爆破地震作用下出矿巷道围岩稳定性分析及控制技术研究.pdf

硕士学位论文 爆破地震作用下出矿巷道围岩 稳定性分析及控制技术研究 S t u d y o nS t a b i l i t yf o rS u r r o u n d i n gR o c ko f O r e - d r a w i n gR o a d w a y a n dI t sC o n t r o lT e c h n i q u e s u n d e rt h eA c t i o no f B l a s t i n gS e i s m 专业建筑与土木工程 作者周建雄 导师唐礼忠教授 中南大学资源与安全工程学院 2 0 13 年5 月 中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 爆破地震作用下出矿巷道囤岩 稳定性分析及控制技术研究 S t u d yo nS t a b i l i t yf o rS u r r o u n d i n gR o c ko f O r e - d r a w i n gR o a d w a y a n dI t sC o n t r o lT e c h n i q u e s u n d e rt h eA c t i o no f B l a s t i n gS e i s m 作者姓名周建雄 学科专业建筑与土木工程 研究方向岩土工程支护设计 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师唐礼忠教授 副指导教师 论文答辩日期丝堡 答辩委员会主席 中南大学 2 0 13 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名日期坐年』月二日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 师签名三未缸生已日期丝生年上月￡日 中南大学硕士学位论文 摘要 爆破地震作用下出矿巷道围岩稳定性分析及控制技术研究 摘要出矿巷道是矿山生产的重要通道，通常位于采场底部，矿山 的日常生产会导致出矿巷道围岩应力的重新分布，开采爆破震动会扰 动巷道围岩甚至诱导围岩失稳破坏，严重威胁着矿山的安全生产。因 此，对于深井矿山出矿巷道围岩稳定性和控制技术的研究是一个具有 重要理论和实际意义的问题。 本文依托9 7 3 项目“深部硬岩爆破开挖诱导岩爆与破裂诱变机 理”及项目“多盘区多采场大规模高应力动力扰动复杂条件下岩层破 坏机理及其控制技术研究”，以冬瓜山铜矿出矿巷道为工程背景，通 过理论分析、现场调查、室内试验和数值模拟等方法，对冬瓜山铜矿 典型出矿巷道的围岩稳定性及影响因素进行分析。本文研究内容和主 要成果如下 1 在冬瓜山铜矿进行现场岩石采样，对矿岩试样进行室内单 轴、三轴压缩实验，获得大理岩、矽卡岩、蛇纹岩及粉砂岩的岩石力 学参数，初步了解出矿巷道周围岩体的基本性质。 2 运用量化G S I 系统对冬瓜山铜矿6 0 线以北地区进行现场地 质调查，获取巷道围岩的岩体节理分布情况、巷道中岩层的分布情况 及岩体强度指标，通过R o c L a b 软件对岩石参数进行折减，求得基于 霍克布朗强度准则的岩体强度参数。 3 通过对冬瓜山铜矿开采爆破振动监测数据的分析，根据爆 破振动强度预测经验公式分析地震波的传播规律并为数值模拟设置 了爆破振动波形。 4 开展对出矿巷道围岩稳定性研究的数值分析。采用F L A C 3 D 软件，针对出矿巷道的具体情况建立数值模型，计算对比了考虑动荷 载和不考虑动荷载两种情况下巷道围岩的力学响应，初步分析了爆破 震动对巷道围岩稳定性的影响程度。 5 根据动力作用下巷道围岩的力学响应，模拟了不同充填情 况和不同支护设计对出矿巷道围岩稳定性的影响，为巷道的支护设计 提供参考。 图4 8 幅，表l8 个，参考文献7 9 篇。 关键词爆破震动；出矿巷道；围岩稳定性；控制技术 分类号 S t u d y0 1 1S t a b i l i t yf o rS u r r o u n d i n gR o c k o fO r e d r a w i n g R o a d w a ya n dI t sC o n t r 0 1T e c h n i q u e su n d e r t h eA c t i o no f B l a s t i n gS e i s m A b s t r a c t T h em i n er o a d w a y i sa ni m p o r t a n tc h a n n e lo fm i n ep r o d u c t i o n ， u s u a l l yl o c a t e da tt h eb o a o m o ft h es t o p e ，m i n e ’Sd a i l yp r o d u c t i o nw o u l d 1 e a dt oar e d i s t r i b u t i o no ft h er o c ks t r e s ss u r r o u n d i n gt h em i n er o a d w a y , v i b r a t i o n so f 。。 w i l lt i s t u r bt h ei r r o u n d i n r o c ka n de venblasting v i b r a t i o n so fm m m gW l l ld l s t u r Ot l a eS U l T O u n a m gr o c ka n c l i n d u c ei n s t a b i l i t ya n dd a m a g ei nt h es u r r o u n d i n gr o c k ，t h e s es e r i o u s l y t h r e a t e nt h es a f e t yo fm i n ep r o d u c t i o n ．T h e r e f o r e ，i tp l a y si m p o r t a n t t h e c I r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h es t a b i l i t ya n dt e c h n o l o g y c o n t r 0 1o ft h er o c ks u r r o u n d i n gt h ed e e pw e l lm i n e ． R e l y i n go nt h ep r o j e c t9 7 3 ‘‘t h em u t a g e n i cm e c h a n i s mo fd e e ph a r d r o c kb l a s ta n de x c a v a t i o ni n d u c i n gr o c kb u r s ta n dr u p t u r e a n dt h e p r o je c t t h er e s e a r c h o fr o c kd a m a g em e c h a n i s ma n di t s c o n t r o l t e c h n o l o g yu n d e rc o m p l i c a t e dc o n d i t i o n s w h e nl a r g e - s c a l eh i g h 。_ s t r e s s p o w e rd i s t u r b si nm u l t i ．p a n e l 、m u l t i s t o p e ”，s e t t i n gt h eo r er o a d w a yo f D o n g g u a s h a nc o p p e r m i n ea s e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t h i s a r t i c l e a n a l y s e st h es t a b i l i t ya n di n f l u e n c i n gf a c t o r s o ft h er o c ks u r r o u n d i n g D o n g g u a s h a nc o p p e rm i n er o a d w a y , t h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，s i t e s u r v e y s ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ， c o n t e n ta n dt h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s C o l l e c t i n gt h er o c ks a m p l i n go fD o n g g u s h a nc o p p e rm i n e ，d o i n g u n i a x i a la n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s o nt h e s e s a m p l e s ， m e c h a n i c sp a r a m e t e r so fm a r b l e ，s k a r n ，s e r p e n t i n i t ea n ds i l t s t o n e a r e o b t a i n e da n dw eg e tap r e l i m i n a r yu n d e r s t a n d i n go ft h eb a s i cn a t u r eo f t h er o c ks u r r o u n d i n gm i n er o a d w a y ． U s i n gG S Is y s t e mt oi n v e s t i g a t et h eg e o l o g i c a ls i t u a t i o ni nt h ea r e a n o r t ho ft h e D o n g g u a s h a nc o p p e r m i n el i n e6 0 ，t h er o c kjo i n t s d i s t r i b u t i o no ft h er o c ks u r r o u n d i n gr o a d w a y 、t h er o c kd i s t r i b u t i o no f t h e r o a d w a ya n d t h er o c ks t r e n g t hi n d e xa r eg r a s p e d ．T h r o u g hs u b t r a c t i n gt h e r o c kp a r a m e t e r sw i t hR o c k _ L a bs o f t w a r e ，t h er o c ks t r e n g t hp a r a m e t e r s b a s e do nH a w k eB r o w ns t r e n g t hc r i t e r i o na r eo b t a i n e d ． A n a l y z i n gt h em o n i t o r i n gd a t ao fm i n i n gb l a s t i n g v i b r a t i o n so f D o n g g u a s h a nc o p p e rm i n e ，t h el a wo ft h ep r o p a g a t i o no fs e i s m i cw a v e s I I I i so b t a i n e d ，a c c o r d i n gt ot h ee m p i r i c a lp r e d i c t i v ef o r m u l ao fb l a s t i n g v i b r a t i o ns t r e n g t h ． T h en u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o di su s e dt us t u d yt h er o c ks t a b i l i t y s u r r o u n d i n gt h em i n er o a d w a y ．U s i n gF L A C 3 Ds o f t w a r e t oc r e a t ea n u me r i c a lm o d e lf o r m i n er o a d w a y ，c a l c u l a t i n g a n dc o m p a r i n g m e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h es u r r o u n d i n gr o c ki nb o t hc a s e so fc o n s i d e r i n g a n dn o tc o n s i d e r i n gd y n a m i cl o a d ，ap r e l i m i n a r ya n a l y s i so f t h ei m p a c to f b l a s t i n gv i b r a t i o no nt h er o a d w a ys t a b i l i t yl e v e li sm a k e d A c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a lr e s p o n s e s o ft h es u r r o u n d i n gr o e K ， c a l c u l a t i n gt h em o d e li nd i f f e r e n tf i l l i n gs i t u a t i o n sa n d d i f f e r e n ts u p p o r t d e s i 霉皿，t h ei m p a c to ft h er o c ks t a b i l i t ys u r r o u n d i n gm i n er o a d w a y I S s i m u l a t e d ，p r o v i d i n ga r e f e r e n c ef o rt h er o a d w a ys u p p o r td e s i g n K e y w o r d s b l a s t i n g v i b r a t i o n ；o r e - d r a w i n gr o a d w a y ；s t a b i l i t y o f s u r r o u n d i n gr o c k ；c o n t r o lt e c h n o l o g y C l a s s i f i c a t i o n I V 中南大学硕士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 。2 爆破地震效应研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 爆破地震波研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 爆破地震效应及震动强度预测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．3 爆破地震安全标准研究．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 深部巷道围岩稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．1 深部开采岩石力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．2 巷道围岩稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．3 巷道支护理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 冬瓜山铜矿出矿巷道概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．5 主要的研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 爆破地震效应及巷道围岩稳定性基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 爆破地震波产生与传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 2 ．1 ．1 爆破地震波概念及类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 ．2 爆破地震波的传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 爆破地震波的观测与强度预报⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．1 爆破地震波的观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．2 爆破振动强度的预报⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 爆破地震效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 巷道围岩的破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．4 ．1 巷道围岩破坏因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．2 巷道围岩变形破坏的类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 巷道围岩支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．5 ．1 巷道支护与围岩的相互作用原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 V 中南大学硕士学位论文目录 2 ．5 ．2 新奥法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．5 ．3 悬吊理论、组合梁理论和组合拱理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．5 ．4 松动圈理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 冬瓜山铜矿地质及岩石力学概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 矿山地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．1 狮子山矿区地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．2 冬瓜山铜矿地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 矿山地质调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．1 地质调查的目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．2 地质调查方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 ．3 地质调查结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 岩体力学参数的获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．1 岩石力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 ．2 岩体参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．4 爆破地震波的参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．4 ．1 爆破振动测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 ．2 测点布置与监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．4 ．3 爆破监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 冬瓜山铜矿出矿巷道围岩稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 开采概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 ．1 采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．1 ．2 采场落矿顺序与爆破顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 数值计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．1 计算模型范围和几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．2 材料本构模型的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．4 6 4 ．2 ．3 原岩应力的初始化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．4 动力计算基本条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 爆破地震作用下出矿巷道围岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．3 ．1 计算方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．3 ．2 位移计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．3 ．3 塑性区分布情况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．3 ．4 振动速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 V I 中南大学硕士学位论文目录 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 出矿巷道围岩控制技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1 充填效果研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．1 ．1 冬瓜山铜矿充填方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1 ．2 采场充填对出矿巷道的保护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．2 锚喷支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2 ．1 冬瓜山铜矿出矿巷道锚喷支护概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．2 ．2 冬瓜山铜矿锚喷支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯6 8 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．1 全文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 ⅥI 中南大学硕士学位论文 目录 V I I I 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题来源 随着国民经济的高速发展和国家建设的不断繁荣，爆破技术被广泛应用于矿 山生产、隧道开挖、人防工程建设和水利水电设施修建等工程领域。在工程爆破 中，炸药在岩土体中爆炸，释放出巨大的能量，破坏了岩土体的原结构，实现了 某种具体的工程目的，取得良好的经济效益。但同时，炸药的爆炸有一部分能量 以地震波的形式，从爆源进入岩土介质并向四周传播，其强度随着传播距离的增 大而减弱，这种爆破动载会对一定范围内非爆破目标的建筑物造成伤害，甚至诱 发工程灾害‘1 引。 在金属矿山的生产中，爆破是主要的开采手段。一个采场从开始开采到采空 一般需要经历很长的时间，同时伴随着多次的开采爆破，这些开采爆破在破碎采 场矿石的同时，不断的向四周传播爆炸地震波，损伤采场附近的地下构筑物。出 矿巷道是运输爆落矿石的主要通道，通常位于采场底部。虽然在出矿巷道掘进完 成后，巷道围岩不会再受到炸药爆炸的冲击波和爆炸膨胀气体的直接作用，但却 在矿山开采生产过程中，受到爆破动载的不断扰动。因此，出矿巷道通常很难在 采场的开采寿命内保持完好无损，其围岩稳定性及支护技术成为当前采矿岩石力 学的一个重要课题【4 。J 。 当前对于深井巷道围岩的控制技术主要有两个，一个是空区的充填，另一个 是围岩的支护。 充填对围岩的控制作用，主要通过充填体占领采空区，并在与围岩的接触和 挤压过程中，吸收和转移地应力，形成新的矿山平衡体系。充填体在促成新的平 衡体系过程中，涉及三个力学作用接触支撑作用、应力吸收与应力转移作用和 应力隔离作用【8 】。采空区的充填是矿山地压控制的主要方式，也是巷道围岩保护 的有效手段，充填体的支护效果与充填材料及岩体的特性有关【9 】。 对深井矿山巷道围岩的支护，通常采用喷锚网的形式，它是一种将喷射混凝 土、锚杆和钢筋挂网结合在一起的联合支护形式。这种形式主要通过埋置于岩体 中的锚杆，传递拉力与剪力，改善围岩的受力状态，充分发挥岩体自身的强度和 自稳能力，达到支护的目的，符合新奥法的支护原理【l0 1 。现阶段对巷道围岩控 制技术多集中于静力学方面，但对于矿山而言，爆破振动对充填体及支护结构的 作用效果不容忽视，研究动力作用下的巷道围岩的控制技术也就显得十分必要。 安徽省铜陵有色集团冬瓜山铜矿位于沿江多金属成矿带上的铜陵市狮子山 中南大学硕士学位论文1 绪论 矿田内，矿体埋深一般在7 0 0 m 以上，最深超过1 0 0 0 m ，采区原岩应力达3 8 M P a ， 具有高应力、岩爆倾向的特点，是典型的深井开采矿山。冬瓜山铜矿的出矿巷道 位于矿体底部，两个相邻采场之间，用于运输从采场巷道运送过来的矿石。当出 矿巷道右侧的采场采空后，巷道围岩承受着巨大的次生应力，与此同时，周边采 场的开采爆破产生的地震波不断对其进行扰动，致使出矿巷道围岩出现不同程度 的破坏。 在对冬瓜山铜矿的地质调查过程中发现，采场底部出矿巷道多处出现破坏， 这些破坏包括巷道顶板塌落、巷道两帮鼓出、喷层开裂掉皮、锚杆拔断失稳等。 这些都限制了矿山的正常生产，给人员安全带来极大的威胁，也说明了当前冬瓜 山铜矿出矿巷道的支护现状不能满足矿山安全生产的要求，因此，研究爆破动载 作用下深部出矿巷道围岩的控制技术具有重要的理论和现实，能够为后续开采出 矿巷道的支护设计提供参考与借鉴。 1 ．2 爆破地震效应研究现状 1 ．2 ．1 爆破地震波研究 对于爆破地震现象的研究源于矿山生产爆破。自19 2 7 年美国人E ．H ．R o c k w e l l 率先研究采石爆破队附近建筑结构的影响以来，国内外学者对爆破地震效应日益 重视，进行了大量的测试、试验和理论研究，取得了不少成果。 第一个爆破地震经验公式由M o r r i s 于1 9 5 0 年提出[ 1 1 , 1 2 J ，他以装药量、测点 与爆源的距离及爆破场地的特性为主要考虑参数，以质点最大振幅为爆破安全评 价标准，该公式的提出为后续研究提供了方向。随后，L e c o n t [ 1 1 J 、H e n d r o n [ 1 3 J 和 D o w d i n g [ 1 4 】等都对公式进行了修正，使该公式在当时得到广泛应用。H e n r y c h 【l 5 J 讨论了爆破地震及其作用的动力学理论，还阐述了土体中的爆破动力学效应，较 全面地论述了爆破地震现象的基本问题。G o s hA 和D a e m e nJ ．K ．【1 6 , 1 7 J 从爆破地震 波传播的各个过程进行讨论，系统地总结了地震波的传播规律，他们还将统计学 原来引入研究质点峰值，利用回归分析方法获得最后经验公式。 国内外学者通常通过应力波的现场监测和波形分析研究爆破地震波的产生 和传播规律，从而进行爆破振动强度预报及爆破安全评价。爆破振动的监测主要 指标包括质点振动速度、质点振动位移和质点振动加速度。国内外爆破专家多 认为，爆破振动峰值速度是描述爆破振动强度的最佳指标，爆破振动速度是评价 结构承受振动破坏等级的最好标准。因此，目前对爆破地震波的监测，多为质点 振动速度的测试【1 8 ] 。爆破震动监测系统通常由震动传感器、放大器、转换器、 记录设备和数据处理器组成，现今的测振设备已由早期的示波器加磁带记录仪发 中南大学硕士学位论文1 绪论 展到多通道、高分辨率、大存储量的多功能数字式测振系统，如美国E G G 公 司研制的S t r a t a v i e w T M 型高分辨率震动仪、北京矿冶研究总院研制的D S V M 系 列测振仪、成都中科动态仪器有限公司研制生产的E X P 3 8 5 0 爆破震动记录仪等。 对于爆破震动信号的分析，最常用的是傅里叶变换，它是处理平稳信号的主 要方法【l9 1 。傅里叶变换的实质是把某个信号f t 波形分解成多个不同频率和振幅 的正弦波，从而转化为对其傅里叶变换F w 的研究。傅里叶变换从本质上讲只 适用于平稳信号，而爆破震动信号具有持续时间短、易突变等特点，是典型的非 平稳随机信号。对爆破地震波作傅里叶变换时，通常是将其简化为平稳信号，从 而实现对其进行傅里叶变换处理，但这难免会给数据分析带来不利影响【1 9 , 2 0 J 。出 于对爆破地震波时频局部特征了解的需要，小波分析方法被应用到了爆破地震波 的研究中【2 1 1 。小波变换概念由法国地球物理学家M o r l e t 于2 0 世纪8 0 年代提出， 其实质是将信号f t 波形分解成不同频道和频率成分，并通过伸缩和平移对信 号的细节进行分析[ 2 2 出】。小波变换在低频段对时间的分辨能力较低，而在高频段 则对频率的分辨能力较低，它对突出信号局部特征的敏感程度是不一样的，一般 人物小波分析比较适合于检测信号中的突变成分或边缘成分的存在。为解决这一 问题，W i c k e r h a u s e rMV 和C o i f m a nRR 等人提出了小波包的概念。小波包分析 方法是将信号中没有分解的高频部分也进行分析，将其分解为高频与低频两部 分，并依次进行多次划分，从而根据被分解的信号，自适应地频带和信号频谱相 匹配，提高时．频分辨率【2 犯6 1 ，提高了精确性，得到了广泛应用。 1 ．2 ．2 爆破地震效应及震动强度预测研究 爆破地震波传播过程中对附近非爆破目标的建构筑物造成破坏的现象称为 爆破地震效应【l 】。为研究和评估爆破地震效应，必须寻找适当的物理量，通常以 质点的振动速度、位移和加速度来作为爆破振动的基本变量。 在2 0 世纪5 0 年代，C r a n d e l l 用能力比的概念定义地震波方程与结构破坏判 据，最先将测试结果与结构破坏联系起来【2 7 】。随后，E d w a r d s [ 2 8 1 、L a n g e f o r s [ 2 9 】 等也研究了爆破振动对结构稳定性的影响，建立了以质点振动速度峰值作为界限 的结构安全判据。 当前爆破振动的安全性判据仍以质点振动速度为主，因此预测结构所处位置 的爆破振动速度峰值成为研究爆破地震效应的主要内容之一。一般各种预测模型 可以用如下式1 ．1 表示【l J A f 爆源变量，传播途径的变量，仪器特性反应 1 ．1 式中A 为爆破振动的最大幅值，f 为非特定的函数形式。 基于上述理论，产生出来的公式中，最著名的的是萨道夫斯基公式，它以炮 中南大学硕士学位论文1 绪论 孔装药量、爆心距作为计算质点振动速度的主要参数，通过现场监测和回归计算， 可以得到具体工程的萨道夫斯基振动速度预测公式‘1 1 。基于现场数据的萨道夫斯 基公式通常具有很大的离散性，为解决这一问题，韩子荣【3 0 1 、陈寿如‘3 1 1 、焦永 斌【3 2 1 等都作了有效的尝试和研究。王民矧3 3 1 、陈光球[ 3 4 1 、徐全军跚等则提出了 新的速度预测方法与监测手段。 1 ．2 ．3 爆破地震安全标准研究 随着爆破地震效应理论研究的不断深入，专家学者们发现，采用单一的振动 强度作为爆破振动破坏的评定标准具有很大的局限性。爆破地震波与天然地震波 对结构的破坏有所不同，它的高频高频振动能使结构的高阶振型率先启动，同时 还会产生局部动力学效应，造成电子仪表的破坏但不至于引起建构筑物的破坏。 K ．M e d e a r i s [ 3 6 】，通过研究得到爆破振动频率导致结构损坏的有关结论，吴德伦∥7 1 、 言志信【38 】等在对国内各工程爆破实例研究的基础上，提出了考虑频率的爆破安 全标准。焦永斌【3 9 】将爆破振动频率和振动强度结合起来，修正了萨道夫斯基公 式，提出了折合速度作为爆破地震安全评定标准。 美国、德国和瑞士等发达国家都制定了考虑振动速度和振动频率的爆破安全 标准，我国2 0 0 3 年制定新的爆破安全规程 G B6 7 2 2 ．2 0 0 3 对地面建构筑物 采用以峰值质点振动速度和主振频率作为联合判据，其具体规定如表1 ．1 所示。 表1 ．1 爆破振动安全允许标准 中南大学硕士学位论文1 绪论 注l 、表列频率为主振频率，值最大振幅所对应波的频率。 注2 、频率范围可根据类似工程或现场实测波形选取，亦可参照硐室爆破 2 0 H z ，深孔爆破1 0 H z - ．．6 0 H z ， 浅孔爆破4 0 H z - 10 0 H z a 、选取建筑物安全允许振速时，应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件。 b 、省级以上重点保护古建筑与古迹的安全允许振速，应经专家论证选取，并报相应文物主管部门批准。 c 、选取隧道、巷道安全振速时，应综合考虑构筑物的重要性、围岩状况、断面大小、埋深、爆源等因素。 d 、非挡水新浇大体积混凝土的安全允许振速，可按本表给出上限值选取 1 ．3 深部巷道围岩稳定性研究现状 1 ．3 ．1 深部开采岩石力学研究 随着矿山开采深度的不断增加，出矿巷道作为矿山采场的底部结构也不得不 布置在深部岩体中。深部开采岩石力学与浅部开采岩石力学有着很大的差别，包 括在高地应力下表现出来的岩石脆性．延性转化特征、岩石流变特性、岩石强度 特性和破坏特性等【4 0 J 。 K w a s i n i e w s k i [ 4 l J 通过实验研究，提出了深部围岩的脆．延性临界转化条件， 并指出在过渡状态下，岩石具有脆性破坏和延性破坏的特征。陈宗基1 4 2 ] 通过岩 石蠕变和松弛实验研究了岩体的流变特征，指出当应力高于一定界限时，岩体由 粘弹性转化为粘塑性，变形量和变形速率随时间增大，最终造成岩体破坏。随着 岩石流变研究的深入，通过实验和现场测量，采用弹性、塑性和粘滞性元件来拟 合岩体流变特性的本构模型方法逐渐兴起并得到快速发展，这些组合本构模型包 括M a x w e l l 模型、广义K e l v i n 模型、B u r g e s 模型、P o y n t i n g ．T h o m s o n 模型、西 原模型等。这些模型直观、简单的反映了岩石的变形特征，在各种科研和工程实 践中得到广泛应用【4 玉4 4 ] 。 1 ．3 ．2 巷道围岩稳定性研究 巷道作为矿山生产的联络通道，是人类和采矿设备通行的路径，研究巷道围 岩的稳定性对矿山的安全生产具有重要的意义。 最早对巷道围岩的稳定性的认识是基于经典的压力理论，认为地下硐室的支 护压力等于硐室上的岩层重量【45 I 。随后太沙基指出，支护压力为围岩松动塌落 的高度，塌落高度与地下工程的跨度和围岩性质有关。于学馥则从弹性力学角度 研究了围岩塌落的过程，认为当岩体中应力超过了岩体的弹性极限后会引起巷道 围岩破坏的，塌落改变轴比，导致应力重分布，但这种理论不能解释弹塑性围岩 中南大学硕士学位论文1 绪论 和节理岩体的破坏规律。此后，基于弹塑性理论的围岩稳定性研究得到快速发展， 郑雨天【4 6 1 、邹喜正[ 4 7 】都通过计算获得了圆形巷道周边的应力和位移，同时分析 了构造应力对巷道布置的影响，提出了有益建议。 对于非均匀、各向异性和含节理断层的岩体，很难再用上述解析法求得应力 应变，通常只能改用数值计算方法。随着计算机技术的快速发展，数值计算方法 在岩石力学研究中得到广泛应用，如有限元法、有限差分法、离散元法和边界元 法等，同时开发出了像A n s y s 、F L A C 等优秀的岩土数值计算软件。这些软件在 岩土工程研究和设计中扮演了越来越重要的