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金堆城钼矿临近引水隧洞预裂缝模型减震效果分析
2017-10-26
露天采场的爆破振动会对邻近隧洞的稳定性产生很大的影响,有必要采用控制爆破的方式来减小爆破 振动的危害,保证地下隧洞的安全。考虑到金堆城钼矿南露天采场爆破振动对地下引水隧洞的影响,决定采用预裂 爆破的方式控制爆破振动。利用ANSYS/ LS-DYNA 建立台阶-预裂缝-隧洞模型,对不同预裂缝深度、长度及预裂缝 与爆源间距条件下的单孔爆破进行模拟,分析缝后隧洞迎爆面测点峰值振速和测点平均减震率随预裂缝参数变化的 规律,拟合平均减震率随预裂缝参数变化的计算公式。研究结果表明:迎爆面边墙中点受爆破振动影响最大,拱顶受 到的影响相对较小;预裂缝深超过3 m 后才会起到显著的减震效果;结合矿山经济技术条件...
Series No. 495 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 495期 METAL MINE 2017 年第 9 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ Septemberꢀ 2017 金堆城钼矿临近引水隧洞 预裂缝模型减震效果分析 1 1 2 2 1 1 张建华 ꢀ 杨ꢀ 攀 ꢀ 李泽华 ꢀ 赵ꢀ 强 ꢀ 张宝岗 ꢀ 黄ꢀ 刚 ( 1. 武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070;2. 北方爆破科技有限公司,北京 100089) 摘ꢀ 要ꢀ 露天采场的爆破振动会对邻近隧洞的稳定性产生很大的影响,有必要采用控制爆破的方式来减小爆破 振动的危害,保证地下隧洞的安全。 考虑到金堆城钼矿南露天采场爆破振动对地下引水隧洞的影响,决定采用预裂 爆破的方式控制爆破振动。 利用 ANSYS/ LSꢁDYNA 建立台阶ꢁ预裂缝ꢁ隧洞模型,对不同预裂缝深度、长度及预裂缝 与爆源间距条件下的单孔爆破进行模拟,分析缝后隧洞迎爆面测点峰值振速和测点平均减震率随预裂缝参数变化的 规律,拟合平均减震率随预裂缝参数变化的计算公式。 研究结果表明:迎爆面边墙中点受爆破振动影响最大,拱顶受 到的影响相对较小;预裂缝深超过 3 m 后才会起到显著的减震效果;结合矿山经济技术条件,得出预裂缝模型的推荐 参数:预裂缝深 0. 7 ~ 1. 1 倍炮孔深度,缝长需超过 1 倍炮孔深度,缝源间距 0. 8 ~ 1 倍炮孔深度,以上参数条件下的平 均减震率超过 50% 。 关键词ꢀ 引水隧洞ꢀ 预裂缝模型ꢀ 减震率ꢀ 数值模拟 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD235ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2017)-09-066-06 Study on the Damping Effect for Diversion Tunnel with Pre-splitting Crack Model in Jinduicheng Molybdenum Mine 1 1 2 2 1 1 Zhang Jianhua ꢀ YangPan ꢀ Li Zehua ꢀ Zhao Qiang ꢀ Zhang Baogang ꢀ Huang Gang ( 1. School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China; 2. North Blasting Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100089,China) Abstractꢀ The blasting vibration of the open pit has a big influence on the stability of adjacent tunnels,it is necessary to reduce the harmful of blasting vibration by adopting controlled blasting technique to ensure the safety of underground tunnel. The pre-splitting blasting technique is adopted to control the basting vibration by considering the influence of blasting vibration of the south open stope to the underground diversion tunnel of Jinduicheng Molybdenum Mine. The bench-presplit crack-tunnel model of the open stope is established by using the ANSYS/ LS-DYNA software,to simulate the blasting process under the con- ditions of different depth and length of pre-splitting crack and the distance between pre-splitting crack and explosion source. Based on the model established in this paper,the change rules of maximum vibration velocity and average damping rate of the measurements points of tunnel blasting face behind pre-splitting crack with pre-splitting crack parameters are analyzed,the cal- culation formula of the average damping rate changed with pre-splitting crack parameters is fitted. The study results show that: the midpoint of the blasting face is affected by the blasting vibration seriously,while,the influence degree of the blasting vibra- tion to arch crown is relative small;the significance damping effect can be obtained when the depth of pre-splitting crack is more than 3 m. According to the economic and technical conditions of the mine,the recommended parameters of pre-splitting crack model are obtained,the depth of pre-splitting crack is the 0. 7 ~ 1. 1 times of the borehole depth,the length of pre-split- ting crack is more than 1 time of borehole depth,the distance between the pre-splitting and explosive source is the 0. 8 ~ 1. 0 times of borehole depth,therefore,under the above parameter conditions,the average damping rate can be more than 50% . Keywordsꢀ Diversion tunnel,Pre-splitting crack model,Damping rate,Numerical simulation 收稿日期ꢀ 2017-07-04 基金项目ꢀ 中央高校基本科研业务费专项(编号:2017IVA048)。 作者简介ꢀ 张建华(1963—),男,教授,博士研究生导师。 通讯作者ꢀ 李泽华(1964—),男,教授级高级工程师,北方爆破科技有限公司总工程师, 博士研究生。 · 66· ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 张建华等:金堆城钼矿临近引水隧洞预裂缝模型减震效果分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 9 期 ꢀ 台阶爆破技术广泛应用于露天矿山生产。 爆破 孔。 炸药网格参数:5. 5 cm×5. 5 cm×50 cm,岩石网 格 50 cm×50 cm×50 cm,隧道内空气模型 50 cm×50 cm×50 cm。 炮孔采用映射划分,岩石和空气采用扫 掠划分,靠近炮孔的关键区域网格细化。 对模型除外 围坡脚、破面、坡顶外的面设置成无反射边界。 台 阶—预裂缝—隧道计算模型如图 1 所示。 震动是爆破几大危害之一,如果不能对其有效控制, 将造成诸如采场边坡失稳垮塌、地下硐室或采空区坍 塌、邻近建筑物破裂等严重事故,给矿山企业带来极 大的损失。 针对爆破震动的特点及传播变化规律,工 程界已提出和应用多种方法来减轻爆破震动带来的 [ 1] [2-4] 危害 。 部分学者 结合矿山实况,研究预裂爆 破、微差爆破以及小孔径爆破的爆破振动规律,为相 关矿山的爆破减震提供理论支持。 预裂爆破是一种 有效地控制爆破震动的方法,被广泛应用于露天矿山 台阶开采爆破和路堑边坡爆破。 预裂爆破减震效果主要和预裂缝的长度、深度、 [ 5-6] 预裂缝与爆源间距等参数有关 。 目前,部分学者 [ 7] [8] 通过试验 和数值模拟 ,对预裂缝(减震沟槽) 的 减震效果进行了研究,得出了很多有价值的结论。 本 研究结合金堆城钼矿南露天矿采场临近地下引水隧 洞工程实例,提出采用预裂爆破的方式减震以保证地 下隧洞的安全稳定。 运用动力有限元软件 ANSYS / LSꢁDYNA 建立露天矿台阶—预裂缝—隧洞模型,探 究预裂缝参数变化对缝后隧洞围岩质点峰值振速的 影响,分析不同预裂缝条件下的减震效果,以期得到 合理的预裂缝参数,相关结论对预裂爆破设计提供指 导,对类似工程也有参考价值。 图 1ꢀ 计算模型(m) Fig. 1ꢀ Schematic diagram of numerical calculation model 2 . 2ꢀ 材料模型及算法控制 在本次模拟实验中需要定义的模型材料有 3 种: 1 ꢀ 预裂缝的减振效应 炸药(乳化炸药)、岩石(安山玢岩)、空气(预裂缝)。 乳化炸药采用关键字为∗MAT_HIGH_EXPLOSIVE_ BURN 的材料模型,由 JWL 状态方程描述整个爆轰 过程,JWL 状态方程见式(1);台阶爆破岩石和炮孔 堵塞段采用关键字为∗MAT_PLASTIC_KINEMATIC 的双线性随动硬化模型,岩石参数见表 1;选取关键 字∗MAT_NULL 和∗EOS _LINEAR_POLYNOMIAL 状态方程来定义空气模型,空气状态方程见式(2)。 预裂缝的减振效应反映其阻抗性质和自振特性, 与预裂缝尺寸、产状、爆破岩体的力学性质等因素有 关。 由于预裂缝的阻隔作用,爆破地震波在岩体中传 播至预裂缝界面时发生反射、折射和透射现象,这一 过程消耗了地震波的大部分能量,只有部分能量能够 进入缝后被保护区域;另一部分地震波从预裂缝下部 绕射通过,进入保护区域引起岩体振动而对其产生破 坏作用。 爆破地震波在预裂缝界面的反射、透射使预 裂缝产生变形,吸收部分地震波的能量,预裂缝实际 上起到了天然的低通滤波器的作用,是 1 组集成的滤 æ è ω ö e-R1V æ è ω ö e-R2V + ωE, P = A 1 - + B 1 - R R Vø Vø V 1 2 [ 9] (1) 波网络 。 式中,P 为炸药爆轰产物的单元压力,GPa;V 为炸药 爆炸后压力为 P 时的体积和初始体积的比值;E 为炸 3 药初始内能密度,J/ m ;参数 A、B、ω、R1 、R2 是实验室 2 2 ꢀ 数值模拟研究 . 1ꢀ 计算模型 台阶模型长 70 m,宽 30 m,高 36 m;预裂缝模型 所测得的炸药常数。 炸药详细参数取值见表 2。 深 L1 ,长 L2 ,爆源与预裂缝间距 L3 ,预裂缝宽 L4(单位 均为 m)。 隧道为直墙半圆拱型,宽 6 m,高 7 m,边墙 高 4 m,半圆拱半径 3 m。 炮孔深度 L 为 13 m,装药 长度 7 m,堵塞长度 6 m,炮孔直径 250 mm,底盘抵抗 线 9 m,台阶坡面角 69°。 台阶高 12 m,隧洞与台阶处 于同一水平,两者水平间距 40 m。 为了网格划分的 便利和计算精度的提高,将圆形炮孔等效为矩形炮 2 C0 + C1 μ + C2 μ + C3 μ 3 ]+ P = [ 2 C4 + C5 μ + C6 μ E, (2) [ ] 式中,P 为气体压力,GPa;C ~ C 6 为空气常数;μ 为 0 动力黏性系数,μ=ρ/ (ρ0 ꢁ1)(ρ0 为空气的初始密度, · 67· 总第 495 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 9 期 3 ρ 为当前密度,kg / m ),Pa·s;E 为单位介质体积内 3 能,J/ m 。 空气详细参数取值见表 3。 表 1ꢀ 岩石材料参数 Table 1ꢀ Material parameters of rock 密度 (kg/ m ) 量/ GPa 弹性模 泊松比 屈服强 切线模 抗拉强 抗压强 3 / μ 度/ MPa 量 / GPa 度/ MPa 度 / MPa 2 700 37. 4 0. 3 23 4. 5 5 98 表 2ꢀ 炸药材料参数 Table 2ꢀ Material parameters of explosive CꢁJ 压力 JWL 状态方程参数 密度 爆速 (kg/ m ) / (m/ s) 3 A B GPa / GPa / GPa E / R1 R2 ω / 3 / (J/ m ) 1 270 4 300 3. 43 214. 1 0. 182 4. 5 1. 0 0. 15 3. 5×109 表 3ꢀ 空气材料参数 Table 3ꢀ Material parameters of air 初始密度 ρ0 E C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 3 / (J/ m ) 3 / (kg/ m ) 1. 292 9 0 0 0 0 0. 4 0. 4 0 2. 5×105 图 2ꢀ 峰值振速随预裂缝深度变化 Fig. 2ꢀ Maximum vibration velocity change with the pre-splitting crack depth ꢀ ꢀ 炸药和空气采用 ALE 算法,岩体采用拉格朗日 算法,各材料结构单元间共用节点。 . 3ꢀ 预裂缝深度对减震效果的影响 2 ■ ● ▼ ▲ —边墙脚点 A; —边墙中点 B; —边墙顶点 C; —拱顶点 D [ 10] 相关学者 的研究表明,预裂缝延伸出爆区界 限的长度需大于 12 m,本次模拟取 14 m,即预裂缝长 度 L2 取值 14 m;单孔爆破致裂范围不超过 100 倍炮 [ 11] 孔半径 ,预裂缝应设置在爆破致裂区之外,本次模 拟爆源与预裂缝间距 L3 取值 13 m。 预裂缝宽度对 [ 12] 减震效果的影响可以忽略 ,预裂缝宽度 L4 取值 11 cm。 预裂缝深度 L1 取值依次为 3、6、9、12、15、18、21 m,共建立 7 个模型。 临近隧洞的爆破振动对迎爆侧 图 3ꢀ 平均减震率随预裂缝深度变化 Fig. 3ꢀ Average damping rate change [ 13] 及拱顶的影响大于背爆侧 ,本次研究只选取迎爆 侧边墙 3 个点(边墙脚点 A、边墙中点 B 和边墙顶点 C)及拱顶点 D。 with the pre-splitting crack depth 从图 2 看出,无预裂缝存在时,水平径向峰值振 测点峰值振速随预裂缝深度变化如图 2 所示。 为更好地描述 减 震 效 果, 引 入 减 震 率 计 算 公 14] : 速约为垂直向的 2 倍,对隧洞围岩稳定性影响最大的 是振速的水平分量,且边墙中点处水平径向峰值振速 最大,拱顶处最小。 随预裂缝的加深,洞周各测点的 水平向和垂直向峰值振速均有一个明显的下降趋势。 预裂缝深度在 3 m 之内时,各测点峰值振速相比于无 预裂缝存在时变化不大;预裂缝深度在 3 ~ 15 m 时, 水平径向峰值振速随预裂缝加深而快速减小;当深度 超过 15 m 后,水平径向峰值振速的衰减速率减慢,衰 减趋势逐渐趋于平缓;垂直向峰值振速的衰减规律性 较差。 [ 式 V1 - V2 V1 ìηi = × 100% í , (3) ∑ η i η = î 4 式中,V1 为无预裂缝时测点的峰值振动速度,cm/ s; V2 为存在预裂缝时测点的峰值振动速度,cm/ s;ηi 为 测点减震率(i 为测点编号),% ;η 为 4 个测点的平 均减震率,% 。 通过式(3)计算不同预裂缝深度下各 点的减震率和平均减震率,平均减震率随预裂缝深度 变化如图 3 所示。 从图 3 看出,当 L1 / L<1. 1 时,水平径向的减震效 果优于垂直方向,当 L1 / L>1. 1 时,垂直方向的减震效 果优于水平径向。 当 0. 2<L1 / L<0. 7 时,水平径向及 · 68· ꢀ ꢀ ꢀ 张建华等:金堆城钼矿临近引水隧洞预裂缝模型减震效果分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 9 期 垂直向平均减震率随预裂缝加深而快速增加,减震率 均小于 45% ;当 0. 7<L1 / L<1. 1 时,水平径向平均减 震率约为 45% ~ 60% ,减震效果良好;L1 / L>1. 1 时, 随预裂缝加深,水平径向减震率变化不大,垂直向减 震率增幅在 10% 以内,此时增加预裂缝深度在经济 上不合理。 使用 origin9. 2 对图 3 进行多项式拟合,令 x = L1 / L,得出平均减震率 η 与 L1 / L 的关系。 水平径向, 图 5ꢀ 平均减震率随预裂缝长度变化 Fig. 5ꢀ Average damping rate change 2 3 η = - 27. 84 + 185. 56x - 135. 83x + 33. 77x ; with the pre-splitting crack length ( 4) 从图 4 看出,当预裂缝长度 L2 在 1 倍炮孔深度 垂直方向, 范围内时,水平径向及垂直向峰值振速随预裂缝长度 增加而快速减小;L2 超过 1 倍炮孔深度后,峰值振速 随预裂缝长度增加而衰减的趋势减弱,并逐渐趋于平 稳。 2 3 η = - 10. 4 + 72. 44x + 0. 17x - 9. 26x . (5) ꢀ 以上 2 式拟合相关性系数均大于 0. 98,这表明 ꢀ 可以使用式(4)和式(5)来表示平均减震率 η 与 L1 / L 的关系。 从图 5 看出,随预裂缝长度增加,预裂缝的减震 效果越来越好。 当 L2 / L<0. 75 时,垂直向的减震率优 于水平向,平均减震率随预裂缝长度增加而快速增 加,水平径向及垂直向平均减震率约小于 50% ;当 L2 / L>1. 0 时,水平径向的减震率大于垂直向,水平径 向减震率超过 55% ,垂直向减震率超过 50% 。 对图 5 曲线进行多项式拟合,令 x = L2 / L,得出平 均减震率 η 与 L2 / L 的关系。 2 . 4ꢀ 预裂缝长度对减震效果的影响 本节模拟预裂缝深度 L1 取值 13 m;预裂缝宽度 L4 取值 11 cm;爆源与预裂缝间距 L3 取值 13 m;预裂 缝长度 L2 依次取值 6、10、14、18、22、26、30 m 共 7 组 模型。 模型算法、网格划分方法同 2. 3 节。 测点峰值 振速随预裂缝长度变化如图 4 所示,平均减震率变化 见图 5。 水平径向, 2 3 η = - 2. 22 + 80. 69x - 33. 86x + 5. 65x ; (6) 垂直方向, 2 3 η = 5. 28 + 97. 78x - 61. 26x + 12. 69x . (7) ꢀ 以上 2 式拟合相关性系数均大于 0. 93,表明式 6)和式(7)可以用于表示 η 和 L2 / L 的关系。 ꢀ ( 2. 5ꢀ 预裂缝与爆源间距对减震效果的影响 本节模拟 L1 取值 13 m;L2 取值 14 m;L4 取值 11 cm;L3 依次取值 7、10、13、16、19、22、25 m,共 7 组模 型。 模型算法、网格划分方法同 2. 3 节。 测点峰值振 速随缝源间距变化见图 6,平均减震率变化见图 7。 从图 6 看出,随缝源间距的增加,测点峰值振速 有一个先减小后增大的趋势,表明预裂缝与爆源的间 距并不是越小越好;缝源间距 10 m 时,水平径向减震 效果最好,缝源间距 13 m 时,垂直向减震效果最好。 拱顶测点峰值振速受缝源间距变化的影响最小。 从图 7 看出,当 L3 / L<0. 77 时,水平径向减震率 随缝源间距的增加而增加,在此范围内,预裂缝离爆 源越近减震率越低,表明离爆源越近,预裂缝闭合程 度越高,减震效果越差;L3 / L>0. 77 时,水平径向平均 图 4ꢀ 峰值振速随预裂缝长度变化 Fig. 4ꢀ Maximum vibration velocity change with the pre-splitting crack length ■ ● ▼ ▲ —边墙脚点 A; —边墙中点 B; —边墙顶点 C; —拱顶点 D · 69· 总第 495 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 9 期 大于 0. 94,因此可以用式(8)表示水平径向平均减震 率 η 和 L3 / L 的关系,当 L3 超过 1 倍炮孔深度时可用 式(9)表示垂直方向平均减震率 η 和 L3 / L 的关系。 3 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)对隧洞迎爆面及拱顶稳定性影响最大的是 振速的水平分量,其中,迎爆面边墙中点处的水平径 向峰值振速最大,边墙顶点处的垂直向峰值振速最 大;拱顶测点峰值振速的水平分量及垂直分量均最 小,表明拱顶处受爆破振动的影响最小。 ( 2)平均减震率 η 随预裂缝深度 L1 增加而增 大,当 L1 超过 3 m 后才会起到有效的减震效果;η 随 预裂缝长度 L2 增加而增大,L2 超过 1 倍炮孔深度后, 水平径向的平均减震率明显大于垂直向;随缝源间距 L3 的增加,η 存在一个先增大后减小的趋势,离爆源 太近,爆破产生的能量会使预裂缝闭合,降低减震效 果。 ( 3)结合数值模拟和矿山经济技术条件分析,得 图 6ꢀ 峰值振速随预裂缝与爆源间距变化 Fig. 6ꢀ Maximum vibration velocity change with the distance between the pre-splitting crack and explosion source 出金堆城钼矿南露天采场临近引水隧洞预裂缝减震 模型的推荐参数:预裂缝深度 L1 取值 0. 7 ~ 1. 1 倍炮 孔深度;预裂缝长度 L2 取值应大于 1 倍炮孔深度;缝 源间距 L3 取值 0. 8 ~ 1 倍炮孔深度。 上述推荐参数 条件下的平均减震率超过 50% 。 ■ ● ▼ ▲ —边墙脚点 A; —边墙中点 B; —边墙顶点 C; —拱顶点 D 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 陈庆凯,孙运峰,李桂臣,等. 何家采区爆破振动波传播规律的 研究[J]. 金属矿山,2014(10):18-21. Chen Qingkai,Sun Yunfeng,Li Guichen,et al. Research of the law of blasting vibration wave propagation in Hejia mining area[J]. Met- al Mine,2014(10):18-21. 图 7ꢀ 平均减震率随预裂缝与爆源间距变化 [ 2]ꢀ 叶海旺,何成斌,王ꢀ 亮,等. 金堆城钼矿小孔径减震爆破试验 研究[J]. 金属矿山,2014(1):43-45. Fig. 7ꢀ Average damping rate change with the distance between the pre-splitting crack and explosion source Ye Haiwang,He Chengbin,Wang Liang,et al. Blasting test of small aperture damping Jinduicheng Molybdenum Mine[ J]. Metal Mine, 减震率随缝源间距增加而快速衰减。 0. 77 <L3 / L<1 时,垂直向的减震率随缝源间距增加而快速增加;1< L3 / L<1. 46 时,垂直向平均减震率快速衰减,此后衰 减趋势趋于平缓。 综合经济合理性和减震效果,推荐 预裂缝与爆源间距取值范围为 0. 8<L3 / L<1。 2 014(1):43-45. 3]ꢀ 刘为洲. 南山矿凹山采场减震爆破试验研究[ J]. 金属矿山, 004(6):22-23. [ [ 2 Liu Weizhou. Research on vibration reduced blasting tests at Washan pit,Nanshan Iron Mine[J]. Metal Mine,2004(6):22-23. 4]ꢀ 何ꢀ 理,钟冬望,刘建程,等. 微差爆破试验及爆破振动能量的 小波包分析[J]. 金属矿山,2014(6):10-15. 对图 7 曲线进行多项式拟合,令 x = L3 / L,得出平 均减震率 η 与 L3 / L 的关系。 水平径向, He Li,Zhong Dongwang,Liu Jiancheng,et al. 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