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不同岩性对爆破振动效应影响研究 ① 张袁娟， 孔德增 河南工程学院 安全工程学院,河南 郑州 451191 摘 要 运用 LS-DYNA 非线性动力分析软件建立了有限元模型,分别对石灰岩和花岗岩 2 种工况的爆破振动进行了数值模拟分 析；然后结合 MATLAB 小波分析程序对 2 种工况爆破振动的峰值振速和能量衰减进行了分析。 现场试验结果表明,爆破振动衰减 虽然均发生在爆破近区,但 2 种工况下由于岩石波阻抗不同,爆破振速能量衰减规律均不相同,论证了岩性对爆破效果及爆破衰减 有较大影响,这为现场的爆破振动控制和安全管理提供了理论依据。 关键词 岩土爆破； 爆破振动； 数值模拟； LS-DYNA； 小波分析 中图分类号 TD235文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.05.002 文章编号 0253-6099201905-0006-03 Influence of Different Lithology on Blasting Vibration Effect ZHANG Yuan-juan, KONG De-zeng School of Safety Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, Henan, China Abstract A finite element model was established by using nonlinear dynamic analysis software of LS-DYNA, which was used to per a numerical simulation analysis for blasting vibration of limestone and granite. Then, the peak vibration velocity and energy attenuation were analyzed for these two types of working conditions by using MATLAB wavelet analysis program. The field test results show that, although the attenuation of blasting vibration occurs in the vicinity of the blasting operation, the regulation of energy attenuation for blasting vibration velocity varies due to the different rock wave impedance under two working conditions. It is demonstrated that the lithology has brought greater effect to blasting effect and blasting attenuation, which can provide a theoretical basis for blasting vibration control and safety management on mine. Key words rock blasting； blasting vibration； numerical simulation； LS-DYNA； wavelet analysis 随着我国矿山、水利水电工程、公路工程快速发 展,爆破技术得到广泛应用。 岩土爆破由于其对象的 复杂性,爆破振动的控制更加复杂。 本文在已有研究 基础上［1-3］,从波阻抗的角度,运用大型动力分析软件 LS-DYNA 结合 MATLAB 能量分析,针对不同岩石性质 的爆破衰减规律进行分析,以期对爆破振动控制和安 全管理有一定指导意义。 1 模型的建立 1.1 炸药材料参数及控制方程 高能炸药型 MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN 能 较好地反应爆破过程,而 JWL 状态方程是专为描述炸 药等含能材料爆炸时的压力特性而设定的一种状态方 程［4-10］,其表达式为 P ＝ A 1 - ω R1V ■ ■ ■ ■ ■ ■e -R 1V B 1 - ω R2V ■ ■ ■ ■ ■ ■e -R 2V ωE0 V 1 式中 V 为体积变化,m3；P 为压力,Pa；R1,R2,ω,B 和 A 均为材料常数；E0为初始比内能。 为了与实际工况相同,选用密度 950 kg/ m3和爆 轰速度 3 600 m/ s 的 2 号岩石乳化炸药进行数值 模拟。 1.2 岩石力学参数 数值模拟选取常见的石灰岩和花岗岩,其力学参 数如表 1 所示。 1.3 数值模型 建立单孔三维爆破数值模型,炮孔直径 140 mm, 模型高 26 m,孔深 13 m,边坡角 50,超深 1 m,最小抵 ①收稿日期 2019-04-02 基金项目 河南工程学院博士基金D2013022；河南省教育厅科学技术研究重点项目14B440005；国家自然科学基金51104111；郑州 市科技攻关项目141PPTGG375 作者简介 张袁娟1983-,女,陕西渭南人,副教授,博士后,主要研究方向为爆破工程。 第 39 卷第 5 期 2019 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №5 October 2019 ChaoXing 表 1 岩石力学参数 岩石 类别 密度 / gcm -3 弹性模量 / GPa 泊松 比 抗压强度 / MPa 抗拉强度 / MPa 石灰岩2.5450.2521018 花岗岩2.7400.2320020 抗线 5 m,堵塞 4.5 m,数值模拟选取的炮孔中线垂直 爆源所在平面上表面节点,根据无反射边界原理,除台 阶面和顶面外均设置为无反射边界,以期对数值模拟 峰值振速和能量衰减规律能进行准确分析。 以炮孔中 心轴线所在平面和台阶面垂直交线所在平面为剖面, 且剖面和顶部交点为基点,以 10 m 为步距,选取模拟 测点。 数值模型示意图及选取节点分别如图 1 和图 2 所示。 对 2 种模型各测点峰值振速进行提取并总结, 结果如表 2 所示。 图 1 单孔几何模型示意图 图 2 剖面选取各模拟测点示意图 表 2 两种模型测点峰值振速对比 爆心距 / m 岩石 类型 振动速度峰值/ ms -1 水平径向水平切向垂直向 15.06 花岗岩0.130 82433.8 10 -5 0.151 073 石灰岩0.124 5829.75 10 -5 0.132 68 25.06 花岗岩0.070 56913.6 10 -5 0.043 401 石灰岩0.051 6410.65 10 -5 0.034 87 35.06 花岗岩0.033 0066.551 69 10 -5 0.022 227 石灰岩0.023 195.040 1 10 -5 0.014 59 45.06 花岗岩0.017 8053.961 99 10 -5 0.012 265 石灰岩0.009 841.068 75 10 -5 0.008 62 55.06 花岗岩0.010 2371.968 26 10 -5 0.002 845 石灰岩0.009 560.987 6 10 -5 0.001 952 根据选取的节点提取峰值振速典型图谱如图 3 所 示,峰值振速随爆心距衰减典型图谱如图 4 所示。 时间/s 0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 -0.15 0.010.000.020.030.040.050.06 水平径向振动速度/m s-1 图 3 水平径向振速典型图谱 爆心距/m ■ ■ ■ ■ ■ 0.16 0.12 0.08 0.04 0.00 1002030405060 峰值振速/m s-1 图 4 水平径向峰值振速随爆心距衰减规律 1.4 能量分析 根据爆破地震波衰减相对较快的特点,而且爆破 地震波的主频一般在 200 Hz 以下,选用 Matlab 中的 db8 小波基函数将所分析的爆破振动信号分成深度为 8 层的小波包,进行爆破振动信号的能量和频谱分析, 对原始信号进行小波包变换,将信号分解到 8 个子频 带上,各频带的具体分布依次为0～25 Hz、25～50 Hz、 50～75 Hz、75～100 Hz、100～125 Hz、125～150 Hz、150～ 175 Hz 和 175～200 Hz。 对 2 种数值模型选取的模拟 振动数据进行分析,得到各节点在不同频带上的能量 分布图。 图 5 为典型能量分布图,图 6 为各节点能量 对比。 结合表 2 和图 6,石灰石和花岗岩的爆破振动衰 减都发生在爆破近区,由于其大部分能量衰减靠近爆 源,监测仪器不可靠近,因此其衰减过程分析多依赖数 值模拟手段,这也验证了相关学者数值模拟研究方法 的可行性和正确性。 由图 6 可知,石灰岩和花岗岩两 种工况的衰减规律大体相同,但是石灰岩密度较小、波 阻抗较小,爆破作用于石灰岩的能量比花岗岩的多一 些,因此形成爆破振动的能量较少,峰值振速比花岗岩 小些,因此石灰岩相对于花岗岩地表振动较小些。 7第 5 期张袁娟等 不同岩性对爆破振动效应影响研究 ChaoXing t/s 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 10000 5000 0 0.0500.100.150.20 v/cm s-1 尺度 能量 40 0 0 10 5 时间 20 图 5 能量分析典型图谱 爆心距/m ■ ■ ■ ■ ■ 18000 15000 12000 9000 6000 3000 0 102030405060 总能量/J ● ● ● ● ● 花岗岩 石灰岩 ■ ● 图 6 总能量随爆心距衰减曲线 2 现场试验 为了验证不同岩性爆破振动对建构筑物的影响, 分别在贵州遵义某平整场地工程和陕西宝鸡某平整场 地进行现场对比试验。 贵州遵义现场岩石多为节理发 育石灰岩,而陕西宝鸡现场岩石多为花岗岩,两个工程 都临近民房等建筑物施工,监测对象相似,且两个工程 皆选取建筑物的基础部分进行爆破振动监测。 两个施工现场施工爆破孔网参数相同,孔径90 cm, 行距和排距均为 3.5 m,孔深 9 m,爆心距相同,具体爆 破振动监测数据如表 3 所示。 表 3 两种不同岩性现场爆破振速峰值对比 部位 爆心距 / m 岩石 类型 振动速度峰值/ cms -1 水平径向垂直向水平切向 砖混结构 墙角基础 159 花岗岩0.7240.8130.428 石灰岩0.4590.6420.341 182 花岗岩0.4330.6560.386 石灰岩0.3270.5240.294 221 花岗岩0.3810.4080.323 石灰岩0.2950.3130.226 242 花岗岩0.3370.3710.304 石灰岩0.2240.2970.195 基岩 305 花岗岩0.2650.3010.258 石灰岩0.1890.2110.115 由表 3 并结合爆破安全规程GB67222003 可知,爆破振动最大峰值速度均小于允许的 1.0 cm/ s, 因此,两种工况对民房建构筑物都是绝对安全的；从测 振数据可以看出石灰岩的振动速度明显小于花岗岩, 这与数值模拟及能量分析结论相同,但石灰岩由于波 阻抗较小,用于岩石破碎的能量较多,故用于爆破振动 衰减的能量较少,而花岗岩则相反,因波阻抗较大,所 以作用于爆破振动的能量较多。 因此,应综合考虑岩 性的不同和孔网参数的设置,以达到控制爆破振动和 安全管理。 3 结 论 以数值模拟和小波分析为手段,研究了不同岩性 的爆破衰减规律,得出以下结论 1 数值模拟和能量分析结果表明,不同岩性爆破 振动的衰减都发生在爆破近区,数值模拟分析技术可 以很好地弥补测振仪器不能靠近爆源的不足。 2 结合现场试验,通过进一步分析研究可知,虽 两种工况不同岩性的爆破衰减均发生在爆破近区,但 由于波阻抗不同,石灰岩用于岩石破碎的能量相对较 多,用于爆破振动的能量较少,故爆破振动速度较小。 实际工况中由于存在节理裂隙等地质构造,爆破振动 的衰减比数值模拟更快,但对其规律没有较大影响。 3 由以上分析结果可知,不同的岩性对爆破振动 和安全管理的影响较大,应当根据实际工况和爆破岩 性等综合考虑和制订爆破振动安全参数和孔网参数, 以实现安全管理。 参考文献 ［1］ 张西良,仪海豹,辛国帅,等. 高程对某露天矿边坡爆破振动传播 规律的影响［J］. 金属矿山, 2017755-59. ［2］ 高琪琪,张西良. 某地下铁矿爆破振动对地表民房安全的影响［J］. 现代矿业, 201810212-216. ［3］ 邵 蔚,王长柏. 水下爆破振动特征及衰减规律研究［J］. 工程爆 破, 20181015-22. ［4］ 袁 康. 预裂爆破成缝及参数计算原理［J］. 爆破, 2013,301 58-62. ［5］ 张袁娟,黄金香,袁 红. 缓冲爆破减震效应研究［J］. 岩石力学 与工程学报, 2011,305967-973. ［6］ 康 强. 裂隙岩体空气间隔装药爆破数值模拟及试验研究［D］. 武汉武汉理工大学资源与环境工程学院, 2012. ［7］ 柴修伟,梁开水. 水下炮孔爆破不同方向的水中冲击波传播特性 研究［J］. 爆破, 2012,29119-22. ［8］ 时党勇,李裕春,张胜民. 基于 ANSYS/ LS-DYNA8.1 进行显式动 力分析［M］. 北京清华大学出版社, 2005. ［9］ 张袁娟,黄金香,赵 翔,等. 2 种不同性能炸药爆破振动效应研 究［J］. 煤矿安全, 201485-11. ［10］ 张袁娟,王公忠,任少锋,等. 不同耦合介质对预裂缝减振效果影 响研究［J］. 矿冶工程, 2015420-28. 引用本文 张袁娟，孔德增. 不同岩性对爆破振动效应影响研究［J］. 矿 冶工程， 2019，39（5）6-8. 8矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing