大冶铁矿爆破开采巷道围岩累积损伤规律研究.pdf

第3 0 卷第3 期 爆破 V o l 3 0 N o ．3 2 0 1 3 年9 月 B L A S T I N GS e p ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 0 3 大冶铁矿爆破开采巷道围岩 累积损伤规律研究木 孙金山1 , 2 ，周传波2 ，郑晓硕2 ，卢文波1 ，陈明1 ，周创兵1 1 ．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉4 3 0 0 7 2 ；2 ．中国地质大学工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 摘要大冶铁矿东采场采用无底柱分段崩落法开采，频繁的中深孔爆破作业产生的爆破振动不可避免地 对巷道围岩产生累积损伤，甚至诱发岩体的失稳破坏。结合大冶铁矿地下开采的生产实际，对其爆破开采所 产生的爆破振动进行了监测。并对巷道围岩在爆破振动作用下的损伤累积规律进行了分析。试验数据表明， 在单响药量和爆心距变化不大的情况下，随着爆破次数的增加，爆破振动的损伤逐步累积，损伤参数呈对数 函数趋势增加。因此，尽管每次爆破诱发的爆破振动都低于爆破安全规程的控制标准，但爆破振动对围 岩的损伤会不断的累积，不断使岩体的性能劣化，因而应视实际情况在爆破开采至一定次数后对巷道围岩进 行检查和加固。以确保生产的安全。 关键词爆破损伤；超声波检测；巷道 中图分类号T D 2 3 5 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 3 0 0 1 0 0 5 S t u d yo nC u m u l a t i v eD a m a g eL a wo fR o c kM a s s u n d e rB l a s t i n gL o a d i n gi nD a y eI r o nM i n e S U NJ i n s h a n l ”，Z H O UC h u a n b 0 2 ，Z H E NX i a o s h u 0 2 ，L UW e n ．b 0 1 ，C H E N 施昭1 ，Z H O UC h u a n g b i n 9 1 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，W u h a nU n i v e r s i t y ， W u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h i n a ；2 ．F a c u l t yo fE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； A b s t r a c t T h es u b l e v e lc a v i n gm i n i n gm e t h o di su s e di nD a y eI r o nM i n e ．T h eb l a s t i n gv i b r a t i o ni n d u c e db yt h e r e c u r r e n td e e ph o l eb l a s t i n gw i l lp r o d u c ec u m u l a t i v ed a m a g et os u r r o u n d i n gr o c km a s so fu n d e r g r o u n ds p a c e ，a n de - v e ni n d u c er o c km a s sf r a c t u r eo ri n s t a b i l i t y ．A c c o r d i n gt ot h ea c t u a lu n d e r g r o u n dm i n i n gp r o d u c t i o no fD a y eI r o n M i n e ，t h eb l a s t i n gv i b r a t i o nW a sm o n i t o r e d ，a n dt h eb l a s t i n gv i b r a t i o nd a m a g ea c c u m u l a t i o nl a wi nt h es u r r o u n d i n g r o c kW a sa n a l y z e d ．W i t ht h es i m i l a rb l a s t i n gc h a r g ea n dd i s t a n c e ，t h eb l a s t i n gv i b r a t i o nd a m a g eg r a d u a l l yc u m u l a t i v e w h e nt h eb l a s t i n gt i m e si n c r e a s i n g ．T h ed a m a g ep a r a m e t e rDW a sal o g a r i t h m i cf u n c t i o no fb l a s t i n gt i m e s ．T h u s ，a l - t h o u g he a c hb l a s t i n gv i b r a t i o nW a sb e l o wt h ec o n t r o ls t a n d a r d so fB l a s t i n gS a f e t yR e g u l a t i o n s ，t h eb l a s t i n gv i b r a t i o n d a m a g et ot h es u r r o u n d i n gr o c km 8 ss t i l la c c u m u l a t e da n df r a c t u r e d t h er o c km a s s ．T h e r e f o r e ，t oe n s u r et h es a f e t y o fp r o d u c t i o n ，t h es u r r o u n d i n gr o c km a s ss h o u l db ec h e c k e do rr e i n f o r c e da f t e rac e r t a i nb l a s t i n gt i m e s ． K e yw o r d s b l a s t i n gd a m a g e ；s u p e r s o n i ct e s t ；t u n n e l 收稿日期2 0 1 3 0 4 2 3 作者简介孙金山 1 9 8 0 一 ，男，山东潍坊人，博士、副教授，主要从 事地下工程与工程爆破方面的教学与研究， E m a i l s u n 9 9 0 0 1 1 2 6 ．c o n l 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 1 1 0 2 1 9 6 ；水资源与水电 工程科学国家重点实验室开放研究基金资助项目；岩土 钻掘与防护教育部工程研究中心开放研究基金资助项目 爆破开挖作业会造成岩体的损伤，使岩体的完 整性劣化。而爆破损伤区内的岩体，在频繁的爆破 荷载作用下将产生损伤的累积，岩体逐渐从微扰动 状态向强烈扰动状态过渡，最终可能对岩体的整体 稳定性产生较严重的影响J 。随着我国对矿产资 源需求量的E t 益增加，国内矿山企业不断提高产能。 万方数据 第3 0 卷第3 期孙金山，周传波，郑晓硕，等大冶铁矿爆破开采巷道围岩累积损伤规律研究 1 1 在地下金属矿山中，目前仍多采用爆破方式进行开 采，而且为了提高其生成效率，往往在传统回采工艺 基础上通过增大爆破量或爆破频率的方式提高产 能。然而，高强度的开采爆破使回采巷道的损伤加 剧，对围岩稳定造成不利的影响。为此，针对大冶铁 矿爆破开采过程中的巷道围岩稳定性问题，研究爆 破振动对巷道围岩的累积损伤规律，具有重要的实 际意义。 大冶铁矿东采场采用无底柱分段崩落法，采用 密集炮孔、大装药量的中深孔爆破落矿，高强度的生 产所诱发的爆破振动对回采巷道围岩体造成了一定 程度的损伤和破坏，使巷道边墙出现裂缝、拱顶出现 落石，回采巷道坍塌废弃的问题时有发生旧J 。为研 究爆破振动的损伤效应和控制措施，通过现场试验 测试的方法对大冶铁矿巷道的爆破的累积效应进行 了研究。 岩体损伤的波速评价方法 天然岩体是内部含有节理、裂隙的微孔洞等缺 陷的介质，弹性波传播过程中将受到这些缺陷的影 响，使其传播速度低于完整的岩块。工程人员利用 这种现象研发了采用超声波测试评价岩体完整性的 技术。 爆破开挖作业过程中，爆炸荷载将产生应力波， 应力波在岩体中传播时与节理、裂隙和微孔洞等缺 陷相互作用后，应力波将逐渐衰减，而微缺陷则可能 产生拉裂、剪切滑移而发生扩展或贯通，最终岩体质 量发生劣化，进而使岩体的声波传播速度降低∞圳。 多次爆破作用下，岩体的微缺陷将不断扩展和贯通， 其声波速度也就随爆破次数的增加而逐渐降低。因 此，采用声波传播速度测试的方法研究岩体的爆破 效应具有很好的可操作性。 2 现场监测方案 现场试验地点选择大冶铁矿东采场的地下采场 一8 4n 1 分段水平2 3 、2 6 及3 0 回采巷道内，该区 爆破规模大，爆破作业频繁，岩体损伤较严重。测点 S C l 、S C 2 和S c 3 的具体位置如图1 所示。 在进行岩体的声波测试的同时，进行爆破振动 的跟踪监测，采用U B O X 一1 爆破震动测试仪，测点布 置在S C l 、S C 2 和S C 3 处巷道断面的靠近边墙的底 板上。 在爆破后，对各测点的巷道岩体进行声波速度 检测。声波测试采用R S M ．S Y 5 声波仪跨孔测试。 每测点布置3 个声波测试孔，钻孔位于巷道边墙上， 与边墙近乎垂直，孔距0 ．6m ，孔深3m ，孔径 4 5m m ，钻孔水平下倾1 0 。，三孔连线呈直角三角形。 图I现场测试点布置示意图 F i g ．1 T h et e s | p o i n t sl a ．r o u t 3 爆破振动累积损伤效应分析 3 ．1 爆破振动特征 地下开采无底柱分段崩落法方案中，阶段高度 6 0m ，分段高度1 2m 。采用中深孔爆破，扇形炮孔， 排距1 ．6m ，孔距2 ．5m ，每排9 ～1 0 个孔，炮孔直径 8 0m m 。现场实验期间，爆破的最大单响段药量一 般在2 1 0 2 7 5k g 左右，各测点平均距离5 5m 。 爆破振动的现场监测数据 7 次爆破 表明， S C l 点处的竖直和水平方向 正对爆源 爆破振动 平均峰值速度分别2 ．3c m ／s 和2 ．7c m ／s ；S C 2 点处 的竖直和水平方向爆破振动平均峰值速度分别 3 ．9c m ／s 和4 ．2c m ／s ；S C 3 点处的竖直和水平方向 爆破振动平均峰值速度分别6 ．0c m ／s 和5 ．7c m ／s 各点监测数据如图2 、图3 所示 。水平方向爆破 振动主约为4 5H z 和7 5H z ，垂直方向爆破振动主频 率约5 0H z 。 l2j456， 爆破次数 图2 竖直方向爆破振动峰值速度 F i g ．2 T h eP P Vo fv e r t i c a lb l a s t i n gv i b r a t i o n 测试数据表明，3 个测试点处的爆破振动速度 均小于爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 2 的最低控 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 一，。．I喜巡瑙趔髫蒋辎哑蹈 万方数据 1 2爆破2 0 1 3 年9 月 制标准1 5c m ／s 。 l234567 爆破次数 图3 水平方向爆破振动峰值速度 F i g ．3 T h eP P Vo fh o r i z o n t a lb l a s t i n gv i b r a t i o n 3 ．2 爆破振动作用下岩体波速变化特征 受到现场试验条件限制，剔除声波测试错误数 据后，共获得6 次爆破后的声波测试结果，爆破次数 分别为第1 、2 、3 、5 、6 、2 5 次。由于受声波测试方法 的限制，孑L 口附近岩体的声波速度未测得，检测结果 均是孔深0 ．6m 以上的数据。 试验数据显示 如图4 所示 ，巷道围岩中不同 孑L 深处的岩体声波速度降低率随爆破次数的变化呈 现不同的规律。在声波检测孔的孔口附近，岩体的 声波速度降低率较高，随着孔深的增大岩体的声波 速度降低率呈线性趋势降低。这说明岩体的初始损 伤程度和应力状态对岩体声波速度降低率具有显著 的影响，即巷道洞壁附近的岩体受爆破损伤和开挖 卸荷作用影响较强烈，其完整性较差，而深部的围岩 受爆破和卸荷作用相对较弱，其完整性相对较好。 完整性较差的岩体对爆破振动的损伤扰动作用更为 敏感，其波速降低率较高。 3 ．3 爆破振动作用下岩体的损伤累积规律 岩体损伤是爆破作用下岩体劣化的过程，其弹 性模量将随之降低，表征岩体损伤程度的损伤系数 可用下式表示H ’6 1 D l 一 1 一田 2 1 式中，叼为岩体波速在爆破前后的变化率。 依据国家规范，当取爆破前后声波速度变化率 叼为1 0 ％作为岩体损伤的临界值时，其对应的岩体 损伤系数为D 。H 0 ．1 9 。 以初次爆破前的岩体声波测试数据作为基准数 据，根据式 1 将每次测试得到的声波数据计算岩 体的损伤系数，进行岩体的损伤程度及其累积发展 规律的分析。 试验数据统计结果显示 如图5 所示 ，在单响 药量和爆心距变化不大的情况下，S C l 、S C 2 和S C 3 测点上不同孔深处的岩体随爆破次数的增加，其波 速降低率 岩体声波速度降低量／爆破前声波速度 呈现出较好的规律性。随着爆破次数的增加，岩体 的波速降低率逐渐增大，并呈对数函数趋势增加，该 函数的通式可表示为 D A I nN B 2 式中Ⅳ为爆破扰动次数；A 、日为常数。 器 糌 妊 邀 魁 制 楚 诅 尜 薄 坚 遵 憾 瑙 蜊 韫 尜 湃 啦 逝 魁 蚓 超 诅 0 ．40 ．91 ．41 ．92 ．4 孔深／m a S C I 测点 0 ．40 ．91 ．41 ．92 ．4 孔深／m b S C 2 测点 U4o ．91 ．d1 ．92 ．4 孔深／m c S c 3 测点 图4 岩体波速降低率随孔深的变化 F i g ．4 T h ea c o u s t i cv e l o c i t yd e c r e a s i n gr a t eo fr o c k 1 3 t i a s , sV St h eh o l ed e p t h 这表明随着爆破次数的增加，巷道围岩逐步发 生松动劣化，损伤逐步累积。损伤量呈现非线性趋 4 2 0 8 6 4 2 0 一，s．o。一＼越制理省臀烬蜓 万方数据 第3 0 卷第3 期 孙金山，周传波，郑晓硕，等大冶铁矿爆破开采巷道围岩累积损伤规律研究 1 3 势增长，即初始阶段爆破对岩体的损伤较强，岩体的 波速降低量较大，后期随着爆破次数的增加 2 5 次 以内 ，每次爆破造成的损伤增量基本保持不变，损 伤总量则呈线性趋势增长。该规律与闫长斌等人的 研究得到的规律略有差别‘7 | 。 O ．3 5 0 ．3 QO ．2 5 暴 垛02 鞲0 ．1 5 - 辱 旗0 ．1 O ．0 5 0 O ．3 5 O ．3 曩m 2 5 垛O ．2 毫 鞲0 ．1 5 * 非0 ．1 0 ．0 5 D 0 ．3 0 ．2 5 Q0 ．2 籁 篓o ．1 5 疆 缝0 ．1 j k O ．0 5 l O2 0 爆破次数 a S C l 测点 1 02 0 爆破次数 b S C 2 测点 0 1 02 0 3 0 爆破次数 e S C 3 测点 图5 岩体爆破损伤系数随爆破次数的变化 F i g ．5 T h eb l a s t i n gd a m a g ep a r a m e t e rV St h eb l a s t i n gt i m e s 统计结果表明 如图6 所示 ，表征岩体损伤程 度的损伤系数D 随着爆破次数的增加也逐渐增大， 并且洞壁附近岩体受爆破扰动的影响较大，爆破振 动损伤累积效应较显著。从各测点的损伤程度看， 各点在爆破次数低于5 次时，其损伤系数小于0 ．1 9 ， 爆破对岩体的损伤影响较小。当爆破次数进一步增 多时，在洞壁附近岩体的损伤将超过0 ．1 9 ，当爆破 次数达到2 5 次时，巷道开挖轮廓线以外1 ．7m 深度 的岩体都将超过损伤阈值 O _ 3 5 O ．3 0 ．2 5 妊0 ．2 篓o ．1 5 薯o ．1 j 阻00 5 0 岛 巅 垛 S 罨 蛙 j 恕 040 ．9 1 ．41 ．92 ．4 孔深，m a S C l 测点 暴0 ‘ 垂o ． 隶0 ．O b S C 2 测点 41 ．9 2 ．4 孔深／m t 1 5 C 3 ；则点 图6 岩体爆破损伤系数随孔深的变化 F i g ．6 T h eb l a s t i n gd a m a g ep a r a m e t e rV St h eh o l ed e p t h 考虑巷道围岩中不同区域的岩体损伤程度是不 同的，且声波检测还存在误差大的缺点，因而仅根据 某一深度的岩体损伤程度对围岩的整体损伤进行评 价存在操作性差的困难，因此对围岩的损伤进行加 权平均，以估计巷道围岩的总体损伤程度，即某一区 万方数据 1 4爆破 2 0 1 3 年9 月 域的巷道围岩的总体损伤参数可表示为 ∑D i K D 。 兰『_ 一 3 ∑K i I 式中D 。为岩体的平均损伤系数；D i 为围岩中i 点 的损伤系数；K 为i 点处岩体体积。 对S 0 1 、S C 2 和S C 3 测点处不同深度围岩的总 体损伤参数计算表明，围岩的总体损伤同样随爆破 次数的增加呈对数函数趋势增大，且在1 8 ～2 0 次爆 破后S C l 和S C 2 处的损伤值将超过规范规定的损 伤阈值0 ．1 9 ，而S C 3 点的损伤仍在小于损伤阈值。 见图7 。 O ．2 5 0 ．2 岛 羚1 5 豁 垂 求 O ．0 5 0 爆破扰动次数 图73 测点的岩体爆破损伤系数岩体波速 降低率随孔深爆破次数的变化 F i g ．7 T h eb l a s t i n gd a m a g ep a r a m e t e rV St h e b l a s t i n gt i m e si n3t e s tp o i n t s 综上所述，大冶铁矿东采场在现有爆破开采参 数下，尽管每次爆破在S C l 、S C 2 和S C 3 点巷道围岩 中诱发的爆破振动都低于爆破安全规程的控制标 准，但爆破振动对围岩的损伤会不断的累积，最终可 能会超过岩体的损伤阈值，因而使岩体的性能劣化， 导致坍塌、落石等地质灾害的发生，因此应视实际情 况在爆破开采至一定次数后对巷道围岩进行检查，清 除危石或进行适当的加固，以确保生产的安全。 4 结论 1 针对大冶铁矿东采场的现场生产实际情 况，对其爆破开采所产生的爆破振动进行了监测和 分析。试验数据表明，在单响药量为2 5 0k g ，爆心距 为5 5m 左右时，巷道围岩中的爆破振动速度均低于 爆破安全规程的控制标准。 2 地下爆破开采诱发的爆破振动对巷道围岩 产生显著的损伤，使其声波速度不断降低，且洞壁表 层岩体的波速降低明显，深部岩体波速降低程度相 对较低，表明偏应力较大的软弱围岩受爆破振动的 损伤更为显著。 3 随着爆破次数的增加，损伤参数呈对数函 数趋势增加，即初始阶段爆破对岩体的损伤较强，岩 体的波速降低量较大，后期随着爆破次数的增加，每 次爆破造成的损伤增量基本保持不变，损伤总量则 呈线性趋势增长。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 李海波，蒋会军，，赵坚，等．动荷载作用下岩体工程 安全的几个问题[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 8 7 ．1 8 9 1 ． [ 1 ] L IH a i b o ，J n N GH u i - 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3 4 1 ． i nC h i n e s e [ 5 ]李造鼎．岩体测试技术[ M ] ．北京冶金工业出版 社．1 9 9 3 ． [ 6 ]高文学，刘运通．爆炸荷载下岩石损伤机理及其力学 特性研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 3 ，2 4 S 1 5 8 5 - 5 8 8 ． [ 6 ] G A Ow e n - x u e ，L I UY u n t o n g ．D a m a g em e c h a n i s ma n d m e c h a n i c a lb e h a v i o r so fr o c ku n d e re x p l o s i o nl o a d i n g [ J ] ． R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ，2 0 0 3 ，2 4 S 1 5 8 5 - 5 8 8 i n C h i n e s e [ 7 ]闫长斌，徐国元，杨飞．爆破动荷载作用下围岩累 积损伤效应声波测试研究[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 7 ， 2 9 1 8 8 - 9 3 ． [ 7 ] Y A NC h a n g - b i n ，X UG u o - y u a n ，Y A N GF e i ．M e a s u r e - m e n to fs o u n dw a v e st os t u d yc u m u l a t i v ed a l n a g ee f f e c to n s u r r o u n d i n gr o c ku n d e rb l a s t i n gl o a d [ J ] ．J o u r a n lo fR o c k a n dS o i lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 9 1 8 8 - 9 3 ． i nC h i - n e s e 万方数据