設(shè)足夠深，不受地表自由面反射波影響；②炸藥為圓柱形裝藥，僅考慮激發(fā)的頻率恒定的P波；③求解問題為平面應(yīng)變問題，P波傳播平面為x?z平面。

2.2 爆破地震波與巷道自由面的相互作用

根據(jù)2.1節(jié)中的假設(shè)說明，爆炸地震波為P波，當(dāng)P波傳播到巷道圍巖自由面時(shí)，在自由面處生成反射P波和反射S波。如圖2所示，IP為入射P波，RP為反射P波，RS為反射S波，O1為爆源，O2為巷道中心。

P波入射巷道輪廓面可以視為應(yīng)力波在節(jié)理巖石中傳播的特例。Li等［16］采用時(shí)域遞推方法獲得淺埋環(huán)境下應(yīng)力波與巖石節(jié)理的相互作用公式，本文對(duì)其進(jìn)行改造推廣，剔除地表反射應(yīng)力波對(duì)巷道的影響，并將入射節(jié)理巖石替換為空氣（波阻抗視為零），從而獲得了適用于深井爆破震動(dòng)作用下的巷道圍巖振動(dòng)方程。

如圖3（a）所示，存在一個(gè)由AB，AC，BC組成的微小單元ABC，AB為巷道輪廓面，AC為波前，BC為入射P波波束，αP為入射夾角。AB，AD，BD組成了反射P波與圍巖相互作用的微小單元ABD，其中BD為反射P波波前，AD為反射P波波束。根據(jù)Snell定律［17］，P波入射夾角和反射夾角大小相等，反射P波夾角同樣記為αP

，如圖3（b）所示。類似地，如圖3（c）所示，反射S波與巷道圍巖作用的微元為ABE，BE為反射S波波前，AE為反射S波波束，反射S波夾角記為αS。

基于當(dāng)前的二維模型，可以從平面應(yīng)變問題入手進(jìn)行求解，則BC側(cè)的應(yīng)力為（μ/1?μ）σIP，其中σIP為入射P波在波前的法向應(yīng)力，μ為巷道圍巖的泊松比。在不考慮體力的情況下，巷道邊界面上微小單元ABC在入射P波作用下所受應(yīng)力狀態(tài)如圖3（a）所示，圖中σ1和τ1是自由面的巷道圍巖側(cè)所受應(yīng)力，根據(jù)受力平衡，單元ABC上的應(yīng)力沿z方向需滿足下式：

沿x方向應(yīng)力滿足下式：

式（15）即為深井爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖振動(dòng)方程，從方程中可以看出巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與圍巖密度、P波和S波波速、入/反射P波的夾角以及反射S波的夾角相關(guān)。反映在工程現(xiàn)場表現(xiàn)為在同一地質(zhì)現(xiàn)場，圍巖密度、波速及炮孔與巷道距離相同的情況下，P波入射角度的不同決定了不同位置的巷道圍巖將出現(xiàn)不同的動(dòng)力響應(yīng)特征。這就導(dǎo)致了巷道不同區(qū)域的圍巖在爆破動(dòng)載作用下動(dòng)力響應(yīng)情況存在差異。

3 數(shù)值模擬方法

第2.2節(jié)的理論分析雖然推導(dǎo)了簡化的爆破地震波作用下的巷道圍巖邊界單元速度方程，但其存在局限性，表現(xiàn)在方程僅剔除了地表反射應(yīng)力波對(duì)深埋巷道圍巖的影響，其振動(dòng)方程無法體現(xiàn)地應(yīng)力的影響。因此使用數(shù)值模擬的研究方法對(duì)理論分析進(jìn)行補(bǔ)充，數(shù)值模擬中單位制采用g?cm?μs。

3.1 材料模型與參數(shù)

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料本構(gòu)模型具有很高的計(jì)算效率，在ANSYS/LS?DYNA模擬軟件中可以被用作巖石材料［18］。相比于靜態(tài)加載，巖體的力學(xué)性能在動(dòng)態(tài)加載時(shí)表現(xiàn)出顯著不同，這種差別與應(yīng)變率緊密相關(guān)［19］。使用Cowper?Symonds模型對(duì)彈塑性本構(gòu)材料的應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行描述。工程背景中瓦斯綜治巷處在泥巖層中，現(xiàn)場泥巖的具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

使用Jones?Wilkens?Lee（JWL）狀態(tài)方程描述高能炸藥爆轟產(chǎn)物的壓力、體積與能量之間的關(guān)系。炸藥起爆過程中的狀態(tài)方程為［20］：

式中 P為爆轟壓力；A，B，R1，R2，ω為炸藥特性參數(shù)；E為爆轟產(chǎn)物初始內(nèi)能密度；V為相對(duì)體積。為貼合井下爆破現(xiàn)場，模擬使用由文獻(xiàn)［21］校正后的煤礦許用乳化炸藥，炸藥具體參數(shù)如表2所示，表中ρ0

為炸藥密度，D為炸藥爆速。

在炮孔周圍與巷道內(nèi)部填充空氣，需建立空氣PART實(shí)現(xiàn)流固耦合效應(yīng)，空氣參數(shù)如表3所示。其中C0，C1，C2，C3，C4，C5，C6均為實(shí)常數(shù)；E1為空氣單位體積內(nèi)能；ρ1為空氣的密度，V0為初始相對(duì)體積。

3.2 模型建立與地應(yīng)力施加

為簡化數(shù)值模擬計(jì)算，使用單個(gè)炮孔作為數(shù)值模擬中的唯一能量源。為了模擬不同地應(yīng)力的爆破環(huán)境，給數(shù)值模型施加大小為Po的應(yīng)力，并分別令Po為0，10，20，40和60 MPa。根據(jù)圣維南定理，炮孔和巷道與模型邊界的距離均超過炮孔直徑的3倍。本數(shù)值模擬為全尺寸分析，炮孔直徑與工程現(xiàn)場一致，均為94 mm，具體尺寸如圖4所示。

對(duì)于考慮地應(yīng)力的爆破震動(dòng)作用下巷道圍巖動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算，需要預(yù)先使模型獲得初始應(yīng)力，然后再進(jìn)行爆破顯示分析。截取Po=40 MPa時(shí)的模型應(yīng)力云圖，如圖5所示。從圖5中可以看出巷道及炮孔周圍出現(xiàn)了明顯應(yīng)力集中，應(yīng)力集中邊界沒有超出模型邊界，應(yīng)力初始化效果良好。

3.3 數(shù)值模擬合理性分析

使用薩道夫斯基公式描述PPV衰減的規(guī)律：

式中 v為質(zhì)點(diǎn)峰值振速；Q為最大單響藥量；R為爆心距；k和α為和場地巖性相關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 巷道圍巖自由面效應(yīng)

根據(jù)2.2節(jié)圍巖振動(dòng)方程可知，入射P波在自由面處反射引起圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)法向分量和一個(gè)切向分量，使巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)獲得較高的峰值振速。隨著反射應(yīng)力波RP和RS進(jìn)一步朝遠(yuǎn)離自由面的方向傳播，在和入射應(yīng)力波IP疊加后使巷道自由面附近的圍巖獲得不同的應(yīng)力和振動(dòng)狀態(tài)。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果同樣表明，爆炸應(yīng)力波在巷道周圍出現(xiàn)了應(yīng)力波的反射和疊加，且由于應(yīng)力波入射角度不同，圍巖獲得不同的應(yīng)力狀態(tài)，截取不同時(shí)刻的壓力云圖如圖6所示。

從圖6中可以看出爆炸應(yīng)力波受自由面效應(yīng)影響出現(xiàn)了復(fù)雜的反射疊加，應(yīng)力波出現(xiàn)反復(fù)拉壓變化，且這種變化主要出現(xiàn)在迎爆側(cè)圍巖，背爆側(cè)圍巖受爆破動(dòng)載影響較小，這與現(xiàn)場觀察到的巷道開裂位置一致。下面重點(diǎn)考察迎爆側(cè)圍巖的動(dòng)力響應(yīng)情況。

PPV是中國《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）［15］和行業(yè)規(guī)范中規(guī)定的爆破振動(dòng)安全判定指標(biāo)［22］。合成振速是各方向分振速的矢量和，可以用來反映質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況，本文所考察的振速均為合成PPV。分別在巷道輪廓面上的拱頂、拱墻、直墻、墻角、底板處設(shè)置測點(diǎn)單元，依次命名為A，B，C，D，E測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖7（a）所示。此外，以上述5個(gè)測點(diǎn)為起點(diǎn)，朝遠(yuǎn)離自由面方向依次分別選取15個(gè)測點(diǎn)單元，共5組，用來監(jiān)測巷道自由面附近圍巖的振速變化情況。5組測點(diǎn)在不同地應(yīng)力工況下的PPV衰減曲線如圖7（b）～（f）所示。

從圖7中可以看出，巷道圍巖的PPV并沒有簡單遵循薩道夫斯基公式描述的PPV指數(shù)型衰減規(guī)律。根據(jù)第2.2節(jié)的理論分析，由于應(yīng)力波入射角度的不同，反射應(yīng)力波的反射夾角以及在不同位置的反射疊加效應(yīng)差別很大，PPV變化曲線的差異可以從巷道圍巖自由面效應(yīng)的角度來解釋。反映在巷道圍巖振速上表現(xiàn)為不同位置的PPV大小各不相同：拱墻處PPV在自由面上的突變最為明顯（圖7（c））；直墻（圖7（d））處PPV數(shù)值最大；拱頂（圖7（b））和底板（圖7（f））處在巷道上下端，應(yīng)力波入射角度相近，因此兩組測點(diǎn)的PPV變化曲線走勢較為相近。總的來說，巷道輪廓面附近圍巖均遵循地應(yīng)力越大，PPV越小的規(guī)律。這是因?yàn)榈貞?yīng)力越大，圍巖受到的夾制作用越強(qiáng)，從而在爆破動(dòng)載能量相同的情況下巖體獲得更小的動(dòng)應(yīng)力。動(dòng)應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)振速之間的關(guān)系如下式所示［23］：

σd=ρ2cvo" " （19）

式中 σd為動(dòng)應(yīng)力；ρ2為巖石密度；c為地震波波速；vo為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。不考慮巖石密度與地震波波速變化，vo與σd成正比。而地應(yīng)力大小與動(dòng)應(yīng)力大小成反比，因此出現(xiàn)了地應(yīng)力越大圍巖PPV反而越小的結(jié)果。值得注意的是圖7中各曲線均在自由面處（A，B，C，D，E測點(diǎn)處）獲得最大值，根據(jù)2.1節(jié)得到的巷道圍巖振動(dòng)方程可知，自由面處反射應(yīng)力波會(huì)引起圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)法向分量VP?nb，和一個(gè)切向分量VP?τb，圍巖質(zhì)點(diǎn)的總的振速可以視為反射應(yīng)力波與入射應(yīng)力波引起的質(zhì)點(diǎn)振速的矢量和。而隨著反射應(yīng)力波在巖石內(nèi)傳播，能量逐漸衰減，引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度也越來越小，因此出現(xiàn)巷道自由面處圍巖PPV最大的現(xiàn)象。模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)論一致，得到了相互印證。

4.2 巷道圍巖PPV及應(yīng)力狀態(tài)分析

4.2.1 地應(yīng)力對(duì)圍巖PPV的影響

根據(jù)4.1節(jié)所述，由于應(yīng)力波的反射疊加效應(yīng)，巷道輪廓面上的PPV數(shù)值最大，動(dòng)力響應(yīng)最明顯。下面對(duì)不同地應(yīng)力工況下各測點(diǎn)的合成PPV進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8（a）所示。從圖8（a）中可以得出如下結(jié)論：①巷道直墻測點(diǎn)PPV最大，其余從大到小依次為拱墻、墻角、拱頂和底板，這一規(guī)律不受地應(yīng)力影響。②隨著地應(yīng)力的增加，各測點(diǎn)PPV均出現(xiàn)不同程度的減小。以0 MPa工況下各測點(diǎn)PPV為基準(zhǔn)，地應(yīng)力20 MPa時(shí)各測點(diǎn)PPV平均下降了3.13%，40 MPa時(shí)平均下降了7.72%，60 MPa時(shí)平均下降了13.15%。這表明地應(yīng)力對(duì)巷道自由面處圍巖振速有抑制作用，且隨著地應(yīng)力的增大抑制效果更加明顯。③巷道不同位置的PPV對(duì)地應(yīng)力的敏感程度存在顯著差別，測點(diǎn)B在初始地應(yīng)力60 MPa時(shí)的PPV比0 MPa時(shí)減小了13.76%，而測點(diǎn)E僅減小了7.5%。拱墻PPV受地應(yīng)力抑制最為明顯，底板PPV受影響最小。

4.2.2 地應(yīng)力對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響

與淺埋巷道不同，深埋巷道的圍巖受自重引起的垂直應(yīng)力與開挖采動(dòng)等造成的應(yīng)力集中聯(lián)合影響。這就使得圍巖承受的應(yīng)力遠(yuǎn)超巖體的抗壓強(qiáng)度，巷道圍巖承受的壓力數(shù)倍于原巖應(yīng)力。所以淺部處于彈性應(yīng)力狀態(tài)的硬巖在深部可能表現(xiàn)為塑性狀態(tài)的軟巖。文獻(xiàn)［24］研究表明在原巖應(yīng)力的影響下，深部巷道圍巖受到的壓、剪應(yīng)力遠(yuǎn)超圍巖的強(qiáng)度。本數(shù)值模擬案例獲得了相同結(jié)論：如圖8（b）和（c）所示，在不考慮地應(yīng)力時(shí)，各測點(diǎn)在爆破震動(dòng)作用下受拉剪破壞；在地應(yīng)力作用時(shí)，巷道各測點(diǎn)均處于壓剪應(yīng)力狀態(tài)，且隨著地應(yīng)力的增大各測點(diǎn)的最大主應(yīng)力及剪切應(yīng)力均呈上升趨勢。隨著地應(yīng)力增大，測點(diǎn)D的最大主應(yīng)力及剪切應(yīng)力增大最明顯，因此在高地應(yīng)力環(huán)境中墻角處于較高的危險(xiǎn)狀態(tài)；隨著地應(yīng)力增大，測點(diǎn)A的主應(yīng)力出現(xiàn)較大變化而剪切應(yīng)力變化較小，表明拱頂受壓破壞的可能性更大；測點(diǎn)B處的剪切應(yīng)力隨著地應(yīng)力增大顯著增加，表明隨著地應(yīng)力增大，拱墻處更易受剪切破壞；測點(diǎn)E的應(yīng)力狀態(tài)隨地應(yīng)力增大變化幅度最小，處于相對(duì)安全的狀態(tài)。

4.3 深井爆破巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)估

測點(diǎn)D（墻角）在60 MPa初始地應(yīng)力工況下最大主應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別達(dá)到了210 MPa和94.7 MPa，分別是不考慮地應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的429倍和312倍。測點(diǎn)A（拱頂）和B（拱墻）隨著地應(yīng)力的增大最大主應(yīng)力和剪切應(yīng)力也較高，測點(diǎn)A的最大主應(yīng)力達(dá)130 MPa，測點(diǎn)B的剪切應(yīng)力達(dá)59.7 MPa。處于上述應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖所受應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖石的抗壓、抗剪強(qiáng)度，可以判定處在這種狀態(tài)下的巖體內(nèi)部積聚有大量固體能量。在這種情況下，較小的爆破震動(dòng)也會(huì)引發(fā)圍巖嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)破壞［14］ 。

巷道迎爆側(cè)直墻PPV最易超過安全閾值，應(yīng)當(dāng)予以重點(diǎn)監(jiān)控。而對(duì)于在深部爆破作業(yè)中，巷道圍巖不僅受爆破動(dòng)載影響，還受地應(yīng)力靜載作用。以往研究表明，深部巷道圍巖的動(dòng)力響應(yīng)具有突發(fā)性［24］，高應(yīng)力狀態(tài)下的巷道圍巖存在大量固體能量積聚，當(dāng)深井進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，擾動(dòng)巷道圍巖，使其內(nèi)部積聚的能量瞬時(shí)超過圍巖破壞失穩(wěn)所需要的能量，從而造成整個(gè)巷道系統(tǒng)失去結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此判定，隨著巷道埋深增大，除了巷道直墻以外，巷道迎爆側(cè)的墻角、拱頂、拱墻也都是易受損區(qū)域。這可能也是在潘三礦超前預(yù)裂卸壓爆破時(shí)，盡管瓦斯綜治巷圍巖振速未超過安全閾值，而巷道圍巖卻出現(xiàn)失穩(wěn)的原因。

鑒于此，傳統(tǒng)的淺部巷道爆破圍巖失穩(wěn)的安全判據(jù)對(duì)于深部高地應(yīng)力狀態(tài)下的巷道圍巖失穩(wěn)判定存在一定的局限性，深井爆破擾動(dòng)巷道圍巖失穩(wěn)的評(píng)估需要將圍巖應(yīng)力狀態(tài)這一因素納入考量。在后續(xù)的超前預(yù)裂卸壓爆破過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)瓦斯綜治巷迎爆側(cè)的墻角、拱頂、拱墻進(jìn)行重點(diǎn)加固。在瓦斯綜治巷的掘進(jìn)過程中，應(yīng)該對(duì)后期處在迎爆側(cè)的巷道圍巖通過加密鋼絲網(wǎng)、增加錨桿長度等方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，提前預(yù)防后期超前預(yù)裂卸壓爆破的不良影響。

5 結(jié) 論

（1） 通過理論分析建立了爆破作業(yè)擾動(dòng)巷道圍巖模型，根據(jù)應(yīng)力波傳播理論及波前動(dòng)量守恒定理推導(dǎo)出了剔除地表反射應(yīng)力波影響的深部巷道圍巖的振動(dòng)方程。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，爆炸應(yīng)力波在巷道迎爆側(cè)圍巖出現(xiàn)反射疊加現(xiàn)象；巷道輪廓面上各測點(diǎn)的PPV衰減曲線存在差異，但均在巷道輪廓面上獲得最大值，這與振動(dòng)方程描述的現(xiàn)象一致。

（3）地應(yīng)力對(duì)PPV存在抑制作用，且隨著地應(yīng)力增大抑制現(xiàn)象更加明顯。巷道不同位置的PPV對(duì)地應(yīng)力的敏感程度存在顯著差別，其中巷道拱墻的PPV受地應(yīng)力影響最大，底板受影響最小。

（4）在不考慮地應(yīng)力時(shí)爆破載荷作用下巷道圍巖主要受拉剪破壞，而隨著初始地應(yīng)力的增大，圍巖主要表現(xiàn)為受壓剪破壞。

（5）高應(yīng)力環(huán)境下較小的擾動(dòng)也會(huì)對(duì)巷道圍巖造成很大破壞。對(duì)于潘三礦超前預(yù)裂卸壓爆破擾動(dòng)瓦斯綜治巷而言，迎爆側(cè)的墻角、拱頂、拱墻均為易受損區(qū)域，工程現(xiàn)場應(yīng)予以重點(diǎn)加固。

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