大煤山山坡露天礦爆破振動數(shù)值模擬

徐玖云

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

大煤山山坡露天礦爆破振動數(shù)值模擬

徐玖云

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

礦山生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的爆破振動一直是最主要的爆破危害，因此有必要對其進行嚴格預測和控制。針對大煤山山坡露天礦特點，闡明了礦山爆破振動產(chǎn)生的機理及傳播特性，對山坡地形爆破進行了數(shù)值模擬研究，分析了不同山坡地形尺寸以及爆破位置的爆破地震波傳播衰減規(guī)律。選取5個不同參數(shù)變量，通過量綱分析得出了爆破振速預測的函數(shù)模型，運用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進行了振速預測公式的回歸擬合，并通過現(xiàn)場的測試應用檢驗了上述數(shù)值分析成果的有效性。

爆破振動 爆破危害 數(shù)值模擬 爆破振速 SPSS

湖州南方礦業(yè)有限公司大煤山石灰石礦位于長興縣城北西28 km的煤山鎮(zhèn)西側。礦區(qū)地處低山丘陵區(qū)，山體呈NE—SW長條形展布，最高點位于礦區(qū)東側大煤山，頂部標高約+171.39 m，礦體為硬質(zhì)碳酸鹽巖組石灰?guī)r，薄—厚層狀構造，礦石較致密堅硬，抗風化能力較強，傾角較小，構造、節(jié)理裂隙較發(fā)育，邊坡高度總體較小，現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。礦區(qū)開采較規(guī)整，自礦山頂部向下分臺階式開采，邊坡高度14～16 m，坡度55°～75°。目前開采平臺標高110 m，由于礦山南側山腳有村莊，生產(chǎn)中的爆破振動對其有一定的影響，因而有必要對該山坡露天礦爆破振動衰減規(guī)律進行深入研究。

1 爆破振動產(chǎn)生機理

當炸藥在巖體介質(zhì)中發(fā)生爆炸時，首先產(chǎn)生的爆炸沖擊波和應力波隨著傳播能量的衰減產(chǎn)生爆堆地震波。一般情況下，可認為爆破地震波在巖土介質(zhì)中的傳播及衰減的規(guī)律主要受巖體介質(zhì)特性、傳播過程中的地形條件、裝藥參數(shù)、裝藥結構等因素的影響[1-4]。當炸藥在巖體介質(zhì)中爆炸時，首先在炮孔內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓氣體，氣體膨脹對周圍巖石做功，產(chǎn)生爆炸沖擊波，對炮孔周圍的巖土體造成破壞，形成壓碎圈和破碎圈；然后隨著傳播距離的增加，距離爆源10～15倍的藥包半徑時轉化為應力波，當應力波通過破碎圈時，由于裂隙的存在導致其強度迅速衰減，減弱到不足以對巖體造成破壞，僅能引起巖體質(zhì)點的彈性振動，該類彈性振動便以彈性波的形式繼續(xù)向前傳播，與自然界地震類似的彈性振動波也會引起地表震動，因而稱該類彈性振動波為爆破地震波。

2 振動波在介質(zhì)交界面處的傳播特性

圖1 P波入射時的反射和透射

SH波入射到交界面會產(chǎn)生2種波形，B1,B2,B3為各波對應的位移幅值，見圖2。

圖2 SH波入射時的反射和透射

SV波入射到交界面與P波一致，也會產(chǎn)生4種新的波，各入射、反射、透射角度以及波的幅值(B1,B2,B3，B4,B5)如圖3所示。

圖3 SV波入射時的反射和透射

3 山坡對爆破地震波傳播的影響

根據(jù)動量和能量守恒定律，當彈性波從一種傳播介質(zhì)到另一種波阻抗不一致的介質(zhì)時，勢必引起另一種介質(zhì)的質(zhì)點以同樣的速度發(fā)生振動，這就發(fā)生了彈性波的透射，由于2種介質(zhì)之間存在交界面，入射的彈性波在交界面發(fā)生反射，一部分回到原介質(zhì)之中。當山坡頂部炮孔內(nèi)炸藥爆炸時，爆破地震波以不同的角度傳播進入山坡體內(nèi)，到達山坡坡面與空氣的交界面時，爆破地震波發(fā)生透射和反射，由于空氣介質(zhì)的波阻抗遠小于山坡巖體，相比之下，空氣介質(zhì)的波阻抗幾乎趨近于0，所以通過山坡坡面透射進入空氣中的部分很小，幾乎沒有發(fā)生透射，因而僅需考慮山坡坡面的反射作用。

炮孔中炸藥爆炸產(chǎn)生的地震波有一部分傳播遇到山坡坡面自由面，在坡面自由面處僅發(fā)生了波的反射，爆破地震波中的P波成分入射自由平面時，僅產(chǎn)生了反射的P波和SV波，當P波垂直入射自由面時，入射P波和反射P波具有相同的振幅，但符號相反，并且未產(chǎn)生反射SV波，無轉換波發(fā)生。當SH波入射到自由面時，未發(fā)生波形轉換，反射后仍僅有SH波(β1=β2)，且其波幅值不變，在坡面較近的一部分表面，還產(chǎn)生了彈性表面波，即為瑞利波。傾斜的山坡坡面對爆破地震波造成了反射，使得一部分地震波傳播方向發(fā)生了改變，無法傳播至山腳下繼續(xù)向前傳播，而是往其他方向，如此便形成了山坡地形對爆破地震波的衰減作用。山坡的尺寸(坡高H、坡度L)不同，即山坡角度的改變會影響爆破地震波的入射角度，使得地震波的反射角度各不一致，使得到達山腳的爆破振動波的能量比例不同。不同的山坡地形尺寸對爆破振動的傳播衰減影響各不相同。

4 爆破振動數(shù)值模擬分析

4.1 模型構建

利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對該露天礦爆破地震波的傳播衰減規(guī)律進行分析。為模擬礦山實際情況，建立了三維單個炮孔爆破數(shù)值分析模型。炸藥劃分的網(wǎng)格尺寸為0.111 m，山坡巖體的網(wǎng)格尺寸為111 m。以炮孔中心軸線所在平面及山腳所在平面的垂直交線構成的平面為剖面，以40 m為步距，選取位于10，50，90，130，170 m處的5個測點，如圖4所示。

4.2 爆破振動衰減規(guī)律

4.2.1 質(zhì)點振速衰減規(guī)律

在模型中設定邊坡高度為30m，山坡長度為30 m，A、B、C、D、E等5條速度歷程曲線分別對應山下10，50，90，130，170 m處各測點位置的質(zhì)點振速的衰減情況，見圖5。不同坡高(H)、不同坡長(L)對應的質(zhì)點峰值振速見表1。

圖4 測點布置位置

圖5 測點振速衰減情況

表1 不同坡高(H)、坡長(L)的質(zhì)點峰值振速

4.2.2 相同坡高(H)不同坡長(L)對比分析

據(jù)表1繪制出質(zhì)點峰值振速-坡長(L)對比圖(圖6)。由圖6可知：在坡高(H)一定的情況下，隨著坡長(L)的增加，山下質(zhì)點垂直方向的峰值振速呈冪級衰減，在坡長(L)從30～45 m的變化過程中，質(zhì)點峰值振速衰減較快，衰減幅度達到了35%，隨著坡長(L)的進一步增加，質(zhì)點的峰值振速衰減幅度逐漸減小，趨于平緩；在山坡高度(H)不斷增大的情況下，質(zhì)點峰值振速的衰減趨于平緩。

4.2.3 相同坡長(L)不同坡高(H)對比分析

據(jù)表1繪制出如圖7所示的垂直方向質(zhì)點峰值振速-坡高(H)對比圖。由圖7可知：在坡長(L)固定不變的情況下，隨著坡高(H)的不斷增大，山坡下質(zhì)點垂直方向的峰值振速呈線性衰減。

圖6 垂直方向質(zhì)點峰值振速-坡長(L)對比

4.3 爆破質(zhì)點振速預測函數(shù)模型

由量綱分析可知：爆破質(zhì)點振速與單孔裝藥量(Q)、炮孔到邊坡坡頂距離(B)、邊坡的垂直高度(H)、坡下不同距離(D)、邊坡水平投影距離(L)等因素有關(圖8)。經(jīng)一系列量綱變換，由爆破振動隨相對高度、距離變化比例因子的變化規(guī)律可得振速預測模型為

(1)

圖7 垂直方向質(zhì)點峰值振速-坡高(H)對比

式中，k1為地質(zhì)影響系數(shù)；k2為邊坡地形影響系數(shù)；α為衰減系數(shù)；β為垂直高度影響因子；γ為爆源到邊坡頂部水平距離及測點到邊坡底部水平距離變化的影響因子；δ為邊坡水平投影距離影響因子。

圖8 爆破振動影響因素

為研究上述影響爆破振速的5個因素對爆破地震波衰減的影響規(guī)律，對其分別取5個不同的水平值(表2)進行正交試驗設計，據(jù)此建立不同參數(shù)的數(shù)值模擬分析模型。

表2 不同因素水平的取值

求解上述建立的各組數(shù)值模擬分析模型，在每組模型中分別選取山坡下的5個測點(20，40，60，80，100 m)得到每個測點水平徑向質(zhì)點峰值振速和垂直方向的質(zhì)點峰值振速，結果見表3。

表3 測點振速

將表1中測點的垂直振速數(shù)據(jù)導入SPSS軟件中，輸入函數(shù)模型(式1)，進行回歸分析并輸出式(1)中各系數(shù)的計算結果，從而得到最終數(shù)值模擬分析的高邊坡爆破振速的預測公式：

.

(2)

試驗模型得到的質(zhì)點垂直振速與經(jīng)上述預測公式得到的測點垂直振速的平均相對誤差為14.59%，基本達到了爆破工程振速預測的精度要求。同理得到測點水平徑向爆破振速的預測公式：

.

(3)

5 結 語

以大煤山石灰石礦生產(chǎn)爆破為例，對其特殊山坡地形條件下的爆破振速進行了預測，給出了水平徑向、垂直方向的爆破振速預測公式并通過現(xiàn)場實測驗證了其有效性，可供類似礦山參考。

[1] George P K， George D B， Charis J G. Analytical calculation of blast-induced strains to buried pipelines [J]. International Journal of Impact Engineering,2007,34(10):1683-1704.

[2] 畢明芽，李名山，劉朝紅，等.爆破地震預測誤差的因素分析[J].爆破，2009，26(2)：96-98.

[3] 張袁娟.露天礦爆破振動對邊坡的影響及其預測研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[4] 陳繼強，王 杰，常 劍.某露天礦山爆破振動測試研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(4)：208-210.

Blasting Vibration Simulation of Dameishan Hillside Open-pit Mine

Xu Jiuyun

(Huzhou Southern Mining Company Co., Ltd.)

Blasting vibration is always the major blasting hazards in the process of mine production, it is necessary to conduct strict prediction and control of the blasting vibration. Based on the characteristics Dameishan slope open-pit mine, the mechanism and transmission characteristics of mine blasting vibration are discussed in depth, the hillside terrain blasting is numerical simulated to analyze the propagation attenuation regularity of blasting seismic wave of the the different blasting position and different hillside terrain size. The five different parameters are selected and the dimensional analysis method is adopted to establish the function model of blasting vibration velocity prediction. The blasting vibration velocity function is conducted regression fitting, and the feasibility of the above numerical simulation results in this paper is verified based on the scene application results.

Blasting vibration, Blasting hazards, Numerical simulation, Blasting vibration velocity, SPSS

2015-08-12)

徐玖云(1961—)，男，工程師，313117 浙江省湖州市長興縣煤山鎮(zhèn)。