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任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 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任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

某國有公路設計線路與地下開采礦山相鄰。為保證公路運營與井下采礦的共同安全，以巖土力學、爆破理論等為依據，利用爆破震動速度原理的計算方法詳細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。同時因地表車輛運行載荷可能對地下空區穩定性產生的影響，分別按集中分布、矩形分布、帶狀分布不同荷載分布形式進行了理論計算分析，結果表明礦山開采爆破振動對公路建設與運營不會造成危害，公路運營也不會對地下采空區帶來不利影響。

爆破振動；穩定性；公路建設；車輛荷載

0 引 言

346國道七鄉河大道改擴建項目棲霞段與某礦區邊緣相鄰，公路與礦區西南角最近距離約為163 m。礦山為“三下開采礦山”[1]，位于風景區下部，一直采用充填法開采，生產能力為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，且暴露的采空區較小，能防止地面塌陷，保護地表建、構筑物的安全，地表未出現明顯的塌陷及建筑物破壞現象。但是采礦活動需進行爆破作業，產生較大的爆破振動，可能會對地表公路造成影響；車輛運行的載荷也可能對地下空區穩定性產生影響。為保證公路工程與采礦活動的安全，應當對礦山開采爆破作業與公路運營之間的相互影響關系進行全面系統的分析與評估，杜絕安全事故的產生。

1 工程地質情況

礦山早期進行了《深部詳查地質報告》，同時對現場進行踏勘與調研，進行了深部巖體物理力學特性研究，得出相應的巖體相關力學參數，并利用普氏分類法，巖石質量指標分類法[2]以及巖體質量系數分類法對礦山巖體進行了工程分類，為后期計算與分區控制爆破振動提供理論依據。

礦巖的物理性質及力學參數見表1和表2。

2 爆破震動對公路運營的影響分析

井下爆破振動[3]可能對公路運營及施工產生影響，對于主要建、構筑物，爆破地震應滿足《爆破安全規程》(GB6722-2014)[4]中關于建、構筑物質點震動速度標準的規定，詳見表3。

表1 礦巖物理性質

表2 礦巖力學參數

根據目前礦山開采實際情況，井下集中爆破作業點為-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準，當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，根據表4，取K=250，α=1.8，R=232.7～340.8 m。則井下爆破點與隧道的最小安全距離計算結果表明，為滿足《爆破安全規程》(GB6722-2014)交通隧道安全震動速度小于0.1～0.2 m/s的要求，確保公路施工和運營安全，井下爆破作業點必須與隧道間保持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，地面標高在+0 m以上，公路設計為一級公路，規范要求其安全保護距離為公路兩側100 m。因此保護邊界至礦山回采中段(-575 m)的爆破點距離大于575 m，遠大于爆破安全距離340.8 m的要求，不會對地表公路運營造成影響。

爆破震動速度計算方法[5]：

(1)

式中,K、α可根據不同巖性參考表4選取。

表3 爆破振動安全允許振速標準

注：(1) 應對質點振動相互垂直的3個分量進行測定；(2) 表中質點振動速度為3個分量中的最大值，振動頻率為主振頻率；(3) 頻率范圍按實測波形來確定或依據下列數據選擇：硐室爆破f<20 Hz；露天深孔爆破10 Hz

表4 爆區不同巖性的K、α值

3 公路運營對地下空區影響

地表車輛載荷也有可能產對地下空區穩定性產生不利影響[6]，根據地面公路等級及運行車輛的性質進行荷載向深部傳遞的影響分析。

根據《公路工程技術標準》(JTGB01-2014)[7]，載重為200，300 kN以及550 kN的車輛相關指標如表5所示。

設車輛噸位為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，其計算簡圖如圖1所示。

表5 載重為200，300，550 kN汽車主要技術指標

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點處產生的附加應力計算公式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(σz)M=(σz)M0+(σz)MA+(σz)MB+(σz)Mc

(6)

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

(2) 矩形分布：車輛荷載按規定比例分布到各個車軸，其具體計算簡圖如圖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以下深度為Z時所產生的附加應力計算公式為：

(7)

式中，p為標準接觸面所受面力；m=L/B，L是標準接觸面長邊，B是標準接觸面短邊；n=z/B。

(3) 帶狀分布：公路車流的特點往往是流量大、載荷作用頻率高。載荷沿公路呈帶狀連續分布的理論是，以車輛前輪標準接觸面寬度為L，且其值不因車輛超載而發生改變[8]。其簡化計算見圖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點處的附加應力計算公式為：

(8)

線載荷積分得：

(9)

式中，p為標準接觸面上所受面力；m=x/L，n=z/L。

將式(9)中得到的計算結果乘以2即可得車輛荷載產生的總的附加應力。

公路設計為一級公路，雙向8車道，其容許最大載重為55 t。按《公路工程技術標準》規定，最大載重量為55 t的車輛，前軸標準接觸面長×寬為300 mm×200 mm；后軸標準接觸面長×寬為600 mm×200 mm。車輛尺寸長×寬為15 m×2.5 m。根據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坐標取為0，即m=0。根據測量，公路與礦山井下-625 m水平下部空區最小垂直距離約為640 m。帶入公式中計算得車輛荷載給地下開采最近處產生的附加應力為852 kPa，而巖石強度為其近百倍，因此可以認為公路運營后汽車產生的荷載不會對地下采空區帶來不利影響。

4 結 論

基于爆破安全規程的理論計算表明，根據一次最大裝藥量計算的地下采礦爆破震動影響距離約340.8 m。保護邊界至礦山回采中段(-575 m)的爆破點距離大于575 m，遠大于爆破安全距離340.8 m的要求，因此地下采礦爆破不會對公路建設和運營產生影響。同時，基于理論計算與《公路工程技術標準》的計算表明，公路運營也不會對地下采礦帶來不利影響。

[1]肖利民,劉曉亮,王 宇,等.楊家灣鐵鋅礦“三下”保護性開采安全措施研究[J].采礦技術,2014,14(02):18￣20.

[2]鄒 燦.大冶鐵礦井下開采巷道圍巖穩定性分析及控制技術研究[D].武漢：中國地質大學,2014.

[3]藍成仁,王成鋼,張承超.井下爆破空氣沖擊波安全距離諾模圖實現[J].爆破,2013,30(03):39￣42.

[4]GB6722-2014.爆破安全規程[S]北京：中國標準出版社2015.

[5]唐 海,林大能,陳文昭.某鉛鋅礦爆破有害效應分析及安全評估[J].中國安全科學學報,2008(09):93￣98.

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

[7]JTGB01-2014.公路工程技術標準[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算方法研究[J].巖石力學與工程學報,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計研究工作，Email：282860988@qq.com。