爆破震動作用下巷道穩(wěn)定性

會計學1爆破震動作用下巷道穩(wěn)定性沖擊波、應力波和地震波應力波波型及其特征：縱波：波的傳播方向和介質振動方向相同，波速為cPE、μ、ρ－巖石的彈性模量、泊松比和密度；g－重力加速度。特征：縱波為壓縮波。在傳播中引起巖體中交替出現(xiàn)壓－拉應力。

vr、vθ－質點運動速度的徑向和環(huán)向分量。計算時可簡化為簡諧波（波型參數用周期、波長和頻率描述）。第1頁/共45頁沖擊波、應力波和地震波應力波波型及其特征：橫波：波的傳播方向和介質振動方向相垂直，波速為cs特征：橫波在巖體中傳播時引起剪應力。計算時也可簡化為簡諧波。地震波地震波傳播區(qū)：在爆源遠區(qū)，即超出（400～500）R0以外。特征：波長較大，振幅較?。粚е聨r體中裂隙張開并影響工程穩(wěn)定性。第2頁/共45頁影響應力波的因素巖石性質：巖石的種類、組成、孔隙性、含水率等都影響應力波波速。結構致密、含水量高，則應力波波速高；聲阻比（巖石縱波波速與密度之乘積）越小，質點速度越大；巖石硬，正壓作用時間短；反之則越長（質點位移越大）。炸藥種類：炸藥威力越大，應力波參數（巖石質點速度、正壓作用時間、質點位移）也越大。藥包形狀與結構：球形藥包產生的應力波參數比延長藥包的小。因此，應力波受多種因素影響，巖體中實際傳播的應力波與理論上的波形不同，為探討其規(guī)律仍要用簡化模型。第3頁/共45頁應力波的界面效應界面效應：應力波傳播途中遇到斷層、層面、裂隙時，應力波的一部分發(fā)生折射或繞射，另一部分反射，并都以波的形式表現(xiàn)出來。原有的應力波被衰減或傳播特性受到干擾，其影響程度取決于層面數目、層內介質性質等因素。自由界面：當直達波（縱波、橫波）到達自由邊界時，將產生反射波，其波形和傳播方向取決于直達波參數、傳入方向與界面夾角以及巖石性質?？v波為壓縮波時，反射波為拉應力波，并以拉應力作用到自由邊界表面。直達波在自由表面還會產生一種衍射波如瑞利波（表面波），它能引起巷道周邊變形。第4頁/共45頁應力波產生的應力場各向同性巖體深處，距爆心相當遠處一單元體應力狀態(tài)，是縱波和橫波共同作用產生?？v波速度最大（約為橫波的1.5～2倍）因此單元體最先受縱波作用。當縱波沿X軸傳入時，壓縮波波強為p，則單元體上應力為：當橫波到達時，單元體受剪應力τ作用第5頁/共45頁應力波產生的應力場幾點認識：研究巖體受應力波作用的效應時，可以分別探討縱波與橫波的作用，綜合分析效果；應力波引起的應力場是瞬時的；由于波的相位變化，一點應力狀態(tài)處在拉壓交變之中；當研究點處在自由表面時，除了直達波外，還要考慮反射波的作用，應力狀態(tài)比較復雜。第6頁/共45頁8.2爆炸震動作用下巷道應力狀態(tài)縱波作用下巷道圍巖應力狀態(tài)各向同性彈性體中傳播壓縮縱波引起的圓形巷道周圍應力，理論上可引用米爾扎耶夫研究成果。問題描述：壓縮波波強p，沿X軸方向傳入，假設為平面諧波式中，ω=2π/T；T－振動周期；A－振幅。第7頁/共45頁縱波作用下巷道圍巖應力狀態(tài)其應力分量和位移分量為如果已知φ和ψ，則巖體中初始應力場為可證明σy=λσx。此應力場下圓形巷道周邊環(huán)向應力

R0、J－相當于t=0和t=T/4時應力的實部和虛部。第8頁/共45頁理論分析分析：μ＝0.35，λ/(2a)=0.895巷道周圍應力分布不均，隨應力波周期而變；t=0,1/8T,7/8T時為壓縮半波作用；t=3/8T,1/2T,5/8T時為拉伸半波作用；t=1/4T,3/4T時從壓縮半波轉到拉伸半波；最大壓縮半波(t=0)時巷道周邊最大環(huán)向應力(1.8σx)發(fā)生在巷道頂板，最大拉伸半波(t=T/2)時最大環(huán)向應力(－1.8σx)也在θ=π/2處。第9頁/共45頁理論分析隨應力波波長增加，周邊拉、壓應力集中系數增大。λ/(2a)=2.415時應力集中系數為2.46，λ/(2a)=15.7時達到3.16，超過靜力場時狀態(tài)。實測資料表明，除低彈模巖石外，巖體中縱波速度為3700～6700m/s，相應波長為7.4～45m。因此，在現(xiàn)有礦山工程尺寸情況下，λ/(2a)>3時的應力波對工程巖體穩(wěn)定性的影響更具實際意義；第10頁/共45頁理論分析縱波作用下巷道周圍的徑向應力也隨應力波周期變化而異；不同時期應力分布形式基本相同，應力值有差別；在應力波作用一側圍巖徑向應力要大于其它方向。第11頁/共45頁數值分析動應力場數值解法結果與理論分析結果相似。研究結果表明：例：把爆破荷載簡化成三角形波形，采用有限元計算得到的巷道周邊環(huán)向應力分布圖。應力波作用下，巷道周邊環(huán)向應力分布是非對稱的；巷道在迎爆方向的應力大于背爆方向的，兩者相差近20倍；應力波傳播一個周期后，有波的疊加現(xiàn)象。第12頁/共45頁橫波作用下的應力場橫波速度低于縱波，所以巷道圍巖在經受壓、拉應力波作用后，還要受到剪切波作用。理論解設橫波沿X軸傳入，其參數為式中B為常數，β為系數。則作用在巖體上產生的初始應力分量為第13頁/共45頁橫波作用下的應力場按彈性理論求出τxy應力場作用下孔口周邊(不支護巷道周邊)環(huán)向應力。分析：λ/(2a)越小，環(huán)向應力分布越不均勻；在λ/(2a)=31.4，按動、靜載得到的結果幾乎完全相同，表明波長較大時可以用準靜載來確定橫波引起的圍巖應力場。第14頁/共45頁動載下巷道周邊不平整時圍巖應力理論研究證實，應力波作用下：不平整周邊的凹陷處應力集中顯著增加；傳遞拉伸波時為拉應力集中，這是圍巖中裂隙產生與擴展的主要原因。第15頁/共45頁小結關于應力波作用下巷道圍巖應力狀態(tài)的幾點認識：（1）應力波作用下，巷道周圍應力分布不均，應力波入射方向圍巖應力大于背爆方向的應力。（2）應力波為周期變化，圍巖應力場則是交變的，同一地點既要承受壓應力作用，又要承受拉應力。爆破引起的動應力場可用動應力集中系數表示應力值。（3）爆破震動效應與應力波波長和巷道跨度之比有關。隨應力波波長增加，巷道動應力集中系數增大。在應力波波長較大且λ/(2a)>3時，可用準靜載解。λ/(2a)<3時必須按動力學問題處理。（4）巷道周邊不平整對動載作用更敏感，應力集中變化大，更易導致圍巖破壞。實際情況下還要考慮直達波引起反射波影響以及圍巖性質變化和結構面的存在。第16頁/共45頁8.3爆破震動作用下圍巖變形和破壞動應力引起的圍巖變形爆破產生的圍巖動應力將引起圍巖瞬時變形。動載下圍巖位移分布，它與巖石性質、巖體結構、工程斷面尺寸等有關，還取決于應力波參數、與爆源中心距離以及應力波傳入方向。應力波作用下巷道頂板和兩幫位移不一樣，通常應力波傳入一側圍巖位移最大。第17頁/共45頁動應力作用下圍巖破壞機理波的傳播過程：直達壓縮波到達自由表面時，A點受壓縮波前作用。在極短t1時刻A點移到新位置2′，同時產生反射拉伸波（2″至2′）抵消一部分壓縮波前。經t2時刻，巷道表面A點移至3′點，直達波前降至3″點，反射拉伸波為3′至3″區(qū)。第18頁/共45頁動應力作用下圍巖破壞機理直達波能量耗盡后，圍巖本身抗力使A回到原位，所有波移向巖體內部。點4通過初始位置時，巷道表面開始出現(xiàn)反射壓縮波，但幅值很低，5′點。破壞機理：直達壓縮波引起圍巖應力集中導致圍巖破壞是整個破壞過程的第一階段，反射拉伸波的出現(xiàn)標志著破壞進入第二階段，兩個階段間隔很短。反射拉伸波產生的拉應力超過抗拉強度時，在圍巖中出現(xiàn)平行于巷道周邊裂隙，此后，如果直達波尚未完全消失，在有裂隙的地方還要產生反射拉伸波，如此重復出現(xiàn)，加速圍巖破壞過程。第19頁/共45頁圍巖破壞類型（1）環(huán)向裂隙與剝層破壞整體結構巖體中，爆炸應力波（壓縮波）在巷道表面反射拉伸波，形成沿巷道軸方向縱裂隙和平行巷道周邊環(huán)向裂隙。（2）塊體滑落塊狀結構巖體中，應力波使結構面張開，并附加慣性力使塊體滑落。（3）圍巖破壞區(qū)破壞區(qū)形態(tài)依巖體結構、巷道與巖層空間位置及應力波傳入方向而不同。受不同方向爆破時，還隨爆破方向和次數、時間過程變化。第20頁/共45頁8.4爆破震動效應的現(xiàn)場研究現(xiàn)場測震的意義應力波傳播受多因素影響，是一個復雜物理過程，很難用統(tǒng)一力學模型描述其規(guī)律，現(xiàn)場測震研究更有意義，可以給出以下結果：①應力波波型參數及其衰減結果；②動應力大小及其分布；③爆炸地震波作用下的工程安全距離；④震動作用下支護效果的評價，等等。量測參數和儀器可測振動參數：巖石質點振動位移、速度和加速度，可相互換算。量測參數選擇依據：反映圍巖破壞主要因素；易量測，便于力學分析。量測參數：速度和加速度。第21頁/共45頁量測參數和儀器量測方法：應力波垂直巷道軸線傳入時，直接量取質點徑向和環(huán)向的速度(加速度)分量；應力波傳入方向與巷道軸線斜交，除徑向和環(huán)向分量外，還要量測同一質點上的軸向分量，確定速度（加速度）最大值和方向。儀器選擇依據：依據測試震動波型（地震波、應力波）選擇測量。第22頁/共45頁測震數據分析與應用數據分析：測震數據統(tǒng)計分析可得振動參數在巖石介質中傳播規(guī)律－衰減規(guī)律：Q－爆破炸藥量；R－爆心至測點的距離，m；K－振速系數，由試驗定；α－衰減系數，由試驗定。應用：對地下工程，現(xiàn)場測震可用于：（1）確定巷道周邊動應力。如果測得振速v，則該點的動載qD為c－巖體彈性波速；v＝質點振動速度；γ－巖石容重；g－重力加速度。巷道周邊的動應力為KD－動應力集中系數；D(巷道直徑)>λ(波長)，KD=0.8Kc(靜載應力集中系數)；D<λ時，且0<D/λ<0.25，取KD=Kc。第23頁/共45頁測震數據分析與應用（2）評價爆破影響下工程巖體穩(wěn)定性。判據：圍巖質點振速達到巖石臨界振速時，圍巖就會失穩(wěn)。巖石臨界振速條件：圍巖在動、靜載作用下產生的動、靜應力之和等于巖體動力強度。σ－巖體總應力；σc－靜載（初始應力）下產生的應力；σD－動載下產生的應力。巖體動力強度：比靜載高，以RD=KRRt表示動抗拉強度。KR動力強度提高系數，一般取1.1～1.2。Rt靜抗拉強度。動抗拉確定與相同動載的其它強度相比也是最低的。第24頁/共45頁測震數據分析與應用則巖石臨界振速為c－巖體波速，圍巖處在彈性階段取彈性波速，出現(xiàn)裂隙時取彈性波速一半；KD－動應力集中系數，與巷道斷面形狀有關，按表選?。沪襝－靜載下巷道周邊應力σθ，可取理論值。由此可計算圍巖在彈性階段、出現(xiàn)裂隙、局部冒落以及大面積塌方時的臨界振速，用于對圍巖狀態(tài)估計。實測巖石質點振速v≥[v]，就會出現(xiàn)某種破壞；v＜[v]，是安全的。第25頁/共45頁測震數據分析與應用根據實測質點振速，按表（長江科學院）也可估計圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。（3）確定安全距離。根據衰減規(guī)律及臨界振速，可得出不支護巷道不失穩(wěn)時的安全距離第26頁/共45頁8.5回采進路測震實例地質和開采條件礦體為磁鐵礦，上盤圍巖為角閃巖，下盤花崗巖；礦巖中結構面中等發(fā)育，礦體被斷層切割；采用無底柱分段崩落法開采，分段高10～14m，進路間距10m；進路斷面為直墻三心拱形，大部分采用噴錨支護。中深孔爆破落礦，孔徑90mm，扇形布置；最小抵抗線2～2.5m，火雷管起爆，三段微差爆破；分段最大藥量150kg，2＃巖石炸藥。目的：弄清爆破對進路穩(wěn)定性的影響。第27頁/共45頁測震方法（1）測試系統(tǒng)YD－1型加速度計，配ZK－2型阻抗變換器、GZ－2型測震儀和SC－16光線示波器組成。使用前要在振動臺上進行標定，并確定頻率范圍、靈敏度和穩(wěn)定性。（2）測點布置與安裝安裝：巷道表面鉆直徑40mm、深100mm的孔；將有機玻璃絕緣片固定在孔中，連上加速度計。第28頁/共45頁測點布置（3）確定爆心位置第29頁/共45頁測震方法（3）確定爆心位置扇形中深孔爆心坐標根據每個孔的藥量及重心坐標經計算確定。（4）同步起爆要測試生產爆破引起的震動效應，要求起爆與記錄儀器同步開動；又必須保證爆破地點與測試地點之間有足夠的安全距離，要求遠距離起爆。因此采用電點火起爆火雷管的辦法。測試前要鋪設測試線路。檢查聯(lián)線，選擇儀器量程。第30頁/共45頁測試結果與分析（1）應力波波型分析記錄的振動波型：第31頁/共45頁測試結果與分析采用直觀分析法量測主振相和波峰間距：（2）質點加速度衰減規(guī)律根據加速度衰減方程，回歸分析得K和α值，得出經驗公式為第32頁/共45頁第33頁/共45頁測試結果與分析結果分析：I.炸藥量越大，爆心距越小，質點加速度越大；II.引爆一側的加速度大于背爆一側。另外，所得數據受地質條件影響產生一定偏差是正常的。（3）測試結果及應用該礦條件下，最大分段藥量Q=150kg，爆心距R=9.86m，可算得進路周邊質點最大加速度為14.4g。應力波視為諧波時，質點徑向速度vr=a/ω(ω為振動圓頻率ω=2πf)，質點動應力為a=14.4g時，徑向地應力為0.69MPa。第34頁/共45頁8.6動、靜載作用下巷道穩(wěn)定性評價與支護選擇動、靜載作用下巷道穩(wěn)定性的特殊性（1）各類礦山巷道的穩(wěn)定性要求不同礦山巷道種類多，穩(wěn)定性評價時要考慮服務年限。I.第一類巷道，服務年限久(井筒或主要洞室)，要求高，使用期間不允許圍巖或支架有任何變形或破壞。具體評價時要從兩方面考慮：①按強度準則評價圍巖穩(wěn)定性，圍巖內任一點動、靜應力之和應低于巖體的計算強度；②有支架時，支架上動、靜載不能超過支架承載能力。II.第二類巷道，服務年限10年左右(階段井底車場、主要運輸巷道)，要求低一些，允許圍巖或支架出現(xiàn)微裂隙，但不影響正常使用；III.第三類巷道，服務年限2～5年(采區(qū)運輸巷、人行道、通風井、溜井等)，允許圍巖或支架上有裂隙或小的片落，限整個服務期間不擴大到妨礙正常使用。第35頁/共45頁動、靜載作用下巷道穩(wěn)定性的特殊性III.第三類巷道，服務年限2～5年(采區(qū)運輸巷、人行道、通風井、溜井等)，允許圍巖或支架上有裂隙或小的片落，限整個服務期間不擴大到妨礙正常使用。VI.第四類巷道，服務年限小于2年(切割巷或臨時措施巷道等)，允許有局部冒頂或片幫、支架變形，限使用期不危及安全。（2）巷道要經歷不同受載時期以采準巷道為例，要經歷三個時期：I.掘進完成到采場生產之前，遠離其它采區(qū)時，主要受初始應力場靜載作用；II.采動影響期，爆破振動，地壓遷移等都多巷道穩(wěn)定性有影響；III.生產結束或遠離，動載消失，殘留大量裂隙或累積變形，狀態(tài)惡化。第36頁/共45頁動、靜載作用下巷道穩(wěn)定性的特殊性（2）動、靜載作用下圍巖中最大靜應力和動應力作用點往往不一致各自影響因素不同：靜載引起的圍巖應力場取決于巷道埋深、巖石性質、構造應力及其它生產因素(開采空間尺寸，鄰近工程影響)等；爆破引起的圍巖動應力場取決于采用的爆破參數、爆心距、巷道尺寸和巖石性質等因素，應力波傳入方向也有較大影響；實驗研究表明：應力波傳入方向與巷道軸一致時，周邊質點軸向振速分量大于橫斷面內環(huán)向與徑向振速分量，此時應力波引起圍巖破壞輕微。應力波傳入方向與巷道軸垂直時，巷道斷面內徑向振速大于環(huán)向的，更大于軸向分量，圍巖破壞也較嚴重。第37頁/共45頁評價方法（1）動、靜載作用下的穩(wěn)定條件動、靜載作用下穩(wěn)定性判別條件有兩個：I.直達縱波產生交替拉－壓應力作用于巷道周圍，其穩(wěn)定條件為、－在r、θ坐標上的靜、動態(tài)徑向應力；－與上述坐標相同點巖石抗拉（或抗壓）強度。II.徑向應力出現(xiàn)同時，巷道周邊環(huán)向應力也可能引起剪切破壞、－在r、θ坐標上的靜、動態(tài)環(huán)向應力；－與上述坐標相同點巖石抗壓強度。第38頁/共45頁評價方法（2）穩(wěn)定性圖表示法穩(wěn)定圖：把動、靜載作用下產生的應力和圍巖的強度直接進行對比。例：層狀巖體中一圓形巷道，應力波傳入方向與巖層垂直，判別穩(wěn)定性。I.確定圓形巷道周邊各特征點應力。將各點計算的靜應力和動、靜應力之和表示到圖上(曲線III和IV)。II.確定各點圍巖強度。由巖石試塊強度按下列影響因素修正獲得：①各向異性影響及系數naH；②完整性影響及系數KV；③濕度的影響及系數nW；④爆破震動影響及系數npT；III.計算圍巖強度。表示在圖上(I－抗壓強度；II－抗拉強度)判斷：A區(qū)穩(wěn)定，B區(qū)失穩(wěn)。第39頁/共45頁支架受動載的效應爆炸應力波作用下，不同結構形式的支架在承載能力和支護效果方面有很大差別。實例分析：一條長70m坑道中布置5個試驗段（不支護、離壁支護、短錨桿噴網段、長錨桿噴網段、噴錨網段），附近峒室爆破后觀察破壞情況。第40頁/共45頁支架受動載的效應觀察結果：不支護段，圍巖破壞嚴重。兩幫比拱頂更甚；冒落巖塊為斷層和結構面切割的巨石。離壁支護段，支架破壞較嚴重。支架整體移向一側，拱架坍塌或錯動變位，有的半圓拱變成尖拱；每個拱1/4部位有與坑道軸線平行的裂隙。短錨桿噴網段，洞口附件因地質構造復雜，噴層破壞較多，局部冒落高達4.3m；迎爆壁裂隙張開，背爆