巷道圍巖爆破地震效應(yīng)模擬分析

王驥俊，龍 賀

(1.山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 柳灣煤礦，山西 孝義 032300； 2.山東井亭實(shí)業(yè)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部,山東 棗莊 277525)

·試驗(yàn)研究·

巷道圍巖爆破地震效應(yīng)模擬分析

王驥俊1，龍 賀2

(1.山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 柳灣煤礦，山西 孝義 032300； 2.山東井亭實(shí)業(yè)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部,山東 棗莊 277525)

對(duì)某巷道圍巖爆破工程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬出巷道圍巖中爆破地震效應(yīng)，然后將數(shù)值模擬結(jié)果與理論上的速度解析解相對(duì)比，驗(yàn)證了模擬的正確性。經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，軸向距離對(duì)巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值速度的影響程度比徑向距離要小，所以爆破地震波對(duì)徑向圍巖的作用要大于對(duì)軸向圍巖的作用。因此在實(shí)際工程中要特別注意對(duì)巷道徑向圍巖的防護(hù)。

巷道圍巖；爆破地震；數(shù)值模擬分析；解析對(duì)比

隨著地下工程爆破技術(shù)的逐步應(yīng)用，巷道圍巖爆破地震效應(yīng)的研究愈發(fā)重要。當(dāng)進(jìn)行掘進(jìn)爆破施工時(shí)，爆破地震波中的一部分能量向周圍巖體擴(kuò)散，引起圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)震動(dòng)[1,2]. 受爆破的復(fù)雜性和測(cè)試技術(shù)的有限性等的影響，巷道內(nèi)部力學(xué)和變形性狀情況不容易觀測(cè)，從而影響施工安全。地震效應(yīng)強(qiáng)度、圍巖的巖石特性、巷道斷面大小等是影響巷道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破地震效應(yīng)的關(guān)鍵因素。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)巷道圍巖爆破地震效應(yīng)進(jìn)行了很多研究，在數(shù)值模擬方面，通過(guò)模擬淺孔爆破得到質(zhì)點(diǎn)速度，經(jīng)對(duì)比，與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果相吻合；通過(guò)編程對(duì)爆炸應(yīng)力波進(jìn)行計(jì)算，建立本構(gòu)關(guān)系；此外還分別采用不同方法對(duì)巷道圍巖爆破效應(yīng)進(jìn)行模擬[3]. 但這些研究都缺乏實(shí)際論證，不適用于實(shí)際工程。在理論方面，通過(guò)分離變量，得到巷道圍巖中地震波的傳播速度解析解，從而得到圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值速度的變化規(guī)律。本文將通過(guò)運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，對(duì)巷道圍巖爆破地震效應(yīng)進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與理論結(jié)果相對(duì)比，研究爆破地震波在巷道圍巖中的傳播規(guī)律[4].

1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型采用某巷道掘進(jìn)爆破工程，其爆破施工技術(shù)采用微差爆破，炮孔半徑為2 cm，炮孔之間的距離即炮孔間距為45 cm. 巷道簡(jiǎn)化為圓形，其直徑為5 m，循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m.

1.1 模擬材料選取

本計(jì)算模型采用的是乳化炸藥，其炸藥材料模型參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)表

本文計(jì)算模型中巷道圍巖為風(fēng)化的花崗巖，為了保證模擬的正確性，將巖體的本構(gòu)模型加以簡(jiǎn)化，定義其為連續(xù)介質(zhì)線彈性模型，巖石材料的主要參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 花崗巖主要參數(shù)表

1.2 爆破等效荷載的處理方法

由于巷道掘進(jìn)爆破主要以鉆孔裝藥爆破為主，為了能全面模擬出整個(gè)爆破地震效應(yīng)，經(jīng)過(guò)大量的研究總結(jié)出，對(duì)于爆源附近巖體的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題的模擬采用直接模擬裝藥法較為理想，而對(duì)于爆破中遠(yuǎn)區(qū)域爆破震動(dòng)的模擬研究需要采用爆破荷載等效施加的方法，將爆破荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結(jié)果不僅要和采用直接模擬裝藥法得到的結(jié)果盡量接近，而且又要節(jié)省計(jì)算工作量。

目前，對(duì)爆破震動(dòng)的傳播進(jìn)行數(shù)值模擬，可采用的方法基本分為兩種：

1) 使用ANSYS/LS-DYNA程序中的高性能炸藥材料模型及其狀態(tài)方程來(lái)模擬炸藥的整個(gè)爆轟過(guò)程及爆轟產(chǎn)物與周圍巖石介質(zhì)的相互作用過(guò)程。

2) 根據(jù)爆轟波理論和爆腔膨脹理論，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、實(shí)測(cè)結(jié)果、炸藥參數(shù)等得到半理論半經(jīng)驗(yàn)的爆破荷載壓力曲線，此曲線必須能最大程度地反映出炮孔壓力的變化歷程，然后將該荷載曲線直接施加在炮孔壁上。在實(shí)際計(jì)算應(yīng)用中，爆破荷載壓力曲線的選取主要包括三角型脈沖荷載曲線和指數(shù)衰減型荷載曲線兩種。

第一種方法較第二種方法而言，模擬結(jié)果更具有真實(shí)性，但其只能較好地模擬出爆源近區(qū)的沖擊響應(yīng)，對(duì)于模擬爆破中遠(yuǎn)區(qū)的爆破動(dòng)力響應(yīng)，存在諸多問(wèn)題。第二種方法雖然方便，但是對(duì)于炮孔周圍尤其是炮孔數(shù)很多情況下的網(wǎng)格劃分工作仍然十分復(fù)雜，且爆破荷載曲線是通過(guò)理論結(jié)合試驗(yàn)得到的，對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題仍存在很大的誤差。結(jié)合以上兩種方法，基于圣維南原理，提出了合理的爆破荷載等效施加方法，使其盡可能接近實(shí)際爆破荷載作用。即在不考慮炮孔形狀的前提下，提出合理的爆破荷載曲線，然后對(duì)其等效施加在對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖輪廓面上，此開(kāi)挖輪廓面是由同排炮孔連心線與炮孔軸線所確定的。

1.3 邊界條件的選取

采用平直的三維黏彈性人工邊界，即同一邊界面上的法向或切向具有相同的參數(shù)值[3].巷道圍巖爆破地震效應(yīng)的計(jì)算模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，圖2.

圖1 巷道計(jì)算模型正視圖

圖2 巷道計(jì)算模型側(cè)視圖

2 模擬結(jié)果與分析

由于爆破具有瞬時(shí)性的特點(diǎn)，在本次模擬中，爆破等效荷載收縮速度較快，當(dāng)時(shí)間達(dá)到0.002 s時(shí)，荷載已經(jīng)趨近于零；同時(shí)爆源附近圍巖的受力變形也在短時(shí)間內(nèi)完成，所以定義模擬的求解控制時(shí)間為0.01 s，以便觀察爆破地震效應(yīng)的整個(gè)傳播過(guò)程[3].

2.1 圍巖質(zhì)點(diǎn)速度云圖

對(duì)模型進(jìn)行求解，為了更加直觀地反映出模擬的效果，現(xiàn)列出部分時(shí)間點(diǎn)的圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度云圖，見(jiàn)圖3～7.

圖3 t=0.003 977 2 s時(shí)圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度云圖

圖4 t=0.004 696 9 s時(shí)圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度云圖

圖5 t=0.005 07 s時(shí)圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度云圖

圖6 t=0.006 174 2 s時(shí)圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度云圖

圖7 t=0.008 863 7 s時(shí)圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度云圖

從圖3～7可以看出，當(dāng)爆炸發(fā)生后，爆破地震波在圍巖中以爆源為原點(diǎn)開(kāi)始沿著徑向傳播時(shí)，圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度隨著徑向距離的增大而有一定規(guī)律的遞減；且呈現(xiàn)正負(fù)交替狀態(tài)，對(duì)其速度取最大值和最小值的絕對(duì)值相比較，發(fā)現(xiàn)二者相差不大。此外，通過(guò)研究在爆破地震波作用下圍巖質(zhì)點(diǎn)的徑向速度，發(fā)現(xiàn)其也有類似特點(diǎn)。這與實(shí)際爆破工程中所呈現(xiàn)的狀況相吻合，說(shuō)明模擬結(jié)果是合理的。

2.2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，對(duì)于巷道圍巖在動(dòng)力作用下爆破地震效應(yīng)的傳播規(guī)律，速度的解析解方程為[4,5]：

(1)

(2)

其中：

(3)

式中：

m、n、A1、A2—實(shí)常數(shù)；

R—巷道半徑，m；

b—循環(huán)進(jìn)尺，m；

cp—波速，m/s；

r—徑向距離，m；

z—軸向距離，m；其他參數(shù)含義同上。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)，式(2)，得到巷道圍巖速度曲線。然后將模擬中得到的圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值速度整理并用曲線的形式表示出來(lái)，并對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖8～11.

通過(guò)觀察圖8～10，經(jīng)對(duì)比可知從數(shù)值和曲線變化規(guī)律的角度上分析，模擬結(jié)果和解析結(jié)果是相似的，說(shuō)明模擬結(jié)果是可靠的。

圖8 Z=3 m時(shí)巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)徑向峰值速度隨徑向距離的變化曲線圖

圖9 Z=3 m時(shí)巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向峰值速度隨徑向距離的變化曲線圖

圖10 r=2.5 m時(shí)巷道圍巖表面質(zhì)點(diǎn)徑向速度隨軸向距離的變化曲線圖

圖11 r=6 m時(shí)巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)軸向速度隨軸向距離的變化曲線圖

通過(guò)對(duì)比圖8中的兩組曲線，在軸向距離為3 m時(shí)，從數(shù)值上分析，兩種情況中的巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)徑向峰值速度的最大值是相近的，約為15 cm/s；從曲線變化規(guī)律上分析，兩者均呈現(xiàn)波浪式衰減，且衰減周期距離約為8 m.

通過(guò)對(duì)比圖9中的兩組曲線，發(fā)現(xiàn)均呈現(xiàn)上述特點(diǎn)。結(jié)果表明：在爆破地震波作用下，巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)的徑向和軸向峰值速度隨著徑向距離的增大呈現(xiàn)正負(fù)交替周期性變化且逐漸遞減狀態(tài)，這可能是導(dǎo)致深部巖體發(fā)生分區(qū)破裂現(xiàn)象最重要的原因，但其中的具體原因有待進(jìn)一步研究。

對(duì)圖10中的兩組曲線進(jìn)行對(duì)比分析，在徑向距離為2.5 m時(shí)，兩種情況下巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)的徑向峰值速度隨著軸向距離的增大都呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)遞減狀態(tài)，且衰減速度很快，最終逐漸趨近于零。在圖11中，在徑向距離為6 m時(shí)，巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)的軸向峰值速度與軸向距離之間的關(guān)系同上。結(jié)果表明：在爆破地震波作用下，與徑向距離相比較，軸向距離對(duì)巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)徑向與軸向峰值速度的影響比較小。所以在巷道爆破工程中，爆破地震波對(duì)徑向圍巖的作用要更大一些，大于對(duì)軸向圍巖的作用。所以在巷道圍巖的爆破施工中要更加注意地震波對(duì)徑向圍巖的影響。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，對(duì)巷道圍巖的爆破地震效應(yīng)進(jìn)行模擬。首先把問(wèn)題簡(jiǎn)化，然后選取巖石和炸藥材料模型，進(jìn)行爆破效應(yīng)等效荷載，選取邊界條件，從而建立計(jì)算和數(shù)值模擬模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到圍巖質(zhì)點(diǎn)速度云圖和峰值速度曲線圖。將模擬結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩種情況下的圍巖質(zhì)點(diǎn)速度場(chǎng)在交替周期和衰減速度上都具有一致性，以此來(lái)研究爆破地震波在巷道圍巖中的傳播規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1) 在爆破地震波的作用下，隨著徑向距離的增大，巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值速度呈現(xiàn)波動(dòng)且逐漸衰減狀態(tài)。而在深部巖土開(kāi)挖工程中，如果爆破地震效應(yīng)達(dá)到一定程度，使得巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值速度達(dá)到其極限狀態(tài)時(shí)，圍巖會(huì)產(chǎn)生交替的破裂區(qū)和非破裂區(qū)，這與巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值速度的波動(dòng)狀態(tài)相類似，所以根據(jù)此規(guī)律有可能解釋圍巖的分區(qū)破裂現(xiàn)象。

2) 隨著軸向距離的增大，巷道圍巖在爆破地震波作用下的質(zhì)點(diǎn)峰值速度會(huì)隨之減小，呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)衰減，并且衰減速度比較快。并且經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，軸向距離對(duì)巷道圍巖質(zhì)點(diǎn)峰值速度的影響程度比徑向距離要小，所以爆破地震波對(duì)徑向圍巖的作用要大于對(duì)軸向圍巖的作用。因此在實(shí)際工程中要特別注意對(duì)巷道徑向圍巖的防護(hù)。

3) 總體來(lái)說(shuō)，結(jié)合不同的力學(xué)性質(zhì)和不同的地質(zhì)因素，對(duì)巷道圍巖中爆炸地震波的研究有助于增加巷道的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的安全性。

[1] 程久龍,李 飛,彭蘇萍. 礦井巷道地球物理方法超前探測(cè)研究進(jìn)展與展望[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2014(08):82-84.

[2] 李術(shù)才,劉 斌,孫懷鳳. 隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014(06):632-634.

[3] 高 峰,周科平,周炳仁. 基于TRT技術(shù)的礦山井下地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2014(04):231-233.

[4] 相興華,鄧小鵬,王 鵬. TRT在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),2012(06):92-94.

[5] 王 琦,李術(shù)才,李為騰,等. 基于地質(zhì)預(yù)報(bào)的煤巷頂板事故防治研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2012(01):92-94.

SimulationAnalysisofSeismicEffectforRoadwaySurroundingRock

WANGJijun,LONGHe

The numerical simulation of a rock blasting in a roadway is carried out to simulate the blasting seismic effect on the surrounding rock. The numerical simulation results are compared with the theoretical solution of the velocity analysis to verify the correctness of the simulation. The influence in the axial direction on the peak velocity of the surrounding rock is smaller than that of the radial direction measured in distance, so the effect of the blasting seismic wave on the radial rock is greater than that on the axial rock. Therefore, in the actual project to special attention should be paid to the protection of the roadway surrounding rock.

Roadway surrounding rock; Blasting seism; Numerical simulation analysis; Analytic comparison

TD235

：A

：1672-0652(2017)07-0031-05

2017-06-08

王驥俊(1985—)，男，山西平遙人，2010年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，工程師，主要從事煤炭開(kāi)采技術(shù)研究工作(E-mail)zfg3259@163.com