某矿山空间交叉巷道间距优化及动力效应分析_麻栋.pdf

收稿日期2019-09-28 基金项目陕西省教育厅专项科研计划项目 （编号 17JK0455） 。 作者简介麻栋 （1990） ， 男， 硕士研究生。通讯作者石广斌 （1968） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 某矿山空间交叉巷道间距优化及动力效应分析 麻栋 1 石广斌 1， 2 李冰 1 张雯 11 （1. 西安建筑科技大学资源工程学院， 陕西 西安 710055； 2. 西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安 710055） 摘要针对新建巷道与既有巷道间距较小， 爆破产生的地震波会影响既有巷道初期喷混凝土结构安全与稳 定的问题， 以某矿山工程为背景， 建立了空间交叉巷道模型， 利用数值方法模拟分析新建通风巷道爆破开挖对既有 运输巷道的影响。讨论不同间距、 不同围岩级别条件下， 新建通风巷道爆破开挖对既有运输巷道喷混凝土产生的 动力效应， 并结合相关工程规范， 优化爆破安全间距， 将优化后的结果与现场实测数据进行对比。研究表明 下部 新建通风巷道爆破开挖对上部运输巷道底板及拱脚影响最大， 应重点监控； 巷道竖向间距小于1.5D， 喷混凝土结构 振速随着间距增大变化较大， 反之， 变化不明显， 且最优爆破间距应不小于2.5D。研究成果可为现场和类似小净距 巷道工程设计及施工提供参考。 关键词地下开采喷混凝土结构空间交叉巷道爆破开挖动力效应安全间距 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-027-08 DOI10.19614/ki.jsks.201911005 Spacing Optimization and Dynamic Effect Analysis of Spatial Intersection Roadway in a Mine Ma Dong1Shi Guangbin1， 2Li Bing1Zhang Wen12 （1. College of Resources Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Shaanxi 710055， China； 2. College of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Shaanxi 710055， China） AbstractIn the light of the small distance between the new roadway and the existing roadway， the seismic wave gener- ated by blasting operation will affect the safety and stability of the initial shotcrete structure of the existing roadway.Thus， tak- ing a mine project as the background， the spatial intersection roadway model is established， and the numerical is used to imitate the influence of the blasting excavation of new ventilation roadway on existing roadway.The paper analyzes the dy- namic effects of the blasting excavation of new ventilation roadway with different spacing and different surrounding rock grade on shotcrete in existing traffic roadway.Combining with the relevant engineering specifications， the blasting safety spacing is optimized and then the results are compared by field measurement.The comparison results show that the blasting excavation of new ventilation roadway at lower part has the greatest influence on arch bottom and arch foot of upper traffic roadway，and should be monitored on the key point.The vertical spacing of roadway is less than 1.5D， the vibration velocity of shotcrete struc- ture varies greatly with the increase of spacing， and otherwise it is more than 1.5D.The change is not obvious， and the optimal blast spacing should not be less than 2.5D.The study results can provide reference for the design and construction of the site and similar roadway engineering with small clear distance. KeywordsUnderground mining， Shotcrete structure， Spatial intersection roadway， Blasting excavation， Dynamic effect， Safety spacing Series No. 521 November2019 随着现代地下空间爆破研究与施工技术的发 展， 加之地形地质条件、 环境保护和土地节约等方面 的限制， 往往将多条隧 （道） 洞的间距设计较小。钻 爆法在我国地下开采及地下空间工程应用中占有很 大比例， 技术工艺成熟可靠， 具有低成本、 地质条件 适应性强等特点。但钻爆法施工中不可避免地会对 周围结构稳定产生不利影响 ［1-4］。目前， 国内外学者 对邻近隧道及洞室爆破施工数值模拟和现场振动监 测等方面已经进行了不同程度的研究 ［5-9］， 但对于上 跨既有巷道的研究成果较少。舒磊等 ［10］采用 LS- 27 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 DYNA 显式动力数值模拟及现场爆破振动监测方法， 对既有隧道受下穿新建隧道爆破施工产生的振动影 响和应对措施进行了研究； 赵丰等 ［11］针对新建塔石 岭铁路隧道上跨既有公路隧道， 采用全断面爆破施 工， 为确保既有公路隧道运营安全， 研究确定了控制 爆破开挖的安全施工距离； 仲帅等 ［12］依托新建京张 草帽山隧道小净距下穿既有铁路隧道工程， 基于有 限差分法建立了三维仿真模型， 对大断面铁路交叉 隧道爆破荷载作用下的既有隧道衬砌振速分布规律 及位移特征进行了研究； 朱正国等 ［13］研究了常规方 式爆破对立体交叉隧道的动力响应规律， 并确定了 安全振速标准及不同影响程度的安全范围。 根据对上述成果的分析， 目前在矿山新建巷道 上穿既有巷道工程中， 有关既有巷道喷混凝土结构 受爆破影响的研究成果较少。本研究以某矿山运输 巷道下穿新建通风巷道为工程实例， 按照设计高程， 通风巷道顶板距离运输巷道底板小于1.0D （D为下部 通风巷道直径， 取值为8.5 m） 。参考 铁路隧道设计 规范 （TB 100032016） ［14］， III级围岩相邻最小净距 为1～1.5B （B为隧道开挖跨度） ， IV级围岩相邻最小 净距为1.5～2.0B。对于不同工程， 空间交叉巷道最 小净距尚未有明确规定， 为降低通风巷道开挖爆破 对原运输巷道的破坏， 本研究采用数值仿真试验方 法研究不同间距、 不同围岩级别条件下爆破对既有 运输巷道喷混凝土结构的动力效应， 并根据计算结 果优化设计方案， 确定本工程的合理空间距离， 进而 通过现场振动速度监测， 论证本研究数值分析所确 定方案的可行性。 1巷道布置及工程概况 某矿山工程采用地下爆破施工方式， 新建通风 巷道与既有运输巷道呈空间垂直交叉状态， 上部运 输巷道采用直墙圆拱断面施工， 半径R3.46 m， 宽度 5 m， 高度5.5 m， 断面面积S32.01 m2， 下部通风巷道 采用马蹄形断面， 半径 R4.25 m， 宽度 8.5 m， 高度 8.53 m， 断面面积S58.69 m2， 如图1所示。矿床范围 内构造简单， 多是单斜构造， 岩层走向NE45～60， 倾向NW， 倾角45～70。新建通风巷道和既有运输 巷道均布置于大理岩、 闪长岩、 角砾岩、 灰质砾岩等 完整性较好的岩层中， 属于坚硬岩石， 稳固性好， 围 岩级别以Ⅲ级为主， 局部为Ⅳ级。 2数值模拟方案及模型构建 为优化某矿山运输巷道下穿新建通风巷道的设 计间距， 同时分析不同围岩级别和不同巷道垂直间距 情况下爆破对既有运输巷道的影响， 在相同爆破荷载 和推进距离 （2.5 m） 下， 将巷道空间垂直间距分为 0.5D、 1D、 1.5D、 2.0D、 2.5D， 分别计算5种情况下喷混 凝土结构的动力效应。根据工程实际情况， 并考虑 到Ⅲ级围岩中局部掺杂IV级围岩的情况， 本研究数 值模拟构建III、 IV级围岩模型。采用MIDAS/GTSNX 有限元分析软件， 构建空间交叉巷道三维有限元模 型， 模型采用长方体进行模拟， 为减小边界效应， 在 交叉点断面两侧各模拟巷道宽度的3倍以上， 模型尺 寸 （长宽高） 为90 m60 m117 m。采用四面 体网格对模型进行划分。围岩和喷射混凝土结构用 实体单元和板单元模拟。为准确模拟实际场地中地 震波的传播过程， 消除散射波在人为截断边界上的 反射效应， 引入 Lysmer和 Wass提议的黏性边界 ［15］， 以吸收或消耗传往边界外的波动能量。本研究所构 建的模型如图2所示。 3计算参数选取 3. 1围岩及巷道喷混凝土计算参数 根据实际勘察， 在爆破开挖中， Ⅲ级围岩中局部 掺杂IV级围岩， 在构建III、 IV级围岩模型时， 将围岩 和巷道喷混凝土结构假设为紧密联接的整体， 符合 共同变形理论。围岩参数和喷混凝土结构参数分别 见表1和表2。 3. 2荷载确定 与静载加压的情况相比， 初始由于重力作用已 被压实的岩土体又会产生回弹膨胀现象。故而将爆 炸波简化为三角形波， 与实际情况最为相近， 在进行 28 ChaoXing 2019年第11期麻栋等 某矿山空间交叉巷道间距优化及动力效应分析 爆破动力数值分析时， 该方法应用较普遍 ［16］。本研 究据此并结合工程实际及模拟情况， 进行两点假 设 ［17］ ①爆破荷载以均布荷载形式垂直加载； ②简化 实际爆破荷载曲线， 采用三角形荷载曲线 ［18］。荷载 的作用时间根据文献 ［19］ 取值， 此次模拟加载时间 取10 ms， 卸载时间为90 ms。为较全面模拟质点在动 荷载作用下的动态响应规律， 总时间取500 ms。 根据文献 ［20］ ， 利用如下经验公式计算炸药起 爆产生的峰值荷载Pmax ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Pmax 139.97 Z 844.81 Z2 2 154 Z3 - 0.803 4 Z R Q 3 ，（1） 式中， Z为比例距离； R为爆源至荷载加载面的距离， m； Q为爆破炸药量， kg。 通过式 （1） 计算， 可得27 kg炸药量起爆产生的峰 值荷载Pmax 21.0 MPa， 则简化的三角形爆破荷载曲 线如图3所示。 3. 3阻尼确定 爆破动力分析中， 阻尼使得位移和速度迅速衰 减。因而在进行巷道爆破动力分析之前， 本研究采 用MIDAS/GTS NX软件首先对10种方案模型进行特 征值分析， 得出不同模型的固有频率及振型， 进而确 定各模型的阻尼系数。由于瑞利阻尼 （Rayleigh） 矩 阵计算方便且运算量小， 因而此次计算采用瑞利阻 尼， 它是将整体阻尼矩阵C用整体质量矩阵M和整 体刚度矩阵K的线性组合进行表示 ［21］， 即 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ C αM βK α ξω ˉ1 β ξ/ω ˉ1 ，（2） 式中，α为质量阻尼系数；β为刚度阻尼系数； ω ˉ 1为基 频；ξ为阻尼比，ξ值与材料性质、 结构类型和荷载波 形有关， 本研究考虑到局部掺杂IV级围岩， 故III、 IV 级围岩ξ 0.05。 通过对已构建的模型进行特征值分析， 采用子 空间迭代法来计算体系的自振频率， 从而近似计算 出α、β值。不同围岩特征值振型结果见表3。 4数值计算结果分析 4. 1不同间距喷混凝土振速计算结果分析 为更有效地反映空间交叉巷道喷混凝土结构的 振动速度分布与衰减规律， 本研究计算沿巷道不同 断面周边典型部位选取了8个测点， 测点位置如图4 所示。 通过新建巷道爆破模拟计算， 得到如图5所示的 既有运输巷道喷混凝土结构典型时刻的振速云图及 各测点的最大振动速度， 并绘制了如图6所示的振速 与间距的关系曲线。 29 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 由图5、 图6分析可知 （1） 无论是 III级围岩还是 IV级围岩， 新建巷道 爆破产生的振动都会对上部既有运输巷道喷混凝土 结构最近的底板产生巨大扰动， 使其上部运输巷道 喷混凝土底板范围的振动速度明显高于其他部位， 因而上部既有运输巷道底板范围应作为监测核心。 （2） 既有运输巷道喷混凝土结构的振动速度与 巷道设置间距有直接关系。当间距为0.5～1.5D时， 振动速度从数值上可以看出其变化较大， III级围岩 拱 底 峰 值 振 速 减 小 了 74.5， IV 级 围 岩 减 小 了 73.0。当间距为 1.5～2.5D 时， 振动速度随间距变 化趋于平稳。所以， 当巷道间距较小时， 巷道喷混凝 土结构振动的敏感程度相对较高。当巷道间距增大 超过1.5D时， 喷混凝土结构对爆破振动的敏感程度 相应降低。 （3） 将Ⅲ、 Ⅳ级围岩喷混凝土的振动速度进行比 较可以看出， Ⅳ级围岩中既有巷道喷混凝土结构的 最大振速为Ⅲ级围岩的1.75倍， 而其他部位振速也 均高于Ⅲ级围岩。故在控制阻尼比的情况下， 振动 速度与围岩的弹性模量等参数有关。 （4） 既有运输巷道喷混凝土发生破坏的可能性 由大到小顺序为底板＞拱脚＞边墙＞拱肩＞顶板。 对于本研究工程的III级围岩， 可将2.0D作为振动破 坏的临界间距， IV级围岩可将2.5D作为振动破坏的 临 界 间 距 。 根 据 我 国 爆 破 安 全 振 动 标 准 判 定 （v 5cm/s） ， III、 IV级围岩既有巷道喷混凝土均不会 发生破坏， 故应以不小于2.5D的数值作为爆破垂直 间距。 （5） 同一位置， 当间距为0.5D时， III、 IV级围岩交 叉点底板峰值振速为34.0 cm/s和59.5 cm/s； 当间距 为1.0D时， 振速峰值分别为15.9 cm/s和29.4 cm/s， 减 小了 53.2 和 50.5， 且到达峰值速度的时间均比 0.5D时后移2 ms； 当间距为2.5D时， 振速峰值分别为 2.4 cm/s和4.6 cm/s， 减小了93.0和92.3， 且到达峰 值速度的时间分别比0.5D时后移7 ms和9 ms， 如图7 所示。 4. 2既有巷道纵向断面喷混凝土结构振速计算结 果比较 根据本研究分析得出的爆破最优间距应为 2.5D， 故以 2.5D间距运输巷道的喷混凝土结构 X方 向各断面的1、 2、 3、 5、 7、 8测点作为研究重点。 分别向既有运输巷道与新建通风巷道相交位置 （0断面） 前后方 7.5 、 15、 22.5、 30 m各选取4个断面 （4、 3、 2、 1、 -1、 -2、 -3、 -4断面） 进行分析， 断面分 布如图8所示。 既有运输巷道交叉前后断面的喷混凝土结构振 速峰值曲线如图9所示。 30 ChaoXing 2019年第11期麻栋等 某矿山空间交叉巷道间距优化及动力效应分析 分析图9可知 （1） 既有运输巷道距交叉点断面两侧的振动速 度大致关于交叉点断面呈对称分布， 但交叉断面前 方各部位测点的振动速度稍大。 （2） 在选取的断面内， III、 IV级围岩各断面喷混 凝土也均表现为底板振动速度最大， 且随着前后断 面与交叉断面之间距离的增加， 峰值振速也依次减 小， 即III、 IV级围岩各断面既有运输巷道喷混凝土结 构底板纵向的最大振动速度分别由2.42 cm/s减小至 0.92 cm/s， 由4.25 cm/s减小至1.65cm/s， 减小幅度分 别为62.0和61.1。顶板则最小， 减小幅度分别为 44.8 和 43.8。从曲线图上可以看出从底板到顶 板， 振动速度曲线趋于平稳。 （3） 上部既有运输巷道2、 8测点和3、 7测点在 受到爆破振动影响下的测点振动速度在数值上较接 近， 造成巷道对称位置测点模拟数值偏差的主要原 因是爆破点与测点的距离不同； 随着纵向距离增大， 数值越来越接近， 但在衰减幅度上拱脚位置稍大于 边墙位置。所以结合工程实际， 空间垂直交叉巷道 最优净距设置应不小于2.5D， III、 IV级围岩交叉断面 各测点的峰值振动速度均处于喷混凝土振动速度的 允许范围。 4. 3最优间距下既有巷道喷混凝土结构应力分析 根据上述分析可知， 既有巷道受新建巷道爆破 振动影响最严重的部位为底板， 故本研究将底板作 为应力分析重点。通过数值模拟计算， 新建巷道交 叉爆破时， 既有运输巷道不同断面底板的第一主应 力峰值如表4所示。 根据计算结果及表4可知 在最优间距及距交叉 断面相同距离条件下， 既有运输巷道距交叉中心断 面不同距离的各断面底板第一主应力随着掌子面推 进的变化规律基本一致， 即靠近交叉断面的断面底 板第一主应力大于远离交叉断面的断面底板第一主 应力， III、 IV级围岩底板第一主应力分别为0.29 MPa 和0.68 MPa。但在数值上， 交叉点断面前方第一主应 力稍大于后方第一主应力， 这种现象与喷混凝土结 构振动速度变化规律相似。故应力角度也可看出 2.5D为最优间距。典型时刻III、 IV级围岩交叉断面 31 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 的喷混凝土结构应力云图如图10所示。 5现场实测对比 考虑到现场实际施工围岩主要为III级， 局部为 Ⅳ级， 为了验证优化后的新建通风巷道爆破振动对 上部既有运输巷道喷混凝土结构的安全性影响以及 本研究数值模拟结果的可靠性， 因此只能选择III级 围岩模型进行对比分析。根据优化后的方案进行施 工， 并在既有巷道交叉断面 （0断面） 及前后2个断面 （-1断面和1断面） 的相同重点部位分别安装监测元 件进行测试。实际工程采用钻爆法进行全断面爆 破， 开挖进尺为2.5 m。图11为现场实测的既有运输 巷道喷混凝土结构测点的典型爆破振动速度时间历 程曲线。表5为现场实测-1、 0、 1断面喷混凝土结 构重点部位的部分振动速度数值和2.5D间距下III级 围岩模型喷混凝土相应断面对应部位的振动速度数 值比较及误差。通过对比分析可知 误差均在工程 允许的20误差范围以内， 因此本研究数值模拟能 较好地还原工程实际状况， 模拟结果具有一定的可 靠性。 注 正值代表交叉断面前方， 负值代表交叉断面后方， 数值越大， 表示距离越远。 6结论 （1） 新建通风巷道采用钻爆法全断面施工， 爆破 振动对既有运输巷道喷混凝土底板影响最大， 即既 有运输巷道喷混凝土底板的峰值振动速度明显高于 其他部位， 该部位应重点监测。 （2） 既有运输巷道喷混凝土结构的振动速度随 着巷道间距逐渐增大而减小， 间距小于1.5D时， 振动 速度随间距的变化比较大， 间距大于1.5D时，振动速 度随间距的变化不明显。新建巷道的最优设计间距 应不小于2.5D。 32 ChaoXing （3） 对于III级、 IV级围岩， 爆破波到达峰值速度 的时间1.0D比0.5D均后移2 ms， 2.5D比0.5D分别后 移7 ms和9 ms， 即IV级围岩中爆破波传播总时间比 III级围岩爆破波的传播时间滞后2 ms。 （4） 在2.5D间距既有运输巷道选取范围内， 不同 围岩喷混凝土结构的振动速度随着与交叉断面前后 距离的增加， 底板衰减幅度最大为62.0， 顶板最小 衰减了43.8， 且既有运输巷道与交叉中心断面不同 距离的各断面底板第一主应力随着掌子面推进的变 化规律基本与振动速度分布规律一致。 参 考 文 献 梅东冬， 王维高.兰渝铁路桐子林隧道上跨既有隧道控制爆破 施工技术 ［J］ .现代隧道技术， 2011， 48 （2） 145-152. 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