基于爆破振動影響的巷道合理間距研究

杜運夯

(云南能源職業技術學院，云南 曲靖 655001)

井巷掘進是煤礦開采中的重要工作，爆破法是這項地下工程中的主要方法之一。爆破過程中產生的地震波對巷道圍巖有不同程度的影響[1]。當爆破引起巷道圍巖內質點的振動速度大于巷道圍巖允許的最大安全振速時，巷道將被破壞。尤其是新掘巷道距離既有巷道較近時，爆破對既有巷道的影響[2-4]更為突出。目前，許多學者已從地震波的方向、爆源位置、單段起爆藥量、掏槽方式等方面對爆破振動作用下巷道的失穩機制進行了研究[5]。但這些工作并未涉及新掘巷道開挖時的爆破安全距離等問題，對實際施工指導仍存在一定的不足。

巷道在爆破前先評定其可能產生的振動等級，將振動破壞控制在安全范圍內，工程實踐監測表明，質點振動速度與爆破振動破壞有更好的對應關系。因此，國內以質點振動速度作為爆破控制標準。本文以雙家嶺礦新掘巷道爆破施工為工程背景，針對爆破作業引起相鄰巷道支護結構失穩的現象，運用ANSYS有限元軟件對巷道間距與質點振動速度間的相關關系進行研究，以確定合理的巷道間距。

1 工程概況

云南雙家嶺礦主要井筒施工完畢，采用爆破法開掘井底車場各硐室及巷道。新掘巷道與既有巷道斷面相同，均為半圓拱斷面，墻高1.5m，巷道掘進寬度3.5m，采用錨噴支護，頂板及兩幫噴漿層厚度為100mm。雙家嶺礦施工巷道巖性軟弱結構面較多，屬Ⅳ類圍巖。巷道圍巖體物理力學參數見表1。

表1 中細砂巖物理力學參數

因既有巷道距新掘巷道較近，既有巷道多次受鄰近施工巷道爆破振動的影響，導致既有巷道內出現噴漿層離層掉渣、排水溝堵塞、壓風管路漏氣等現象，嚴重影響工程進度。爆破參數見表2。巷道施工過程中爆破掘進時采用NUBOX-6016型智能振動監測儀、TP3V-4.5三維速度型傳感器對爆破振動進行監測和分析。

2 巷道合理間距的確定

2.1 建立數值模型

本文利用ANSYS有限元軟件分析在不同巷道間距下新掘巷道爆破振動對原有巷道內質點振動速度產生的影響。

將巷道建成二維模型并采用平面四結點四邊形等參有限單元法進行分析，采用彈塑性模型，如圖1所示。該模型使用彈性和塑性兩種斜率來表示材料應力應變情況。炸藥模型采用高能炸藥材料模型，炸藥密度為1000kg/m3，爆速為4500m/s，模型左右兩側施加水平約束，保證水平方向位移不動，固定底部邊界，使垂直位移為零，地表荷載暫忽略不計，在三角荷載下進行瞬態分析。

圖1 ANSYS數值模擬模型

2.2 數值模擬結果分析

對爆破振動影響下的礦山巷道進行穩定性分析，主要從質點振動速度進行分析。以質點的振動速度作為判斷失穩的依據，根據我國《爆破安全規程》規定，在巷道容許的質點峰值振動速度為15～30cm/s，并將其作為數值模擬結果分析的依據對既有巷道的穩定性進行判斷。

通過ANSYS有限元軟件分析，在相同炸藥量起爆下，既有巷道噴漿層頂板、底板、臨近幫處的最大振動速度值列于表3，速度變化趨勢如圖2所示。

由表3和圖2可知：

（1）新掘巷道爆破掘進產生的振動對既有巷道迎爆側襯砌影響最大，其振動速度明顯高于其他部位，較其他位置發生破壞的危險性高，巷道間距在1.5D時臨近幫處的振動速度仍大于《爆破安全規程》中規定的15～30 cm/s允許安全振速。

（2）質點的振動速度隨間距的增大而減小，當間距小于2D時，振動速度隨間距的變化影響較大，而大于2D后，振動速度隨間距的變化較小。當巷道間距進一步增大時，質點振動速度對距離的敏感度逐漸降低。

（3）當巷道間距小于1.5D時，既有巷道噴漿層將發生破壞，既有巷道迎爆側襯砌先發生破壞。

表3 既有巷道最大振動速度

圖2 既有巷道內不同位置的質點振動速度

3 結論

（1）以質點振速為安全標準，研究巷道內不同位置對爆破振動速度響應的效果，認為巷道迎爆側比巷道頂底板更容易發生破壞，在新掘巷道爆破時要加強對既有巷道的安全管理和防護。

（2）既有巷道迎爆側的質點振動速度明顯高于頂底板處的振動速度，數值上約是頂底板處的2倍，當巷道間距小于2倍巷寬時，質點振動速度受巷道間距的影響較大，敏感度高；當巷道間距大于2倍巷寬時，質點振動速度變化趨于平緩。

（3）通過對采場與巷道間的不同安全距離對比分析發現，以礦山巷道容許的質點峰值振動速度為15～30cm/s為判據，確定鄰近巷道距新掘巷道的最小安全距離為2倍的巷道寬度為宜。