礦山爆破振動與地表車輛載荷相互影響分析

雷 明，潘 冬，張 文

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

礦山爆破振動與地表車輛載荷相互影響分析

雷 明1，2，潘 冬1，2，張 文1，2

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

某國有公路設(shè)計(jì)線路與地下開采礦山相鄰。為保證公路運(yùn)營與井下采礦的共同安全，以巖土力學(xué)、爆破理論等為依據(jù)，利用爆破震動速度原理的計(jì)算方法詳細(xì)分析了井下開采爆破振動沖擊波引起巖層移動的影響范圍。同時因地表車輛運(yùn)行載荷可能對地下空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，分別按集中分布、矩形分布、帶狀分布不同荷載分布形式進(jìn)行了理論計(jì)算分析，結(jié)果表明礦山開采爆破振動對公路建設(shè)與運(yùn)營不會造成危害，公路運(yùn)營也不會對地下采空區(qū)帶來不利影響。

爆破振動；穩(wěn)定性；公路建設(shè)；車輛荷載

0 引 言

346國道七鄉(xiāng)河大道改擴(kuò)建項(xiàng)目棲霞段與某礦區(qū)邊緣相鄰，公路與礦區(qū)西南角最近距離約為163 m。礦山為“三下開采礦山”[1]，位于風(fēng)景區(qū)下部，一直采用充填法開采，生產(chǎn)能力為35萬t/a；目前回采-575 m以下的礦體。由于充填體能較好的控制地壓，且暴露的采空區(qū)較小，能防止地面塌陷，保護(hù)地表建、構(gòu)筑物的安全，地表未出現(xiàn)明顯的塌陷及建筑物破壞現(xiàn)象。但是采礦活動需進(jìn)行爆破作業(yè)，產(chǎn)生較大的爆破振動，可能會對地表公路造成影響；車輛運(yùn)行的載荷也可能對地下空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為保證公路工程與采礦活動的安全，應(yīng)當(dāng)對礦山開采爆破作業(yè)與公路運(yùn)營之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析與評估，杜絕安全事故的產(chǎn)生。

1 工程地質(zhì)情況

礦山早期進(jìn)行了《深部詳查地質(zhì)報告》，同時對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘與調(diào)研，進(jìn)行了深部巖體物理力學(xué)特性研究，得出相應(yīng)的巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，并利用普氏分類法，巖石質(zhì)量指標(biāo)分類法[2]以及巖體質(zhì)量系數(shù)分類法對礦山巖體進(jìn)行了工程分類，為后期計(jì)算與分區(qū)控制爆破振動提供理論依據(jù)。

礦巖的物理性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

2 爆破震動對公路運(yùn)營的影響分析

井下爆破振動[3]可能對公路運(yùn)營及施工產(chǎn)生影響，對于主要建、構(gòu)筑物，爆破地震應(yīng)滿足《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)[4]中關(guān)于建、構(gòu)筑物質(zhì)點(diǎn)震動速度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，詳見表3。

表1 礦巖物理性質(zhì)

表2 礦巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)目前礦山開采實(shí)際情況，井下集中爆破作業(yè)點(diǎn)為-575 m和-625 m水平，單次最大藥量為87.45 kg。參照交通隧道爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)井下爆破引起地表公路爆破震動速度為最大安全允許速度0.1～0.2 m/s時，根據(jù)表4，取K=250，α=1.8，R=232.7～340.8 m。則井下爆破點(diǎn)與隧道的最小安全距離計(jì)算結(jié)果表明，為滿足《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)交通隧道安全震動速度小于0.1～0.2 m/s的要求，確保公路施工和運(yùn)營安全，井下爆破作業(yè)點(diǎn)必須與隧道間保持340.8 m以上的安全距離。

目前，棲霞山鉛鋅礦-525 m中段以上礦體已全部采完，-575 m以下為主要回采中段，地面標(biāo)高在+0 m以上，公路設(shè)計(jì)為一級公路，規(guī)范要求其安全保護(hù)距離為公路兩側(cè)100 m。因此保護(hù)邊界至礦山回采中段(-575 m)的爆破點(diǎn)距離大于575 m，遠(yuǎn)大于爆破安全距離340.8 m的要求，不會對地表公路運(yùn)營造成影響。

爆破震動速度計(jì)算方法[5]：

(1)

式中,K、α可根據(jù)不同巖性參考表4選取。

表3 爆破振動安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)

注：(1) 應(yīng)對質(zhì)點(diǎn)振動相互垂直的3個分量進(jìn)行測定；(2) 表中質(zhì)點(diǎn)振動速度為3個分量中的最大值，振動頻率為主振頻率；(3) 頻率范圍按實(shí)測波形來確定或依據(jù)下列數(shù)據(jù)選擇：硐室爆破f<20 Hz；露天深孔爆破10 Hz

表4 爆區(qū)不同巖性的K、α值

3 公路運(yùn)營對地下空區(qū)影響

地表車輛載荷也有可能產(chǎn)對地下空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[6]，根據(jù)地面公路等級及運(yùn)行車輛的性質(zhì)進(jìn)行荷載向深部傳遞的影響分析。

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2014)[7]，載重為200，300 kN以及550 kN的車輛相關(guān)指標(biāo)如表5所示。

設(shè)車輛噸位為P，汽車載荷按不同形式可分為：集中分布、矩形分布以及帶狀分布[8]。

(1) 集中分布：荷載按一定的比例分布到車輛的各個車軸，其計(jì)算簡圖如圖1所示。

表5 載重為200，300，550 kN汽車主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 車輛集中載荷

以2個車軸的重車為例，利用Boussinesq解，得到4個集中載荷在M點(diǎn)處產(chǎn)生的附加應(yīng)力計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(σz)M=(σz)M0+(σz)MA+(σz)MB+(σz)Mc

(6)

式中,P1為車前軸兩作用點(diǎn)集中載荷；P2為車后軸兩作用點(diǎn)集中載荷；a、b為車輛尺寸；Z為路面至計(jì)算點(diǎn)深度；R為載荷作用點(diǎn)到計(jì)算點(diǎn)距離。

(2) 矩形分布：車輛荷載按規(guī)定比例分布到各個車軸，其具體計(jì)算簡圖如圖2所示。

圖2車輛矩形載荷

以具有2個車軸的重車為例，得出矩形作用面上的均布載荷在其角點(diǎn)以下深度為Z時所產(chǎn)生的附加應(yīng)力計(jì)算公式為：

(7)

式中，p為標(biāo)準(zhǔn)接觸面所受面力；m=L/B，L是標(biāo)準(zhǔn)接觸面長邊，B是標(biāo)準(zhǔn)接觸面短邊；n=z/B。

(3) 帶狀分布：公路車流的特點(diǎn)往往是流量大、載荷作用頻率高。載荷沿公路呈帶狀連續(xù)分布的理論是，以車輛前輪標(biāo)準(zhǔn)接觸面寬度為L，且其值不因車輛超載而發(fā)生改變[8]。其簡化計(jì)算見圖3。

圖3 車輛載荷帶狀分布簡圖

得到離公路表面垂直距離為z點(diǎn)處的附加應(yīng)力計(jì)算公式為：

(8)

線載荷積分得：

(9)

式中，p為標(biāo)準(zhǔn)接觸面上所受面力；m=x/L，n=z/L。

將式(9)中得到的計(jì)算結(jié)果乘以2即可得車輛荷載產(chǎn)生的總的附加應(yīng)力。

公路設(shè)計(jì)為一級公路，雙向8車道，其容許最大載重為55 t。按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，最大載重量為55 t的車輛，前軸標(biāo)準(zhǔn)接觸面長×寬為300 mm×200 mm；后軸標(biāo)準(zhǔn)接觸面長×寬為600 mm×200 mm。車輛尺寸長×寬為15 m×2.5 m。根據(jù)上述分析的荷載分布形式，這里考慮最不利情況，車輛超載2倍，車輛載荷呈帶狀分布；x坐標(biāo)取為0，即m=0。根據(jù)測量，公路與礦山井下-625 m水平下部空區(qū)最小垂直距離約為640 m。帶入公式中計(jì)算得車輛荷載給地下開采最近處產(chǎn)生的附加應(yīng)力為852 kPa，而巖石強(qiáng)度為其近百倍，因此可以認(rèn)為公路運(yùn)營后汽車產(chǎn)生的荷載不會對地下采空區(qū)帶來不利影響。

4 結(jié) 論

基于爆破安全規(guī)程的理論計(jì)算表明，根據(jù)一次最大裝藥量計(jì)算的地下采礦爆破震動影響距離約340.8 m。保護(hù)邊界至礦山回采中段(-575 m)的爆破點(diǎn)距離大于575 m，遠(yuǎn)大于爆破安全距離340.8 m的要求，因此地下采礦爆破不會對公路建設(shè)和運(yùn)營產(chǎn)生影響。同時，基于理論計(jì)算與《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的計(jì)算表明，公路運(yùn)營也不會對地下采礦帶來不利影響。

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[6]陶 冶.車輛荷載作用下路基沉降計(jì)算方法研究[D].杭州：浙江大學(xué).2012.

[7]JTGB01-2014.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]北京：人民交通出版社股份有限公司2014(12).

[8]高玉峰,黎 冰,劉漢龍.車輛荷載作用下公路軟基沉降的擬靜力計(jì)算方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(S2):5470￣5477.(收稿日期：2017￣06￣17)

雷 明(1985-)，男，湖南永州人，工程師，碩士，主要從事礦山開采設(shè)計(jì)研究工作，Email：282860988@qq.com。