減震溝相關(guān)參數(shù)對減震效果影響的數(shù)值模擬*

潘 濤 康 強(qiáng) 趙明生

(1.貴州久聯(lián)民爆器材發(fā)展股份有限公司;2.貴州新聯(lián)爆破工程有限公司)

爆破振動(dòng)是爆破工程施工引起的多種危害中最難以避免的，因此爆破振動(dòng)控制往往成為爆破安全工作中最主要的一個(gè)環(huán)節(jié)。爆破振動(dòng)可以采用多種手段進(jìn)行控制與削弱，既包括調(diào)整參數(shù)、控制微差時(shí)間等主動(dòng)控制手段，也包括預(yù)裂爆破、開挖減震溝槽等被動(dòng)降振方法［1］。開挖減震溝適用于爆源與被保護(hù)對象間存在易開挖巖土層的情況，是一種效果顯著的降振方法，降振率可達(dá)80%以上［2-3］。在使用上，減震溝降振效果受到溝槽深度、長度等參數(shù)的影響［4-5］，研究這些參數(shù)的影響規(guī)律與效果有助于減震溝的合理優(yōu)化使用。對于這些參數(shù)影響規(guī)律的研究難以采用對比試驗(yàn)來完成，因此在本研究中采用數(shù)值模擬的手段，對單孔條件下不同幾何參數(shù)條件減震溝的減震效果進(jìn)行了模擬研究。

本研究中運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS/LSDYNA，采用單一炮孔施加爆破振動(dòng)荷載的簡化模擬條件，并使用中心單點(diǎn)積分的單物質(zhì)ALE方法，針對減震溝爆心距、長度、深度、寬度4項(xiàng)參數(shù)，以自由面節(jié)點(diǎn)水平徑向振動(dòng)峰值速度作為指標(biāo)對模擬所得結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 模型及參數(shù)

本數(shù)值模擬模型如圖1所示，模型共有單元106 480個(gè)，除正面為對稱面，頂面為自由面外，其他面均施加無反射邊界條件［6-7］。模擬炮孔孔徑為90 mm，孔深3 m，2 m裝藥長度，反向起爆。

圖1 模 型

模型的巖石介質(zhì)、炸藥等材料相關(guān)參數(shù)見表1～表3。

模擬中以右側(cè)距離炮孔5 m、長10 m、深4 m、寬1 m的減震溝作為基準(zhǔn)，在此組基本參數(shù)基礎(chǔ)上分別改變單一參數(shù)進(jìn)行多組模擬，然后比較模擬結(jié)果。

表1 巖石材料相關(guān)參數(shù)

表2 炸藥材料相關(guān)參數(shù)

表3 炸藥狀態(tài)方程相關(guān)參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

如圖2所示，以5 m為間距，在頂面、對稱面交線上自距炮孔5 m處開始依次選取18個(gè)節(jié)點(diǎn)，基于節(jié)點(diǎn)x向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值變化對比不同參數(shù)減震溝的減震效果。

圖2 選取的水平徑向節(jié)點(diǎn)

由于減震溝影響的是一個(gè)區(qū)域而不僅僅是個(gè)別點(diǎn)，為便于比較不同參數(shù)減震溝的減震效果，在此引入一個(gè)減震指數(shù)ARF［8］，ARF實(shí)際是選取的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均減震率，具體定義如下:

式中，uDn為無減震溝時(shí)節(jié)點(diǎn)Dn處水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值;vDn為有減震溝時(shí)節(jié)點(diǎn)Dn處水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值。

2.1 減震溝寬度影響規(guī)律

以基本參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，其他參數(shù)不變，只改變減震溝寬度，模擬寬度分別為0.1、0.5、1.0 m。模擬所得結(jié)果見圖3及圖4。圖3所示為不同減震溝寬度下的水平徑向質(zhì)點(diǎn)峰值振速，圖4所示為不同減震溝寬度下的減震指數(shù)?？梢钥吹?，減震效果隨著減震溝寬度增大而增大，兩者關(guān)系近似線性，但是增長幅度極小，減震溝寬度由0.1 m提高到1.0 m時(shí)減震指數(shù)僅僅提高了約4個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 減震溝寬度與質(zhì)點(diǎn)振速峰值

圖4 減震溝寬度與減震指數(shù)關(guān)系

2.2 減震溝深度影響規(guī)律

以基本參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，其他參數(shù)不變，只改變減震溝深度，模擬深度分別為3.0、4.0、5.0及6.0 m。模擬所得結(jié)果見圖5及圖6。圖5所示為不同減震溝深度下的水平徑向質(zhì)點(diǎn)峰值振速，圖6所示為不同減震溝深度下的減震指數(shù)。由圖6可以看到，減震效果隨著減震溝深度增大而增大，兩者關(guān)系近似線性，減震溝深度由3.0 m提高到6.0 m時(shí)減震指數(shù)提高了約35個(gè)百分點(diǎn)。

2.3 減震溝長度影響規(guī)律

圖5 減震溝深度與質(zhì)點(diǎn)振速峰值

圖6 減震溝深度與減震指數(shù)關(guān)系

以基本參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，其他參數(shù)不變，只改變減震溝長度，模擬長度分別為6、10、14、18及20 m。模擬所得結(jié)果見圖7及圖8。圖7所示為不同減震溝深度下的水平徑向質(zhì)點(diǎn)峰值振速，圖8所示為不同減震溝長度下的減震指數(shù)。由圖8可以看到，減震溝長度由6 m提高到14 m時(shí)減震效果隨著減震溝長度增大而增大，兩者關(guān)系近似線性，當(dāng)減震溝長度超過14 m，減震指數(shù)基本保持恒定。由6 m提高到20 m時(shí)減震指數(shù)提高了8.3個(gè)百分點(diǎn)。

圖7 水平徑向節(jié)點(diǎn)減震溝長度與質(zhì)點(diǎn)振速峰值

圖8 水平徑向節(jié)點(diǎn)減震溝長度與減震指數(shù)關(guān)系

由圖8還可以看到，減震溝長度變化對于降低圖2中選取的炮孔到減震溝垂線上節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度有一定效果，但是效果有限。為了更全面地考察減震溝長度變化的影響，選取如圖9所示的減震溝后水平切向的10個(gè)節(jié)點(diǎn)，考察不同減震溝長度下的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，從而判斷減震溝長度變化對有效減震區(qū)域的影響。

圖9 選取的水平切向節(jié)點(diǎn)

圖10 所示為不同減震溝長度下選取的水平切向各節(jié)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速，圖11所示為不同減震溝長度下在圖9所示水平切向位置節(jié)點(diǎn)的減震指數(shù)。觀察圖10，可以看到隨著減震溝長度增大，更大范圍的區(qū)域受到減震溝影響而有效減低了爆破振動(dòng)。由圖11可以看到，圖9中選取節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的減震指數(shù)隨著減震溝長度增大而增大，且當(dāng)減震溝深度超過14 m時(shí)減震溝長度增加的減震效果更為顯著。在圖9所示水平切向節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，當(dāng)減震溝深度由6 m提高到20 m時(shí)減震指數(shù)由25.6%提高到81.8%，提高了56.2個(gè)百分點(diǎn)。

圖10 水平切向節(jié)點(diǎn)減震溝長度與質(zhì)點(diǎn)振速峰值

圖11 水平切向節(jié)點(diǎn)減震溝長度與減震指數(shù)關(guān)系

2.4 減震溝爆心距影響規(guī)律

以基本參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，其他參數(shù)不變，只改變減震溝與炮孔的爆心距，模擬爆心距分別為5、10、15、20、25、30及50 m。模擬所得結(jié)果見圖12及圖13，圖12所示為不同爆心距下的水平徑向質(zhì)點(diǎn)峰值振速，圖13所示為不同爆心距下的減震指數(shù)。觀察圖12，可以看到:當(dāng)減震溝距離炮孔接近時(shí)可以取得極為顯著的減震效果;爆心距較大時(shí)，減震溝后的減震效果變得不太明顯。由圖13可以看到，減震溝爆心距由5 m提高到10 m時(shí)減震指數(shù)變化不大，爆心距超過10 m后減震效果隨著減震溝爆心距增大而不斷減小，兩者關(guān)系近似線性。爆心距由5 m提高到50 m，減震指數(shù)由56.8%降低到23.9%，降低了32.9個(gè)百分點(diǎn)。

圖12 減震溝爆心距與質(zhì)點(diǎn)振速峰值

圖13 減震溝爆心距與減震指數(shù)關(guān)系

3 結(jié)論

(1)減震溝寬度對于減震效果雖然有一定影響，但是影響十分有限，長度、深度、爆心距相同時(shí)預(yù)裂縫與減震溝的減震效果差距極小。

(2)減震溝深度對于減震效果的影響較為顯著，減震溝越深，減震效果越好。

(3)減震溝長度對有效減震區(qū)域范圍及減震率均有影響。增加減震溝長度可以顯著地提高有效減震區(qū)域范圍。在一定長度范圍內(nèi)減震溝長度的增加可以提高最大減震率，但是超過一定長度后幾乎沒有影響。

(4)減震溝距爆源距離越大，總體的減震效果越差。

［1］ 趙京林，李永剛.爆破振動(dòng)的危害性及防治措施［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2010，490(2):40-42.

［2］ 方 向，高振儒，龍 源，等.減震溝對爆破震動(dòng)減震效果的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程爆破，2002，8(4):20-23.

［3］ 婁建武，龍 源，周 翔，等.爆炸波傳播的溝槽效應(yīng)及分析［J］.礦冶工程，2004，24(1):11-15.

［4］ 鄭水明，姚運(yùn)生，曾心傳.工程場地隔振溝減震效應(yīng)［J］.爆破，2008，25(3):103-106.

［5］ Onder Uysal，Kaan Erarslan，Akif Cebi，et al.Effect of barrier holes on blasting induced vibration［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45(6):712-719.

［6］ 梁開水，陳天珠，易長平.減震溝減震效果的數(shù)值模擬研究［J］.爆破，2006，23(3):18-21.

［7］ 羅 毓，劉雁鷹，易長平.預(yù)裂縫參數(shù)對減振效果影響的數(shù)值分析［J］.爆破，2007，24(2):25-27.