礦體回采爆破對覆壓鐵路安全性的數(shù)值模擬研究*

褚夫蛟，段玉德，李公成，王作鵬，魏志鵬，張連新

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，淄博 255000；2.山東東平宏達(dá)礦業(yè)有限公司，泰安271000；3.山東盛鑫礦業(yè)有限公司，泰安 271000)

如今大多數(shù)金屬礦山采用爆破的方式進(jìn)行開采，但是，炸藥在爆炸時會產(chǎn)生巨大的能量，其中一部分能量會以地震波的形式傳播到地面，在爆區(qū)范圍內(nèi)，會對地面建筑設(shè)施的安全產(chǎn)生影響[1,2]，因此，正確的評估爆破時對地面建筑設(shè)施的影響是十分重要的。

目前，地下礦山爆破時對地面建筑的安全影響引起許多學(xué)者的關(guān)注，陳永偉通過三維動力數(shù)值及薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出路塹開挖爆破時對鐵路路基的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度的最大值[3]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值計(jì)算得到的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度均小于規(guī)程，可以保證既有鐵路路基安全。V Graizer認(rèn)為[4]，低速率帶和地質(zhì)地貌是振動放大效應(yīng)的主要原因。S Spyros等利用有限元程序模擬軟件模擬了爆破振動波在地形中的傳播[5]，獲得了到達(dá)時間以及域內(nèi)特定點(diǎn)的正負(fù)相位持續(xù)時間關(guān)系；孫秀民等根據(jù)路塹邊坡及現(xiàn)場爆破振動所測得的數(shù)據(jù)[6]，經(jīng)數(shù)學(xué)回歸分析處理，得到爆破震動傳播經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)所得公式計(jì)算出不同距離出的建筑物振動速度，參照相關(guān)規(guī)程對爆破時周圍民用建筑的安全進(jìn)行評價，同時給出了爆破振動安全的允許距離。J Torano等綜合考慮不同介質(zhì)、裝藥量、起爆順序等因素[7]，通過建立三維有限元模型研究了隧道爆破振動速度分規(guī)律。葉明班等基于背景工程結(jié)合巖質(zhì)邊坡下部臺階爆破開挖進(jìn)行現(xiàn)場振動監(jiān)測[8]，建立了巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)分析了邊坡巖體質(zhì)點(diǎn)峰值振速、應(yīng)力場及位移場的變化和分布規(guī)律。于德海等通過三維有限元程序仿真模擬以及工程現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測對比[9]，研究爆破振動對既有構(gòu)筑物的動力響應(yīng)問題。

國內(nèi)外學(xué)者在研究爆破振動對構(gòu)筑物影響方面已取得了一系列成果，但是，針對地下爆破對地鐵路基的安全影響所作的研究卻不多。結(jié)合某礦山Ⅰ-1 礦體礦房爆破回采礦石時爆破振動對鐵路安全的影響，利用三維數(shù)值模擬方法建立礦體和鐵路路基的數(shù)值模型，對礦體爆破時路基的動態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行分析，獲取礦房爆破時鐵路路基以及車站的振動速度、路基應(yīng)力以及應(yīng)變等數(shù)據(jù)，分析Ⅰ-1 礦體回采爆破對既有鐵路線及車站的安全影響。

1 項(xiàng)目概況

某礦山地形為沖洪積平原區(qū)，礦山北部約1.3 km處地表有鐵路通過。礦山內(nèi)礦體大部分賦存于-40 m標(biāo)高以下，按礦體順序，主要有Ⅰ-2、Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ礦帶、Ⅳ礦帶。其中Ⅰ-1礦帶距離北部鐵路較近，最小水平距離僅327 m，如圖1所示。Ⅰ-1對鐵路及車站安全起主要影響，礦體設(shè)計(jì)采用分段鑿巖階段礦房嗣后充填采礦法。企業(yè)北部鐵路主要考慮的影響范圍為DK900+750～DK904+250。

圖 1 礦體與鐵路位置關(guān)系圖

采用地震波安全距離計(jì)算最大藥量[10]。

R=(K/V)1/αQ1/3

(1)

式中：R為測點(diǎn)至爆源的中心距離，鐵路路基按距離爆源最近距離取327 m，地表建筑按距離爆源最近距離取150 m；K、α為與介質(zhì)場區(qū)條件等有關(guān)的待定常數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貛r性為中硬巖石，參考類似礦山，K取200,α取1.75；V為質(zhì)點(diǎn)最大允許速度，鐵路路基取3.5 cm/s；地表建筑的村落中仍存在土坯墻，按較差民房取1 cm/s；Q為每次爆破或單段最大藥量。

表 1 工業(yè)和商業(yè)建筑物爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

采用上向扇形中深孔爆破，對礦體厚度10 m，分段高度17 m的標(biāo)準(zhǔn)采場進(jìn)行布置計(jì)算，炮孔結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。圖中每排10個炮孔，炮孔合計(jì)129.4 m，其中最深孔19.8 m，裝藥長度94.5 m，裝藥系數(shù)0.73，其中最長裝藥長度15.4 m，單孔最大裝藥量43.6 kg，單排裝藥量267.4 kg。

圖 2 扇形中深孔結(jié)構(gòu)布置圖(單位：m)

注：硐室爆破f小于20 Hz，露天深孔爆破f在10～60 Hz之間，露天淺孔爆破f在40～100 Hz之間，地下深孔爆破f在30～100 Hz之間，地下淺孔爆破f在60～300 Hz之間(下同)。

由于礦房爆破回采屬于地下深孔爆破，f=30～100 Hz，同時測定質(zhì)點(diǎn)振動相互垂直的三個分量，得質(zhì)點(diǎn)振動速度為三分量中的最大值，由表1、表2可知[11，12]，取鐵路工程的爆破振動速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)為3.5 cm/s。鐵路路基從上至下由A組填料、改良土、路基本體、碎石墊層組成，根據(jù)相關(guān)資料，以各組成材料的強(qiáng)度作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型和參數(shù)

2.1.1 模型尺寸和網(wǎng)格劃分

車站是 生產(chǎn)的基地，集中了與行車有關(guān)的技術(shù)設(shè)備，人員密集，人口流動量大，路基是軌道或者路面的基礎(chǔ)，為列車運(yùn)行提供必要條件，保證鐵路路基及車站的安全是必要的，在礦房1及礦房2爆破回采礦石時，對鐵路路基及車站的安全有影響，因此，數(shù)值計(jì)算以鐵路路基和車站作為研究對象，選取K907+892.88(DK900+750)～K909+894.88(DK902+752)段路基以及最近距離的礦房，通過施加爆破荷載獲取鐵路路基的動態(tài)響應(yīng)情況，建立如圖3所示幾何模型。距離路基最近的為礦房1，距離車站最近的為礦房2，礦房1與路基最近距離約327 m，與車站距離約為1810 m，礦房2與路基最近距離約1030 m，與車站距離約為1654 m。通過設(shè)置單元尺寸以及軟件自動劃分網(wǎng)格功能，建立數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示[13]，模型包含95577個單元，47842個節(jié)點(diǎn)。為最大限度獲得爆破振動，從極限角度出發(fā)，減小軟弱地層對爆破地震波造成的衰減作用，模型不設(shè)地表黃土層。

表 2 鐵路路基相關(guān)爆破振動安全允許值

圖 3 Ⅰ-1號礦體與鐵路路基空間位置關(guān)系

圖 4 數(shù)值計(jì)算模型

2.1.2 爆破荷載設(shè)置

目前對隧道爆破振動影響的研究中，關(guān)于爆破沖擊荷載的相關(guān)參數(shù)尚無較為完善的方法和理論加以確定。結(jié)合前人研究，采用美國National Highway Institute里提及的公式[14]。爆破荷載計(jì)算公式如下

(2)

(3)

(4)

式中：Pdet為爆破壓力；PB為孔壁面上的壓力；PD(t)為爆破壓力的時程函數(shù)；Ve為爆轟速度；dc為炸藥直徑；dh為炮孔直徑；γ為比重；B為荷載常量。

結(jié)合礦山采礦的爆破設(shè)計(jì)方案，通過計(jì)算得到爆破時程荷載如圖5，數(shù)值計(jì)算模型所用的主要物理力學(xué)性能參數(shù)見表3。

2.2 鐵路路基動態(tài)響應(yīng)分析

根據(jù)礦房1和礦房2的位置關(guān)系，以與兩礦房鄰近的鐵路路基作為研究對象，同時監(jiān)測車站的動態(tài)響應(yīng)情況，設(shè)置1-1、2-2、3-3剖面，其中礦房1爆破時主要監(jiān)測1-1、3-3剖面，礦房2爆破時主要監(jiān)測2-2、3-3剖面，如圖6所示。對于各剖面，設(shè)置4個監(jiān)測點(diǎn)(如圖7所示)，主要監(jiān)測各點(diǎn)位的質(zhì)點(diǎn)振動速度，以此來表征其動態(tài)響應(yīng)情況。

圖 5 爆破荷載時程曲線

圖 6 監(jiān)測剖面設(shè)置

表 3 主要物理力學(xué)性能參數(shù)

圖 7 剖面測點(diǎn)位置圖

2.2.1 速度響應(yīng)分析

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，提取各測點(diǎn)的振動速度峰值，見表4所示。(各測點(diǎn)的名稱以“剖面-測點(diǎn)”的方式命名，如“1-A”測點(diǎn)表示1-1剖面的測點(diǎn)A)。

從表4可以看出，最大振動測點(diǎn)位于1-1剖面的鐵路路基下部，此時為礦房1爆破導(dǎo)致的，最大合速度為3.412 cm/s，三向最大速度為3.392 cm/s，為Y方向，即為南北向。而1-1剖面在礦房1爆破時所有測點(diǎn)的最大振動速度方向均為Y方向，其數(shù)值分別為A點(diǎn)：2.173 cm/s，B點(diǎn)：3.392 cm/s，C點(diǎn)：2.658 cm/s，D點(diǎn)：2.303 cm/s。

表 4 礦房1、2爆破各測點(diǎn)振動速度峰值(單位：cm/s)

從表4中可以看出，車站在礦房1爆破時所產(chǎn)生的振動最小，最大合振動速度僅為0.0102 cm/s，三向最大振動速度為X方向，僅有0.009607 cm/s。

礦房2爆破時，距離鐵路路基約1000 m，為礦房1與鐵路路基距離的3倍，此時導(dǎo)致的路基振動速度明顯低于礦房1爆破導(dǎo)致的振動，最大合振動速度為0.2891 cm/s，三向最大振動速度為Y方向。與礦房1爆破導(dǎo)致的路基最大振動速度方向一致，各測點(diǎn)的最大振動速度方向均為Y方向。而此時礦房2距離車站約1650 m，車站的合振動速度最大值為0.02005 cm/s，為鐵路路基底部振動速度。

從以上數(shù)據(jù)及分析可以看出，兩種工況導(dǎo)致的最大振動速度出現(xiàn)在了礦房1爆破時鐵路路基測點(diǎn)，最小振動速度為礦房1爆破時車站位置，各測點(diǎn)振動速度均小于確定的爆破安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度。

2.2.2 應(yīng)力分析

提取1-1剖面、2-2剖面的應(yīng)力云圖，如圖8、9所示，各工況下應(yīng)力最大值出現(xiàn)在了礦房1爆破時的1-1剖面，其中最大主應(yīng)力最大值為8108.17 Pa，為拉應(yīng)力，最小主應(yīng)力最大值為12409.1 Pa，為壓應(yīng)力，最大剪應(yīng)力最大值為5955.34 Pa，均位于非鐵路路基即維修辦公區(qū)域基礎(chǔ)的底部，且最大應(yīng)力值小于路基各材料的抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度。礦房1爆破時，由于車站距離較遠(yuǎn)，所產(chǎn)生的應(yīng)力最大不超過100 Pa。礦房2爆破時，2-2剖面路基產(chǎn)生的應(yīng)力最大值均小于礦房1爆破時1-1剖面路基所產(chǎn)生的應(yīng)力值。而礦房2爆破時位于車站的3-3剖面應(yīng)力值最大不超過150 Pa。由此可知礦房1、礦房2爆破時，路基所受的爆破沖擊均小于自身強(qiáng)度，所受擾動較小，路基結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

圖 8 礦房1爆破1-1剖面應(yīng)力云圖

圖 9 礦房2爆破2-2剖面應(yīng)力云圖

2.2.3 應(yīng)變分析

提取不同工況下各監(jiān)測剖面的應(yīng)變云圖，如圖10所示。礦房1爆破時的1-1剖面最大剪應(yīng)變值僅為2.58×10-4ε，變形較小。車站最大剪切應(yīng)變值僅有1.15 με，所受影響非常輕微。礦房2爆破時，2-2剖面路基剪切應(yīng)變最大值僅有30.59 με，車站的最大剪應(yīng)變值僅為2.47 με，由此可知礦房1、礦房2爆破時，路基所受的爆破沖擊均小于自身強(qiáng)度，所受擾動較小，路基結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

圖 10 不同工況下各監(jiān)測剖面的應(yīng)變云圖

3 結(jié)論

(1)通過對各測點(diǎn)速度峰值的監(jiān)測，分析得出礦房1爆破時鐵路路基產(chǎn)生的振動速度最大，這是由于礦房1距離路基最近的原因?qū)е碌?。而?dǎo)致車站振動速度達(dá)到最大值是由礦房2爆破引起的。盡管如此，兩種礦房爆破工況下產(chǎn)生的震動速度最大值均不超過《爆破安全規(guī)程》及《鐵路工程爆破振動安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的允許速度。

(2)通過應(yīng)力分析可知礦房1爆破時，1-1剖面路基出現(xiàn)了應(yīng)力極值，且均位于非鐵路路基，所有應(yīng)力值均小于材料自身強(qiáng)度。礦房2爆破時車站所受應(yīng)力較大，但其應(yīng)力值最大不超過150 Pa。由于應(yīng)力值較小，即使出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，仍然不能導(dǎo)致出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

(3)通過應(yīng)變分析可知礦房1爆破時，路基產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)變僅為2.58×10-4ε。礦房2爆破時車站所受應(yīng)變較大，最大剪應(yīng)變值僅為2.47 με。通過模擬結(jié)果可知，鐵路路基及車站在爆破荷載作用下，剪切應(yīng)變較小，路基結(jié)構(gòu)不會發(fā)生明顯的變化。