巷道围岩爆破地震效应模拟分析

王骥俊，龙 贺

(1.山西汾西矿业集团 柳湾煤矿，山西 孝义 032300； 2.山东井亭实业有限公司 生产技术部,山东 枣庄 277525)

·试验研究·

巷道围岩爆破地震效应模拟分析

王骥俊1，龙 贺2

(1.山西汾西矿业集团 柳湾煤矿，山西 孝义 032300； 2.山东井亭实业有限公司 生产技术部,山东 枣庄 277525)

对某巷道围岩爆破工程进行数值模拟，模拟出巷道围岩中爆破地震效应，然后将数值模拟结果与理论上的速度解析解相对比，验证了模拟的正确性。经过对比可知，轴向距离对巷道围岩质点峰值速度的影响程度比径向距离要小，所以爆破地震波对径向围岩的作用要大于对轴向围岩的作用。因此在实际工程中要特别注意对巷道径向围岩的防护。

巷道围岩；爆破地震；数值模拟分析；解析对比

随着地下工程爆破技术的逐步应用，巷道围岩爆破地震效应的研究愈发重要。当进行掘进爆破施工时，爆破地震波中的一部分能量向周围岩体扩散，引起围岩和支护结构震动[1,2]. 受爆破的复杂性和测试技术的有限性等的影响，巷道内部力学和变形性状情况不容易观测，从而影响施工安全。地震效应强度、围岩的岩石特性、巷道断面大小等是影响巷道围岩及支护结构爆破地震效应的关键因素。国内外的专家学者对巷道围岩爆破地震效应进行了很多研究，在数值模拟方面，通过模拟浅孔爆破得到质点速度，经对比，与实际检测结果相吻合；通过编程对爆炸应力波进行计算，建立本构关系；此外还分别采用不同方法对巷道围岩爆破效应进行模拟[3]. 但这些研究都缺乏实际论证，不适用于实际工程。在理论方面，通过分离变量，得到巷道围岩中地震波的传播速度解析解，从而得到围岩质点峰值速度的变化规律。本文将通过运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，对巷道围岩爆破地震效应进行模拟，将模拟结果与理论结果相对比，研究爆破地震波在巷道围岩中的传播规律[4].

1 计算模型的建立

计算模型采用某巷道掘进爆破工程，其爆破施工技术采用微差爆破，炮孔半径为2 cm，炮孔之间的距离即炮孔间距为45 cm. 巷道简化为圆形，其直径为5 m，循环进尺为1.5 m.

1.1 模拟材料选取

本计算模型采用的是乳化炸药，其炸药材料模型参数和状态方程参数见表1.

表1 炸药材料及状态方程参数表

本文计算模型中巷道围岩为风化的花岗岩，为了保证模拟的正确性，将岩体的本构模型加以简化，定义其为连续介质线弹性模型，岩石材料的主要参数见表2.

表2 花岗岩主要参数表

1.2 爆破等效荷载的处理方法

由于巷道掘进爆破主要以钻孔装药爆破为主，为了能全面模拟出整个爆破地震效应，经过大量的研究总结出，对于爆源附近岩体的动力响应问题的模拟采用直接模拟装药法较为理想，而对于爆破中远区域爆破震动的模拟研究需要采用爆破荷载等效施加的方法，将爆破荷载进行简化，简化后的结果不仅要和采用直接模拟装药法得到的结果尽量接近，而且又要节省计算工作量。

目前，对爆破震动的传播进行数值模拟，可采用的方法基本分为两种：

1) 使用ANSYS/LS-DYNA程序中的高性能炸药材料模型及其状态方程来模拟炸药的整个爆轰过程及爆轰产物与周围岩石介质的相互作用过程。

2) 根据爆轰波理论和爆腔膨胀理论，结合工程经验、实测结果、炸药参数等得到半理论半经验的爆破荷载压力曲线，此曲线必须能最大程度地反映出炮孔压力的变化历程，然后将该荷载曲线直接施加在炮孔壁上。在实际计算应用中，爆破荷载压力曲线的选取主要包括三角型脉冲荷载曲线和指数衰减型荷载曲线两种。

第一种方法较第二种方法而言，模拟结果更具有真实性，但其只能较好地模拟出爆源近区的冲击响应，对于模拟爆破中远区的爆破动力响应，存在诸多问题。第二种方法虽然方便，但是对于炮孔周围尤其是炮孔数很多情况下的网格划分工作仍然十分复杂，且爆破荷载曲线是通过理论结合试验得到的，对于解决实际问题仍存在很大的误差。结合以上两种方法，基于圣维南原理，提出了合理的爆破荷载等效施加方法，使其尽可能接近实际爆破荷载作用。即在不考虑炮孔形状的前提下，提出合理的爆破荷载曲线，然后对其等效施加在对应的开挖轮廓面上，此开挖轮廓面是由同排炮孔连心线与炮孔轴线所确定的。

1.3 边界条件的选取

采用平直的三维黏弹性人工边界，即同一边界面上的法向或切向具有相同的参数值[3].巷道围岩爆破地震效应的计算模型简图见图1，图2.

图1 巷道计算模型正视图

图2 巷道计算模型侧视图

2 模拟结果与分析

由于爆破具有瞬时性的特点，在本次模拟中，爆破等效荷载收缩速度较快，当时间达到0.002 s时，荷载已经趋近于零；同时爆源附近围岩的受力变形也在短时间内完成，所以定义模拟的求解控制时间为0.01 s，以便观察爆破地震效应的整个传播过程[3].

2.1 围岩质点速度云图

对模型进行求解，为了更加直观地反映出模拟的效果，现列出部分时间点的围岩质点轴向速度云图，见图3～7.

图3 t=0.003 977 2 s时围岩质点轴向速度云图

图4 t=0.004 696 9 s时围岩质点轴向速度云图

图5 t=0.005 07 s时围岩质点轴向速度云图

图6 t=0.006 174 2 s时围岩质点轴向速度云图

图7 t=0.008 863 7 s时围岩质点轴向速度云图

从图3～7可以看出，当爆炸发生后，爆破地震波在围岩中以爆源为原点开始沿着径向传播时，围岩质点轴向速度随着径向距离的增大而有一定规律的递减；且呈现正负交替状态，对其速度取最大值和最小值的绝对值相比较，发现二者相差不大。此外，通过研究在爆破地震波作用下围岩质点的径向速度，发现其也有类似特点。这与实际爆破工程中所呈现的状况相吻合，说明模拟结果是合理的。

2.2 模拟结果对比分析

通过查阅文献，对于巷道围岩在动力作用下爆破地震效应的传播规律，速度的解析解方程为[4,5]：

(1)

(2)

其中：

(3)

式中：

m、n、A1、A2—实常数；

R—巷道半径，m；

b—循环进尺，m；

cp—波速，m/s；

r—径向距离，m；

z—轴向距离，m；其他参数含义同上。

将相关数据带入式(1)，式(2)，得到巷道围岩速度曲线。然后将模拟中得到的围岩质点峰值速度整理并用曲线的形式表示出来，并对二者进行对比分析，见图8～11.

通过观察图8～10，经对比可知从数值和曲线变化规律的角度上分析，模拟结果和解析结果是相似的，说明模拟结果是可靠的。

图8 Z=3 m时巷道围岩质点径向峰值速度随径向距离的变化曲线图

图9 Z=3 m时巷道围岩质点轴向峰值速度随径向距离的变化曲线图

图10 r=2.5 m时巷道围岩表面质点径向速度随轴向距离的变化曲线图

图11 r=6 m时巷道围岩质点轴向速度随轴向距离的变化曲线图

通过对比图8中的两组曲线，在轴向距离为3 m时，从数值上分析，两种情况中的巷道围岩质点径向峰值速度的最大值是相近的，约为15 cm/s；从曲线变化规律上分析，两者均呈现波浪式衰减，且衰减周期距离约为8 m.

通过对比图9中的两组曲线，发现均呈现上述特点。结果表明：在爆破地震波作用下，巷道围岩质点的径向和轴向峰值速度随着径向距离的增大呈现正负交替周期性变化且逐渐递减状态，这可能是导致深部岩体发生分区破裂现象最重要的原因，但其中的具体原因有待进一步研究。

对图10中的两组曲线进行对比分析，在径向距离为2.5 m时，两种情况下巷道围岩质点的径向峰值速度随着轴向距离的增大都呈现负指数递减状态，且衰减速度很快，最终逐渐趋近于零。在图11中，在径向距离为6 m时，巷道围岩质点的轴向峰值速度与轴向距离之间的关系同上。结果表明：在爆破地震波作用下，与径向距离相比较，轴向距离对巷道围岩质点径向与轴向峰值速度的影响比较小。所以在巷道爆破工程中，爆破地震波对径向围岩的作用要更大一些，大于对轴向围岩的作用。所以在巷道围岩的爆破施工中要更加注意地震波对径向围岩的影响。

3 结 论

本文通过运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，对巷道围岩的爆破地震效应进行模拟。首先把问题简化，然后选取岩石和炸药材料模型，进行爆破效应等效荷载，选取边界条件，从而建立计算和数值模拟模型，进行网格划分，得到围岩质点速度云图和峰值速度曲线图。将模拟结果与理论结果进行对比分析，发现两种情况下的围岩质点速度场在交替周期和衰减速度上都具有一致性，以此来研究爆破地震波在巷道围岩中的传播规律，得出以下结论：

1) 在爆破地震波的作用下，随着径向距离的增大，巷道围岩质点峰值速度呈现波动且逐渐衰减状态。而在深部岩土开挖工程中，如果爆破地震效应达到一定程度，使得巷道围岩质点峰值速度达到其极限状态时，围岩会产生交替的破裂区和非破裂区，这与巷道围岩质点峰值速度的波动状态相类似，所以根据此规律有可能解释围岩的分区破裂现象。

2) 随着轴向距离的增大，巷道围岩在爆破地震波作用下的质点峰值速度会随之减小，呈现负指数衰减，并且衰减速度比较快。并且经过对比可知，轴向距离对巷道围岩质点峰值速度的影响程度比径向距离要小，所以爆破地震波对径向围岩的作用要大于对轴向围岩的作用。因此在实际工程中要特别注意对巷道径向围岩的防护。

3) 总体来说，结合不同的力学性质和不同的地质因素，对巷道围岩中爆炸地震波的研究有助于增加巷道的稳定性和结构的安全性。

[1] 程久龙,李 飞,彭苏萍. 矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望[J]. 煤炭学报,2014(08):82-84.

[2] 李术才,刘 斌,孙怀凤. 隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J]. 岩石力学与工程学报,2014(06):632-634.

[3] 高 峰,周科平,周炳仁. 基于TRT技术的矿山井下地质超前预报[J]. 中国安全科学学报,2014(04):231-233.

[4] 相兴华,邓小鹏,王 鹏. TRT在隧道地质超前预报中的应用[J]. 地下空间与工程学报,2012(06):92-94.

[5] 王 琦,李术才,李为腾,等. 基于地质预报的煤巷顶板事故防治研究[J]. 采矿与安全工程学报,2012(01):92-94.

SimulationAnalysisofSeismicEffectforRoadwaySurroundingRock

WANGJijun,LONGHe

The numerical simulation of a rock blasting in a roadway is carried out to simulate the blasting seismic effect on the surrounding rock. The numerical simulation results are compared with the theoretical solution of the velocity analysis to verify the correctness of the simulation. The influence in the axial direction on the peak velocity of the surrounding rock is smaller than that of the radial direction measured in distance, so the effect of the blasting seismic wave on the radial rock is greater than that on the axial rock. Therefore, in the actual project to special attention should be paid to the protection of the roadway surrounding rock.

Roadway surrounding rock; Blasting seism; Numerical simulation analysis; Analytic comparison

TD235

：A

：1672-0652(2017)07-0031-05

2017-06-08

王骥俊(1985—)，男，山西平遥人，2010年毕业于中国矿业大学(北京)，工程师，主要从事煤炭开采技术研究工作(E-mail)zfg3259@163.com