平硐開(kāi)挖爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響分析

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)。