罗传兴

(1.广西大学资源与冶金学院, 广西南宁 530004;2.广西华锡集团铜坑矿, 广西河池市 547205)

采场爆破对邻近巷道振动效应的数值模拟研究

罗传兴1,2

(1.广西大学资源与冶金学院, 广西南宁 530004;2.广西华锡集团铜坑矿, 广西河池市 547205)

某矿山为扩大生产能力,在采区需设计盘区内运输巷道,考虑矿山生产爆破的作用,需要确定采场与邻近盘区内运输巷道的安全距离。运用 Ansys/Ls-Dyna分析软件,采用动力有限元数值分析方法,分析了采场最大爆破对邻近巷道的爆破振动效应。结果显示,在巷道不同部位受爆破振动作用的响应不同,在巷道壁向爆源一侧及巷道顶部作用明显,爆破振动速度值最大,容易发生爆破损伤破坏。以质点振动速度峰值为控制指标,邻近巷道距采场的最小安全距离为 10～12 m,有利于邻近巷道的生产安全。

爆破振动;动力学分析;质点振动速度;安全距离;数值模拟

爆破作为地下金属矿山开挖的主要生产方式,其爆破振动不可避免会对地下建构筑物,如充填体、支护以及已有巷道等造成负面影响[1～4]。关于爆破振动效应对既有硐室的影响,国内外的学者已做了一些研究工作[5～8]。但是,这些研究工作并没有涉及邻近采场的临时巷道开挖时的爆破安全距离等实际问题,对实际工程的指导尚存在一定的缺陷。根据某矿山生产的实际情况,运用 Ansys/Ls-Dyna分析软件,采用动力有限元数值分析方法,研究了生产爆破对邻近巷道的振动效应,在此基础上,以质点爆破振动速度为控制指标,得到了待建巷道距采场的安全距离,确定了待建巷道的布置位置。

1 工程概况

广西某地下矿山,为了扩大生产能力,需要在采区内修建一条新的盘区内运输巷道。该巷道与该盘区内的一正在回采的采场相邻,且沿采场走向方向平行布置。矿岩中等稳固,采场的生产爆破采用多段微差爆破,单响最大药量为 60 kg,由于该巷道的设计服务年限需满足本采区的作业时间要求,服务年限较长,因此必须考虑邻近采场生产爆破的影响,减少生产爆破对该运输巷道的影响。

2 数值计算模型

2.1 模型构建

本次计算分析的模型主要考虑到盘区内采场运输巷道,整个模型为矿体范围内单一岩体结构。运用最危险的条件进行分析,即只分析最近爆破的作用效果 (见图1),根据上述工程概况,对数值模型做如下假设:

图1 巷道与采场平面位置

(1)为建模的方便,在不影响模拟结果的条件下,简化原扇形装药为药包集中装药;

(2)安全距离 L分别取 6,8,10,12 m;

(3)计算时间取 500μs。

其中 L为 6 m时的数值模型见图2。

图2 L=6 m时的数值计算模型

2.2 边界条件

边界范围取 5倍计算区域的范围,边界为无反射的边界,巷道开挖后为空气状态。

2.3 材料模型及状态方程

矿体采用弹塑性模型,该模型使用弹性和塑性2种斜率来表示材料应力应变行为。矿体的实测力学参数见表1。炸药模型采用高能炸药材料模型,爆炸后任意时刻爆源内的压力用 JWL状态方程表示。炸药参数和 JWL状态方程参数见表2。

表1 矿体的物理力学参数

表2 炸药和状态方程参数

3 计算结果及分析

图3 爆炸应力云图与时间响应效果

对爆破振动影响下的矿山巷道进行稳定性分析,主要从矿山爆破应力响应和质点爆破振动速度着手进行分析。爆破应力响应主要分析爆破作用能否到达作用巷道,以及巷道的应力响应程度。根据我国《爆破安全规程》规定,在矿山巷道容许的质点振动峰值 (PPV)为 15～30 cm/s,考虑矿山巷道的特点和已有研究成果,取容许值为 25～30 cm/s,并将其作为数值模拟结果分析的依据。

3.1 应力波响应分析

采场生产爆破起爆后,炸药释放的能量以应力波的模式从爆源向外球形传播,图3为L=6 m时模型的VonMises应力云图。从图3可知,初始阶段的高应力主要作用在爆源周边,在 120μs时,爆炸应力波传到紧邻爆源一侧的巷道壁,在 220μs时,应力波已对整个巷道发生了作用,其后,巷道周围的爆炸应力随爆破能量的损耗,在采区矿体内呈逐渐减小的趋势。这说明在矿山采场爆破的整个过程中,邻近矿山采场的该运输巷道一直处于爆破应力波的作用范围内,对该运输巷道的产生了爆破损伤破坏效应。

3.2 质点振动峰值的分析

为确定该运输巷道与采场间的合理安全距离,以爆破振动速度峰值为判据,在巷道周围布置如图1所示的 8个测点,分别测出各测点在 L=6,8,10,12 m时的质点振动峰值,各点的最大质点振动速度峰值见图4。由图4可知,爆破质点的振动峰值随距离L的增大而减小。巷道不同部位对爆破动载荷的响应存在显著的差别,邻近爆源一侧的测点 3、4、5的质点振动峰值远大于背爆源一侧的测点 1、7、8,这主要是由于巷道内空气对爆破振动的损耗,有利于背爆源一侧巷道壁的保护,而可能发生破坏的部位是在迎向爆源一侧的巷道壁。同时,测点 3的值一般要大于测点 5的值,说明巷道上部比下部更容易发生破坏。在巷道受爆破振动损伤破坏时,主要的破坏形式可能是巷道顶部的冒落和侧帮的片帮。

为了确定安全距离 L的值,在图3中作出了质点振动峰值为 30 cm/s的直线,从图3可知,当 L=6 m和 8 m时,其 PPV曲线均有部分在此直线的上方,此时巷道周边的质点振动峰值大于 30 cm/s;当L=10 m和 12 m时,其 PPV曲线全在直线的下方,此时巷道周边的质点振动峰值均小于 30 cm/s,说明 L取 10～12 m是合适的,能在采场生产爆破正常进行的同时保证巷道的安全。

图4 测点最大振动速度峰值曲线

4 结 论

(1)基于动力有限元 Ansys/LS-DYNAmic软件的数值分析方法,实现了爆破动载荷对邻近巷道的影响的模拟,解决了矿山邻近采场巷道的爆破动力学的时空响应问题;

(2)以质点振动速度峰值为安全判据,研究了巷道不同部位对爆破振动速度响应的效果,认为邻近爆源一侧的巷道顶板比背爆源一侧和巷道底部更容易发生破坏,在采场生产爆破中要加强巷道的安全管理和防护;

(3)通过对采场与巷道间的不同安全距离对比分析发现,以矿山巷道 PPV值为 25～30 cm/s为判据,确定邻近巷道距采场的最小安全距离为 10～12 m为宜。

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2010-08-13)

罗传兴 (1969-),男,广西南丹人,在职硕士生,高级工程师,主要从事矿山安全与采矿技术研究。