生產(chǎn)爆破下巷道頂板穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)應(yīng)力比分析評(píng)價(jià)

陳國(guó)芳，　王瀚霆，　周盼，　尹麗冰

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

生產(chǎn)爆破下巷道頂板穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)應(yīng)力比分析評(píng)價(jià)

陳國(guó)芳，王瀚霆，周盼，尹麗冰

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

為了研究某礦井下中深孔生產(chǎn)爆破對(duì)臨近巷道頂板穩(wěn)定性的影響，利用Blastmate III型測(cè)震儀對(duì)該礦山日常生產(chǎn)爆破時(shí)，對(duì)巷道頂板進(jìn)行爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.結(jié)果表明，爆破振動(dòng)的振幅與頻率隨著測(cè)點(diǎn)到爆源距離的增加逐漸降低；在對(duì)測(cè)試結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)方法對(duì)所研究巷道的頂板穩(wěn)定性進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，得到DSR≤0.125，以相同條件進(jìn)行爆破生產(chǎn)時(shí)，所研究巷道頂板無(wú)損傷破壞.

爆破振動(dòng)；巷道頂板；穩(wěn)定性；動(dòng)態(tài)應(yīng)力比

0　引　言

地下礦山巷道頂板的穩(wěn)定性，關(guān)乎著生產(chǎn)活動(dòng)能否安全有效地進(jìn)行[1-6].由于我國(guó)金屬礦山主要采用鉆孔爆破法進(jìn)行開(kāi)采，若采場(chǎng)附近存在巷道，則生產(chǎn)爆破過(guò)程易對(duì)巷道圍巖，尤其是頂板圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)和損傷，甚至引起圍巖失穩(wěn)破壞[7-12].通常對(duì)于巷道頂板的穩(wěn)定性研究是以國(guó)家爆破安全標(biāo)準(zhǔn)為判斷依據(jù)，利用薩道夫斯基公式對(duì)最大單段藥量或總藥量進(jìn)行控制.但是由于薩道夫斯基公式無(wú)法反映多段微差爆破時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度，而且國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于礦山巷道的安全振速并未對(duì)不同地質(zhì)條件、不同支護(hù)條件等實(shí)際問(wèn)題做出規(guī)定，這使國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在用于指導(dǎo)客觀生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)略顯寬泛.由于地下采場(chǎng)中頂板穩(wěn)定性問(wèn)題最為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量研究并取得了一定成果.周科平[13]利用灰色系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性及其沉降規(guī)律；楊雙鎖等[14]利用有限元法對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析及分類(lèi)研究；張樹(shù)光等[15]應(yīng)用離散元法對(duì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析；曹文貴等[16]對(duì)潭邵高速公路路基巖溶頂板穩(wěn)定性二級(jí)模糊進(jìn)行了綜合評(píng)判．近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析方法逐漸應(yīng)用于該領(lǐng)域的研究，但由于數(shù)值計(jì)算和模擬難以真正反應(yīng)爆破振動(dòng)下采場(chǎng)頂板的變化，更不能準(zhǔn)確地確定采場(chǎng)頂板損傷破壞的位置，該方法對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐有一定的局限性．

為了明確臨近巷道生產(chǎn)爆破對(duì)巷道頂板產(chǎn)生的實(shí)際影響，以某礦為例，對(duì)巷道頂板進(jìn)行實(shí)際爆破振動(dòng)測(cè)試，并在分析振動(dòng)峰值與振動(dòng)主頻的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)體系對(duì)巷道頂板的穩(wěn)定性做出安全評(píng)價(jià)．

1　工程概況

某地下鐵礦礦區(qū)位于龍巖盆地東南邊緣，其東界為天山凹斷層，西界為溪馬河斷層，東西長(zhǎng)約4 000m，南北寬700～1 000m．礦區(qū)介于分水嶺至河谷地帶，地勢(shì)由東向西逐漸降低，地形高程420～892 m，兩側(cè)山坡較陡，天然坡度為15°～35°．礦體主要集中于550～750 m高程范圍內(nèi)．勘查中將礦區(qū)劃為東、中、西3個(gè)礦段，本次討論范圍是標(biāo)高為420～200m的中西礦段．該礦區(qū)主礦體主要為磁鐵礦，圍巖主要為石英巖．

該礦床采用無(wú)底柱崩落法開(kāi)采．礦體采用后退式開(kāi)采，且自上而下進(jìn)行；同分段，上盤(pán)超前回采，相鄰礦塊超前回采時(shí)，一般不超過(guò)1～2個(gè)分段；上下分段同時(shí)回采時(shí)，上分段超前下分段25～30 m距離．落礦采用垂直扇形中深孔爆破．炮孔直徑75～80mm；炮孔向前傾斜8°～10°，邊孔水平夾角55°～60°；每排9孔，炮孔排距2m，孔底距2．1～2．4m，最大孔深約25 m；炸藥采用硝銨炸藥；起爆采用導(dǎo)爆管、非電毫秒雷管、導(dǎo)爆索復(fù)式起爆．

2　爆破振動(dòng)測(cè)試及分析

隨著回采工作的進(jìn)行，回采中形成了巷道，由于礦體圍巖較為完整穩(wěn)固，開(kāi)采過(guò)程中對(duì)部分巷道未進(jìn)行處理．現(xiàn)階段，隨著開(kāi)采的深入，中西礦段巷道穩(wěn)定性問(wèn)題日益凸顯，巷道頂板是否穩(wěn)定直接影響著該礦區(qū)開(kāi)采活動(dòng)是否能安全有序的進(jìn)行．為了解該采區(qū)生產(chǎn)爆破對(duì)巷道頂板的影響，對(duì)代表性生產(chǎn)藥量起爆時(shí)巷道頂板的爆破振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試．測(cè)試儀器為產(chǎn)自加拿大的Blastmate III型測(cè)震儀．該儀器測(cè)量范圍為：振速254 mm/s；噪聲 88～148 db；頻響2～300 Hz．測(cè)試所得各點(diǎn)爆破振動(dòng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖1．

圖1　各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)曲線(xiàn)Fig.1　Velocity curves of different points

分析圖1可得，測(cè)點(diǎn)6振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)約為2.5 s，測(cè)點(diǎn)5爆破振動(dòng)持續(xù)約2 s，其余測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間均略小于1 s；可知該礦山在日常生產(chǎn)中產(chǎn)生的爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，均在3 s內(nèi).比較圖1中各點(diǎn)振動(dòng)曲線(xiàn)可直觀發(fā)現(xiàn)，圖1（a）、圖1（b）爆破振動(dòng)曲線(xiàn)最為密集，圖1（c）次之，圖1（d）第3，圖1（e）、（f）最為稀疏.結(jié)合各測(cè)點(diǎn)距爆源的實(shí)際距離分析可知，隨著測(cè)點(diǎn)到爆源距離的增加，爆破振動(dòng)曲線(xiàn)整體上變得越來(lái)越稀疏，振幅越來(lái)越小，即爆破振動(dòng)頻率越來(lái)越低，爆破振動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越弱.為了驗(yàn)證爆破振動(dòng)主振頻率隨爆源距的變化關(guān)系，對(duì)爆破振動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行傅立葉變換，以確定各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)主振頻率及各方向振速峰值；為便于觀察對(duì)比，將各測(cè)點(diǎn)振速峰值及主振頻率進(jìn)行提取并以表格形式列出，見(jiàn)表1.由表1可明顯得出隨著測(cè)點(diǎn)到爆源距離的增加，振幅越來(lái)越小，即爆破振動(dòng)頻率越來(lái)越低，爆破振動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越弱，驗(yàn)證了爆破振動(dòng)曲線(xiàn)所反映結(jié)論的正確性.

表1　各測(cè)點(diǎn)振速峰值及主振頻率Table1　The peak vibration velocity ofm onitoring points

3　地下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)分析

由于巷道的失穩(wěn)破壞與巖性、支護(hù)、水環(huán)境等因素有密切關(guān)系，而國(guó)家爆破安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下構(gòu)（建）筑物做出的判據(jù)較為寬泛，未對(duì)不同條件進(jìn)行明確的規(guī)定，只是使用頻率與振速峰值作為寬泛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐有一定的局限性[17]．為了能夠較為全面的反映巷道受爆破振動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力狀態(tài)和損傷破壞程度，可采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)體系作為國(guó)家爆破安全標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充對(duì)巷道頂板的損傷破壞進(jìn)行分析[18]．

動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]（見(jiàn)表2），是一種綜合了爆破振動(dòng)水平、巖體特征性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)條件及巖土支護(hù)系統(tǒng)等因素的評(píng)價(jià)方法，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)比分析圍巖對(duì)爆破振動(dòng)的動(dòng)態(tài)與巖體結(jié)構(gòu)（包括支護(hù)結(jié)構(gòu)）本身抵抗爆破振動(dòng)損傷破壞的能力，來(lái)確定巖土設(shè)施物遭受爆破振動(dòng)時(shí)的損傷破壞判據(jù)．由于該體系結(jié)合了影響地下構(gòu)（建）筑物失穩(wěn)破壞眾多影響因素，如振動(dòng)強(qiáng)度、場(chǎng)地質(zhì)量系數(shù)、巖體性質(zhì)與支護(hù)方式等，故其能夠比較全面地反映爆破震動(dòng)下巷道頂板的損傷破壞情況．

表2　地下結(jié)構(gòu)損傷、破壞判據(jù)Table2　Criterion about damage and failure of underground structure

動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)體系中，利用DSR來(lái)反應(yīng)地下構(gòu)（建）筑物失穩(wěn)破壞類(lèi)型和程度，為無(wú)量綱參數(shù)，可按式（1）求得：

式（1）中，σ表示爆破振動(dòng)在巖體內(nèi)傳播產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，單位為Pa；ks表示場(chǎng)地質(zhì)量系數(shù)，ks≈PQD＜1；στ為巖體動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，單位為MPa．

由于爆破振動(dòng)在巖體內(nèi)傳播產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中較難測(cè)試，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其可按式（2）計(jì)算：

式（2）中，d為巖體密度，單位為kg/m3；c0為巖體縱波速，單位為m/s；v為爆破振動(dòng)速度，單位為cm/s．

由式（1）與式（2）可得DSR計(jì)算式：

通過(guò)查閱該礦山水文地質(zhì)資料及礦山前期研究資料可知，該采場(chǎng)圍巖主要為石英巖，平均密度為2 640 kg/m3，極限抗壓強(qiáng)度為2．2×107Pa，縱波速c0為3 000～4 000 m/s，ks≈PQD=0．94．由式（3）可知：DSR正比于爆破振動(dòng)速度v，為了盡可能保證開(kāi)采活動(dòng)的安全，計(jì)算中縱波速c0取均值，即3 500m/s，振速取最大監(jiān)測(cè)速度0．164m/s作為計(jì)算速度進(jìn)行分析．

將各參數(shù)代入式（3）計(jì)算可得：DSR=0．073，與表2對(duì)比分析可知DSR≤0．125，說(shuō)明巷道頂板無(wú)損傷破壞．即目前該采場(chǎng)以相同生產(chǎn)條件進(jìn)行爆破生產(chǎn)時(shí)，該巷道頂板穩(wěn)定，不會(huì)影響正常開(kāi)采活動(dòng)．

4　結(jié)　論

1）通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，得到了隨著測(cè)點(diǎn)到爆源距離的增加，振幅越來(lái)越小，即爆破振動(dòng)頻率越來(lái)越低，爆破振動(dòng)強(qiáng)度越來(lái)越弱的結(jié)論；

2）在爆破測(cè)振的基礎(chǔ)上，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生產(chǎn)爆破時(shí)臨近巷道頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果可知，DSR≤0．125，以相同條件進(jìn)行爆破生產(chǎn)時(shí)，所研究巷道頂板無(wú)損傷破壞．

分析可知，動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)體系中未對(duì)爆破振動(dòng)主振頻率及爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，對(duì)地下建（構(gòu)）筑的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析討論，后續(xù)研究將進(jìn)行深入討論分析．

[1]GB6722-2003．爆破安全規(guī)程[S]．

[2]易長(zhǎng)平，盧文波，張建華．爆破振動(dòng)作用下的地下硐室臨界振速的研究[J]．爆破，2005，22（4）：4-7．

[3]胡建華，雷濤，周科平，等．充填采礦環(huán)境下爆破振動(dòng)效應(yīng)預(yù)測(cè)與控制[J]．爆破，2009，26（4）：81-84．

[4]汪茂華，成涌．銅綠山高分段中深孔充填采礦方法的爆破工藝技術(shù)[J]．采礦技術(shù)，2010，10（2）：81-83．

[5]周訓(xùn)兵，李仕雄，平?。V山頂板安全預(yù)警新體系研究[J]．金屬礦山，2010（12）：140-143．

[6]王成，孫寶生，張建，等．中國(guó)礦山安全現(xiàn)狀與對(duì)策[J]．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2006，26（2）：81-85．

[7]肖福坤，孫豁然，柳小波，等．爆破震動(dòng)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響的模擬分析[J]．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2004，24（5）：73-76．

[8]曹野，陳宏偉．基于時(shí)能密度的圍巖爆破安全判據(jù)實(shí)驗(yàn)[J]．解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（3）：264-269．

[9]閆長(zhǎng)斌．爆破作用下巖體累積損傷效應(yīng)及其穩(wěn)定性研究[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.

[10]周建雄.爆破地震作用下出礦圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

[11]陳清運(yùn)，蔡嗣經(jīng)，明世祥，等.采礦動(dòng)壓對(duì)采場(chǎng)巷道穩(wěn)定性影響的研究[J].金屬礦山，2004（8）：16-19.

[12]劉煒，宋衛(wèi)東，趙炳祁，等.爆破震動(dòng)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響研究[J].金屬礦山，2011（1）：28-30.

[13]周科平.采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分析及其沉降規(guī)律的灰色預(yù)測(cè)[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，1994，14（4）：44-49.

[14]楊雙鎖，靳鐘銘.采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析及分類(lèi)研究[J].山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，15（1）：27-31.

[15]張樹(shù)光，張向東.離散元法在頂板穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].煤，2000，9（4）：15-16.

[16]曹文貴，程嘩，袁騰芳，等.潭邵高速公路路基巖溶頂板穩(wěn)定性二級(jí)模糊綜合評(píng)判[J].公路，2003（1）：13-16.

[17]宋光明，江文明，史秀志，等.巖土結(jié)構(gòu)爆破地震動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].礦冶工程，2000，20（1）：23-25.

[18]王禮先.水土保持工程學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2000：55-67. [19]史秀志，楊月平，程愛(ài)寶.地下結(jié)構(gòu)頂板爆破振動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2005，25（2）：76-82.

Analysis and evaluation of dynam ic stress ratio for tunnel roof’s stability under production blasting

CHEN Guofang，WANG Hanting，ZHOU Pan，YIN Libing
(School of Resources and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

Blasting vibration field tests are performed on the tunnel roof under daily production blasting by Blastmate III to investigate the effect of middle-deep hole explosion on the roofing stability.The result indicates that blasting amplitude and frequency gradually decrease with increasing distance between test point and explosion source.Dynamic stress ratio is applied to analyze the roofing stability based on analyzing the testing results.(DSR≤0.125).The results indicate that there is no roofing damage or breakdown under the same explosive conditions.

blasting vibration;tunnel roof;stability；dynamic stress ratio

TD322

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.016

2014－12－12

江西省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YC2013-S185）

陳國(guó)芳（1972-），男，副教授，主要從事危險(xiǎn)源辨識(shí)與評(píng)價(jià)、安全系統(tǒng)工程等方面研究，E-mail：chgf666@126.com.