邻近爆破对硐室稳定性影响数值模拟研究.pdf

第37卷第1期 2020年3月 Vo l . 37 No . 1 Ma r. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 - 487 X. 2020.01 ・ 012 邻近爆破对爾室稳定性影响数值模拟研究 刘小杲 中铁十四局集团有限公司，济南250014 摘要针对爆破振动对地下闹室安全性影响问题，以某铁矿地下采场为研究对象,利用数值模拟和统计 分析的方法研究爆破振动对凿岩嗣室顶底板、掏槽嗣室、采准巷道的稳定性影响。研究结果表明建立的数 值计算模型，计算结果和实际监测数据吻合度达98 ；凿岩闹室顶板的爆破振动和有效应力相对于底板分 别从3.56 MPa和0.4 c m/s下降至0.68 MPa和0.03 c m/s,降幅较大;掏槽区附近巷道围岩中的有效应力衰 减较快,30 m和210 m处有效应力从0.8 MPa衰减至0.09 MPa；而单段最大药量对凿岩嗣室、掏槽区和巷道 围岩的影响程度不同，振动速度和有效应力峰值随着单段最大药量加倍最大分别增加了 60和64。建立 的数值计算模型能有效地反映嗣室稳定状态,有助于评估爆破对采场稳定性及减小嗣室爆破危害。 关键词 地下开采；嗣室稳定性；爆破振动；邻近爆破 中图分类号X947 文献标识码A 文章编号1001 -487 X202001 -0081 -06 Numerical Research on Effect of Blasting for Stability of Chamber L IU Xiao -guo Chin a Ra il wa y 14t h Co n st ruc t io n Burea u Co Lt d, Jin a n 250014, Chin a Abstract In view o f t he in fl uen c e o f bl a st in g vibra t io n o n t he sa fet y o f un dergro un d c a vern, a n un dergro un d st o p e o iro n min e wa s t a k en a s t he resea rc h o bjec t, n umeric a l simul a t io n a n d st a t ist ic a l a n a l y sis were used t o st udy t he in fl uen c e o bl a st in g vibra t io n o n t he st a bil it y o f t he ro o f a n d fl o o r, t he c ut t in g c ha mber a n d t he min in g ga t ewa y o f t he dril l in g c ha mber. The resul t s sho w t ha t t he c a l c ul a t ed resul t s o f t he n umeric a l mo del a gree wit h t he a c t ua l mo n it o rin g da t a by 98. Co mp a red wit h t he fl o o r, t he bl a st in g vibra t io n a n d effec t ive st ress o t he ro o f o f t he dril l in g c ha m ber ha ve a l a rge reduc t io n, whic h a re resp ec t ivel y dec rea sed fro m 3. 56 MPa a n d 0. 4 c m/s t o 0. 68 MPa a n d 0. 03 c m/s. Nea r t he c ut t in g a re a, t he effec t ive st ress in t he surro un din g ro c k o f t he ro a dwa y is dec rea sed ra p idl y, fro m 0. 8 MPa t o 0. 09 MPa a t 30m a n d 210 m. Ho wever,t he in fl uen c e o f t he ma ximum c ha rge o f a sin gl e sec t io n o n t he ro c k dril l in g c ha mber, c ut t in g a rea a n d surro un din g ro c k o t he t un n el is differen t . The vibra t io n sp eed a n d t he p ea k va l ue o f effec t ive st ress in c rea se resp ec t ivel y 60 a n d 64 wit h t he do ubl in g o f t he ma ximum c ha rge o f a sin gl e sec t io n . The n umeric a l c a l c ul a t io n mo del est a bl ished in t his p a p er c a n efl ec t ivel y refl ec t t he st a bil it y o f t he c ha m ber ,whic h is hel p ful t o eva l ua t e t he st a bil it y o f t he st o p e a n d reduc e t he da ma ge o f c ha mber bl a st in g. Key Words un dergro un d min in g； st a bil it y o f c ha mber； bl a st in g vibra t io n； a dja c en t bl a st in g 爆破是矿山地下开采过程中的重要工艺环节。 在炸药爆炸产生的应力波作用下,岩体的振动效应 收稿日期2019-11 -27 作者简介刘小果1975 -，男，工学学士、高级工程师，主要从事大 型工程项目的施工管理和技术开发工作，E-mail 535739461 qq. com 基金项目国家重点研发计划2018YFC0808 702；山东省技术创新 项目201641901082 将会造成井下碉室和巷道围岩的损伤，从而影响地 下结构的稳定和安全。常规的地下开采设计往往只 考虑原岩应力场的影响，设计过程中鲜有考虑爆破 振动对周边嗣室产生影响,直接导致支护强度的不 足，出现了井下碉室的坍塌破坏现象九2〕。 目前国内外许多学者对此开展了部分研究工 作。张平松等⑶，通过井下碉室测振的方式，得到 82爆破2020年3月 爆破时周边嗣室围岩的振动衰减规律和频率影响特 征，并进一步建立了爆源至碉室间距条件下所容许 的最大药量公式。张继春等⑷，利用大量的现场实 测数据回归计算,通过萨道夫斯基经验公式确定爆 源周边岩体的振速变化规律,进而求得岩体中振动 波的衰减规律。卢文波等⑸，基于弹性介质中球状 药包激发应力波的理论解及其频谱表达式，通过引 入介质阻尼项，建立了球形药包爆破条件下周边岩 体介质中爆破振动的频谱表达式,分析爆破振动频 率的衰减机制和影响因素，进而得到爆破振动对周边 岩体的作用机制。李新平等同，综合爆炸应力波参 数、岩体强度条件和碉室结构参数等因素，开展动力 学数值计算,得到了爆破荷载作用的实质以及周边嗣 室围岩的受力情况、破坏特征,提出了安全影响分析 方法,建立了爆破动载作用下嗣室支护设计原则。 上述学者针对爆破振动对周围碉室的影响作了 大量研究并取得了一些成果，但是对于预测和模拟 不同的爆破参数和爆破条件下碉室的稳定性以及根 据爆破振动对周围嗣室的影响机制来确定单段最大 药量的研究尚不够深入。鉴于此，利用LS -DYNA数 值模拟和统计分析相结合的方法研究爆破振动对周 边碉室的稳定性影响机制口切。 1研究背景介绍 该铁矿矿体主要由高磷高硫含飢磁铁矿、硫铁 矿和石膏矿组成。根据地质资料，矿体赋存条件是 标高-382 -846 m,距地表最浅处是425 m,最深 埋深是856 m,矿体倾角范围是3-12矿区岩石 类型主要包括次生石英岩、凝灰岩、凝灰质粉砂岩、 粗安岩等。该铁矿一期设计规模是300万吨/年,分 两个阶段回采。 矿体采用空场嗣后充填采矿法开采，划分盘区， 每个盘区共7个采场，“隔一采一”开采，每个阶段 采场开采完成后随即充填。单个采场的宽度是 18 m,沿着走向每个采场布置6排炮孔，孔间距和排 间距均为3 m,每排一共布置25个炮孔。一个采场 开采之前要布置拉槽孔,给生产爆破提供钻爆空间， 研究对象的采场纵、横剖面示意图如图1所示。 图1地下开采爆破炮孔设计图 Fig. 1 Bl a st in g ho l e design o f un dergro un d min in g 2地下采场开采爆破数值模型 2.1岩体力学参数岩体力学参数 根据钻探取样和室内岩石力学试验得到采场围 岩的物理力学参数，依据岩石力学参数的强度折减 法获得采场的各类岩体物理力学参数，如表1所示。 2.2地下开采爆破数值模型地下开采爆破数值模型 结合该铁矿地下开采爆破设计,建立数值计算 模型，模拟了爆破振动对采场结构安全和地表稳定 性的影响。开展现场测试工作，采集现场爆破振动 数据，用以对比验证该数值模型的准确性及适用性。 LS -DYNA动力分析软件可以调用默认的炸药 的状态方程和材料模型，用于模拟冲击波的传播过 程和碉室结构的瞬间响应状态。炸药爆炸时的化学 能的转化可通过JWL方程描述，并确定炸药内部单 元的压力P,其表现形式如式（1）所示 竽⑴ 呻-詡严 式中A、B、Ri、R2、3为炸药的特征参数，对选 定的炸药为常数;V为相对体积也为内能常数。 该铁矿所使用的乳化炸药性能特征参数如表2 所示。 第37卷第1期刘小果邻近爆破对碉室稳定性影响数值模拟研究83 表1各类岩体的力学参数 Table 1 Mechanical parameters of various rock masses 岩性 密度/ k g m“3 单轴抗压 强度/MPa 单轴抗拉 强度/MPa 弹性模量/ GPa 泊松比 内聚力/ MPa 内摩擦角/ 凝灰质粉砂岩310024.51.3714.80.260.7 629.1 粗面安山岩301015.30.8611.40.280.6425.1 沉凝灰岩310024.31.3614.70.270.7 326.8 粗安斑岩301015.40.8811.50.290.6625.1 次生石英岩317033.61.9126.40.240.8331.5 蚀变粗安岩301015.60.8611.50.290.6825.3 碱性长石岩310024.51.3714.80.260.7 329.2 石膏辉长岩328037 .72.1328.60.230.8531.7 磁铁矿347040.32.2729.60.220.8634.4 表2炸药性能特征参数 Table 2 Characteristic parameters of explosive perance 密度/爆速/C - J压力/JWL状态方程参数 k g * m-3m * s 1GPaA/GPaB/GPaR\ 人2 Ct E/GPa 150045003.622290.556.5 1.0 0.353.51 根据该设计方案,构建尺寸为长x宽 高 500 m X 200 m x7 00 m的开采爆破数值计算模型。 采场覆岩的各种岩体的物理力学参数根据表1中的 数据来确定。爆破数值模型示意图如图2所示。 炮扎 /I 模型对称面掏槽孔 「 图2开采爆破数值模型示意图（单位m） Fig. 2 Numeric a l mo del o f min in g bl a st in g（un itm） 根据爆破设计,将模型简化为两个炮孔分段微 差爆破过程。孔距为3 m,孔径为120 mm,模型中 心为直径0.6m的掏槽孔。炮孔分段微差起爆时间 分别为0 s和50 ms；装药长度均为10 m,堵塞长度 均为2 m,确定单段最大药量为320 k g。 3爾室稳定性影响数值模拟结果分析 3.1数值模型计算结果验证数值模型计算结果验证 3.1.1 爆破振动现场监测结果 数值模拟中单段最大药量为320 k g,实际现场 爆破为349 k g。第1个监测点爆心距为600 m,第 2个点监测点爆心距为676 m,第1点和第2测点的 高程相同。第1个监测点垂向振动速度监测波形如 图3所示。 采样时间/s 图3第1点垂向爆破振动速度监测波形 Fig. 3 Mo n it o rin g wa vefo rms o f vert ic a l bl a st in g vibra t io n vel o c it y o f first p o in t 3.1.2监测结果和数值模拟结果对比 取数值模型中监测点上方四个单元垂直振动速 度的平均值为该点的振动速度，第1个模拟监测点 垂向振动速度曲线如图4所示。 -0 巴 - “ E E 、 s 曙叵 ㈱ 图4第1点垂向爆破振动度模拟波形 Fig. 4 S imul a t ed wa vefo rms o f vert ic a l bl a st in g vibra t io n o f first p o in t 84爆破2020年3月 对比图3和图4结果可以看出，实测结果中垂 向爆破振动速度的峰值为0. 135 c m/s ,模拟结果中 垂向爆破振动速度的峰值为0.139 c m/s ,数值模拟 得出的振动速度略高于实际监测值。这是由于数值 模型未考虑地表表土覆盖层第四系地层厚度大约 30 m导致的。第2监测点实测和模拟的振动速度 峰值分别为0. 1 c m/s和0.112 c m/s ,较为吻合。因 此,从以上结果可以看出，建立的数值模型与实际情 况一致，可用于分析爆破振动对嗣室安全和地表稳 定性的影响。 3.2爆破对爾室稳定性影响结果分析爆破对爾室稳定性影响结果分析 3.2.1凿岩嗣室稳定性分析 采场上方设计有凿岩嗣室,嗣室高5 m,其底板 距离爆破点的距离为90 100 m。在顶板和底板上 各取5个监测点，对监测点上的垂向振动速度和有 效应力的平均值进行分析，从而探讨爆破振动对于 嗣室的稳定性影响。凿岩嗣室底板监测点位置如图 5所示。 注图中H 23955等编号是数值模型中单元体ID号 图5底板单元体在凿岩碉室顶底板的位置示意图 Fig. 5 Dia gra m o t he l o c a t io n o t he un it in t he ro o f a n d fl o o r o f t he ro c k dril l in g c ha mber 监测点平均有效应力和垂直振动速度如图6所示。 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 4 3 3 2 2- 1- 0- 4 3 3 2 2- 1- 0- 9巴e殳 H H 归頼耙 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 计算时间/s a有效应力 a Effective stress € ・ E € ・ E 、 S 矚一 El emen t n o . Xa vg-81551 81551,80242,82860,82299,23955 0 0.05 min-0-41384 max-0.23911 O O 05 05 min-0-41384 max-0.23911 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 计算时间/s b垂向振动速度 b Vertical vibration velocity 图6凿岩碉室底板时程曲线 Fig. 6 Time-hist o ry c urves o f ro c k dril l in g c ha mber fl o o r 图6显示碉室底板的有效应力和垂直振动速度 和计算时间的关系，当平均有效应力高达3. 56 MPa 时,垂直振动速度可达到0.4 m/s,因此采场正上方 凿岩嗣室的安全性较低。顶板的平均有效应力下降 为0.68 MPa ,最大振动速度为0.03 m/s,这是由于 嗣室中的空气作为隔离层抑制了爆破振动波的传 播,从而顶板安全性相对较底板更好。 3.2.2掏槽区附近巷道围岩稳定性分析 为了分析爆破振动产生的有效应力衰减情况，沿 水平方向依次在掏槽区附近出矿进路、运输大巷选 取单元体，间隔为30 m,共选取7个单元体，单元体监 测点布置方式如下所示。为了揭示有效应力的衰减 规律,选取多项式对有效应力时程曲线进行拟合，拟 合后7个监测点的有效应力时程曲线如图7所示。 从图7 a 可知,随着距离的增加,有效应力不断 衰减，距离掏槽区30 m处的有效应力为0. 8 MPa , 60 m处为0.45 MPa ,90 m处则衰减到0. 3 MPa ,故而 有效应力的衰减是非线性的。并且,不同位置有效 应力达到峰值的时间也不同，距离爆源越近时间越 短，这与振动波波传播的距离有关。图7 b显示, 单元体上的有效应力达到峰值的时间与距离并无一 定的关系,呈现出不随着距离的增加而增加的现象。 在距离掏槽区180 m和210 m处的有效应力均达到 To .09 MPa。 3.3单段最大药量对爾室稳定性影响单段最大药量对爾室稳定性影响 为探究单段装药量对嗣室及围岩稳定性的影响 规律,在数值模型中设置两个微差爆破炮孔，如图2 所示,设计2个爆破方案1两个炮孔同时起爆, 单段最大药量为640 k g；2两炮孔起爆时间间隔 50 ms,单段最大装药量为320 k g。在单段装药量不 同的情况下，针对垂向振动速度和有效应力，对碉 室、巷道围岩及覆岩处的破坏规律进行分析，得到单 段最大药量对碉室稳定性的影响规律。 3.3.1 振动速度峰值比较 在数值模拟中,两个炮孔同时起爆时,凿岩碉室 底板竖向振动速度时程曲线如图8所示。以凿岩碉 第37卷第1期刘小果邻近爆破对碉室稳定性影响数值模拟研究85 室顶底板、掏槽区、掏槽区附近4个单元体（位置如 图7所示）处的垂向爆破振动速度峰值为研究对 象，进行对比分析。得到不同的单段最大药量下振 动速度峰值,数据结果如表3所示。 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 计算时间/s a近距离三点曲线 a Curve of the closer three-point O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 计算时间/s b远距离四点曲线 b Curve of the far four-point 图7水平巷道围岩有效应力拟合8阶曲线 Fig. 7 The effec t ive st ress fit t in g 8t h o rder c urve o f ho rizo n t a l ro a dwa y surro un din g ro c k - 旦、悝锻矗 58 厘脚 图8凿岩碉室底板垂向平均振动速度的时程曲线 Fig. 8 Time-hist o ry c urve o f t he vert ic a l a vera ge vibra t io n vel o c it y o f t he ro c k c ha mber 表3不同的单段最大药量下振动速度峰值 Table 3 Peak vibration velocity at different sing le-stag e maximum drug volume 点 占/亠罟廿床垂向振动速度峰值/（c m s “）提高 编号庶位直血微差爆破一次起爆率/ 1凿岩碉室顶板3.004.7 157 2凿岩碉室底板41.3866.0260 3掏槽区底板3.485.2451 4水平方向30 m5.7 16.5616 5水平方向60 m3.233.365 6水平方向90 m1.7 72.5344 7水平方向120 m1.381.7 728 注提高率（一次起4微差爆破）/（微差爆破）* 100 对图6（b）和图8进行对比分析，可以得出在 微差爆破时，垂向爆破振动速度在两个时刻分别达 到了峰值,但是炮孔同时起爆时，振动速度峰值达到 T 66.02 c m/s,与微差爆破相比，增加了 60。由 表3可以看出，当单段最大药量增加为2倍时，凿岩 嗣室和掏槽区的爆破振动速度峰值增加了 50 60，这是由于两个区域分别处于爆破地点的正上 方和正下方,受单段最大药量影响较大。对掏槽区 右边不同距离位置上的速度峰值对比分析可以看 出，因为这些位置在炮孔方向的侧边，影响较小,所 以单段最大药量增加一倍，速度峰值增幅在5 40左右。由以上分析可知,受单段最大药量影响 最大的区域是凿岩嗣室，其次是炮孔侧向岩层。 3.3.2有效应力峰值变化情况 凿岩碉室上方20 m处围岩的平均有效应力拟 合曲线如图9所示。同样选取表3中监测位置的有 效应力峰值进行对比分析,比较结果如表4所示。 由图9拟合曲线可以看出，两个炮孔同时起爆 时，有效应力增大较多,采用微差爆破时,有效应力 达到峰值的时间略晚一些，符合实际情况。 由表4中的应力提高率可以看出，凿岩碉室顶 板有效应力增加较多，达到了 64,底板应力增幅 86爆破2020年3月 在37左右，同时，单段最大药量的增加对掏槽区 和不同距离的巷道围岩的有效应力影响较小，增幅 在1 -30左右。 计算时间/S 图9不同的单段最大药量下有效应力拟合8阶曲线 Fig. 9 The effec t ive st ress fit t in g 8t h-o rder c urves wit h differen t sin gl e-segmen t ma ximum drug vo l ume 表4不同的单段最大药量下有效应力峰值 Table 4 Peak effective stress at different sing le-stag e maximum dosag e 点 编号 点位置描述 有效应力峰值/MPa 提高 率/ 微差爆破次起爆 1凿岩碉室顶板0.691.1364 2凿岩碉室底板3.564.8637 3掏槽区底板0.970.981 4水平方向30 m1.852.0110 5水平方向60 m0.921.1629 6水平方向90 m0.7 30.8416 7水平方向120 m0.450.5523 4结论 通过邻近爆破对碉室稳定性影响的分析和研 究,可以得出以下结论 1 结合某铁矿工程地质参数和现场爆破振动 的监测数据，通过对地表的垂向振动监测数据和数 值模拟计算波形的峰值进行对比分析，两者具有较 好的一致性，表明该数值模型具有实用性和可行性, 可用于模拟和预测不同的爆破参数和爆破条件下嗣 室的稳定性。 2 分析了爆破振动对凿岩碉室的顶底板、掏 槽区底板的平均有效应力和垂向振动速度对其稳定 性的影响以及爆炸应力在水平巷道围岩中有效应力 衰减情况。 3 通过分析爆破时不同的单段最大药量情况 下爆破振动对嗣室及巷道围岩稳定性的影响规律, 得到了生产爆破中要控制单段最大药量值，以此来 减少对覆岩及采场的稳定性的影响。研究结果证实 在把单段最大药量增加一倍时，凿岩碉室和上方覆 岩的振动以及有效应力较大，而在炮孔侧方的振动 和有效应力较小。 以上研究成果为评价和预测爆破振动对覆岩和 采场周围的稳定性提供了方法。 参考文献参考文献References [1 ] YAN Cha n g-bin,XU Guo -y ua n ,ZUO Yu-jun . 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