鄧飛， 韓曉亮， 廖聲銀， 王春暉， 胡龍飛， 尹麗冰

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310012；3.巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，礦業(yè)資源需求量的增長，礦山的開采規(guī)模也在不斷擴(kuò)大.當(dāng)使用鉆爆法進(jìn)行礦石回采時(shí)，炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量，除少部分用于礦石的破碎外，大部分能量以地震波的形式在巖體介質(zhì)中傳播，引起鄰近巖體的損傷，甚至造成巖體的局部承載能力下降，繼而導(dǎo)致巷道片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害的發(fā)生[1].同時(shí)，考慮到爆破施工的高頻性及采場(chǎng)空間的密閉性，使得中深孔爆破作業(yè)下鄰近出礦巷道表面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)的研究顯得愈發(fā)緊迫.

目前，許多學(xué)者已經(jīng)展開了對(duì)爆破動(dòng)荷載作用下巷道表面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)強(qiáng)度的研究工作.夏夢(mèng)會(huì)[2]通過MATLAB建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)淺孔爆破作業(yè)下巷道表面質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的準(zhǔn)確性.史秀志[3]通過ANSYS/LS-DYNA對(duì)中深孔爆破作業(yè)下階段運(yùn)輸巷道的應(yīng)力與震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到了巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律和質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律.單仁亮[4]通過ANSYS/LS-DYNA對(duì)爆破掘進(jìn)中巷道的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巷道質(zhì)點(diǎn)的單元有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律基本符合薩道夫斯基公式.雖然該領(lǐng)域已有眾多研究成果，但均未對(duì)中深孔爆破作業(yè)下出礦巷道表面質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)進(jìn)行研究.

隨著采場(chǎng)內(nèi)不斷推進(jìn)的回采作業(yè)，加之，作業(yè)空間的局限性，使得爆破震動(dòng)對(duì)鄰近出礦巷道的穩(wěn)定性影響更加明顯，故以此為現(xiàn)實(shí)依據(jù)，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，為維護(hù)出礦巷道的穩(wěn)定，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)中深孔爆破作業(yè)下鄰近出礦巷道表面質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)[5-6].

1 礦山概況

千家坪釩屬于沉積層控型釩礦床，礦體主要位于下寒武統(tǒng)水溝口組含結(jié)核炭硅質(zhì)巖、含結(jié)核泥質(zhì)巖、黑色炭泥質(zhì)巖中，巖層性質(zhì)較穩(wěn)定[7].礦體平均厚度20.70 m，礦體呈層狀，形態(tài)簡單，厚度變化較穩(wěn)定.礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定，與圍巖基本保持一致，傾向北[8].主要礦石為五氧化二釩，平均品位約1.05%，礦化較連續(xù)，品位分布均勻、穩(wěn)定[9].

礦山目前采用水平扇形深孔階段礦房法.采區(qū)中段高度均為50 m，礦房沿礦體走向布置，長約50 m，寬約為20 m，間柱長為6 m，頂柱為6 m；距礦體下盤邊界約25 m處掘進(jìn)階段主運(yùn)輸平巷，并每隔8 m掘出礦進(jìn)路；切割完成后，礦房底部會(huì)形成切割平巷，自切割平巷內(nèi)每隔20 m掘切割天井，自人行通風(fēng)天井每隔10 m掘分段聯(lián)絡(luò)道，并掘進(jìn)分段鑿巖硐室；礦石崩落后，使用內(nèi)燃鏟運(yùn)機(jī)鏟出，通過礦用三輪車運(yùn)至溜井并卸礦到最下部中段，統(tǒng)一由電機(jī)車運(yùn)送至選廠處理[10-12].

2 爆破振動(dòng)測(cè)試

礦山鉆孔采用水平中深孔，起爆采用非電導(dǎo)爆系統(tǒng)，爆破采用2#巖石乳化炸藥，炮孔孔徑76 mm，炮孔排距a=1 500～2 000 mm，炮孔底距b=2 000～2 500 mm，扇形布置炮孔，共布置80個(gè)炮孔，分5段起爆，每段裝藥量為 160 kg（1 段），180 kg（3 段），160 kg（5 段），260 kg（7 段），230 kg（9 段），總裝藥量 990 kg.爆破作業(yè)地點(diǎn)995 m中段2號(hào)采場(chǎng)，測(cè)試地點(diǎn)1 045 m中段2號(hào)采場(chǎng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)進(jìn)路底板，垂直方向爆心距約為32 m，水平方向爆心距分別為28.2 m、36.7 m、45.2 m，3個(gè)測(cè)點(diǎn)在出礦巷道處，每處布置1臺(tái)測(cè)振儀，測(cè)點(diǎn)如圖1所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示.

3 LS-DYNA爆破震動(dòng)的數(shù)值模擬

19世紀(jì)80年代，J.O.Hallquist博士在Lawrence Livermore National Laboratory實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)LSDYNA研發(fā)工作，由于其采用中心差分格式進(jìn)行積分，且算法以 Lagrange為主，兼有ALE和 Euler，故使得其得到巖土工程各界的廣泛應(yīng)用.

表1 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振速值Table 1 Peak vibration velocity of text on monitoring points

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

結(jié)合千家坪釩礦實(shí)際生產(chǎn)，運(yùn)用ANSYS/LSDYNA建立數(shù)值計(jì)算模型對(duì)中深孔爆破作業(yè)下出礦巷道的震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè).考慮到模型求解的可行性，本次數(shù)值計(jì)算僅對(duì)995 m中段2號(hào)采場(chǎng)中深孔回采爆破作用下1 045 m中段2號(hào)采場(chǎng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)出礦巷道的震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行分析.為最大程度地降低數(shù)值計(jì)算工作量，并盡可能地保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，故對(duì)數(shù)值計(jì)算模型做以下處理.

1）忽略地表自重應(yīng)力影響；

2）建立1/2實(shí)體模型；

3）將同一段別起爆的炸藥折算為集中藥包，并將其均勻布置在采場(chǎng)內(nèi)；

4）將礦山實(shí)際出礦巷道近似為長方體；

5）為降低數(shù)值計(jì)算工作量模型采用m-kg-s單位制，考慮到炸藥量大小，故將炸藥附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化.

結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，模型尺寸（長×寬×高）為30 m×50 m×50 m；巷道距離左側(cè)邊界3 m，巷道距離右側(cè)邊界2 m，巷道間距8 m，巷道尺寸（長×寬×高）為3 m×25 m×4 m；炸藥底部留3 m巖層；3 m巖層至模型底部邊界布置2 m空氣；炸藥布置于模型右側(cè)邊界右下角位置；區(qū)域具體布置如圖2所示，炸藥具體布置如圖3所示.

3.2 空間有限元離散化

ANSYS/LS-DYNA為更切實(shí)際的描述模型材料的物理力學(xué)性質(zhì)，提供了豐富的單元庫，且這些單元均是采用線性位移插值函數(shù)的低階單元，可以很好地運(yùn)用于各種大變形以及材料失效等高度非線性問題的分析中.結(jié)合工程實(shí)際，本次數(shù)值計(jì)算巖石、炸藥、空氣材料均采用由8個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三維顯示結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID164[13-16].

3.3 巖體物理力學(xué)屬性及模型

ANSYS/LS-DYNA為更真實(shí)的描述自然界巖石介質(zhì)提供了線性、非線性、離散單元、剛體及狀態(tài)方程相關(guān)等5種材料模型供用戶選擇使用，結(jié)合工程實(shí)際，本次數(shù)值計(jì)算采用彈塑性材料模型定義泥頁巖，其主要物理力學(xué)參數(shù)見表2.

圖2 有限元模型圖Fig.2 Model diagram of finite element

圖3 炮孔附近加密圖Fig.3 Mesh refinement near blast hole

表2 泥頁巖物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Parameter shale of physical and mechanical

3.4 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

炸藥選用 2#巖石乳化炸藥，采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，主要參數(shù)見表3，采用JWL方程描述炸藥狀態(tài).

表3 炸藥參數(shù)表Table 3 Parameter shale of explosive

3.5 空氣材料模型及狀態(tài)方程

空氣采用NULL材料模型以及LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程加以描述，主要參數(shù)見表4.

表4 空氣參數(shù)表Table 4 Parameter shale of air

3.6 邊界處理

LS-DYNA為更清晰的描述現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件提供了零位移邊界、循環(huán)對(duì)稱邊界、無反射邊界3種邊界條件供用戶選擇使用.結(jié)合工程實(shí)際，模型右側(cè)（炸藥側(cè)）選擇循環(huán)對(duì)稱邊界；模型頂部選擇自由邊界，模型其他位置選擇無反射邊界.

3.7 算法選擇

ANSYS/LS-DYNA為更方便的處理連續(xù)體提供了Lagrange、Euler及ALE 3種算法供用戶選擇使用.Lagrange算法主要用于固體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析，可以準(zhǔn)確的描述邊界結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；Eule算法主要用于流體分析，其各個(gè)迭代過程數(shù)值計(jì)算的精度是相同的；ALE算法主要用于大變形問題的分析，可以根據(jù)要求在運(yùn)算中適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格的位置；結(jié)合工程實(shí)際，本次數(shù)值計(jì)算中，巖石、空氣選用Lagrange算法，炸藥選用ALE算法.

3.8 ANSYS/LS-DYNA數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

通過坐標(biāo)系在模型中按照實(shí)測(cè)距離中布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置見圖4（其中單元53 376、單元53 364、單元53 352分別代表圖5中的b、c、d）；對(duì)模型表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破后3 s內(nèi)的振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并繪制0.4 s內(nèi)速度-時(shí)間曲線，如圖 5（a）～圖 5（d），振速見表 5.

圖4 數(shù)值計(jì)算中測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Location map about numerical simulation monitoring point

圖5 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度-時(shí)間曲線Fig.5 Velocity curves of explosives blasting

表5 點(diǎn)模擬計(jì)算振速峰值Table 5 Peak vibration velocity of numerical simulation on monitoring points

通過對(duì)圖5分析可知，1號(hào)測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度最大，且3個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度隨著爆心距的增加逐漸降低；各測(cè)點(diǎn)各方向的振動(dòng)速度均在0.25 s前后達(dá)到了峰值；各測(cè)點(diǎn)各方向的震動(dòng)速度隨著各段的炸藥量的依次起爆，逐步增加直至達(dá)到峰值，且達(dá)到峰值振速前，出現(xiàn)的波峰數(shù)量與炸藥的段數(shù)一致；各測(cè)點(diǎn)各方向振動(dòng)速度隨時(shí)間（加速度）的變化幅度與單段炸藥裝藥量的變化幅度成線性關(guān)系，且單段起爆炸藥量變化愈大，各測(cè)點(diǎn)各方向振動(dòng)速度隨時(shí)間（加速度）的變化愈明顯；本次爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間長達(dá)400 ms左右.

通過對(duì)比分析表1與表5可知，數(shù)值計(jì)算所得各測(cè)點(diǎn)各方向振動(dòng)速度均比實(shí)際測(cè)量所得的振動(dòng)速度值略大.

出礦巷道屬于礦山隧道，主震頻率為30～80 Hz，根據(jù)根據(jù)我國GB6722-2003《爆破安全規(guī)程》可知，礦山隧道所允許的峰值振速為15～30 cm/s.1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算的震動(dòng)數(shù)據(jù)均達(dá)到此最低閥值，結(jié)合爆后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)所處的出礦巷道已經(jīng)出現(xiàn)了片幫、冒頂?shù)入U(xiǎn)情；3號(hào)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算的震動(dòng)數(shù)據(jù)均沒有達(dá)到此閥值，結(jié)合爆后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，3號(hào)測(cè)點(diǎn)所處的出礦巷道也出現(xiàn)了小范圍的裂縫.考慮到礦體由下至上的逐層開采的生產(chǎn)因素，出礦巷道受到回采爆破的影響會(huì)愈發(fā)明顯.建議千家坪釩礦在今后的生產(chǎn)過程中對(duì)采場(chǎng)的爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少爆破震動(dòng)對(duì)礦山隧道的影響；對(duì)受爆破震動(dòng)影響較為明顯的區(qū)域要采取多種支護(hù)方式進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，并結(jié)合雷達(dá)探傷技術(shù)做好對(duì)礦山隧道失穩(wěn)工作的預(yù)測(cè).

4 結(jié) 論

通過對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，本次爆破作業(yè)參數(shù)可供995 m中段采場(chǎng)的中深孔爆破施工作業(yè)借鑒，但隨著爆破作業(yè)的深入，為維護(hù)出礦巷道的穩(wěn)定，應(yīng)適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)巷道的支護(hù)措施，并結(jié)合雷達(dá)探傷做好對(duì)巷道失穩(wěn)的預(yù)測(cè)工作.

通過對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，LS-DYNA數(shù)值計(jì)算結(jié)果較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略大，其主要原因是將同段起爆的多孔藥包按照集中藥包進(jìn)行處理，使炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量更加集中，繼而導(dǎo)致爆破震動(dòng)強(qiáng)度的增加；礦層存在一定數(shù)量的裂隙，可起到一定的減震作用，同時(shí)，裂隙中富含少量的水分，可在一定程度上加強(qiáng)爆破震動(dòng)強(qiáng)度，而數(shù)值計(jì)算中均當(dāng)做勻質(zhì)礦體進(jìn)行處理；總體上講，運(yùn)用LS-DYNA對(duì)爆破震動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值.

[1]郭建國.急斜特厚煤層綜放回采巷道穩(wěn)定性控制研究[D].西安：西安科技大學(xué),2010.

[2]夏夢(mèng)會(huì),董香山,張力民,等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在爆破震動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].有色金屬(礦山部分),2004,56(3):25-27.

[3]史秀志,陳壽如.爆破振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻特征的微差時(shí)間效應(yīng)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,23(3):10-13.

[4]單仁亮,王二成,宋立偉,等.直墻半圓拱巷道爆破震動(dòng)數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2013,34(增刊1):437-443.

[5]管然發(fā).錨網(wǎng)帶支護(hù)在巷道修復(fù)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2003,22(8):54-55.

[6]王春生,楊忠.淺談緩傾斜突出煤層石門揭煤時(shí)的放炮方式[J].煤炭技術(shù),2003,22(8):55-56.

[7]劉曉軍.千家坪釩礦薄層狀礦體開采爆破參數(shù)優(yōu)化研究[D].贛州：江西理工大學(xué),2012.

[8]朱明.千家坪釩礦急傾斜厚大礦體采礦方法優(yōu)化研究[D].贛州：江西理工大學(xué),2012.

[9]馮勇.千家坪釩礦采場(chǎng)穩(wěn)定性分析[D].贛州：江西理工大學(xué),2011.

[10]張永生.土體穩(wěn)定性彈塑性大變形有限元分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2005.

[11]袁泉.開合屋蓋結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)及減振分析[D].天津：天津大學(xué),2007.

[12]黃勇.民用飛機(jī)水上迫降數(shù)值模擬計(jì)算研究[C]//第十屆全國振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,南京：中國振動(dòng)工程學(xué)會(huì)，2011:1130-1137.

[13]朱俊,楊建華,盧文波,等.地應(yīng)力影響下隧洞邊墻的爆破振動(dòng)安全[J].爆炸與沖擊,2014,34(2):153-160.

[14]姚強(qiáng),楊興國,陳興澤,等.大型地下廠房開挖爆破振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬[J].振動(dòng)與沖擊,2014(6):66-70.

[15]張智超,陳育民,劉漢龍,等.微差爆破模擬天然地震的數(shù)值分析與效果評(píng)價(jià)[J].巖土力學(xué),2013,34(1):265-274.

[16]夏祥,李海波,李俊如,等.巖體爆生裂紋的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2006,27(11):1987-1991.