中深孔爆破出礦巷道震動強度的數(shù)值模擬

鄧飛， 韓曉亮， 廖聲銀， 王春暉， 胡龍飛， 尹麗冰

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310012；3.巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000）

隨著國民經(jīng)濟的復(fù)蘇，礦業(yè)資源需求量的增長，礦山的開采規(guī)模也在不斷擴大.當(dāng)使用鉆爆法進行礦石回采時，炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量，除少部分用于礦石的破碎外，大部分能量以地震波的形式在巖體介質(zhì)中傳播，引起鄰近巖體的損傷，甚至造成巖體的局部承載能力下降，繼而導(dǎo)致巷道片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害的發(fā)生[1].同時，考慮到爆破施工的高頻性及采場空間的密閉性，使得中深孔爆破作業(yè)下鄰近出礦巷道表面質(zhì)點震動強度預(yù)測的研究顯得愈發(fā)緊迫.

目前，許多學(xué)者已經(jīng)展開了對爆破動荷載作用下巷道表面質(zhì)點震動強度的研究工作.夏夢會[2]通過MATLAB建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對淺孔爆破作業(yè)下巷道表面質(zhì)點的震動強度進行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與傳統(tǒng)公式的計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的準(zhǔn)確性.史秀志[3]通過ANSYS/LS-DYNA對中深孔爆破作業(yè)下階段運輸巷道的應(yīng)力與震動強度進行分析，得到了巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律和質(zhì)點震動強度隨時間的變化規(guī)律.單仁亮[4]通過ANSYS/LS-DYNA對爆破掘進中巷道的動力響應(yīng)進行分析，發(fā)現(xiàn)巷道質(zhì)點的單元有效應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律基本符合薩道夫斯基公式.雖然該領(lǐng)域已有眾多研究成果，但均未對中深孔爆破作業(yè)下出礦巷道表面質(zhì)點震動強度的預(yù)測進行研究.

隨著采場內(nèi)不斷推進的回采作業(yè)，加之，作業(yè)空間的局限性，使得爆破震動對鄰近出礦巷道的穩(wěn)定性影響更加明顯，故以此為現(xiàn)實依據(jù)，結(jié)合礦山生產(chǎn)實際，為維護出礦巷道的穩(wěn)定，運用ANSYS/LS-DYNA對中深孔爆破作業(yè)下鄰近出礦巷道表面質(zhì)點的震動強度進行預(yù)測[5-6].

1 礦山概況

千家坪釩屬于沉積層控型釩礦床，礦體主要位于下寒武統(tǒng)水溝口組含結(jié)核炭硅質(zhì)巖、含結(jié)核泥質(zhì)巖、黑色炭泥質(zhì)巖中，巖層性質(zhì)較穩(wěn)定[7].礦體平均厚度20.70 m，礦體呈層狀，形態(tài)簡單，厚度變化較穩(wěn)定.礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定，與圍巖基本保持一致，傾向北[8].主要礦石為五氧化二釩，平均品位約1.05%，礦化較連續(xù)，品位分布均勻、穩(wěn)定[9].

礦山目前采用水平扇形深孔階段礦房法.采區(qū)中段高度均為50 m，礦房沿礦體走向布置，長約50 m，寬約為20 m，間柱長為6 m，頂柱為6 m；距礦體下盤邊界約25 m處掘進階段主運輸平巷，并每隔8 m掘出礦進路；切割完成后，礦房底部會形成切割平巷，自切割平巷內(nèi)每隔20 m掘切割天井，自人行通風(fēng)天井每隔10 m掘分段聯(lián)絡(luò)道，并掘進分段鑿巖硐室；礦石崩落后，使用內(nèi)燃鏟運機鏟出，通過礦用三輪車運至溜井并卸礦到最下部中段，統(tǒng)一由電機車運送至選廠處理[10-12].

2 爆破振動測試

礦山鉆孔采用水平中深孔，起爆采用非電導(dǎo)爆系統(tǒng)，爆破采用2#巖石乳化炸藥，炮孔孔徑76 mm，炮孔排距a=1 500～2 000 mm，炮孔底距b=2 000～2 500 mm，扇形布置炮孔，共布置80個炮孔，分5段起爆，每段裝藥量為 160 kg（1 段），180 kg（3 段），160 kg（5 段），260 kg（7 段），230 kg（9 段），總裝藥量 990 kg.爆破作業(yè)地點995 m中段2號采場，測試地點1 045 m中段2號采場1號、2號、3號進路底板，垂直方向爆心距約為32 m，水平方向爆心距分別為28.2 m、36.7 m、45.2 m，3個測點在出礦巷道處，每處布置1臺測振儀，測點如圖1所示，測試結(jié)果如表1所示.

3 LS-DYNA爆破震動的數(shù)值模擬

19世紀80年代，J.O.Hallquist博士在Lawrence Livermore National Laboratory實驗室完成對LSDYNA研發(fā)工作，由于其采用中心差分格式進行積分，且算法以 Lagrange為主，兼有ALE和 Euler，故使得其得到巖土工程各界的廣泛應(yīng)用.

表1 各測點實測振速值Table 1 Peak vibration velocity of text on monitoring points

3.1 數(shù)值計算模型的建立

結(jié)合千家坪釩礦實際生產(chǎn)，運用ANSYS/LSDYNA建立數(shù)值計算模型對中深孔爆破作業(yè)下出礦巷道的震動強度進行預(yù)測.考慮到模型求解的可行性，本次數(shù)值計算僅對995 m中段2號采場中深孔回采爆破作用下1 045 m中段2號采場1號、2號、3號出礦巷道的震動強度進行分析.為最大程度地降低數(shù)值計算工作量，并盡可能地保證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，故對數(shù)值計算模型做以下處理.

1）忽略地表自重應(yīng)力影響；

2）建立1/2實體模型；

3）將同一段別起爆的炸藥折算為集中藥包，并將其均勻布置在采場內(nèi)；

4）將礦山實際出礦巷道近似為長方體；

5）為降低數(shù)值計算工作量模型采用m-kg-s單位制，考慮到炸藥量大小，故將炸藥附近的網(wǎng)格進行細化.

結(jié)合礦山生產(chǎn)實際，模型尺寸（長×寬×高）為30 m×50 m×50 m；巷道距離左側(cè)邊界3 m，巷道距離右側(cè)邊界2 m，巷道間距8 m，巷道尺寸（長×寬×高）為3 m×25 m×4 m；炸藥底部留3 m巖層；3 m巖層至模型底部邊界布置2 m空氣；炸藥布置于模型右側(cè)邊界右下角位置；區(qū)域具體布置如圖2所示，炸藥具體布置如圖3所示.

3.2 空間有限元離散化

ANSYS/LS-DYNA為更切實際的描述模型材料的物理力學(xué)性質(zhì)，提供了豐富的單元庫，且這些單元均是采用線性位移插值函數(shù)的低階單元，可以很好地運用于各種大變形以及材料失效等高度非線性問題的分析中.結(jié)合工程實際，本次數(shù)值計算巖石、炸藥、空氣材料均采用由8個節(jié)點構(gòu)成的三維顯示結(jié)構(gòu)實體單元SOLID164[13-16].

3.3 巖體物理力學(xué)屬性及模型

ANSYS/LS-DYNA為更真實的描述自然界巖石介質(zhì)提供了線性、非線性、離散單元、剛體及狀態(tài)方程相關(guān)等5種材料模型供用戶選擇使用，結(jié)合工程實際，本次數(shù)值計算采用彈塑性材料模型定義泥頁巖，其主要物理力學(xué)參數(shù)見表2.

圖2 有限元模型圖Fig.2 Model diagram of finite element

圖3 炮孔附近加密圖Fig.3 Mesh refinement near blast hole

表2 泥頁巖物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Parameter shale of physical and mechanical

3.4 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

炸藥選用 2#巖石乳化炸藥，采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，主要參數(shù)見表3，采用JWL方程描述炸藥狀態(tài).

表3 炸藥參數(shù)表Table 3 Parameter shale of explosive

3.5 空氣材料模型及狀態(tài)方程

空氣采用NULL材料模型以及LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程加以描述，主要參數(shù)見表4.

表4 空氣參數(shù)表Table 4 Parameter shale of air

3.6 邊界處理

LS-DYNA為更清晰的描述現(xiàn)場地質(zhì)條件提供了零位移邊界、循環(huán)對稱邊界、無反射邊界3種邊界條件供用戶選擇使用.結(jié)合工程實際，模型右側(cè)（炸藥側(cè)）選擇循環(huán)對稱邊界；模型頂部選擇自由邊界，模型其他位置選擇無反射邊界.

3.7 算法選擇

ANSYS/LS-DYNA為更方便的處理連續(xù)體提供了Lagrange、Euler及ALE 3種算法供用戶選擇使用.Lagrange算法主要用于固體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析，可以準(zhǔn)確的描述邊界結(jié)構(gòu)的運動；Eule算法主要用于流體分析，其各個迭代過程數(shù)值計算的精度是相同的；ALE算法主要用于大變形問題的分析，可以根據(jù)要求在運算中適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格的位置；結(jié)合工程實際，本次數(shù)值計算中，巖石、空氣選用Lagrange算法，炸藥選用ALE算法.

3.8 ANSYS/LS-DYNA數(shù)值計算結(jié)果分析

通過坐標(biāo)系在模型中按照實測距離中布置3個測點，具體位置見圖4（其中單元53 376、單元53 364、單元53 352分別代表圖5中的b、c、d）；對模型表面各監(jiān)測點爆破后3 s內(nèi)的振動速度進行監(jiān)測，并繪制0.4 s內(nèi)速度-時間曲線，如圖 5（a）～圖 5（d），振速見表 5.

圖4 數(shù)值計算中測點布置Fig.4 Location map about numerical simulation monitoring point

圖5 各測點振動速度-時間曲線Fig.5 Velocity curves of explosives blasting

表5 點模擬計算振速峰值Table 5 Peak vibration velocity of numerical simulation on monitoring points

通過對圖5分析可知，1號測點的峰值振動速度最大，且3個測點的峰值振動速度隨著爆心距的增加逐漸降低；各測點各方向的振動速度均在0.25 s前后達到了峰值；各測點各方向的震動速度隨著各段的炸藥量的依次起爆，逐步增加直至達到峰值，且達到峰值振速前，出現(xiàn)的波峰數(shù)量與炸藥的段數(shù)一致；各測點各方向振動速度隨時間（加速度）的變化幅度與單段炸藥裝藥量的變化幅度成線性關(guān)系，且單段起爆炸藥量變化愈大，各測點各方向振動速度隨時間（加速度）的變化愈明顯；本次爆破震動持續(xù)時間長達400 ms左右.

通過對比分析表1與表5可知，數(shù)值計算所得各測點各方向振動速度均比實際測量所得的振動速度值略大.

出礦巷道屬于礦山隧道，主震頻率為30～80 Hz，根據(jù)根據(jù)我國GB6722-2003《爆破安全規(guī)程》可知，礦山隧道所允許的峰值振速為15～30 cm/s.1號、2號測點的實測與數(shù)值計算的震動數(shù)據(jù)均達到此最低閥值，結(jié)合爆后現(xiàn)場觀測，1號、2號測點所處的出礦巷道已經(jīng)出現(xiàn)了片幫、冒頂?shù)入U情；3號測點的實測與數(shù)值計算的震動數(shù)據(jù)均沒有達到此閥值，結(jié)合爆后現(xiàn)場觀測，3號測點所處的出礦巷道也出現(xiàn)了小范圍的裂縫.考慮到礦體由下至上的逐層開采的生產(chǎn)因素，出礦巷道受到回采爆破的影響會愈發(fā)明顯.建議千家坪釩礦在今后的生產(chǎn)過程中對采場的爆破參數(shù)進行優(yōu)化，減少爆破震動對礦山隧道的影響；對受爆破震動影響較為明顯的區(qū)域要采取多種支護方式進行聯(lián)合支護，并結(jié)合雷達探傷技術(shù)做好對礦山隧道失穩(wěn)工作的預(yù)測.

4 結(jié) 論

通過對數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，本次爆破作業(yè)參數(shù)可供995 m中段采場的中深孔爆破施工作業(yè)借鑒，但隨著爆破作業(yè)的深入，為維護出礦巷道的穩(wěn)定，應(yīng)適當(dāng)?shù)丶訌娤锏赖闹ёo措施，并結(jié)合雷達探傷做好對巷道失穩(wěn)的預(yù)測工作.

通過對數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，LS-DYNA數(shù)值計算結(jié)果較現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)略大，其主要原因是將同段起爆的多孔藥包按照集中藥包進行處理，使炸藥爆炸時產(chǎn)生的能量更加集中，繼而導(dǎo)致爆破震動強度的增加；礦層存在一定數(shù)量的裂隙，可起到一定的減震作用，同時，裂隙中富含少量的水分，可在一定程度上加強爆破震動強度，而數(shù)值計算中均當(dāng)做勻質(zhì)礦體進行處理；總體上講，運用LS-DYNA對爆破震動強度的預(yù)測具有一定的指導(dǎo)價值.

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