深孔爆破出礦巷道的動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)分析

李文明

(中國(guó)神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市 010300)

深孔爆破出礦巷道的動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)分析

李文明

(中國(guó)神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市 010300)

以某鐵礦采場(chǎng)深孔爆破為研究背景，針對(duì)爆破震動(dòng)引起的巷道片幫、冒頂?shù)仁鹿?，為最大程度的降低爆破震?dòng)效應(yīng)，采用blastmate型測(cè)振儀對(duì)深孔爆破時(shí)出礦巷道的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)測(cè)振數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)波衰減規(guī)律與礦巖的巖性基本一致；采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力比評(píng)價(jià)體系對(duì)出礦巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)DSR＜0.0125時(shí)，以同等條件進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，巷道不會(huì)發(fā)生破壞。

深孔爆破；出礦巷道；穩(wěn)定性；動(dòng)態(tài)應(yīng)力比

0 引言

金屬礦的礦巖較為堅(jiān)固，鉆爆法被廣泛運(yùn)用，但炸藥爆破所產(chǎn)生的能量大部分以地震波的形式耗散，引起鄰近自由面震動(dòng)，繼而引起生產(chǎn)事故的發(fā)生[1-2]。出礦巷道作為礦山生產(chǎn)的主要作業(yè)場(chǎng)所，其穩(wěn)定直接關(guān)系著井下作業(yè)人員的生命安全，間接影響著礦山企業(yè)的生產(chǎn)效益。

目前，眾多學(xué)者對(duì)動(dòng)荷載作用下的巷道失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究，并已產(chǎn)生眾多研究成果。韓曉亮以某釩礦為研究背景，以采場(chǎng)實(shí)測(cè)震動(dòng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用有限元差分軟件FLAC3D，對(duì)動(dòng)荷載施加前后巷道圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)巷道施加動(dòng)載后位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與塑性區(qū)變化均較小，說(shuō)明單次爆破震動(dòng)對(duì)巷道破壞較小，不足以使巷道立即發(fā)生失穩(wěn)[3]。周傳波以大冶鐵礦深孔爆破為工程依托，采用離散元軟件PFC研究爆破震動(dòng)對(duì)巷道造成的累計(jì)損傷，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)與塑性區(qū)的變化幅度與動(dòng)荷載施加的強(qiáng)度一致，且動(dòng)荷載施加強(qiáng)度越大應(yīng)力場(chǎng)與塑性區(qū)變化越明顯[4]。蔣楠以冬瓜山銅礦采場(chǎng)實(shí)測(cè)震動(dòng)信號(hào)為依據(jù)，通過(guò)在模型底部施加爆破震動(dòng)信號(hào)，分析動(dòng)載施加前后巷道位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其隨時(shí)間的變化規(guī)律與作為動(dòng)荷載輸入波形的速度時(shí)間曲線變化基本一致[5]。熊良霄以黃草坪隧道為工程依托，采用FLAC3D對(duì)地震波作用下隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，討論模型橫向范圍和邊界條件對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)7～8倍洞徑，粘性邊界的模型最為合理[6]。目前，針對(duì)爆破動(dòng)載作用下巷道圍巖的失穩(wěn)機(jī)制研究，主要采用FLAC3D進(jìn)行模擬分析，雖能有效地反應(yīng)巷道圍巖物理量的變化，但卻無(wú)法反應(yīng)巷道穩(wěn)定性的破壞程度，而動(dòng)態(tài)應(yīng)力比分析評(píng)價(jià)方法根據(jù)礦巖的抗拉強(qiáng)度可以有效的判斷巷道圍巖的損傷程度[7-8]，因此，本文采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力比分析評(píng)價(jià)法對(duì)某礦山出礦巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。

1 工程概況

某鐵礦位于閩西地區(qū)博平嶺山脈，地貌為侵蝕構(gòu)造地形，山脈呈北北東一近南北向延伸。礦區(qū)位于龍巖盆地，東西長(zhǎng)約4000 m，南北寬約700～1000 m。礦區(qū)年降水量為1350～1995 mm，屬雨量豐富地區(qū)。礦體為矽卡巖和變質(zhì)砂質(zhì)泥巖，上盤(pán)圍巖為大理巖、大理巖化灰?guī)r，下盤(pán)圍巖為石英巖和石英砂巖。

該礦采用垂直扇形深孔爆破法落礦。中段高度為50 m，礦房沿走向布置，長(zhǎng)為50 m，寬為20 m，礦房頂柱5 m，間柱5 m。使用KJ-90型鉆機(jī)鉆孔，孔徑70～80 mm，炮孔前傾8°～10°，邊孔水平夾角55°～60°，每排9孔，排距2 m，孔距2 m，孔深20 m；用2＃巖石乳化炸藥結(jié)合非電毫秒微差雷管系統(tǒng)進(jìn)行爆破。

2 爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

采準(zhǔn)工作結(jié)束后伴隨著回采作業(yè)的開(kāi)始，在爆破次數(shù)增加，爆破炸藥量增大及井下空間有限等因素的影響下，出礦巷道破壞愈發(fā)嚴(yán)重。為分析爆破震動(dòng)對(duì)巷道的影響，對(duì)回采爆破引起的巷道質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

3 現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

3.1 薩道夫斯基公式

目前，測(cè)震儀可記錄測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度、加速度、位移、主震頻率及震動(dòng)持續(xù)時(shí)間。以質(zhì)點(diǎn)峰值震速作為爆破震動(dòng)安全評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，采用薩道夫斯基公式計(jì)算，即：

式中：Q——最大單段炸藥量，kg；

R——爆心距，m；

K、α——相關(guān)系數(shù)；

ρ——比例藥量。

3.2 爆破作業(yè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本次測(cè)震共進(jìn)行5次，爆破地點(diǎn)為＋745中段3號(hào)采場(chǎng)(東側(cè))，測(cè)震地點(diǎn)為＋795中段2號(hào)采場(chǎng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)出礦巷道。測(cè)震結(jié)束后，首先將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，然后使用blastmave8軟件處理，得到峰值震速、主震頻率、持續(xù)時(shí)間等信息，最后將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的爆破參數(shù)，如爆心距、單段藥量等進(jìn)行整合，并將測(cè)震數(shù)據(jù)與爆破參數(shù)匯總，見(jiàn)表1。

表1 爆破參數(shù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)擬合

通過(guò)公式(1)對(duì)表1數(shù)據(jù)擬合，可得水平徑向速度、水平切向速度、垂直方向速度與合成速度4個(gè)方向爆破震動(dòng)波的衰減規(guī)律。

三維合成震動(dòng)速度為：

水平切向震動(dòng)速度為：

水平徑向震動(dòng)速度為：

垂直向震動(dòng)速度為：

公式中的系數(shù)k和a與現(xiàn)場(chǎng)巖性條件和爆破作業(yè)環(huán)境有關(guān)。根據(jù)爆破安全規(guī)程(GB6722-2014)，不同巖性條件下k與a經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同巖性條件下k、a值

通過(guò)對(duì)各向速度進(jìn)行線性擬合，依據(jù)水平方向衰減規(guī)律，巷道圍巖趨向中硬巖，依據(jù)垂直方向衰減

規(guī)律，巷道圍巖趨于硬巖。爆破震動(dòng)波的衰減規(guī)律不僅與礦巖種類(lèi)、地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)條件有關(guān)，還與采礦方法以及爆破作業(yè)參數(shù)有關(guān)。由于測(cè)點(diǎn)位于下盤(pán)巖層，爆點(diǎn)位于礦體，爆破震動(dòng)波先穿過(guò)礦體再通過(guò)巖體，考慮到礦巖的穩(wěn)定性差異，故各個(gè)方向的回歸系數(shù)不同，但與礦山實(shí)際相符。

4 動(dòng)態(tài)應(yīng)力比分析評(píng)價(jià)

4.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力比

目前，國(guó)內(nèi)外眾多仍以爆破地震波峰值振速與主振頻率作為巷道失穩(wěn)的依據(jù)，但由于巷道的穩(wěn)定性不僅僅與震動(dòng)持續(xù)時(shí)間、峰值振速和主振頻率有關(guān)，還與礦巖強(qiáng)度、風(fēng)化程度、含水率高低等地質(zhì)因素有關(guān)，因此，具有一定的局限性。為深入分析爆破震動(dòng)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，引入動(dòng)態(tài)應(yīng)力比(DSR)分析評(píng)價(jià)方法，通過(guò)比較礦巖受到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力與礦巖的極限應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)而判斷礦巖的損傷，DSR評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。

表3 地下結(jié)構(gòu)損傷、破壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

動(dòng)態(tài)應(yīng)力比法中提出了無(wú)量綱參數(shù)DSR的概念，并以其大小來(lái)作為判斷巷道破壞的依據(jù)[6]，其計(jì)算公式如下：

式中：σ——巖體受到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，MPa；

Ks——場(chǎng)地系數(shù)，Ks≈PQD＜1；

σ動(dòng)——巖體動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

巖體受到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力可以由公式(4)求得：

式中：ρ——介質(zhì)密度，kg/m3；

c0——巖體介質(zhì)的縱波波速，m/s；

v——爆破震速，cm/s。

巖體動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度可以由公式(5)求得：

式中：σ靜——巖體靜態(tài)抗拉應(yīng)力，MPa。

4.2 巷道穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)應(yīng)力比安全評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)礦山進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，得知礦石主要成分為矽卡巖。通過(guò)對(duì)采場(chǎng)取得的巖芯進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得：圍巖密度為 3200 kg/m3，縱波波速為 5000 cm/s，動(dòng)態(tài)極限抗拉強(qiáng)度為44.06 MPa?？疾靾?chǎng)地選擇Ks＝PQD＝0.85。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)測(cè)試，獲得測(cè)點(diǎn)最大峰值振速為18.197 cm/s。

根據(jù)公式(4)以及上述參數(shù)，可求得 DSR＝0.077，結(jié)合表3可知，DSR＜0.125，說(shuō)明出礦巷道無(wú)破壞損傷，使用當(dāng)前的爆破參數(shù)在該區(qū)域生產(chǎn)不會(huì)引發(fā)安全生產(chǎn)事故。

5 結(jié) 論

(1)以現(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，通過(guò)對(duì)其直觀分析，發(fā)現(xiàn)隨著爆心距的增加，質(zhì)點(diǎn)峰值振速快速降低；同時(shí)，通過(guò)對(duì)其二元回歸分析，發(fā)現(xiàn)礦巖巖性為中硬巖石，與該礦礦山巖性相符，進(jìn)而證明爆破震動(dòng)波衰減規(guī)律的準(zhǔn)確性。

(2)利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力比法結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)爆破震動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)出礦巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，得到DSR＜0.125時(shí)，以當(dāng)前作業(yè)參數(shù)在該采場(chǎng)進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，巷道無(wú)損傷。

[1] 鄧 飛，韓曉亮，尹麗冰，等.鄰近巷道爆破對(duì)既有巷道影響的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2015，35(11)：74-79.

[2] 鄧 飛，韓曉亮，廖聲銀，等.中深孔爆破出礦巷道震動(dòng)強(qiáng)度的數(shù)值模擬[J].有色金屬科學(xué)與工程，2015(06)：106-110.

[3] 鄧 飛，韓曉亮，胡龍飛，等.爆破震動(dòng)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2015，35(10)：47-50.

[4] 周傳波，郭廖武，姚穎康，等.采礦巷道圍巖變形機(jī)制數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué)，2009(03)：654-658.

[5] 蔣 楠，鄭曉碩，張 磊，等.采礦爆破振動(dòng)對(duì)巷道圍巖影響的數(shù)值模擬研究[J].工程爆破，2010(03)：21-24.

[6] 熊良宵，李天斌，劉 勇，等.隧道地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，13(3)：255-260.

[7] 陳國(guó)芳，王瀚霆，周 盼，等.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)[J].有色金屬科學(xué)與工程，2015(03)：83-87.

[8] 班克海，王 賀.高應(yīng)力下中深孔爆破振動(dòng)傳播規(guī)律及動(dòng)態(tài)應(yīng)力比安全判據(jù)研究[J].有色金屬(礦山部分)，2015(05)：81-84.

2016-07-17)

李文明(1977-)，男，內(nèi)蒙古杭錦后旗人，工程師，主要從事露天礦山生產(chǎn)與管理工作，Email：931037036＠qq. com。