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中图分类号至垒昼 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 三兰三 密级 ．垒珏 裂隙岩体工程爆破动力响应规律研究 I 沁s e a r c ho nr u l e so fd y n a m i cr e s p o n s eo ff r a c t u r e dr o c k m a s st Ob l a s t i n g 作者姓名薛小蒙 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师胡建华副教授 吾I j 指导教师 论文答辩日期丝 丝篁兰答辩委员会主趟． 三笙 中南大学 2 0 1 4 年5 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，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 中南大学或其他教育机构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己在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名益丛蕴兰日期二丝L 年上与望日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名导师签名 万方数据 摘要 裂隙岩体工程爆破动力响应规律研究 摘要自然界的岩体通常发育有大量的节理裂隙等结构面，结构面相互 交叉将岩体切割成不同形状的岩块。根据块体理论将块体进行稳定性评 价，划分为稳定、可能失稳及失稳三种类型。可能失稳的块体通常暴露 于临空面中，并且在地下重复爆破开采扰动下可能沿结构面发生破坏， 造成岩体工程的破坏。因此研究爆破动力对裂隙岩体工程的影响具有重 要的实际意义。 以铜坑矿为工程研究背景，通过实地测量、现场试验、A N S Y S 数值 模拟及理论分析相综合，分析了裂隙巷道在爆破动力扰动下的响应规律， 主要研究内容与结果 1 通过地质调查，确定了节理裂隙发育情况，选定了某巷道为研 究对象；基于块体理论，对巷道周围的可能失稳岩块进行提取和划分。 2 通过现场现场爆破振动测试获取了振动数据，并利用M A T “蟠 软件计算出与波衰减系数有关的砝口值。 3 通过建立结构面不同状态下的有限元分析模型，分析了结构面 厚度、角度和材料特性对应力波传播影响。结果显示波的衰减程度与结 构面厚度成近似正比关系结构面角度值越大，对应力波的阻碍作用越 大；结构面充填物物理性质与两侧岩石相差越大，结构面对应力波的阻 碍作用越大。 4 利用A N S Y S 软件建立了裂隙巷道爆破动力响应模型，分析了 巷道围岩动力响应规律。通过对质点振速、位移和应力综合分析可知 质点振速峰值虽然在安全范围内，但在巷道顶部和迎爆侧的结构面材料 中会产生较大的拉应力，拉应力值可能造成结构面材料破坏，导致岩块 沿结构面发生失稳破坏。图5 3 幅，表1 9 个，参考文献7 4 篇 关键词裂隙岩体；爆破动力；块体理论；应力波结构面 分类号T D 8 5 万方数据 硕士学位论文 A b s 吮t R e s e a r c ho nr u l e so fd y n a m i cr e s p o n s eo ff t a c t u r e dr o c km a s st o b l a s t i n g A b s t r a c tA l a 唱en 瑚曲e ro fj o i n t s ，f i s s u r e sa J l do t h e rs 劬c t l l m lp l a n ea r e d e V e l o p i n gi nn a t u r a lr o c k ．R o c ki sc u ti n t od i f r e I ．e n ts h a p e so fb l o c k s ． A c c o r d i n gt oS h iG e l l l m a ’sb l o c k Ⅱ1 e o r y ，t 1 1 e s eb l o c k sc a l lb ec l a S s i f i e da s s t a b l e ，p o t e n t i a lu n s t a b l e ，a 1 1 dj n s t a b i l i 够P o t e n t i a lu n s t a b l eb l o c ki su s u a l l y e x p o s e dt 0t l l e ＆es u r f a c e ，a n dd e s t r o y e da l o n gt h es 缸u c t u r a ls 删沁e ，u n d e r r e p e a t e db l a s t i I 冯．S m d yo nt h ei n n u e n c eo fb l a s t i n gp o w e ro f 劬c t u r e dr o c k m a s se n g i n e e r i n gh a si I n p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ． T o n g k e n g m i n ei st h e b a c k g r o u n d o ft h i s p a p e r ． W i t hf i e l d m e a s u r e m e n t s ，f i e l dt e s t ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa 1 1 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i s p a p e rm a d eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f 行a c t L I r e dr o a d w a yu n d e rt h e b l a s t i n g b m 锄i cd i s t u r b a n c e ．T h er n a i nc o n t e n t sa r ea Sf 0 1 l o w s 1 D e V e l o p m e n to “o i n t 触c t u r ew a sd e t e m i n e db yg e o l o g i c a ls ⅢV e y ， a n dar o a d w a yw a ss e l e c t e da s 也eo b j e c to ft h es t u d y ．B a s e do nb l o c kt h e o Ⅸ t h ep o t e n t i a lu I l s t a b l eb l o c k s ，w 恤c hs u 玎o u n d i n gt h er o a d w a y ，w e r ee x 仃a c t e d a n dc l a s s i f i e db yt h es o 腑a r e ，． 2 T h er e l e V a n tb I a s t i n gV i b r a t i o nd a t aw a sa c q u i r e db y0 n s i t eb l a s t i n g V i b r a t i o nt e s t ．T h ea t t e n u a t i o nc o e 墒c i e n ta s s o c i a t e d 铀w e r ec a l c u l a t e d b y M A T L A B ． 3 n l ef m i t ee i e m e n tm o d e lo fd i 虢r e n ts t n l c t u r a lp l a n ew a sb u i 【t ． T h i c l n e s s ，a n g l ea n d m a t e r i a lp r o p e n i e so fm es t m c t u r a lp l a n e ，w h i c h i n f l u e n c em ep r o p a g a t i o no fs 仃e s sw a v e ，w e r ea J l a l y s i s e d ．R - e s u l t ss h o w e d t h a tw a V ea t t e n u a t i o nd e 掣e ea p p r o x i m a t ep r o p o r t i o n a lt ot h i c h e s so ft h e p l a n e ．T h eg r e a t e rm ep l a I l ea I l g l e ，廿1 eg r e a t e rt h eo b s t a c I et o 出ew a V e ．I f t h e m a t e r i a l ，f i l l i n gi nt h ep l a n e ，h a sm o r ed i f f e r e n c e sw i t hm er o c k ，t h eb i n d e r o ft h ep l 锄ew i l lb eg r e a t e r ． 4 F i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rb l a s t i n gd y n a m i cr e s p o n s eo f 劬c t u r e r o a d w a yw a sb u i l tb yA N S Y S ，R u l eo f 也ed y n a I n i c r e s p o n s eo ft h er o a d w a y w a sa n a l y s i s e d ．n r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep 积i c l eV e l o c 吼d i s p l a c e m e n t a n ds 臼e s s ，s o m er e s u l t sw a sg o t ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ep e a kp a r t i c l e V e l o c i 够w a si ns a ＆r a n g e ，b u tt 1 1 et e n s i l ew i l la p p e a ra l o n g 也es t r u c t u r a l p l a J l e ，、v h i c nd e V e l o p i n gi nt h et 叩a n ds i d eo fm er o a d W a y ．I fm et e n s i l e I I 万方数据 堡主兰垡堡茎 竺 型 s 仃e s si s l a 唱ee n o u 曲，i tm a yc a u s e 幽m a g et ot h ep l a I l e ，a 1 1 de V e n t u a l l y l e a d i n gt oi n s t a b i l i t ，o ft h er o c k ． K e y w o r d 丘．a c t u r e dr o c km a s s ；b l a s t i n gd y n a m i c ；b l o c kt h e o r y ；s 协e s sw a V e ； s m l c t u r a lp l a n e C l a s s i n c a t i O n T D 8 5 I I I 万方数据 硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I l 绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～l 1 ．1 课题来源及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，2 1 ．2 ．1 裂隙岩体中爆破应力波传播规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 爆炸应力波的破坏效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 ．3 爆破震动危害研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 本文主要研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 技术路线及研究手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 爆炸应力波及其传播特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 概j 盔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 爆破地震波分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．1 体；疲⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．2 表面波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 _ 3 爆炸应力波的传播特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．1 爆炸应力波的能量传递特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．2 爆炸应力波传播的复杂性和多样性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 s 2 ．3 ．3 爆炸应力波的随机性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．4 爆炸应力波的传播速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．5 爆炸应力波的透射与反射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．4 爆破破岩理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．1 岩石破坏判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 ．2 应力波引起的拉伸破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 4 3 铜坑矿裂隙岩体失稳破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 铜坑矿矿床地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 铜坑矿开采现状⋯⋯⋯⋯⋯“ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 铜坑矿地质裂隙统计分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 ．1 节理裂隙统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．2 节理密度及优势产状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 I V 万方数据 硕士学位论文 目录 3 ．4 裂隙岩体工程失稳破坏现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．4 ．1 松动掉块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 离层冒落⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 ．3 锚网破裂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 ．4 锚杆失效⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 裂隙岩体工程失稳破坏因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．5 ．1 地质因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．5 ．2 工程因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．5 ．3 生产技术因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 。6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 结构面特性对爆破应力波的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 铜坑矿裂隙岩体爆破特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 ．1 爆破试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 ．2 爆破振动监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 ．3 爆破振动结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 结构面特性影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 ．1 结构面厚度对应力波传播的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．2 结构面角度对应力波传播的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．3 结构面充填物对应力波传播的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 裂隙岩体工程爆破动力响应数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．1 块体理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 ．1 块体与棱锥分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 ．2 块体的破坏形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 爆破荷载模型的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．2 ．1 爆破荷载模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．2 爆破荷载峰值确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 ．3 爆破荷载加载参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．3 裂隙岩体工程爆破动力响应数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．3 ．1 计算模型及荷载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 - 3 ．2 岩体工程应力变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．3 3 巷道振动速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 ，4 巷道位移的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 V 万方数据 硕士学位论文 目录 5 ．4 支护措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 。1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 6 ．2 本文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 V I 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 矿产资源是国家经济发展的有力支撑，伴随我国经济的快速发展，自然资源被 大量消耗。统计资料显示，2 0 1 2 年我国粗钢、水泥、原煤以及十种有色金属产量分 别为7 ．2 亿吨、2 2 ．1 亿吨、3 6 ．5 亿吨和3 6 7 2 万吨【。在未来很长一段时间内，矿产 资源的需求量仍会不断扩大，这是以采矿技术的不断提高作为前提的。 爆破是当前隧道、非煤矿山等岩体工程开挖必不可少的施工手段【2 ，3 1 ，爆破施工 具有经济、便捷的优点，但同时也带来一些负面效应。工程中利用爆破产生的冲击 波 应力波 破碎炮孔近区的岩石，但爆破施工产生的爆破应力波在岩体工程中的 传播及振动效应严重影响了工程的稳定性，主要表现在围岩岩石力学性能的劣化， 特别是对节理裂隙比较发育的岩体危害更大。爆破振动造成岩体中原有裂隙扩展、 贯通，引发地下采空区、巷道等岩体工程的破坏。同时也会导致矿山地压产生变化， 诱发岩爆发生，危及井下作业人员的安全，影响矿山的正常生产作业。 岩体通常不是均质完整的，岩体中含有大量的断层、节理、裂隙等结构面，这 些结构面相互切割，将岩体切割成不同形状的岩块，其中部分岩块在外界扰动和自 重作用下会产生滑移失稳【4 1 。地下金属矿山施工过程中，围岩中的节理裂隙破坏了 岩体的完整性【5 1 ，劣化了岩体的力学参数，对硐室的稳定和安全造成严重威胁。并 且，裂隙岩体受到一定的外部扰动更容易产生破坏。外界扰动因素中爆破应力波影 响最大，当应力波入射到介质自由表面时，部分压缩波卸载形成拉伸波，它与入射 波中的卸载波相互作用，在自由面附近产生一定的拉应力，拉应力足够大时，造成 岩石拉裂破坏。岩石抗压强度较大，抗拉强度较小，因而拉伸断裂破坏是裂隙岩体 动态破坏的主要形式。关键块体中的节理裂隙处出现拉应力，块体有可能在自重作 用下克服节理面的剪切强度，产生滑移、冒落。 1 ．1 课题来源及研究意义 广西铜坑矿是华锡集团旗下的主力生产矿山，矿山已经基本实现井下无轨化生 产作业，每年生产矿石能力达到2 0 0 万吨以上。铜坑矿目前划分为细脉带矿体、9 1 号富矿体和9 2 号巨型贫矿体。9 l 号矿体的基本开采结束，目前正在大量开采储量 达3 0 0 0 多万吨的9 2 号矿体。 9 2 号矿体在回采过程中，主要采用的采矿方法为组合式崩落法、顶板诱导崩 落法、无底柱分段崩落法等进行开采。 回采9 2 群矿体过程中，由于井下多采用大型无轨化机械设备进行生产，巷道断 面尺寸偏大，巷道受到爆破振动、地下水、结构面分布状态等不良因素的影响，出 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 现了冒顶、片帮及整体垮塌等不良灾害现象，甚至部分区域已经采取挂网及锚杆等 加固措施后仍出现锚杆失效、较大规模冒顶现象。裂隙岩体工程巷道冒顶、片帮及 整体垮塌等灾害的发生，极大的影响了矿山安全生产工作，严重威胁井下作业人员 的安全，因此，有必要开展对裂隙岩体工程爆破动力响应规律的研究，该研究对于 工程实践有很大的指导意义。 本文的研究意义 1 根据矿山提供的地质裂隙资料以及现场地质裂隙调查结果，利用石根华块 体理论划分巷道中的关键块体。 岩体被结构面切割成不同形状的岩块，在外界扰动作用下，暴露于临空面上的 块体可能会失去原有的平衡，沿结构面滑移掉落。由学者石根华【6 】等提出的关键块体 理论已经成为岩体稳定性分析的有效方法之一。该块体理论假定被切割的岩块为刚 体，结构面为平面，综合利用刚体力学平衡分析方法研和几何拓扑方法究块体的稳 定性。 利用块体理论可以预测巷道上可能失稳的关键块体类型、几何特征及稳定性情 况，并利用相关软件建立关块体的分布模型。 2 利用关键块体理论确定巷道围岩中的关键块体[ _ 7 】后，研究该关键块体在爆 破应力波扰动下响应规律和破坏形式，为矿山提前支护进行指导。节理将岩体划分 成一个个块体后，爆破应力波传递过程中，遇到结构面，产生折射波和反射波，其 中反射波产生的拉应力可能造成结构面附近的岩体发生层裂破坏，降低结构面的抗 剪强度，当抗剪强度降低到足够小的值时，块体自重克服抗剪力，沿结构面滑移破 坏。 1 ．2 国内外研究现状 爆破对地下裂隙岩体工程的影响， 身的影响。国内外学者采用理论分析、 岩体工程的影响进行了研究。 l 。2 ．1 裂隙岩体中爆破应力波传播规律 包括对邻近既有硐室的影响及对开挖硐室本 数值模拟、物理试验等方法对爆破应力波对 炸药爆炸后释放出大量能量，可分为爆生气体能量和爆炸冲击波能量两种形式。 宗琦【8 】分析了柱状装药结构爆破冲击波能量的分布规律和各部分能量消耗的计算方 法；研究表明，冲击波能量约占炸药爆炸总能量的4 0 ％，并且能量主要消耗在爆腔 扩张、裂隙扩展和岩石弹性应变上。冲击波经过粉碎区能量消耗，衰减为应力波， 应力波在介质中传播并引起介质质点的振动【9 】。由于岩石介质大都为非均匀介质， 应力波在岩石中的传播具有一定的复杂性，国内外学者对此做了大量工作。 万方数据 硕士学位论文l 绪论 李夕到1 0 】等曾经研究应力波通过岩石软弱结构面的传播规律，通过引入软弱结 构面的边界条件，推导出有摩擦滑移条件下应力波通过结构面时的透反射关系，并 讨论了结构面的摩擦滑移条件和能量损耗等问题。李夕兵[ 1 1 】认为，工程实践中，为 取得良好的爆破效果，应该因地制宣，根据不同的地质条件选择相应合理的爆破参 数。 崔新壮、陈士海研究了裂隙岩体中应力波传播的衰减作用，基于损伤力学来分 析岩体中存在的节理、裂隙等结构面的数量和规模，并研究这些结构面对爆破应力 波的衰减作用；试验结果表明，爆破应力波作用下，岩石表现高应变率，爆破近区 的岩石呈现线粘弹性应变，而爆破远区则为弹性波f 1 2 】。 龚敏研究了线型应力波在有弱面和无弱面的非均质模型中的传播规律，试验结 果表明结构弱面附近会出现应力波衍射现象，结构弱面的存在造成爆破能量的不连 续性，结构面结合程度越好，能量传递的效率也越高【1 3 1 。 齐金铎通过介绍国外裂隙岩体爆破理论的最新进展，认为岩石破碎的主要原因 不是爆炸气体的膨胀作用，爆破应力波与结构弱面的相互作用才是裂隙岩体破坏的 主要原因【1 4 1 。 卢文波[ 15 】通过分析单孔爆破振动实测的波形图，采用频谱比法确定R 波的衰减 参数脉冲上升时间法确定P 波衰减参数，地震波水平参数类推法确定S 波的衰减 参数。李洪涛、卢文’波【M 】基于地震学的理论，研究了爆破地震波能量的衰减规律， 结果表明地震波能量衰减系数是振速衰减系数的2 倍，并且在同次爆破中，爆破地 震的总能量是同峰值振速的平方呈近似正比例关系。 上述学者的研究都表明，由于原生岩体多为非均质介质，岩体中普遍存在大小 不一的结构弱面 或孔洞 ，这些结构面会改变应力波传播方向，应力波在结构弱 面会产生折射和反射，造成应力波能量的损失。矿山实际生产中，巷道、硐室等岩 体工程顶部或侧帮经常出现岩块掉 滑 落的现象，特别是在裂隙发育的地区【l 7 1 ， 即使已经提前进行支护，仍然会出现失稳现象。生产爆破的扰动是造成上述问题的 主要原因之一，由于围岩节理裂隙发育，这些大小不一的节理裂隙将岩体切割为岩 块。当爆破应力波传递到结构面，产生反射拉伸波，会对结构面附近的岩石作用一 个拉应力，造成岩石拉裂破坏，降低结构面的抗剪强度；当岩块自重分力大于结构 面处的抗剪力，岩块便出现掉落。所以应对爆破远区的裂隙岩体予以足够的安全支 护措施，避免意外发生。 应力波的衰减规律还与装药结构有关，在现场实际爆破中有柱状和球状两种装 药方式，其中又以柱状装药结构最为常见，因此，对柱状装药爆破应力波衰减规律 的研究比较多。S t a r f i e l d 、B r a d yB H G 【1 8 】等人曾将柱状装药分解为多个球状装药，并 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 利用叠加原理得到了柱状装药应力波的衰减规律。但进一步的研究证明这种方法还 需进一步完善，柱状药包爆破应力波衰减有自身特有的规律。马秀荣、郝哲等【1 9 】 从应力波衰减和破岩能量利用率角度研究柱状和球状药包落矿效果，结果表明，柱 状装药应力波衰减较慢，破岩能量利用率较高，破岩效果较好。崔新壮皿川通过研究 不同种类的爆破应力波在各向同性损伤岩体中的衰减规律，研究结果表明平面应力 波衰减速度最慢，柱面应力波次之，球面应力波衰减最快。 上述学者研究了应力波衰减规律，建立了相关理论，揭示了爆破应力波在岩体 中传播的相关规律，但并没有给予定量、准确的描述。即使推导出一些计算公式， 但适用范围有限，当地质条件改变时，公式计算的结果与实测值有较大出入。由于 岩石是一种复杂介质，所以对应力波在裂隙岩体中传播特性还处在发展阶段。目前， 普遍采用经验公式、简化近似等方法来计算应力波在岩体中的衰减。 爆破地震波的作用下，爆破振动的强度越大对构筑物的破坏程度越大。所以， 广大研究人员普遍采用质点振动速度、加速度或位移来衡量振动强度，大量工程实 测结果表明，建 构 筑物的破坏与质点振动速度相关性最好，因此，逐渐采用质 点振动速度来衡量爆破振动强度。国内外学者通过大量工程资料研究爆破地震波的 衰减规律，建立了多个经验公式口1 ，2 列。 1 萨道夫斯基公式 陉K 孚】 m - ， 式中严介质质点的振动速度，c 州s ； R 一测点至爆心的距离，m ； Q 一炸药量，k g ； K 、口一与爆破现场条件有关的系数。 2 日本的经验公式 V - 骘 1 ．2 式中c 一与爆破条件有关的系数。 3 美国矿业局曾对爆破地震波的传播规律进行了大量研究，以质点峰值振速 为安全控制标准，对不同的建筑物制订了不同的破坏判据，B 1 a i r 和D u v a l l 给出了 以下经验公式 肛d 剖 m 3 ， 式中卜介质质点振动速度，m 州s ； 万方数据 硕士学位论文I 绪论 K 、n 一与场地条件及介质性质有关的经验系数； 9 一最大单响装药量，埏。 上述研究为国外研究人员的研究成果，为更好的解决我国工程爆破中出现的问 题，自2 0 世纪5 0 年代开始，我国相关科研人员结合大量工程实践，参考国外研究 结果，针对不同条件下的爆破振动，进行监测分析，并提出了在相应条件下地震波 衰减规律的经验计算公式。 1 中国科学院地球物理研究所于1 9 6 2 年提出了计算垂直振速 ％ 传播规律 的经验公式 l g ％ K 0 ．6 1 9 Q 1 ．8 1 9 R 1 4 2 焦永斌教授通过多年研究，引入了爆破地震波频率修正系数，提出了结合 振动频率的折合速度公式 砟 ∥，K 1 - 5 式中吩一折合速度；爵一频率效应影响系数K ～地面质点振动速度． 3 陈寿如【2 2 1 考虑了高程差对爆破振动的影响 粼她娜【警】 1 _ 6 式中三．一考虑质点振动速度水平分量和振动主频等因素的安全系数 氆一高程差影晌数。 1 ．2 ．2 爆炸应力波的破坏效应 1 爆炸应力波近区破坏 炸药爆炸是能量瞬间释放的过程，爆炸瞬间产生高温高压气体，作用在炮孔周 围的岩石上，由于压力远远超过了岩石的抗压强度，造成药包周围的岩石粉碎性破 坏，这一区域称为粉碎区。粉碎区域范围虽然较小，但消耗了冲击波大部分能量， 冲击波经过粉碎区作用衰减为压应力波。 早期的研究将岩石看作均质弹性体，建立了岩石爆破弹性理论的计算模型爆 生气体压力破坏隙模型，炸药爆炸后产生的高温高压气体作用于岩石，岩石质点受 到挤压产生沿径向的位移，进而产生径向压力和切向拉力，由于岩石的抗拉强度远 小于抗压强度，岩石在拉应力作用下更容易产生破坏，尤其是当岩石内部存在裂缝 等缺陷时，裂缝会在爆生气体作用下继续延伸扩展。F a v r e a uRF [ 2 3 ] 建立弹性波理论 模型，该模型视岩石为各向同性介质。该模型认为岩石的破坏是由压应力波、波在 自由面处反射拉伸应力波及爆生气体联合作用造成的，爆炸应力波使岩石产生初始 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 裂纹破坏，爆生气体的气楔作用使这些裂纹扩大延伸，应力波在自由面反射形成拉 伸应力波，使得岩石产生环炮孔的裂纹。该模型以动态抗拉强度作为岩石破坏的判 据。皱定祥建立了台阶爆破的三维数字模型，将岩石比表面能作为岩石破坏的判据， 应用弹性力学理论处理岩体应力．应变关系，确定岩石破坏范围和爆破块度分布。 2 爆破应力波中远区破坏 井下爆破开采会对周围的岩体工程造成一定的影响，在爆破应力波的反复作用 下，不稳定块体有可能产生滑移破坏。研究学者在爆破应力波传播及爆破振动影响 方面取得了一定的成果。 杨年华通过研究爆破对隧道周边的振动效应，发现峰值振动速度与比例距离呈 指数衰减函数关系；应力波在完整岩体内衰减较慢【2 引。史太禄通过分析爆破应力波 传播规律的经验公式，认为可以根据等效距离来划分爆破振动影响区域，等效距离 小于1 0 的为爆破近区，大于1 0 的为中远区。爆破地震波在近区衰减快，影响作用 较大；中远区波衰减较慢，影响较小[ 2 5 1 。谭忠盛[ 2 6 J 通过数值分析方法研究爆破对邻 近隧道的影响，发现最大振动点及最大反射拉应力集中点在隧道迎爆侧直墙中部、 上部，这片区域是应力波反射拉伸区，属于危险区域。 1 ．2 ．3 爆破振动研究现状 诸多学者对爆破应力波在岩体中的传播规律进行了一定的研究，根据经验确定 岩体中波传播的阻尼系数，并根据震动波频率对岩体进行损伤判定。该类研究多集 中于隧道岩体工程中。李利平等通过波函数理论进行研究，发现隧道中墙质点径向 振速衰减与其厚度呈反比关系，同一断面中质点振动速度峰值在拱顶和边墙中部出 现的机率最大【27 1 。 陈剑杰【2 8 1 综合运用动力有限元和小比例化爆破模型法对爆破应力波的破坏效 应进行了研究，对硐室宏观破坏的变化特征、一般图像和影响因素等进行了总结， 编制出新的硐室破坏分区表。 对于地下矿山开采中裂隙岩体工程爆破动力响应规律研究还不够多，已有的研 究主要包括性爆破所引发的振动危害进行了研究，这些研究主要集中于隧道、矿山 等地下施工过程中。 王洋和叶海旺利用L s D Y N A 与离散元3 D E C 相结合的方法，模拟了不同裂隙 条件下爆破应力波的传播特点，研究表明，闭合型宏观裂隙阻碍应力波的传播，裂 隙的存在影响最小应力波的幅值，最小应力降低的较快【5 】。 朱瑞赓【3 2 】等根据应力波理论，以岩体动力强度与隧道所受动、静应力之和相平 衡为前提，对爆破振动影响下隧洞破坏时介质质点振动速度峰值临界值的计算公式 进行了推导。李铮【2 9 1 等运用动力有限元法对爆炸应力波作用下岩洞的动力稳定性问 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 题进行了一系列的研究。 罗传兴[ 3 0 】采用有限元数值分析方法，分析了采场大爆破对邻近巷道的爆破振动 效应，结果表明在巷道壁向爆源一侧及巷道顶部作用明显，容易发生爆破损伤破坏。 并以质点振动速度峰值为控制指标，确定邻近巷道距采场的安全距离。阳生权[ 3 1 1 用A D I N A 软件模拟爆破地震对既有隧道围岩影响，研究开挖硐室本身、既有隧道 和相邻隧道之间之间岩体质点的动力响应，根据现场爆破地震波测试，初步研究了 爆破地震累积效应，采用振动速度波形单位等效面积简单分析了多波作用机理。夏 祥，李俊如1 3 2 ] 等运用离散元方法模拟了爆心距不同条件下节理岩体的质点振动速度， 确定了质点速度随爆心距的衰减规律。 Ⅵ1 1 a e s c u s a ，M ．R a m u l u 【3 3 ，3 4 】研究了重复爆破对岩体的损伤效应，其通过在钻孔中 安装应变计来观察和测定该质点的峰值速度，并建立特定的损伤模型，研究发现， 反复加载的动载荷在振速低于安全阀值时也引起了隧道的破坏，并且高频波主要是 对爆破近区的岩体造成破坏，低频波主要作用在爆破远区。远区的岩体，在反复加 载4 5 ～5 0 次后，破坏程度提高了5 5
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