采場爆破對鄰近巷道振動效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

羅傳興

(1.廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院, 廣西南寧 530004;2.廣西華錫集團銅坑礦, 廣西河池市 547205)

采場爆破對鄰近巷道振動效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

羅傳興1,2

(1.廣西大學(xué)資源與冶金學(xué)院, 廣西南寧 530004;2.廣西華錫集團銅坑礦, 廣西河池市 547205)

某礦山為擴大生產(chǎn)能力,在采區(qū)需設(shè)計盤區(qū)內(nèi)運輸巷道,考慮礦山生產(chǎn)爆破的作用,需要確定采場與鄰近盤區(qū)內(nèi)運輸巷道的安全距離。運用 Ansys/Ls-Dyna分析軟件,采用動力有限元數(shù)值分析方法,分析了采場最大爆破對鄰近巷道的爆破振動效應(yīng)。結(jié)果顯示,在巷道不同部位受爆破振動作用的響應(yīng)不同,在巷道壁向爆源一側(cè)及巷道頂部作用明顯,爆破振動速度值最大,容易發(fā)生爆破損傷破壞。以質(zhì)點振動速度峰值為控制指標,鄰近巷道距采場的最小安全距離為 10～12 m,有利于鄰近巷道的生產(chǎn)安全。

爆破振動;動力學(xué)分析;質(zhì)點振動速度;安全距離;數(shù)值模擬

爆破作為地下金屬礦山開挖的主要生產(chǎn)方式,其爆破振動不可避免會對地下建構(gòu)筑物,如充填體、支護以及已有巷道等造成負面影響[1～4]。關(guān)于爆破振動效應(yīng)對既有硐室的影響,國內(nèi)外的學(xué)者已做了一些研究工作[5～8]。但是,這些研究工作并沒有涉及鄰近采場的臨時巷道開挖時的爆破安全距離等實際問題,對實際工程的指導(dǎo)尚存在一定的缺陷。根據(jù)某礦山生產(chǎn)的實際情況,運用 Ansys/Ls-Dyna分析軟件,采用動力有限元數(shù)值分析方法,研究了生產(chǎn)爆破對鄰近巷道的振動效應(yīng),在此基礎(chǔ)上,以質(zhì)點爆破振動速度為控制指標,得到了待建巷道距采場的安全距離,確定了待建巷道的布置位置。

1 工程概況

廣西某地下礦山,為了擴大生產(chǎn)能力,需要在采區(qū)內(nèi)修建一條新的盤區(qū)內(nèi)運輸巷道。該巷道與該盤區(qū)內(nèi)的一正在回采的采場相鄰,且沿采場走向方向平行布置。礦巖中等穩(wěn)固,采場的生產(chǎn)爆破采用多段微差爆破,單響最大藥量為 60 kg,由于該巷道的設(shè)計服務(wù)年限需滿足本采區(qū)的作業(yè)時間要求,服務(wù)年限較長,因此必須考慮鄰近采場生產(chǎn)爆破的影響,減少生產(chǎn)爆破對該運輸巷道的影響。

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型構(gòu)建

本次計算分析的模型主要考慮到盤區(qū)內(nèi)采場運輸巷道,整個模型為礦體范圍內(nèi)單一巖體結(jié)構(gòu)。運用最危險的條件進行分析,即只分析最近爆破的作用效果 (見圖1),根據(jù)上述工程概況,對數(shù)值模型做如下假設(shè):

圖1 巷道與采場平面位置

(1)為建模的方便,在不影響模擬結(jié)果的條件下,簡化原扇形裝藥為藥包集中裝藥;

(2)安全距離 L分別取 6,8,10,12 m;

(3)計算時間取 500μs。

其中 L為 6 m時的數(shù)值模型見圖2。

圖2 L=6 m時的數(shù)值計算模型

2.2 邊界條件

邊界范圍取 5倍計算區(qū)域的范圍,邊界為無反射的邊界,巷道開挖后為空氣狀態(tài)。

2.3 材料模型及狀態(tài)方程

礦體采用彈塑性模型,該模型使用彈性和塑性2種斜率來表示材料應(yīng)力應(yīng)變行為。礦體的實測力學(xué)參數(shù)見表1。炸藥模型采用高能炸藥材料模型,爆炸后任意時刻爆源內(nèi)的壓力用 JWL狀態(tài)方程表示。炸藥參數(shù)和 JWL狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表1 礦體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 炸藥和狀態(tài)方程參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

圖3 爆炸應(yīng)力云圖與時間響應(yīng)效果

對爆破振動影響下的礦山巷道進行穩(wěn)定性分析,主要從礦山爆破應(yīng)力響應(yīng)和質(zhì)點爆破振動速度著手進行分析。爆破應(yīng)力響應(yīng)主要分析爆破作用能否到達作用巷道,以及巷道的應(yīng)力響應(yīng)程度。根據(jù)我國《爆破安全規(guī)程》規(guī)定,在礦山巷道容許的質(zhì)點振動峰值 (PPV)為 15～30 cm/s,考慮礦山巷道的特點和已有研究成果,取容許值為 25～30 cm/s,并將其作為數(shù)值模擬結(jié)果分析的依據(jù)。

3.1 應(yīng)力波響應(yīng)分析

采場生產(chǎn)爆破起爆后,炸藥釋放的能量以應(yīng)力波的模式從爆源向外球形傳播,圖3為L=6 m時模型的VonMises應(yīng)力云圖。從圖3可知,初始階段的高應(yīng)力主要作用在爆源周邊,在 120μs時,爆炸應(yīng)力波傳到緊鄰爆源一側(cè)的巷道壁,在 220μs時,應(yīng)力波已對整個巷道發(fā)生了作用,其后,巷道周圍的爆炸應(yīng)力隨爆破能量的損耗,在采區(qū)礦體內(nèi)呈逐漸減小的趨勢。這說明在礦山采場爆破的整個過程中,鄰近礦山采場的該運輸巷道一直處于爆破應(yīng)力波的作用范圍內(nèi),對該運輸巷道的產(chǎn)生了爆破損傷破壞效應(yīng)。

3.2 質(zhì)點振動峰值的分析

為確定該運輸巷道與采場間的合理安全距離,以爆破振動速度峰值為判據(jù),在巷道周圍布置如圖1所示的 8個測點,分別測出各測點在 L=6,8,10,12 m時的質(zhì)點振動峰值,各點的最大質(zhì)點振動速度峰值見圖4。由圖4可知,爆破質(zhì)點的振動峰值隨距離L的增大而減小。巷道不同部位對爆破動載荷的響應(yīng)存在顯著的差別,鄰近爆源一側(cè)的測點 3、4、5的質(zhì)點振動峰值遠大于背爆源一側(cè)的測點 1、7、8,這主要是由于巷道內(nèi)空氣對爆破振動的損耗,有利于背爆源一側(cè)巷道壁的保護,而可能發(fā)生破壞的部位是在迎向爆源一側(cè)的巷道壁。同時,測點 3的值一般要大于測點 5的值,說明巷道上部比下部更容易發(fā)生破壞。在巷道受爆破振動損傷破壞時,主要的破壞形式可能是巷道頂部的冒落和側(cè)幫的片幫。

為了確定安全距離 L的值,在圖3中作出了質(zhì)點振動峰值為 30 cm/s的直線,從圖3可知,當 L=6 m和 8 m時,其 PPV曲線均有部分在此直線的上方,此時巷道周邊的質(zhì)點振動峰值大于 30 cm/s;當L=10 m和 12 m時,其 PPV曲線全在直線的下方,此時巷道周邊的質(zhì)點振動峰值均小于 30 cm/s,說明 L取 10～12 m是合適的,能在采場生產(chǎn)爆破正常進行的同時保證巷道的安全。

圖4 測點最大振動速度峰值曲線

4 結(jié) 論

(1)基于動力有限元 Ansys/LS-DYNAmic軟件的數(shù)值分析方法,實現(xiàn)了爆破動載荷對鄰近巷道的影響的模擬,解決了礦山鄰近采場巷道的爆破動力學(xué)的時空響應(yīng)問題;

(2)以質(zhì)點振動速度峰值為安全判據(jù),研究了巷道不同部位對爆破振動速度響應(yīng)的效果,認為鄰近爆源一側(cè)的巷道頂板比背爆源一側(cè)和巷道底部更容易發(fā)生破壞,在采場生產(chǎn)爆破中要加強巷道的安全管理和防護;

(3)通過對采場與巷道間的不同安全距離對比分析發(fā)現(xiàn),以礦山巷道 PPV值為 25～30 cm/s為判據(jù),確定鄰近巷道距采場的最小安全距離為 10～12 m為宜。

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2010-08-13)

羅傳興 (1969-),男,廣西南丹人,在職碩士生,高級工程師,主要從事礦山安全與采礦技術(shù)研究。