爆破荷載下噴錨支護(hù)動(dòng)載響應(yīng)的數(shù)值分析

黃 東，謝學(xué)斌，黃曉陽(yáng)(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

爆破荷載下噴錨支護(hù)動(dòng)載響應(yīng)的數(shù)值分析

Numerical analysis of response to dynamic loads of shotcrete and bolt support under blasting loads

黃 東，謝學(xué)斌，黃曉陽(yáng)(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

噴錨支護(hù)廣泛應(yīng)用于采礦巷道支護(hù)、交通隧道支護(hù)、地下硐室加固等工程中。利用顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA，對(duì)微差爆破作用下噴錨支護(hù)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析，比較了4種不同爆破方案下混凝土支護(hù)的受力與振動(dòng)特性以及錨桿軸力的變化特點(diǎn)。結(jié)果表明：采用25ms的延期時(shí)間，微差爆破能夠有效減弱爆炸應(yīng)力的破壞效應(yīng)；當(dāng)爆炸應(yīng)力作用在拱頂時(shí)，錨桿安裝角越低，所受軸向應(yīng)力越?。幌锏拦绊斿^桿交替承受拉壓應(yīng)力，水平錨桿主要承受拉應(yīng)力。將數(shù)值模擬結(jié)果與冬瓜山銅礦現(xiàn)場(chǎng)情況相結(jié)合，提出了巷道支護(hù)的修改方案。

噴錨支護(hù)；微差爆破；爆炸應(yīng)力；動(dòng)載響應(yīng)

1 前言

在深井采礦中，出礦巷道的穩(wěn)定性對(duì)于提高生產(chǎn)效率和保證人員安全有重要意義。巷道支護(hù)中，噴錨支護(hù)具有施工簡(jiǎn)單、支護(hù)效果好和支護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用十分廣泛的主動(dòng)支護(hù)方式。通過(guò)國(guó)內(nèi)外人員所做的理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬等研究[1～3]，噴錨支護(hù)的工藝得到不斷地改進(jìn)與完善。但這些研究大都是基于靜態(tài)條件的。在實(shí)際工程中，出礦巷道經(jīng)常會(huì)受到爆破、地震、巖爆等動(dòng)載的影響，但對(duì)于噴錨支護(hù)的動(dòng)載響應(yīng)研究卻較少。薛亞?wèn)|等[4]采用FLAC軟件，對(duì)回采巷道錨桿支護(hù)進(jìn)行了地震動(dòng)載模擬分析，指出動(dòng)載巷道錨桿支護(hù)應(yīng)采用端錨或加長(zhǎng)端錨。楊志友[5]通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，對(duì)錨桿加固圍巖進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析，得到錨桿間距與錨桿安裝角等支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖加固效果的影響。王承樹(shù)[6]通過(guò)大量的爆炸試驗(yàn)，研究了爆炸荷載作用下坑道噴錨支護(hù)的破壞形態(tài)。易長(zhǎng)平[7]應(yīng)用波函數(shù)展開(kāi)法，研究了爆破地震波與砂漿錨桿的相互作用機(jī)理，推導(dǎo)了動(dòng)荷載下錨桿、砂漿以及圍巖的應(yīng)力和位移的表達(dá)式，確定了不同爆炸荷載下砂漿的安全振速范圍。

在巷道掘進(jìn)中，大空孔直眼掏槽應(yīng)用廣泛，為提高空孔的作用，裝藥要采用微差起爆。同時(shí)，微差起爆使爆破荷載的能量在時(shí)間上和空間上分散[8]，能很好地削弱爆破荷載強(qiáng)度，降低爆破作業(yè)對(duì)鄰近巷道穩(wěn)定性的影響。對(duì)微差爆破作用下的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析有較好的工程意義，但目前這方面的研究還很少。

本文針對(duì)出礦巷道，采用顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA，模擬了上部出礦穿脈開(kāi)挖時(shí)的爆破作業(yè)對(duì)下部出礦巷道噴錨支護(hù)的影響，研究了不同掏槽方案下噴錨支護(hù)的受力與振動(dòng)情況，為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 建立模型

本文的數(shù)值模擬以銅陵冬瓜山銅礦井下巷道為原型。首采地段50～58線采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法，以盤(pán)區(qū)為回采單元組織生產(chǎn)，在隔離礦柱內(nèi)布置出礦水平穿脈。出礦穿脈的掘進(jìn)采用微差爆破，其圍巖主要為含銅蛇紋石和粉砂巖。力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，蛇紋石抗壓強(qiáng)度R約為131MPa，巖石堅(jiān)固性系數(shù)為13.1，粉砂巖抗壓強(qiáng)度R約為187MPa，巖石堅(jiān)固性系數(shù)為18.7。井巷掘進(jìn)斷面S=16.51m2，工作面無(wú)瓦斯。爆破布孔與裝藥見(jiàn)圖1和表1所示。

圖1 出礦穿脈巷道光面爆破布孔圖

表1 出礦巷道光面爆破裝藥

巷道掘進(jìn)中，掏槽眼裝藥多，自由面少，產(chǎn)生的爆破振動(dòng)最劇烈。1、2、3號(hào)掏槽炮孔直徑42mm，單孔藥量2.25kg，本測(cè)試中取掏槽孔部分進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其引爆后下方出礦巷道的支護(hù)動(dòng)載響應(yīng)。

掘進(jìn)施工巷道下方有支護(hù)好的出礦巷道，出礦巷道圍巖主要為粉砂巖、矽卡巖、石英閃長(zhǎng)巖等，巖性堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度高。巷道斷面為三心拱，大小為4.5m×3.75m，采用錨桿、錨網(wǎng)與噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，噴射混凝土為干噴法，混凝土強(qiáng)度C20，噴射厚度80mm。錨桿為全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿，長(zhǎng)度1.8m。

計(jì)算模型見(jiàn)圖2，計(jì)算范圍為50m×42m，為減少計(jì)算單元數(shù)，計(jì)算厚度取3m，將模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型。為避免自由邊界反射的應(yīng)力波對(duì)模型產(chǎn)生干擾，模型的四周設(shè)置為無(wú)反射邊界。本文主要研究噴錨支護(hù)在爆破荷載下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，忽略地應(yīng)力的影響。

圖2 巷道模型示意圖

2.2 材料模型的選取

未擾動(dòng)巖體與松動(dòng)圍巖主要是粉砂巖，選用PLASTIC_KINEMATIC材料，噴射混凝土選用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料，錨桿選用BEAM161單元，材料參數(shù)見(jiàn)表2。其中 ρ1、G 、Fc、T分別為混凝土的密度、剪切模量、單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度；ρ2、E 、μ、fyk分別為錨桿的密度、彈性模量、泊松比和屈服應(yīng)力。

表2 混凝土與錨桿材料參數(shù)

炮孔裝藥為二號(hào)巖石炸藥，用HIGH_EXPLOSIVE_BURN炸藥材料，JWL狀態(tài)方程為：

式中:P、R2E、V分別指爆轟產(chǎn)物的壓力、內(nèi)能和體積，A、B 、R1、、ω為輸入?yún)?shù)，取值見(jiàn)表3。其中 ρ3、D、PCJ分別為二號(hào)巖石炸藥的密度、爆壓、爆速。

表3 二號(hào)巖石炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)取值

2.3 模擬方案

微差時(shí)間的選取是微差爆破的關(guān)鍵。微差爆破中，先爆孔必須在微差時(shí)間內(nèi)破碎抵抗線內(nèi)的巖石，為后續(xù)炮孔創(chuàng)造自由面，才能保證爆破成功。以產(chǎn)生新的自由面為原則，按照經(jīng)驗(yàn)公式確定微差時(shí)間[9]：

式中:k1、k2——系數(shù)，k1=1.2～2.0，k2＝9（a-0.18）；

a——炸藥與巖石的波阻抗比值；

Q——藥量，kg；

s——爆區(qū)巖塊與原巖脫離距離，一般取s=0.1m；

v——巖塊移動(dòng)平均速度，v=2～5m/s。

根據(jù)上式計(jì)算，同時(shí)考慮到毫秒雷管段別的限制，微差時(shí)間一般取為25ms或50ms。

經(jīng)過(guò)分析，確定數(shù)值模擬中爆破的4種方案。方案一：為研究空孔在爆破降震中的作用，模擬無(wú)空孔，3個(gè)炮孔無(wú)延時(shí)情況。方案二：設(shè)置空孔，3個(gè)炮孔無(wú)延時(shí)。方案三：設(shè)置空孔，1、2號(hào)炮孔無(wú)延時(shí)，3號(hào)炮孔延時(shí)25ms。方案四：設(shè)置空孔，1、2號(hào)炮孔無(wú)延時(shí)，3號(hào)炮孔延時(shí)50ms。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 爆破動(dòng)載對(duì)混凝土支護(hù)的影響

爆破荷載下巖石與混凝土的破壞過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多軸損傷過(guò)程。用有效應(yīng)力準(zhǔn)則，可以簡(jiǎn)單有效地將多軸應(yīng)力響應(yīng)過(guò)程轉(zhuǎn)換為單軸應(yīng)力過(guò)程[11]。根據(jù)上述確定的4種模擬方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，經(jīng)軟件處理后得出爆破后混凝土襯砌的有效應(yīng)力值，分析其損傷情況。4種方案對(duì)應(yīng)的最大有效應(yīng)力值見(jiàn)圖3所示。

圖3 不同方案時(shí)混凝土支護(hù)的最大有效應(yīng)力值

在爆破振動(dòng)分析中，質(zhì)點(diǎn)振速法是實(shí)際工程中最常用的控制標(biāo)準(zhǔn)。炮孔爆炸后，爆破作用產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播到巷道周邊，產(chǎn)生多重反射與繞射，引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的大小與質(zhì)點(diǎn)所受應(yīng)力成正比。數(shù)值計(jì)算得4種方案對(duì)應(yīng)的混凝土襯砌最大質(zhì)點(diǎn)振速見(jiàn)圖4所示。

分析圖3、4，兩條曲線總體上都呈下降趨勢(shì)，可知混凝土支護(hù)的破壞程度為：方案一＞方案二＞方案三＞方案四。方案一中，最大有效應(yīng)力為5.26MPa，質(zhì)點(diǎn)最大振速為81.16cm/s。與方案一相比，方案二的有效應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)振速有明顯降低，為4.97MPa、71.15cm/s，大空孔在提供掏槽自由面的同時(shí)能有效降低爆破振動(dòng)，減低爆破荷載對(duì)混凝土的破壞。方案三采用微差爆破，3號(hào)炮孔延期時(shí)間為25ms，對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)振速有較大減小，為3.85MPa、51.19cm/s。方案四中，3號(hào)炮孔延時(shí)50ms，對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)振速略有減小，為3.27MPa、47.06cm/s。

圖4 不同方案時(shí)混凝土支護(hù)的最大質(zhì)點(diǎn)振速

我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)[12]規(guī)定，礦山巷道的安全允許振速為15～30cm/s。數(shù)值模擬中4個(gè)方案的最大質(zhì)點(diǎn)振速均高于該規(guī)程中規(guī)定振速，說(shuō)明在實(shí)際工程中，應(yīng)進(jìn)一步采取措施降低爆破振動(dòng)，同時(shí)建議修改支護(hù)參數(shù)，提高巷道支護(hù)的抗震能力。

3.2 爆破動(dòng)載對(duì)錨桿的影響

由數(shù)值分析求出錨桿單元的最大軸力與最小軸力，得出不同方案下的錨桿最大拉力與最大壓力值，見(jiàn)圖5所示。

圖5 不同方案時(shí)錨桿最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力

為研究不同安裝角的錨桿的受力情況，取4、5、6、7號(hào)錨桿的中間單元#6267、#6275、#6283、#6291號(hào)單元，見(jiàn)圖6。方案三時(shí)，這些單元軸力—時(shí)程曲線見(jiàn)圖7所示。分析圖5，方案一與方案二時(shí)，錨桿所受壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力，方案三與方案四時(shí)拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力。當(dāng)單響藥量減少時(shí)，錨桿所受的最大壓應(yīng)力下降較快，所受最大拉應(yīng)力下降較少。錨桿為直徑22mm二級(jí)鋼筋，能夠承受的最大軸力為127.3kN。在本文模擬的爆破動(dòng)荷載下，錨桿不會(huì)發(fā)生徑向屈服。

圖6 錨桿單元分布示意圖

圖7單元軸力—時(shí)程曲線中，正值表示錨桿受軸向拉應(yīng)力，負(fù)值表示錨桿受軸向壓應(yīng)力。以錨桿與水平方向的夾角作為錨桿安裝角，錨桿4、5、6、7的安裝角分別是90°、60°、30°、0°。1、2號(hào)炮孔爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波約經(jīng)過(guò)0.005秒后傳播至錨桿，圖中4個(gè)錨桿單元中#6267單元最先受到瞬時(shí)的壓力作用，隨后應(yīng)力波被拱頂反射，生成拉伸波，錨桿單元受到拉應(yīng)力。應(yīng)力波在巷道直墻處發(fā)上繞射，使安裝角為0°的#6291單元軸向主要處于被拉伸狀態(tài)。對(duì)比不同安裝角錨桿單元的軸力—時(shí)程曲線可知，隨著安裝角的減小，錨桿單元受到的軸力逐漸變小。3號(hào)炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波約經(jīng)過(guò)0.030秒后傳播至錨桿，由于單響藥量的降低，后一次應(yīng)力波對(duì)錨桿的作用遠(yuǎn)小于前一次。

楊自友[13]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，研究了爆炸波作用下錨桿的力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)比分析可知，本文數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[13]的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本文的數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

4 巷道破壞現(xiàn)狀與支護(hù)方案修改

4.1 巷道破壞現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，在爆破荷載下，目前冬瓜山銅礦出礦巷道支護(hù)的破壞狀況如圖8所示，具體破壞形式有以下幾種。

（1）噴射混凝土層掉皮、剝落。噴射混凝土與圍巖之間的粘結(jié)力遠(yuǎn)低于噴射混凝土與圍巖自身的強(qiáng)度。當(dāng)噴射混凝土層很薄或強(qiáng)度較低時(shí)，爆破震動(dòng)和圍巖變形很容易使巷道掉皮或剝落。

（2）噴層開(kāi)裂。混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)混凝土噴層不密實(shí)或者不均勻時(shí)會(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，混凝土受到局部彎曲張拉作用，導(dǎo)致出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

（3）錨桿錨固力下降。錨桿桿體未垂直穿過(guò)巖層，鋼筋與水泥砂漿接觸面破壞或圍巖與水泥砂漿接觸面破壞均會(huì)導(dǎo)致錨桿達(dá)不到應(yīng)有的錨固力。

（4）部分錨網(wǎng)與圍巖接觸不夠緊密。

圖7 方案三時(shí)不同錨桿單元軸力—時(shí)程曲線

圖8 冬瓜山銅礦出礦巷道支護(hù)的破壞狀況

4.2 支護(hù)方案修改

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的巷道破壞情況，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，提出巷道支護(hù)的修改方案。

（1）現(xiàn)場(chǎng)巷道的掘進(jìn)與支護(hù)施工基本上分成兩個(gè)獨(dú)立的部分，由不同的施工隊(duì)完成，支護(hù)工序嚴(yán)重滯后于掘進(jìn)工序，使得圍巖嚴(yán)重變形后才得到支護(hù)，不能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，不符合新奧法理論的施工原則，導(dǎo)致巷道支護(hù)效果較差。建議支護(hù)施工時(shí)施工隊(duì)間相互協(xié)調(diào)，盡量做到邊開(kāi)挖邊支護(hù)，做到及時(shí)支護(hù)。

（2）目前冬瓜山銅礦噴射混凝土施工都是采用干式噴射方法，混凝土回彈量達(dá)35%～45%，大量粗骨料被回彈，降低了噴射混凝土的強(qiáng)度。建議改用濕噴法進(jìn)行噴射混凝土施工。濕噴法的基本原理是將攪拌好的混凝土送入濕式噴射機(jī)，用壓縮空氣在噴嘴處與從計(jì)量泵壓到噴嘴的霧化速凝劑混合，形成料束，噴到受噴面。

與干噴法相比，濕噴法有以下優(yōu)越性：濕噴法的配合比易于控制，能夠較好地保證混凝土噴層的強(qiáng)度；回彈率低，一般在15%左右，因此濕噴的生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益高；施工時(shí)粉塵濃度低，工作環(huán)境相對(duì)較好。預(yù)期改用濕噴法后，混凝土噴層的強(qiáng)度得到提高，巷道的支護(hù)效果將得到較大改善。

（3）加大噴射混凝土厚度至120mm。在爆破震動(dòng)下，噴射混凝土層過(guò)薄會(huì)造成掉皮與剝落。當(dāng)錨網(wǎng)不能夠承受集中應(yīng)力時(shí)，就可能出現(xiàn)圖8所示的破壞情況。

（4）控制錨桿的注漿質(zhì)量，嚴(yán)格按照水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4的配合比配置水泥砂漿，保證錨桿與水泥砂漿、巖石與水泥砂漿之間有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)微差爆破下出礦巷道的噴錨支護(hù)進(jìn)行動(dòng)載響應(yīng)分析，比較了不同微差爆破方案時(shí)混凝土襯砌的受力特點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)規(guī)律，以及錨桿的軸力變化情況，得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)比方案一與方案二，直眼掏槽中，設(shè)置大空孔增加自由面可以改善掏槽效果，同時(shí)，更多的臨空面可以減小圍巖的夾制作用造成的爆破振動(dòng)，減小爆炸荷載對(duì)已支護(hù)好的巷道的破壞。

（2）在雷管延期時(shí)間準(zhǔn)確的前提下，25ms的延期時(shí)間足以使爆炸應(yīng)力的破壞效應(yīng)得到較大減弱，更多的延期時(shí)間對(duì)減小爆破振動(dòng)的效果不明顯。

（3）在微差爆破中，降低單響藥量能夠有效地減小爆破振動(dòng)與爆炸荷載的破壞效應(yīng)。

（4）不同安裝角的錨桿受力不同。安裝角小的錨桿，所受的軸力小。拱頂錨桿受到拉、壓應(yīng)力的交替作用，直墻部位錨桿主要受到拉應(yīng)力。

數(shù)值模擬得到了巷道支護(hù)在爆破荷載下的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合冬瓜山銅礦出礦巷道破壞現(xiàn)狀，提出了巷道支護(hù)的修改方案，具有工程實(shí)用價(jià)值，能夠?yàn)槠渌V山的巷道掘進(jìn)與支護(hù)工程提供參考。

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TD350.1

A

2010-05-23

2010-06-01

黃 東（1976-），男，湖南岳陽(yáng)人，在讀碩士，主要從事巖土工程勘察及設(shè)計(jì)工作。

Abstract:The shotcrete-bolt support is widely used in mine roadway support,traffic tunnel support,reinforcement of underground excavation.The dynamic mechanical properties of shotcrete-bolt support under millisecond blasting are analyzed by using LS-DY?NA software.The stress and the vibration characteristics of concrete support and variation characteristics of axial stress of bolt un?der four different blasting plans are compared.The results shows that the destructive effects of blasting can be effectively weakened by using millisecond blasting,and the delay time is 25ms.When the blasting stress acts on arch cover,and the installation angles of anchor bolt is low,the axial stress of rock bolts is lower.The bolts on arch cover bear pressure and tension alternately,and the bolts in horizontal direction bear tension principally.The modification scheme for roadway support is proposed on the basis of com?bining numerical simulation result and field condition of Dongguashan copper mine.

Key words:shotcrete and bolt support;millisecond blasting;explosive stress;dynamic loads response

1672-609X（2011）01-0048-06