既有临空面对采空区上覆岩体爆破振速场的影响研究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.004 既有临空面对采空区上覆岩体爆破 振速场的影响研究* 剛檢安當，钟純卢文汇吴r.m4 1.武汉科技大学理学院，武汉430065 ；2,华中科技大学土木工程与力学学院，武汉430074； 3.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，武汉430072；4,中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆401121 摘要采空区边界条件彩响其上覆岩体爆破地震效应。基于弹性波动理论,借助动力有限元算法，研究 了采空区临空面、地表自由面及两种边界耦合作用下爆破地震波的传播机制与上覆岩体振速场的空间分布 规律，以此为理论依据提出了上覆岩体分区准则。结果表明采空区临空面改变爆破地震波传播路径，拐点 对爆破地震效应具有显著衰减作用，可根据波传播途径拐点数对围岩分区；爆破地震波传播至地表自由面反 射,对采空区上覆岩体爆破地震效应具有放大作用。提出将爆破振动作用下采空区上覆岩体的影响范围划 分为两区1区-波直传爆破振动放大区，11区-波传播单拐点爆破振动弱衰减区，耦合作用下采空区临空面衰 减作用大于地表自由面放大作用。上覆岩体爆破影响分区准则对地下工程爆破设计施工有一定指导意义。 关键词采空区；上覆岩体；爆破地震波；振速场；自由面效应 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0021 -07 Influence of Existing Free Face on Blasting Vibration Velocity Field of Overlying Goaf Stratum ZHOU Jun-r u1 ,AN Wer t1, ZHONG Do ng-wang1 ,LU Wen-b o3, WU Liang1 ,LENG Zhen-d o ng4 1. Co l l ege o f Sc ien c e, Wu ha n Un iver sit y o f Sc ien c e a n d Tec hn o l o gy, Wu ha n 430065 , Chin a ； 2. Sc ho o l o f Civil En gin eer in g a n d Mec ha n ic s, Hu a zho n g Un iver sit y o f Sc ien c e a n d Tec hn o l o gy, Wu ha n 430074, Chin a ； 3. Key La bo r a t o r y o f Ro c k Mec ha n ic s in Hy d r a u l ic St r u c t u r a l En gin eer in g Min ist r y o f Ed u c a t io n, Wu ha n Un iver sit y, Wu ha n 430072, Chin a；4. Chin a Gezho u ba Gr o u p Ex pl o sive Co Lt d, Cho n gq in g 401121, Chin a Abstract ； Blasting seismic effect in overlying stratum is influenced by the boundary condition of underground goaf. By theoretical analysis and numerical simulation, the propagation mechanism of blasting seismic wave and spa tial distribution of vibration velocity field were investigated under different boundary conditions. A criterion for influ ential partitions of blasting vibration was proposed according to the basic theories of propagation and attenuation of blasting vibration field. Results proved that the propagation path of blasting seismic waves was influenced by the free surface of underground goaf, and the blasting seismic effect was significant declined by the wave-path inflection point. The number of inflection points was a key factor for partitions of surrounding rock mass. The existence of ground surface had free surface effect on the overlying goaf stratum, which resulted in a magnification of blasting seis mic effect on overlying rock mass. Considering the interaction between free surface of goaf and ground surface on wave propagation, the overlying stratum can be divided into two zones Zone I is a magnified blasting vibration field and Zone U is a weak-attenuated blasting vibration field. The proposed criterion has a guiding significance for blas ting hazard control and blasting design optimization. Key words goaf; overlying rock mass； blasting seismic waves; vibration field; free surface effect 22爆破2021年3月 地下空区存在于众多领域,如采矿、市政、水电工 程等⑴。以采矿为例图1,采空区的形成破坏了围 岩初始平衡状态，当相邻开采区持续采矿，既有采空 区围岩不可避免受到爆破、钻孔、重载车辆等动力扰 动,其中以爆破振动荷载影响最为显著［23。采空区 围岩受爆破地震波作用产生动力响应,成为围岩失稳 破坏的主要因素。采空区边界条件包括其临空面与 地表自由面改变爆破地震波的传播路径，影响了采空 区围岩振速场和应力场的分布演化⑷刃，导致采空区 上覆岩体受到不同程度爆破地震效应的影响，产生_ 些如移动、变形、不均匀沉降等问题，严重时会造成上 覆岩体中既有结构的破损⑹。 图1爆破地震波在地下空区围岩内传播示意图 Fig. 1 Propagation of blasting seismic waves in surrounding rock of underground stope void 采空区结构体系涉及顶板底板、矿柱、巷道、围 岩及整体结构等，其围岩稳定问题在国内外仍属于 比较新的课题I M。Sin gh P Ka易长平等从力学的 角度揭示了地表爆破激发地震波对地下采空区稳定 性的影响机制，爆破地震波在岩体中传播，遇到采空 区后发生反射、折射和绕射等现象造成了动应力集 中［10411 o彭府华、何亚清等采用微震监测系统，对 深部采空区围岩进行了爆破应力波传播特性试验, 研究了应力波在采空区围岩中的衰减特性12J3］o 瞿登星等利用LS-DYNA数值模拟方法，分析了爆破 振动在采空区的传播衰减规律［⑷。为揭示界面上 应力波的作用机理，国内外学者进行了相关研究。 Da t t a等采用匹配渐进展开法分析了半无限介质中 柱形空洞对P波的散射问题［⑸。陆渝生等利用动 光弹实验研究了应力波遇到界面的传播过程E。 岳梦蕾等人等借助数值模拟方法，研究了应力波作 用下单自由面、双自由面对应力波的放大作用［⑺。 收稿日期2020-11 -22 作者简介周俊汝1990 -，女，博士，武汉科技大学讲师，从事工程 爆破与岩石动力学研究工作，E-mail zhjr whu. edu. cno 基金项目国家自然科学基金项目51909196；水工岩石力学教育 部重点实验室开放基金RMHSE1904 针对采空区围岩与地表稳定性研究，前期已积累了 一些成果，然而采空区上覆岩体在爆破扰动作用下 的振动场分布研究仍有不足。 基于弹性波动理论,结合动力有限元数值模拟 方法，从采空区临空面、地表自由面及两种边界条件 耦合作用三个方面,研究爆破地震波在空区上覆岩 体的传播机制，分析上覆岩体振动场的空间分布规 律，并以此为理论依据,提出爆破振动作用下空区上 覆岩体分区准则,为爆破设计施工提供指导。 1采空区上覆岩体爆破影响分区机制 爆破地震波遇到地下空区改变其传播路径与衰 减规律，上覆岩体对爆破地震波产生动力响应，形成 不同强度的振速场空间分布。 为揭示空区临空面在围岩爆破振动影响分区中 的作用机制,简化空区形状，如图2 a所示,根据地 震波传播路径中临空面拐点数将空区围岩分区,1区 表示爆破地震波直传区,爆破地震波传播不经过拐点 直至测点，因此爆破地震波实际传播距离即爆源至测 点的直线距离;II区为单拐点区，爆破地震波传播路径 中存在一个拐点,此时波传播距离略大于爆源至测点 的直线距离;I E区为双拐点区，爆破地震波自爆源传 至测点，绕过两个拐点,此时波传播距离远大于爆源 至测点的直线距离。空区临空面改变了爆破地震波 传播距离,直接影响了爆破振动幅值的衰减。 地震波传播过程中途经拐点，地震波遇到临空 面发生反射与绕射，图2 b以P波为例，传播至空 区临空面时，在空区临空面经反射转化为反射P波 与SV波，反射波与入射波应力关系如式1和2 所示期 c r pp Rc r p 1 tsp ［ / 1 c o t 2j8］c rP 2 式中为入射P波应力;“pp为反射P波应 力Msp为反射SV波剪切应力，其中系数R t a n B ・ t a r 20 _ t a n a t a n 0 t a n2 28 t a n a 。为入射角/为反射SV波 反射角。 地震波传播过程中遇到空区临空面反射后波动 能量向没有临空面的方向传播，临空面拐点后围岩 振幅显著衰减。因此波传播路径中拐点数决定了空 区临空面对围岩爆破地震效应的影响程度，以此为 依据对空区上覆岩体分区I区■波直传区和II区・ 单拐点区。 爆破地震波在传播过程中遇到地表自由面会发 生反射，反射波与入射波首尾相叠加,根据波叠加原 第38卷第1期周俊汝，安 稳,钟冬望，等 既有临空面对采空区上覆岩体爆破振速场的影响研究23 理，在波重叠区域内各质点振动物理量等于各列波 在该点引起振动物理量的矢量和。地震波的反射与 a空区围岩分区 a Influential partition of surrounding rock of stope void bP波入射与反射 b Transmitted wave types resulting from an incident P wave interacting with a free surface 叠加原理对空区上覆岩体的爆破动力响应具有放大 作用网。 一地表自由面 B 期弊凶册 c上覆岩体分区 c Influential partition of overlying stratum of stope void 图2基于振速场的采空区围岩爆破影响分区 Fig. 2 Influential partition mechanism based on blasting vibration velocity field in surrounding rock of stope void 爆破地震波在空区上覆岩体中传播,综合考虑 两种边界条件对上覆岩体爆破地震效应的影响，将 空区上覆岩体分两区图2c 上覆岩体I区中 空区临空面对波传播无影响,仅有地表自由面的放 大作用,属于爆破振动放大区;上覆岩体II区中同时 有空区临空面的衰减作用和地表自由面的放大作 用，两种边界条件耦合作用中的主导边界因素需要 进一步研究。采空区上覆岩体爆破影响分区机制的 合理性将通过数值模拟计算进行分析与验证。 2数值模拟 利用ANSYS-LSDYNA动力有限元软件,模拟既 有空区围岩对爆破地震波的动力响应,研究上覆岩 体振速场空间分布规律。模型尺寸100 mx 40 mx 40 m；将爆炸荷载作用于球形空腔内壁模拟爆源激 发地震波,球形空腔位于岩体模型中心位置,空腔半 径1.8 m；在水平距离球形空腔球心10 m位置，建 立体积8000 m3的正方体采空区，如图3所示。计 算过程中,除地表为自由临空面外,岩体模型外表面 其余方向均施加无反射边界模拟半无限岩体。 图3有限元模型图 Fig. 3 Numerical simulation model 岩体模型采用弹塑性材料,服从Dr u c k er -Pr a ger 屈服准则,材料参数见表1。 Ta bl e 1 Pa r a met er s o f r o c k ma ss in n u mer ic a l simu l a t io n 表1岩体计算参数 密度/ kg ・ m-3 弹性模量/ GPa 泊松比 屈服强度/ MPa 切线模量/ GPa 全局阻尼局部阻尼 2600300.223012.31200.0002 借助等效爆源的概念［2如，将三角形爆炸荷载 施加于球形空腔内壁等效弹性边界，荷载峰值 25 MPa、上升时间6 ms、作用持续时间35 mso 3采空区边界条件对上覆岩体振速场 影响分析 3.1空区临空面 为避免地表自由面的影响而仅考虑空区临空面 的作用，取模型Y方向上水平对称剖面I・I 图4 a ,5个测点位于爆源同一水平面内的四个方向。 其中,1、2与4测点至爆源的直线距离相等，为 34 m,爆破地震波由爆源传至1与3测点的传播距 离为35.02 m,至4和5测点的传播距离为44.91 mo 爆破地震波在岩体中传播,岩体质点在空间中做 多维度爆破振动,可利用速度传感器分别测得水平径 向、水平切向与竖直向振动分量,根据向量运算法贝I计 24爆破2021年3月 算振速矢量和，振速矢量大小即振速幅值，计算式如下 比⑴M3 5/2 502 3 式中s Q表示振速幅值;叫⑺表示水平径 向振动速度分量;冷表示水平切向振动速度分 量;％力表示竖直向振动速度分量。振动速度矢量 幅值可直观地表示质点瞬时振动场与应力场特性。 如图4b所示,2测点位于I区■波直传区,1 测点位于II区■波传播单拐点区,4点位于皿区■波 传播双拐点区,1、2与4测点至爆源的直线距离 相等，但波传播距离不同，传播过程中途径拐点数也 不同,两者均对爆破地震波有不同程度的衰减作用O 如图5所示,2点波传播距离为34 m,振速幅值为 0.0102 m/s；l 点波传播距离为35. 02 m,传播距离 与1测点近似，途径一个拐点，振速幅值降至 0.00438 m/s；4点波传播距离为44.91 m,途径两 拐点作用,振速幅值降为0.00292 m/so a厶0m水平剖面I-I及测点布置 a Horizontal cross section I-I at 70 m b波传播路径及围岩分区 b Propagation path of blasting waves and the partition o surrounding rock 图4采空区临空面对围岩爆破地震波传播影响单位m Fig. 4 Influence of stope void on the propagation of blasting waves unit m Is 亘 - U O U E q a振速幅值时程曲线 a Time history of vibration amplitude 二 apn-Hdumapn-Hdum 1 1 .2 1 1 .2 芟 q s q s 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0 直线距离734m eIIII 111 illll 111 eIIII 0.00438 111 訂III 111 目2 目1 回4 0.00292 2直线 传播区 1单拐点 4双拐点 传播区 传播区 b振速幅值峰值对比 b Comparison of peak particle velocity amplitude 图5直线距离相同的1、2、4点振动对比 Fig. 5 Vibration amplitudes at 1,2 and 4 monitoring points 为消除波传播距离对爆破地震波的衰减作用， 仅考虑拐点的作用，在I区■波直传区中另取与2 点波传播距离相等的3点、与4点波传播距离相同 的5点作为参照点。图6给岀了数值计算中4个 测点的振速幅值时程曲线，由图6a 与b可知， 空区临空面改了地震波传播路径，在振速幅值和振 动时程曲线起跳点中均有体现。I区测点振动速度 幅值最大，振动起跳时刻和达到振速幅值峰值时间 最早；u区与3测点振速幅值和起跳时刻次之；m 区测点振速幅值最小，振动起跳时间与速度峰值对 应时间都是最迟的。1与3测点波传播距离均为 35.02 m,位于II区的1点在波传播路径中增加一 个既有空区的拐点，导致振速峰值降为I区3点振 速峰值的47.5；4与5测点波传播距离相同，振 动波由爆源传至位于m区4点在传播过程中途径 两个拐点,振速峰值降为I区5点的69.7。这说 明在波传播近距离范围内，拐点对爆破地震波的衰 减起主导作用,当波传播距离增大后，波传播距离逐 渐成为主要的衰减因素，增加拐点数量不会显著消 除爆破振动效应。 第38卷第1期周俊汝，安 稳,钟冬望，等 既有临空面对采空区上覆岩体爆破振速场的影响研究25 I I s s 3 3 -apnludulD-apnludulD uoyruqsuoyruqs 1〜3VPP V时程曲线 300 1 -3 a 13振速幅值时程曲线 a 13 亘-apmudluD uoymqs b 4〜5振速幅值时程曲线 b 4 〜5 c振速幅值峰值 c Comparison of peak particle velocity amplitude 图6波传播拐点对振速场空间分布影响分析 Fig. 6 Influence of wave-path bend point on the vibration velocity field 传统的萨道夫斯基公式中相同爆破条件下振速 峰值仅与距离呈反比,这说明萨道夫斯基公式在空 区围岩中不完全适用。基于振速场空间分布规律, 需根据传播拐点数对空区围岩影响分区，I区爆破 地震效应不受空区临空面影响；II区与皿区中萨道 夫斯基公式不再适用,应考虑临空面拐点的影响以 提高爆破振动衰减规律预测精度，此外,对爆破振动 衰减区可适当降低爆破控制标准以提高施工效率和 节约施工成本。 3.2地表自由面 取模型z方向竖直对称剖面n -n图7,n 〜13测点位于空区上覆围岩，上部为地表自由面； 11，13，参照点位于空区下部保留岩体,岩体下 表面设置无反射边界。为避免空区临空面对爆破地 震效应的影响，测点和参照点分别与爆源和空区的 相对位置完全相同。 图7 Z0m竖直剖面U-II及测点布置 Fig. 7 Vertical cross section U-U at Z 0 m 图8给出了振速幅值时程曲线对比图，由于地 表自由面的存在,爆破地震波传播至地表自由面发 生反射，与入射波叠加,导致空区上覆岩体测点振动 幅值峰值较下部保留岩体参照点放大2. 3-3.8倍。 Is 呂 UOXEqs 11-11PP V时程曲线 300 a 11 与］L a 11 and 11 11 o o T s T s 亘-apnlHdum uopgqs o o 0.012 0.009 0.006 0.003 b 12 与 12 b 12 and 12z o o T s T s 3-3pndum uo 港Aqs 0.012 0.009 0.006 0.003 c 13 与 13 c 13 and 13 图8地表自由面对上覆岩体爆破地震效应影响结果分析 Fig. 8 Influence of ground surface on the vibration velocity field 3.3两种边界条件耦合作用 爆破地震波在采空区上覆岩体中传播，同时受 到采空区临空面和地表自由面的作用。因此，为研 究两种边界条件耦合作用对上覆岩体爆破地震效应 的影响，取模型Y方向竖直对称剖面U-U ,对比上 覆岩体n区■波传播单拐点区3测点与3〃测点,两 测点波传播距离相等,3〃同时有临空面拐点衰减和 上覆岩体振动放大效应,3点为其参照点，如图7 所示。 如图9所示，爆破地震波传至3〃测点,在两种 边界条件耦合作用下采空区上覆岩体n区振动场较 直传区3测点振速峰值小幅度下降。另对爆破振 26爆破2021年3月 动信号频谱分析，结果列于表2,表明在耦合作用下 3〃点爆破振动频率显著降低。采空区上覆岩体H 区中同时有空区临空面对振速场的衰减作用和地表 自由面对振速场的放大作用，两种边界条件耦合作 用下，采空区临空面的衰减作用略大于地表自由面 放大作用，该区呈现出爆破振动强度弱衰减、振动频 率显著降低的特征。 I s 亘-apnxldlun u o s q M 图9耦合作用对上覆岩体爆破振动强度影响 Fig. 9 Influence of interaction between free face of stope void and ground surface on the vibration velocity field 表2耦合作用对上覆岩体爆破振动频率影响 Ta bl e 2 Vibr a t io n f r eq u en c y u n d er t he in t er a c t io n bet ween f r ee f a c e o f st o pe vo id a n d gr o u n d su r f a c e 振动方向 主频/Hz质心频率/Hz 3〃33〃3 X向106106143191 Y向 6410687150 Z向649987134 4讨论 根据边界条件对空区上覆岩体振速场空间分布 的影响机制，提出爆破振动作用下上覆岩体的分区 准则,列于表3。 以爆破地震波传播机制与振速场空间分布规律 为依据提出的空区上覆岩体分区准则,为相关规范 和标准的实施提供理论依据和技术支持，将有助于 丰富地下工程力学理论、解决工程设计和施工问题, 保障工程安全性和提高其经济效应。 表3基于振速场采空区上覆岩体爆破影响分区准则 Ta bl e 3 I n f l u en t ia l pa r t it io n c r it er io n ba sed o n bl a st in g vibr a t io n vel o c it y f iel d in o ver l y in g st r a t u m o f st o pe vo id 上覆岩体分区特征处理方法 I区一波直传爆破 振动放大区 地表自由面对爆破地震效应具 有放大效应，通常会产生危害 给予重视,优化爆破设计和施工方法如降低单响药量,优化起 爆网路，采用屏障孔等，将爆破地震危害控制在合理范围内 n区一波传播单拐 点爆破振动衰减区 空区临空面对爆破地震效应衰 减作用略大于地表自由面的放 大作用，振速弱衰减、频率降低 爆破安全判据应重视频率因素，允许范围内适当降低爆破安全 标准以提高施工效率和节约施工成本如适当提高单响药量，提 升作业规模等； 传统萨氏公式已不再适用于预测其爆破振动衰减规律,应考虑 临空面拐点的影响 5结论 1 采空区临空面改变爆破地震波在围岩中的 传播路径,根据波传播途径拐点数对岩体分区,1区- 波直传区对爆破地震效应无影响，II区与皿区波传 播距离大于直线距离,经拐点发生反射、绕射,爆破 地震效应显著衰减。 2 爆破地震波传播至地表自由面反射，反射 波与入射波叠加,对采空区上覆岩体爆破地震效应 具有放大作用。 3 对采空区上覆岩体分区I区-波直传爆破 振动放大区,需优化爆破设计和施工方案,将爆破地 震危害控制在合理范围内；II区■波传播单拐点区, 采空区临空面衰减作用略大于地表自由面放大作 用,耦合作用下爆破振动强度弱衰减、但振动频率显 著降低,爆破安全判据中应重视频率特征。 参考文献References [1] 吴昊天，武 科，张 文，等.新建隧道“零距离”下穿 既有地铁车站结构变形分析[J ] 水利与建筑工程学 报,2017,152 151-156. 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