采礦爆破振動對巷道圍巖影響的數(shù)值模擬研究

關(guān)鍵詞：FLAC^3D；深孔爆破；爆破振動；巷道；動力荷載；數(shù)值模擬

 

對于地下礦山開采而言，保證巷道穩(wěn)定是礦山安全穩(wěn)定生產(chǎn)的前提。在礦山回采的過程中，采用大直徑深孔爆破的落礦方案，由于規(guī)模大、頻次多、藥量集中、地下采礦空間密閉等原因，爆破效應(yīng)對采礦工程安全穩(wěn)定的破壞是客觀存在和難免的^[1]。

國內(nèi)外學(xué)者對爆破振動的影響問題已做了許多研究^[2-5]。Datta等人用漸近匹配展開法研究了柱形空腔的SH波、P波和SV波的散射，得到了遠(yuǎn)場漸近表達式及數(shù)值結(jié)果，并對任意柱形空腔的動應(yīng)力集中和位移場進行了研究^[2]；易長平、盧文波運用LS-DYNA軟件研究了不同炮孔爆破、不同分段方式和起爆順序?qū)︵徑�隧洞的振動影�?sup>[3]；畢繼紅、鐘建輝采用ANSYS軟件對既有隧道受鄰近爆破振動影響進行了研究，分別就不同圍巖類型、不同隧道間距情況下既有隧道的振動進行了分析^[4]。

本文結(jié)合安徽銅陵冬瓜山采礦巷道的生產(chǎn)條件與爆破環(huán)境，利用FLAC^3D 3.O軟件，從巷道的應(yīng)力場和變形場著手，研究爆源區(qū)位于所研究巷道正下方的爆破振動荷載對鑿巖巷道圍巖的影響。

 

在FLAC^3D動力計算中，動力分析被視為模型的一個載荷條件與模擬序列的一個獨特的階段。靜力平衡計算總是先于動力分析。通常，動力分析有四個階段：①確定模型滿足波精確傳播的條件。即使是在執(zhí)行靜態(tài)解答前，這一檢驗也必須執(zhí)行，因為計算開始后網(wǎng)格不能再改動。②規(guī)定合適的機械阻尼。③施加動荷載。④設(shè)置模型動力響應(yīng)的監(jiān)測，應(yīng)注意動力載荷、邊界條件、阻尼選擇三個方面。

FLAC^3D依靠在模型邊界或內(nèi)部結(jié)點應(yīng)用輸人的動力邊界條件來模擬區(qū)域材料受到外部或內(nèi)部動力荷載。為保證計算的精確度在模型邊界上的波的反射需要被最小化，因此需要設(shè)置動力邊界條件，包括靜邊界和自由場邊界兩種。本文模擬分析中采用自由場邊界。網(wǎng)格剖分的尺寸受輸入波動的最短波長控制。設(shè)網(wǎng)格的最大尺寸為△l，輸入波動的最短波長為λ，則△l必須小于(1／10～1／8) λ。本次模型的網(wǎng)格尺寸為10m，在此要求之內(nèi)^[6]。

在FLAC^3D中，可以用加速度時程、速度時程、應(yīng)力(或壓力)時程和位移時程4種方式輸入動載。動載輸入可以施加在所建立模型的坐標(biāo)軸方向上，或根據(jù)模型邊界的法向或切向施加。確定的邊界條件不能在同一邊界段混合施加^[7]。

當(dāng)在模型邊界上施加速度時程或加速度時程時，一個限制是邊界條件在靜(黏性)邊界條件的情況下，不能施加在同一邊界，因為此時在這一方向上靜邊界將無效。這時應(yīng)該將速度時程或加速度時程轉(zhuǎn)化成應(yīng)力時程，再施加到這一邊界上。

FLAC^3D中，采用了瑞雷阻尼和局部阻尼兩種形式的阻尼。局部阻尼是在靜力計算中用來使結(jié)構(gòu)達到最終平衡的，也可以用來進行動力分析；瑞雷阻尼是結(jié)構(gòu)分析和彈性體系分析中用來抑制系統(tǒng)自振的，通�？梢杂孟率絹肀硎荆骇�=αΜ+βΚ

式中：α，β分別為質(zhì)量阻尼常數(shù)和剛度阻尼常數(shù)；Μ為質(zhì)量矩陣；Κ為剛度矩陣；С為阻尼矩陣。

 

在模擬過程中，采用速度時程的方式加入爆破振動荷載，施加方法是：通過TOPVIEW2000虛擬儀器軟件，自動生成時間速度EXCEI。表格，復(fù)制生成TXT文本文件，作為FLAC^3D命令流文件導(dǎo)人荷載。

本文所研究的是安徽銅陵冬瓜山銅礦采礦爆破現(xiàn)場一730m水平采場大直徑深孔爆破，對一670m采礦鑿巖巷道圍巖的影響。爆源區(qū)位于所研究巷道的正下方，所以在施加荷載的時候，爆破振動荷載采用垂直的方式加入模型的整個底面，并且是以變化的面荷載的形式加入的。加人現(xiàn)場實測爆破振動的數(shù)據(jù)，振動波形如圖1所示。

為了了解爆破振動荷載作用下該水平巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變狀況，在所建模型中施加自然應(yīng)力進行模擬計算達到平衡后，加入動荷載后進一步的模擬計算。這里列出兩次模擬結(jié)果中的剪應(yīng)力云圖(略)，以及在兩次模擬的過程中設(shè)立的三個監(jiān)測點，并分別分析了：a點(15，1，11.8)，即巷道拱頂位置的Z方向位移曲線圖(見圖4)．b點(12.65，1，9.23)即巷道直墻中部位置應(yīng)力曲線圖(見圖5)；c點(12.65，1，8)，即巷道直墻底部位置的加速度變化曲線圖(見圖6)(自然應(yīng)力狀態(tài)下加速度為零)。a、b、c三個監(jiān)測點的數(shù)值模擬對比分析的結(jié)果如表1所示。

Table 1 Comparative analysis of numerical simulation results

監(jiān)測點    參數(shù)類別         自然應(yīng)力狀態(tài)下            爆破振動荷載下

a      Z方向位移    位移從-1.49×10-5緩慢        位移呈波形變化,變化               增加到-1.585×10-5,如        趨勢與所測振動波形 圖4(a)所示                大體一致,正向位移最 大為1.404×lO-5,負(fù)方 向最大位移為l.671 ×lO-5，如圖4(b)所示 b     最大應(yīng)力      所受應(yīng)力為壓應(yīng)力，應(yīng)力       所受應(yīng)力為壓應(yīng)力，并                 量值從5.693×105緩慢增       且呈波形變化，變化趨              加到9.570X105，如圖5(a)      勢與所測振動波形大 所示                         體一致，應(yīng)力量值最小 為8.656×105，最大為 1.029×106，如圖5(b) 所示 c      加速度       加速度為零                   加速度同樣呈波形變 化，與所加振動波形大 體的變化趨勢一致，最 大正方向加速度為 1.392×101，最大負(fù)方 向加速度為-1.801× lO1，如圖6所示 剪應(yīng)力       巷道的拱角以及底板底角       巷道的拱角以及底板 位置都出現(xiàn)了剪應(yīng)力集         底角位置都出現(xiàn)了剪 中，壓應(yīng)力最大為2.485×     應(yīng)力集中，壓應(yīng)力最大 105，拉應(yīng)力最大為2.5×       為2.761×105，拉應(yīng)力 105，如圖2(a)所示            最大為2.4377×105， 如圖2(b)所示 塑性區(qū)       圍巖巷道在拱頂與邊墻底       圍巖巷道在邊墻底 角位shear-p，即表示現(xiàn)在     角以及底板位置出 彈性狀態(tài)，但曾有過剪切       現(xiàn)大范圍的shear-p 破壞的區(qū)域[8]，巷道的邊       區(qū)域。 墻角出現(xiàn)小范圍的shear-p 區(qū)域。

 

通過對安徽冬瓜山銅礦采礦爆破振動對巷道影響的數(shù)值模擬研究，主要獲得以下幾點結(jié)論：

(1)巷道圍巖在爆破振動荷載作用過程中，圍巖應(yīng)力場、變形場的變化趨勢曲線與振動載荷波形曲線大體一致。

(2)模擬中巷道圍巖塑性區(qū)的變化為進一步研究圍巖體的累積的損傷失穩(wěn)提供了依據(jù)。對比自然應(yīng)力狀態(tài)下與爆破振動荷載作用后的巷道圍巖塑性區(qū)得出：巷道正下方的采礦爆破產(chǎn)生的爆破振動對巷道圍巖產(chǎn)生了一定的損傷，且損傷區(qū)域集中在巷道的底板圍巖上�？梢灶A(yù)測在礦山爆破規(guī)模大、頻次多的情況下，采礦工程圍巖體的損傷將會累積并且進一步加劇，進而對采礦工程圍巖體的穩(wěn)定性造成影響。

摘自《工程爆破》總第61期

[1]張志毅，王中黔．工程爆破研究與實踐[M]．北京：中國鐵道出版社，2004．

[2]劉慧．鄰近爆破對隧道影響的研究進展[J]．爆破，1999，16(1)：57—63．

[3]易長平，盧文波．開挖爆破對鄰近隧洞的震動影響研究[J]．工程爆破，2004，10(1)：1—5．

[4]畢繼紅，鐘建輝．鄰近隧道爆破震動對既有隧道影響的研究[J]．工程爆破，2004，10(4)：69—73．

[5]陽生權(quán)．小線間距施工隧道爆破地震影響下既有隧道圍巖線性動力分析口]．工程爆破，1998，4(1)：1—6．

[6]劉波，韓彥輝．FLAC原理、實例與應(yīng)用指南[M]．北京；人民交通出版社，2005．

[7]喬憲隊．爆破震動對臨近隧洞的動力響應(yīng)分析[D]．中南大學(xué)，2007．

[8]楊小林．開挖爆破對圍巖損傷作用的探討[J]．爆破，2003(增刊)：19—23．