深埋巷道的爆破開采活動對鄰近巷道穩(wěn)定性影響研究

俞祥杰，陳 晨，張 羽，廖 勝

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，更多的城市地下空間及地下礦產(chǎn)資源被開發(fā)來滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大量的地鐵、人防地下通道、國防工程坑道和洞庫、市政設(shè)施地下通道等地下工程已成為我國國民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國防建設(shè)的重要組成部分。地下工程的建造必然會使用爆破施工方法，由于爆破施工自身的破壞性，對建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施及人身安全造成嚴(yán)重威脅，其中爆破產(chǎn)生的沖擊荷載將使硐室圍巖的裂隙進(jìn)一步發(fā)展，弱化巖石的完整性，甚至引發(fā)地下和地表構(gòu)筑物損毀、巷道冒頂?shù)裙こ淌鹿?。因此，如何避免爆破開挖所產(chǎn)生的沖擊荷載對鄰近硐室穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對地下巷道群掘進(jìn)的安全具有重要意義。

目前，國內(nèi)外就爆破開采活動對鄰近巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，取得了一些成果。徐振洋等[1]分析爆心距與裝藥量對巖石測震信號的影響，發(fā)現(xiàn)爆破的能量頻帶主要位于10～60 Hz；喬憲隊(duì)等[2]研究爆破開采作業(yè)對周邊巷道的影響，分析了周邊巷道的振速、應(yīng)力及其位移的分布情況；陽生權(quán)[3]對巖體進(jìn)行了動力計(jì)算，分析了在爆破影響下圍巖的位移和應(yīng)力變化情況；AKIYOSHI等[4]通過求解波動方程，分析了縱波影響下圓形硐室的動應(yīng)力響應(yīng)情況；易長平等[5-6]通過研究振動波對周邊巷道的作用，分別討論了波頻、巷道尺寸、巷道圍巖種類等因素對硐室圍巖安全振速的影響問題；劉小樂等[7]基于HHT方法，從三維Hilbert譜、瞬時能量譜及邊際譜3個方面對爆破振動信號進(jìn)行了分析。近些年來，數(shù)值計(jì)算方法在地下結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[8-11]，并為一些復(fù)雜問題的解決提供了很好的方案。本文針對某鐵礦的既有出礦巷道由于鄰近巷道爆破開采而引起面向爆源側(cè)片幫的工程實(shí)例，對爆破振動對于鄰近既有巷道的影響進(jìn)行分析研究，以期對爆破危害進(jìn)行初步探討，并能夠指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 工程概況

1.1 工程背景

中部地區(qū)某鐵礦屬一類大型鐵礦、硫鐵礦與硬石膏共生礦床，鐵礦石儲量豐富，主要采用垂直深孔階段空場嗣后充填和中深孔分段空場嗣后充填采礦方法進(jìn)行開采。該礦山巖體中存在大量的斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造，隨著地下開采深度的逐漸增加，地壓所帶來的危害逐漸凸顯，爆破振動對周圍巷道的穩(wěn)定性影響也越來越大。該鐵礦開采形成空場后，因巖體既有裂隙的存在以及爆破開采的擾動作用，大面積暴露的礦房側(cè)幫極易產(chǎn)生巖體片幫，對礦柱的穩(wěn)定性具有較大影響，中間條柱破壞如圖1所示。

圖1 條柱破壞現(xiàn)場Fig.1 Failure site of strip column

1.2 振動測試試驗(yàn)方案

根據(jù)該礦山現(xiàn)場礦柱破壞情況，選擇-500 m中段采場進(jìn)行爆破振動測試，收集現(xiàn)場測試振動數(shù)據(jù)?？紤]到人員安全和儀器保護(hù)，共布置5個爆破測振點(diǎn)，本次振動測試采用加拿大Instantel振動監(jiān)測儀Blastmate Ⅲ對爆破振動效應(yīng)進(jìn)行測試，探頭采用三軸地震檢波器，測試爆破過程中巖體質(zhì)點(diǎn)的三向速度和巖體三向波速。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，分析在爆破開采擾動作用下，鄰近既有巷道波速變化及圍巖破壞的規(guī)律。

2 數(shù)值計(jì)算模型

本文以某鐵礦-500 m中段采場出礦巷道為原型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析爆破開采活動對鄰近巷道的影響。模型主要是兩條埋深500 m的平行直墻式巷道，直墻高度為5 m，拱高為3 m，寬度為6 m，兩巷道中心距為12 m，影響范圍長為30 m，寬為55 m，高為50 m。考慮到模型的復(fù)雜性及計(jì)算結(jié)果的精確度，對計(jì)算模型進(jìn)行簡化的同時，也對巷道及其周邊巖體進(jìn)行了單元加密處理，盡可能提高數(shù)值模擬計(jì)算的精度。如圖2所示，模型共生成了460 896個單元體，模型左邊巷道為既有巷道，右邊巷道為鄰近巷道。既有巷道內(nèi)沿y軸方向每隔3 m布一組監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

圖3 巷道斷面監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of monitoring points for roadway section

本次數(shù)值計(jì)算分析了σv=13.4 MPa，σh=3.35 MPa的應(yīng)力條件下，爆破開挖對鄰近既有巷道產(chǎn)生的影響(規(guī)定鄰近巷道沿y軸正軸方向開挖，每次開挖3 m)。開始時對模型四周及底部施加位移約束，頂部保留自由邊界；當(dāng)靜力部分計(jì)算完成后，為避免模型邊界對波的反射影響，去掉施加邊界條件，對模型重新施加黏滯邊界條件，再進(jìn)行爆破荷載計(jì)算，具體的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters

整個數(shù)值模擬計(jì)算主要由靜力計(jì)算和爆破荷載計(jì)算組成。靜力計(jì)算是爆破荷載計(jì)算的基礎(chǔ)，當(dāng)進(jìn)行靜力計(jì)算時，沿著y軸每步開挖3 m，整個過程分10步完成；靜力開挖結(jié)束之后，將速度時程添加到之前形成的巷道圍巖上，進(jìn)行爆破荷載計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析及現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 位移分析

既有巷道在鄰近巷道自重應(yīng)力和爆破載荷作用下的水平位移分布如圖4所示。由圖4可知，鄰近巷道開挖后，由于重力的存在，既有巷道四周會發(fā)生“收縮”，相較于鄰近巷道的初始狀態(tài)，既有巷道左右兩側(cè)邊墻分別產(chǎn)生了1.51 mm和7.39 mm的朝內(nèi)收縮位移；當(dāng)施加動荷載后，周邊巖體應(yīng)力場發(fā)生二次重分布并局部發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，圍巖位移也隨之增大。從總體上看，既有巷道的兩側(cè)邊墻的水平方向位移都有較大的增長，分別達(dá)到了6.3 mm和16.3 mm，特別是面向爆源側(cè)邊墻水平位移相較于自重應(yīng)力作用狀態(tài)，增幅高達(dá)68.2%，這表明鄰近巷道的爆破振動使既有巷道在水平方向上產(chǎn)生明顯的位移，并且靠近爆源側(cè)圍巖變化更明顯，這與現(xiàn)場觀測結(jié)果相符，說明在礦體不斷爆破開采過程中，既有巷道圍巖特別是靠近爆源側(cè)圍巖受到較大的沖擊荷載影響，容易處在一種比較危險(xiǎn)的狀態(tài)。

圖4 水平位移分布Fig.4 Horizontal displacement distribution

3.2 應(yīng)力分析

既有巷道在鄰近巷道自重及爆破載荷影響下的最小主應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，在鄰近巷道掘進(jìn)后，在自重應(yīng)力作用下既有巷道產(chǎn)生了較為顯著的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉應(yīng)力主要集中于既有巷道的頂板以及底板處，最大拉應(yīng)力達(dá)到了0.739 MPa。而通過圖5(b)可知，當(dāng)鄰近巷道施加爆破荷載作用后，應(yīng)力集中區(qū)域有著明顯的擴(kuò)大，最大壓應(yīng)力與拉應(yīng)力都也有著較大程度的增加，最大拉應(yīng)力甚至達(dá)到了1.17 MPa，與自重應(yīng)力作用狀態(tài)相比，增幅高達(dá)58.6%，且靠近爆源側(cè)圍巖變化更明顯，這與現(xiàn)場靠近爆源側(cè)圍巖容易發(fā)生破壞的現(xiàn)象相符。

圖5 最小主應(yīng)力分布Fig.5 Minimum principal stress distribution

3.3 塑性區(qū)分析

自重應(yīng)力作用和爆破荷載作用下塑性區(qū)分布如圖6所示。由圖6可知，礦體的開采必然引起周邊巖體擾動與破壞，開采過程中巖體受力比較復(fù)雜。從塑性區(qū)分布情況來看，自重應(yīng)力作用下既有巷道的塑性區(qū)主要分布在巷道周圍巖體，各部分破壞形式也各不相同，有拉伸破壞、剪切破壞以及兩種破壞形式共存等形式，其中以兩種破壞共存的形式為主。而在爆破荷載作用下，由于爆破所產(chǎn)生的沖擊荷載的影響，塑性區(qū)分布范圍比自重應(yīng)力作用下大得多，并且迎爆側(cè)邊墻的巖體由原來的剪切破壞變?yōu)榱死炫c剪切破壞這兩種破壞共存在的形式，產(chǎn)生了大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢，這說明爆破振動對既有巷道面向爆源側(cè)邊墻處巖體造成的損傷最為嚴(yán)重。結(jié)合圖4可知，同一位置處塑性區(qū)范圍變化與其位移變化有著密切關(guān)系，塑性區(qū)增加的范圍越大，位移變化就越大，該位置處巖體的穩(wěn)定性也越差。

圖6 塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zones

塑性區(qū)總體積變化如圖7所示。從圖7可以看出，無論是自重應(yīng)力作用下還是爆破荷載作用下，塑性區(qū)體積隨著開挖步數(shù)增加基本上呈現(xiàn)線性增長的態(tài)勢，爆破荷載作用下的塑性區(qū)體積增長速度明顯快于自重應(yīng)力作用下，并且同自重應(yīng)力作用狀態(tài)相比，爆破荷載作用下的塑性區(qū)體積增幅達(dá)到了76.5%，這同圖6所示的塑性區(qū)分布的趨勢相符合，這也從一定程度表明爆破荷載所生成的沖擊荷載較為明顯的影響到了既有巷道的安全性，同現(xiàn)場調(diào)查情況相符。

圖7 塑性區(qū)總體積變化Fig.7 Total volume change of plastic zone

3.4 振速分析

由于實(shí)際中常常用巷道圍巖的峰值振動速度來判斷洞室穩(wěn)定性好壞，因此計(jì)算中重點(diǎn)對巷道圍巖的振動速度進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測的截面包括了y=3 m、y=9 m、y=15 m、y=21 m、y=27 m這五處剖面，各剖面監(jiān)測點(diǎn)的峰值振速分布如圖8所示。由圖8可知，這五個剖面中，靠近爆源側(cè)直墻中部振速最大，這是由于此區(qū)域同爆心位置高度較為一致，位于振動波垂直入射的區(qū)域，受到爆破的影響最大，發(fā)生破壞的可能性也最大；靠近爆源側(cè)直墻下部振速也比較大，這是因?yàn)榇藚^(qū)域振動波入射角也比較小，但由于底角的夾制作用，直墻下部的危險(xiǎn)度要明顯比直墻上部小一些，是既有巷道中的次危險(xiǎn)部位；由于拱圈的作用，靠近爆源側(cè)拱腳以上部位的振動波入射角度是逐漸變大的，振動波能量的輸入得以減小，拱腳到拱頂區(qū)域的振速也漸漸減??；而遠(yuǎn)離爆源側(cè)直墻圍巖的振速偏小，這是因?yàn)檫h(yuǎn)離爆源側(cè)的振動波的傳播是需要繞射的，振動波的強(qiáng)度會得到極大的減弱。綜上所述，鄰近巷道爆破振動對既有巷道靠近爆源側(cè)邊墻中上部圍巖的穩(wěn)定性影響最明顯，進(jìn)行爆破作業(yè)時要加強(qiáng)對該區(qū)域的支護(hù)。

圖8 各剖面監(jiān)測點(diǎn)X向峰值振速分布Fig.8 X-direction peak vibration velocity distribution of each profile monitoring point

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，可以獲得在爆破沖擊荷載下每個監(jiān)測點(diǎn)的三向振動曲線。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)展開對比分析，研究爆破規(guī)律，驗(yàn)證本次數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。限于篇幅，僅選取X方向振動曲線同現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，數(shù)值模擬X向振動曲線與現(xiàn)場切向振動曲線如圖9所示，數(shù)值模擬計(jì)算曲線與現(xiàn)場實(shí)測曲線的的波峰數(shù)量、峰值振速都比較一致，并且波形的持續(xù)時間也近乎相同，但是數(shù)值計(jì)算曲線同現(xiàn)場實(shí)測曲線的波峰出現(xiàn)的時間有一定誤差，這是因?yàn)楝F(xiàn)場實(shí)測的振動曲線的切向、徑向和垂向同數(shù)值模擬中的坐標(biāo)系之間一定存在著無法避免的偏差，且爆破影響因素較多，造成上述兩條曲線之間存在著誤差。從總體上來說，數(shù)值計(jì)算所得振動曲線同實(shí)測振動曲線的分布趨勢較為一致，這說明了本次數(shù)值模擬計(jì)算所建立的模型是可靠的，上述計(jì)算結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性都是有所保證的。

圖9 數(shù)值模擬X向振動曲線與現(xiàn)場切向振動曲線Fig.9 Numerical simulation X-direction vibration curve and field tangential vibration curve

4 結(jié) 論

1)同自重應(yīng)力狀態(tài)相比，爆破載荷影響下既有巷道圍巖的最大水平位移、最大拉應(yīng)力及塑性區(qū)體積有著很大程度的增長，增幅分別達(dá)到了68.2%、58.6%及76.5%，既有巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞的概率顯著增加。

2)既有巷道截面穩(wěn)定性由差到好的區(qū)域依次為靠近爆源側(cè)圍巖中部到拱圈區(qū)域、靠近爆源側(cè)拱圈以上區(qū)域和靠近爆源側(cè)底角及遠(yuǎn)離爆源側(cè)，靠近爆源側(cè)圍巖的拉應(yīng)力主要是爆破所產(chǎn)生沖擊波的反射作用造成的，而遠(yuǎn)離爆源側(cè)圍巖由于主要受到?jīng)_擊波的繞射作用，故受影響較小。

3)為避免爆破引發(fā)鄰近既有巷道失穩(wěn)破壞，需加強(qiáng)對既有巷道的迎爆測直墻中上部等危險(xiǎn)部位的監(jiān)測與支護(hù)，并對地質(zhì)條件薄弱區(qū)域及時采取素噴混凝土、錨網(wǎng)噴混凝土等有效的支護(hù)措施。