深孔爆破出矿巷道的动态应力比评价分析

李文明

(中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯市 010300)

深孔爆破出矿巷道的动态应力比评价分析

李文明

(中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯市 010300)

以某铁矿采场深孔爆破为研究背景，针对爆破震动引起的巷道片帮、冒顶等事故，为最大程度的降低爆破震动效应，采用blastmate型测振仪对深孔爆破时出矿巷道的震动信号进行监测。通过对测振数据进行回归分析，发现爆破振动波衰减规律与矿岩的岩性基本一致；采用动态应力比评价体系对出矿巷道的稳定性进行计算，发现DSR＜0.0125时，以同等条件进行爆破作业时，巷道不会发生破坏。

深孔爆破；出矿巷道；稳定性；动态应力比

0 引言

金属矿的矿岩较为坚固，钻爆法被广泛运用，但炸药爆破所产生的能量大部分以地震波的形式耗散，引起邻近自由面震动，继而引起生产事故的发生[1-2]。出矿巷道作为矿山生产的主要作业场所，其稳定直接关系着井下作业人员的生命安全，间接影响着矿山企业的生产效益。

目前，众多学者对动荷载作用下的巷道失稳机制进行了研究，并已产生众多研究成果。韩晓亮以某钒矿为研究背景，以采场实测震动数据为依据，采用有限元差分软件FLAC3D，对动荷载施加前后巷道围岩的位移场、应力场、塑性区随时间的变化规律进行计算，发现巷道施加动载后位移场、应力场与塑性区变化均较小，说明单次爆破震动对巷道破坏较小，不足以使巷道立即发生失稳[3]。周传波以大冶铁矿深孔爆破为工程依托，采用离散元软件PFC研究爆破震动对巷道造成的累计损伤，发现巷道围岩应力场与塑性区的变化幅度与动荷载施加的强度一致，且动荷载施加强度越大应力场与塑性区变化越明显[4]。蒋楠以冬瓜山铜矿采场实测震动信号为依据，通过在模型底部施加爆破震动信号，分析动载施加前后巷道位移场、应力场、速度场的变化规律，发现其随时间的变化规律与作为动荷载输入波形的速度时间曲线变化基本一致[5]。熊良霄以黄草坪隧道为工程依托，采用FLAC3D对地震波作用下隧道的稳定性进行分析，讨论模型横向范围和边界条件对数值计算结果的影响，发现7～8倍洞径，粘性边界的模型最为合理[6]。目前，针对爆破动载作用下巷道围岩的失稳机制研究，主要采用FLAC3D进行模拟分析，虽能有效地反应巷道围岩物理量的变化，但却无法反应巷道稳定性的破坏程度，而动态应力比分析评价方法根据矿岩的抗拉强度可以有效的判断巷道围岩的损伤程度[7-8]，因此，本文采用动态应力比分析评价法对某矿山出矿巷道的稳定性进行分析计算。

1 工程概况

某铁矿位于闽西地区博平岭山脉，地貌为侵蚀构造地形，山脉呈北北东一近南北向延伸。矿区位于龙岩盆地，东西长约4000 m，南北宽约700～1000 m。矿区年降水量为1350～1995 mm，属雨量丰富地区。矿体为矽卡岩和变质砂质泥岩，上盘围岩为大理岩、大理岩化灰岩，下盘围岩为石英岩和石英砂岩。

该矿采用垂直扇形深孔爆破法落矿。中段高度为50 m，矿房沿走向布置，长为50 m，宽为20 m，矿房顶柱5 m，间柱5 m。使用KJ-90型钻机钻孔，孔径70～80 mm，炮孔前倾8°～10°，边孔水平夹角55°～60°，每排9孔，排距2 m，孔距2 m，孔深20 m；用2＃岩石乳化炸药结合非电毫秒微差雷管系统进行爆破。

2 爆破振动现场测试

采准工作结束后伴随着回采作业的开始，在爆破次数增加，爆破炸药量增大及井下空间有限等因素的影响下，出矿巷道破坏愈发严重。为分析爆破震动对巷道的影响，对回采爆破引起的巷道质点震动强度进行监控，测点布置如图1所示。

图1 测点布置

3 现场爆破震动测试及数据处理

3.1 萨道夫斯基公式

目前，测震仪可记录测点3个方向的质点震动速度、加速度、位移、主震频率及震动持续时间。以质点峰值震速作为爆破震动安全评价的主要指标，采用萨道夫斯基公式计算，即：

式中：Q——最大单段炸药量，kg；

R——爆心距，m；

K、α——相关系数；

ρ——比例药量。

3.2 爆破作业参数及监测数据

本次测震共进行5次，爆破地点为＋745中段3号采场(东侧)，测震地点为＋795中段2号采场1号、2号、3号出矿巷道。测震结束后，首先将监测数据导入计算机，然后使用blastmave8软件处理，得到峰值震速、主震频率、持续时间等信息，最后将作业现场的爆破参数，如爆心距、单段药量等进行整合，并将测震数据与爆破参数汇总，见表1。

表1 爆破参数及监测数据

3.3 爆破振动数据拟合

通过公式(1)对表1数据拟合，可得水平径向速度、水平切向速度、垂直方向速度与合成速度4个方向爆破震动波的衰减规律。

三维合成震动速度为：

水平切向震动速度为：

水平径向震动速度为：

垂直向震动速度为：

公式中的系数k和a与现场岩性条件和爆破作业环境有关。根据爆破安全规程(GB6722-2014)，不同岩性条件下k与a经验数据如表2所示。

表2 不同岩性条件下k、a值

通过对各向速度进行线性拟合，依据水平方向衰减规律，巷道围岩趋向中硬岩，依据垂直方向衰减

规律，巷道围岩趋于硬岩。爆破震动波的衰减规律不仅与矿岩种类、地质构造与水文地质条件有关，还与采矿方法以及爆破作业参数有关。由于测点位于下盘岩层，爆点位于矿体，爆破震动波先穿过矿体再通过岩体，考虑到矿岩的稳定性差异，故各个方向的回归系数不同，但与矿山实际相符。

4 动态应力比分析评价

4.1 动态应力比

目前，国内外众多仍以爆破地震波峰值振速与主振频率作为巷道失稳的依据，但由于巷道的稳定性不仅仅与震动持续时间、峰值振速和主振频率有关，还与矿岩强度、风化程度、含水率高低等地质因素有关，因此，具有一定的局限性。为深入分析爆破震动对巷道围岩稳定性的影响，引入动态应力比(DSR)分析评价方法，通过比较矿岩受到的动态应力与矿岩的极限应力强度进而判断矿岩的损伤，DSR评价指标如表3所示。

表3 地下结构损伤、破坏评价标准

动态应力比法中提出了无量纲参数DSR的概念，并以其大小来作为判断巷道破坏的依据[6]，其计算公式如下：

式中：σ——岩体受到的动态应力，MPa；

Ks——场地系数，Ks≈PQD＜1；

σ动——岩体动态抗拉强度，MPa。

岩体受到的动态应力可以由公式(4)求得：

式中：ρ——介质密度，kg/m3；

c0——岩体介质的纵波波速，m/s；

v——爆破震速，cm/s。

岩体动态抗拉强度可以由公式(5)求得：

式中：σ静——岩体静态抗拉应力，MPa。

4.2 巷道稳定性的动态应力比安全评价

通过对矿山进行实际调查，得知矿石主要成分为矽卡岩。通过对采场取得的岩芯进行室内试验，测得：围岩密度为 3200 kg/m3，纵波波速为 5000 cm/s，动态极限抗拉强度为44.06 MPa。考察场地选择Ks＝PQD＝0.85。通过现场爆破震动测试，获得测点最大峰值振速为18.197 cm/s。

根据公式(4)以及上述参数，可求得 DSR＝0.077，结合表3可知，DSR＜0.125，说明出矿巷道无破坏损伤，使用当前的爆破参数在该区域生产不会引发安全生产事故。

5 结 论

(1)以现场爆破测试结果为依据，通过对其直观分析，发现随着爆心距的增加，质点峰值振速快速降低；同时，通过对其二元回归分析，发现矿岩岩性为中硬岩石，与该矿矿山岩性相符，进而证明爆破震动波衰减规律的准确性。

(2)利用动态应力比法结合室内试验结果、现场爆破震动测试数据对出矿巷道的稳定性进行计算，得到DSR＜0.125时，以当前作业参数在该采场进行回采作业时，巷道无损伤。

[1] 邓 飞，韩晓亮，尹丽冰，等.邻近巷道爆破对既有巷道影响的数值模拟研究[J].矿业研究与开发，2015，35(11)：74-79.

[2] 邓 飞，韩晓亮，廖声银，等.中深孔爆破出矿巷道震动强度的数值模拟[J].有色金属科学与工程，2015(06)：106-110.

[3] 邓 飞，韩晓亮，胡龙飞，等.爆破震动对巷道稳定性影响的数值模拟研究[J].矿业研究与开发，2015，35(10)：47-50.

[4] 周传波，郭廖武，姚颖康，等.采矿巷道围岩变形机制数值模拟研究[J].岩土力学，2009(03)：654-658.

[5] 蒋 楠，郑晓硕，张 磊，等.采矿爆破振动对巷道围岩影响的数值模拟研究[J].工程爆破，2010(03)：21-24.

[6] 熊良宵，李天斌，刘 勇，等.隧道地震响应数值模拟研究[J].地质力学学报，2007，13(3)：255-260.

[7] 陈国芳，王瀚霆，周 盼，等.生产爆破下巷道顶板稳定性的动态应力比分析评价[J].有色金属科学与工程，2015(03)：83-87.

[8] 班克海，王 贺.高应力下中深孔爆破振动传播规律及动态应力比安全判据研究[J].有色金属(矿山部分)，2015(05)：81-84.

2016-07-17)

李文明(1977-)，男，内蒙古杭锦后旗人，工程师，主要从事露天矿山生产与管理工作，Email：931037036＠qq. com。