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    平硐開(kāi)挖爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響分析

    2015-03-09 08:04:42劉建兵邵文浩鄢德波馬俊榮
    現(xiàn)代礦業(yè) 2015年8期
    關(guān)鍵詞:單元體炸藥峰值

    劉建兵 邵文浩 鄢德波 馬俊榮

    (1.天津華冶工程設(shè)計(jì)有限公司;2.中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司;3.湖南有色金屬研究院)

    平硐開(kāi)挖爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響分析

    劉建兵1邵文浩2鄢德波3馬俊榮1

    (1.天津華冶工程設(shè)計(jì)有限公司;2.中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司;3.湖南有色金屬研究院)

    某礦山擬在露天礦邊坡開(kāi)挖平硐以作為掛幫礦出礦口,勢(shì)必會(huì)對(duì)爆破振動(dòng)的傳播有一定的影響。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬爆破振動(dòng)對(duì)平硐開(kāi)挖前后的邊坡影響,應(yīng)用LS-prepost軟件進(jìn)行后處理,得出爆破振動(dòng)作用下,平硐開(kāi)挖前后邊坡的響應(yīng)特征和衰減規(guī)律。從應(yīng)力和振動(dòng)速度兩方面分析露天采場(chǎng)爆破作業(yè)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響,得出平硐對(duì)邊坡的振動(dòng)效應(yīng)有一定影響,在爆破振動(dòng)作用下邊坡開(kāi)挖平硐后是安全的,對(duì)以后礦山的施工以及邊坡的防護(hù)具有指導(dǎo)作用。

    爆破振動(dòng) 邊坡穩(wěn)定性 ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬

    某露天礦山現(xiàn)由露天開(kāi)采向井下開(kāi)采過(guò)渡。由于開(kāi)采技術(shù)及其他原因,露天轉(zhuǎn)地下的周期較長(zhǎng),為保證生產(chǎn)連續(xù)性以及最大限度回采礦石,礦山擬在露天礦邊坡開(kāi)挖平硐,作為出礦口。邊坡穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn),因此,研究臨近邊坡的爆破對(duì)平硐附近邊坡穩(wěn)定性影響十分必要[1]。有限元軟件ANSYS /LS-DYNA在研究動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域等問(wèn)題中顯示出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),利用該軟件模擬爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響,分析平硐開(kāi)挖前后邊坡振動(dòng)效應(yīng)規(guī)律的特點(diǎn),為礦山安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

    1 計(jì)算模型及參數(shù)

    1.1 模型的建立

    采用動(dòng)力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA分析臨近邊幫爆破對(duì)平硐口附近邊坡產(chǎn)生的影響。為了縮短計(jì)算時(shí)間,實(shí)體模型不能太大,但須降低人為邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響,因此,實(shí)體模型的水平邊界最少應(yīng)為平硐凈寬度的5~6倍,平硐斷面的尺寸為3.5 m×3.2 m。本次模擬將爆破區(qū)域選為臨近邊坡+100 m平臺(tái),平臺(tái)尺寸為15 m×30 m,邊坡模型尺寸為150 m×30 m×95 m(長(zhǎng)×寬×高),采用空間六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,具體模型見(jiàn)圖1。炮孔位置布置在臺(tái)階的正中央,爆破參數(shù):臺(tái)階高度h=10 m,超深l=1.5 m,底盤(pán)抵抗線W=3.5 m,堵塞長(zhǎng)度L=2.8 m,炮孔直徑d=140 mm,孔網(wǎng)參數(shù)a×b=5 m×3.8 m,單孔裝藥量Q=170 kg,孔數(shù)n=3。采用逐孔起爆技術(shù),起爆時(shí)間依次為0,17,25 ms。

    圖1 邊坡模型網(wǎng)格劃分

    1.2 模型材料的賦值

    由于巖體具有非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性的特點(diǎn),所以在進(jìn)行動(dòng)力顯示分析時(shí),它是一種有缺陷的流變介質(zhì)。在當(dāng)前若要用數(shù)學(xué)方法對(duì)巖體進(jìn)行正確客觀地描述較困難。依據(jù)在該領(lǐng)域使用數(shù)值模擬的情況,把巖石模型考慮為速率效應(yīng)的各向同性、塑性運(yùn)動(dòng)硬化材料模型[2],利用Misses屈服條件來(lái)判別巖體的破壞。

    在建立模型的過(guò)程中,所有實(shí)體都選用LS-DYNA Solid 164單元,邊坡巖石選用彈塑性材料,關(guān)鍵字為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

    表1 巖石力學(xué)參數(shù)

    1.3 炸藥爆炸狀態(tài)方程

    ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力分析軟件中有高能炸藥的材料模型以及多種炸藥的狀態(tài)方程,若可以給出炸藥的各種參數(shù),便可以準(zhǔn)確地模擬模型的瞬態(tài)響應(yīng)全過(guò)程。

    由爆炸動(dòng)力學(xué)可知,炸藥爆炸后,爆轟波波陣面滿足下列方程[3]:

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    (5)

    式中,pj、uj、cj、ρj分別為爆轟波波陣面上爆轟產(chǎn)物的壓力、質(zhì)點(diǎn)速度、聲速、密度;k為多方指數(shù);Dj為炸藥爆速;ρ0為炸藥密度;Qv為炸藥爆熱。

    炸藥選用的關(guān)鍵字為*MAT_HIGH_EXPLO-SIVE_BURN,通常情況下,高能炸藥起爆后,炸藥內(nèi)部單元的壓力采用JWL(Jonesmann-Wilkens-Lee)狀態(tài)方程來(lái)確定。JWL方程體現(xiàn)了炸藥爆炸時(shí)化學(xué)能的情況,公式如下[4]:

    (6)

    式中,A、B、R1、R2、ω為特征參數(shù),對(duì)于某種特定炸藥而言是常數(shù);V為相對(duì)體積;E為內(nèi)能常數(shù)。

    該露天礦使用自制的乳化炸藥,密度為980 kg/m3,爆速為3 800 m/s,C-J壓力為3.61 GPa。JWL狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表2。

    表2 JWL狀態(tài)方程參數(shù)

    1.4 邊界條件的設(shè)置

    在建模過(guò)程中,應(yīng)合理地設(shè)置模型的邊界條件,才能保證模型與實(shí)際工程相一致。此次模擬中,模型的各個(gè)面添加約束條件如下:

    (1)在X軸方向0,150 m處平面添加無(wú)反射邊界條件。

    (2)在Y軸0 m處平面添加無(wú)反射邊界條件。

    (3)在Z軸0,30 m處平面添加無(wú)反射邊界條件。

    2 平硐開(kāi)挖前的邊坡響應(yīng)分析

    2.1 邊坡振速分析

    利用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力分析軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算后,應(yīng)用LS-prepost軟件進(jìn)行后處理。沿邊坡依次選取部分節(jié)點(diǎn)(圖2),其垂直方向振速-時(shí)程曲線見(jiàn)圖3~圖5。

    圖2 節(jié)點(diǎn)位置分布圖

    圖3 135930#節(jié)點(diǎn)Y方向振速-時(shí)程曲線

    圖4 110~140 m臺(tái)階坡面3個(gè)節(jié)點(diǎn)

    圖5 140~170 m臺(tái)階坡面3個(gè)節(jié)點(diǎn)

    可以看出:

    (1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)速度波峰,并且前面的峰值小于后面的峰值,這與逐孔起爆過(guò)程中,應(yīng)力波疊加理論相一致。

    (2)爆破引起邊坡質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的過(guò)程中,坡腳振動(dòng)速度最大為25.718 cm/s,而黃麥嶺采場(chǎng)邊坡振動(dòng)速度安全閾值為29 cm/s,所以邊坡是穩(wěn)定的[5]。

    (3)在140~170 m臺(tái)階坡面上節(jié)點(diǎn)C、B、A的高程由低到高,而振速峰值由小到大,在該臺(tái)階坡面上出現(xiàn)了高程放大效應(yīng)。

    2.2 邊坡應(yīng)力分析

    為了研究爆破過(guò)程中應(yīng)力的變化情況,在模型中提取部分單元體(圖6),并繪出部分單元體的等效應(yīng)力-時(shí)程圖,見(jiàn)圖7。

    圖6 單元體位置分布

    圖7 平硐開(kāi)挖前不同單元體等效應(yīng)力-時(shí)程曲線

    從圖7可以看出:

    (1)隨著距離的增加,邊坡上各單元體等效應(yīng)力逐漸減小,近爆區(qū)應(yīng)力衰減較快,遠(yuǎn)爆區(qū)應(yīng)力衰減較慢。

    (2)爆破引起的等效應(yīng)力值遠(yuǎn)小于邊坡巖體的抗拉屈服極限,所以爆破作用下邊坡是安全的。

    3 平硐開(kāi)挖后邊坡響應(yīng)分析

    3.1 邊坡振速分析

    為了方便對(duì)比,所提取的節(jié)點(diǎn)與未開(kāi)挖平硐前的邊坡上的節(jié)點(diǎn)一致。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,可以得到各關(guān)鍵點(diǎn)的振速峰值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。并將平硐開(kāi)挖前后邊坡垂直方向振速進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表4。

    從表3、表4可以看出:

    (1)平硐開(kāi)挖后,邊坡各點(diǎn)垂直方向的振速略大于其他方向的振速。在近爆區(qū)振速衰減較快,在遠(yuǎn)爆區(qū)振速衰減較慢,這與平洞開(kāi)挖前邊坡爆破振動(dòng)傳播的規(guī)律基本一致。

    (2)+110~+140 m臺(tái)階平硐上方3 m處的節(jié)點(diǎn)17359振速峰值為4.855 cm/s,而平硐開(kāi)挖前此處的振速峰值為5.884 cm/s,開(kāi)挖后振速明顯小于開(kāi)挖前振速,由此可見(jiàn),平硐開(kāi)挖對(duì)邊坡振動(dòng)的傳播有一定的影響,使得平硐上方附近的邊坡振速變小。

    表3 邊坡各關(guān)鍵點(diǎn)的振速峰值 cm/s

    節(jié)點(diǎn)編號(hào)振動(dòng)方向徑向垂直切向181687.5348.8567.321173593.6844.8553.567687183.4833.853.874754382.8253.0442.66755262.5512.8592.471226682.1082.462.295226511.4581.6281.5611038281.3511.2771.3261101101.1031.1641.291157150.7720.8550.764

    表4 平硐開(kāi)挖前后邊坡垂直方向振速對(duì)比 cm/s

    (3)平硐開(kāi)挖前坡頂節(jié)點(diǎn)75526的振速峰值為2.903cm/s,開(kāi)挖后此處節(jié)點(diǎn)的振速峰值為2.859cm/s,表明此處節(jié)點(diǎn)振速變化微小。因此,在爆破振動(dòng)作用下平硐對(duì)其附近邊坡的振速影響較大,而對(duì)整體邊坡的振動(dòng)衰減規(guī)律影響不大。

    3.2 邊坡的應(yīng)力分析

    在模型中選取8個(gè)單元體,與平硐開(kāi)挖前監(jiān)測(cè)的位置一致。經(jīng)過(guò)計(jì)算,將平硐開(kāi)挖前后邊坡因爆破振動(dòng)引起的有效應(yīng)力峰值進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表5。

    表5 平硐開(kāi)挖前后邊坡有效應(yīng)力峰值對(duì)比 MPa

    節(jié)點(diǎn)編號(hào)開(kāi)挖前峰值開(kāi)挖后峰值1314230.97730.9773268170.57410.5863160660.48970.3750699970.26280.2828700040.17980.1798684920.13470.1413984540.09570.06211040390.05260.0494

    平硐開(kāi)挖后,在爆破振動(dòng)作用下,邊坡坡腳處最大等效應(yīng)力為0.977MPa,邊坡各單元體等效應(yīng)力峰值隨著距離的增加而逐漸減少,而且水平距離和高程對(duì)應(yīng)力的影響作用相當(dāng)。平硐口上方的邊坡單元體等效應(yīng)力有所減少,而離平硐較遠(yuǎn)處的邊坡單元體等效應(yīng)力受平硐的影響不明顯。在本次模擬爆破振動(dòng)作用下,平硐開(kāi)挖后邊坡的等效應(yīng)力值遠(yuǎn)小于邊坡的抗拉屈服極限,因此,邊坡是安全的。

    4 結(jié) 論

    利用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元分析軟件分析了露天礦邊坡在有無(wú)平硐情況下,受露天生產(chǎn)爆破振動(dòng)作用邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律,得出以下結(jié)論:

    (1)邊坡各質(zhì)點(diǎn)豎直方向的振速峰值略大于其他方向上的振速峰值,而且振動(dòng)速度隨著距離的增加而減小,坡腳振動(dòng)速度最大為25.718 cm/s,小于邊坡振動(dòng)速度安全閾值29 cm/s,所以邊坡是穩(wěn)定的。平硐開(kāi)挖前后,平硐口上方附近的邊坡質(zhì)點(diǎn)振速變化較大,平硐開(kāi)挖前質(zhì)點(diǎn)的振速峰值大于平硐開(kāi)挖后的質(zhì)點(diǎn)振速峰值,由此可見(jiàn),平硐開(kāi)挖對(duì)邊坡振動(dòng)的傳播有一定的影響。

    (2)邊坡上各單元的等效應(yīng)力隨著水平距離和高程的增加而減小,水平距離和高程對(duì)其影響相當(dāng);平硐開(kāi)挖后,平硐口上方附近的邊坡單元體等效應(yīng)力有所減少,而離平硐較遠(yuǎn)處的邊坡單元體等效應(yīng)力受平硐的影響不明顯;平硐開(kāi)挖前后,爆破引起的邊坡巖體的等效應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于邊坡巖體的抗拉屈服極限,所以邊坡在爆破振動(dòng)作用下是安全的。

    [1] 李鼎權(quán).論露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的若干特點(diǎn)[J].金屬礦山,1994(2):9-12.

    [2] 時(shí)黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

    [3] 陳寶心.爆炸動(dòng)力學(xué)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2006.

    [4] 鐘冬望,吳 亮,陳 浩.爆炸荷載下巖質(zhì)邊坡動(dòng)力特性試驗(yàn)及數(shù)值分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(S1):2964-2971.

    [5] 李俊如,李海波,高建光,等.黃麥嶺采場(chǎng)邊坡爆破振動(dòng)響應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(17):2954-2958.

    2014-12-17)

    劉建兵(1987—),男,助理工程師,300270 天津市濱海新區(qū)。

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