爆破震动作用下巷道稳定性

会计学1爆破震动作用下巷道稳定性冲击波、应力波和地震波应力波波型及其特征：纵波：波的传播方向和介质振动方向相同，波速为cPE、μ、ρ－岩石的弹性模量、泊松比和密度；g－重力加速度。特征：纵波为压缩波。在传播中引起岩体中交替出现压－拉应力。

vr、vθ－质点运动速度的径向和环向分量。计算时可简化为简谐波（波型参数用周期、波长和频率描述）。第1页/共45页冲击波、应力波和地震波应力波波型及其特征：横波：波的传播方向和介质振动方向相垂直，波速为cs特征：横波在岩体中传播时引起剪应力。计算时也可简化为简谐波。地震波地震波传播区：在爆源远区，即超出（400～500）R0以外。特征：波长较大，振幅较小；导致岩体中裂隙张开并影响工程稳定性。第2页/共45页影响应力波的因素岩石性质：岩石的种类、组成、孔隙性、含水率等都影响应力波波速。结构致密、含水量高，则应力波波速高；声阻比（岩石纵波波速与密度之乘积）越小，质点速度越大；岩石硬，正压作用时间短；反之则越长（质点位移越大）。炸药种类：炸药威力越大，应力波参数（岩石质点速度、正压作用时间、质点位移）也越大。药包形状与结构：球形药包产生的应力波参数比延长药包的小。因此，应力波受多种因素影响，岩体中实际传播的应力波与理论上的波形不同，为探讨其规律仍要用简化模型。第3页/共45页应力波的界面效应界面效应：应力波传播途中遇到断层、层面、裂隙时，应力波的一部分发生折射或绕射，另一部分反射，并都以波的形式表现出来。原有的应力波被衰减或传播特性受到干扰，其影响程度取决于层面数目、层内介质性质等因素。自由界面：当直达波（纵波、横波）到达自由边界时，将产生反射波，其波形和传播方向取决于直达波参数、传入方向与界面夹角以及岩石性质。纵波为压缩波时，反射波为拉应力波，并以拉应力作用到自由边界表面。直达波在自由表面还会产生一种衍射波如瑞利波（表面波），它能引起巷道周边变形。第4页/共45页应力波产生的应力场各向同性岩体深处，距爆心相当远处一单元体应力状态，是纵波和横波共同作用产生。纵波速度最大（约为横波的1.5～2倍）因此单元体最先受纵波作用。当纵波沿X轴传入时，压缩波波强为p，则单元体上应力为：当横波到达时，单元体受剪应力τ作用第5页/共45页应力波产生的应力场几点认识：研究岩体受应力波作用的效应时，可以分别探讨纵波与横波的作用，综合分析效果；应力波引起的应力场是瞬时的；由于波的相位变化，一点应力状态处在拉压交变之中；当研究点处在自由表面时，除了直达波外，还要考虑反射波的作用，应力状态比较复杂。第6页/共45页8.2爆炸震动作用下巷道应力状态纵波作用下巷道围岩应力状态各向同性弹性体中传播压缩纵波引起的圆形巷道周围应力，理论上可引用米尔扎耶夫研究成果。问题描述：压缩波波强p，沿X轴方向传入，假设为平面谐波式中，ω=2π/T；T－振动周期；A－振幅。第7页/共45页纵波作用下巷道围岩应力状态其应力分量和位移分量为如果已知φ和ψ，则岩体中初始应力场为可证明σy=λσx。此应力场下圆形巷道周边环向应力

R0、J－相当于t=0和t=T/4时应力的实部和虚部。第8页/共45页理论分析分析：μ＝0.35，λ/(2a)=0.895巷道周围应力分布不均，随应力波周期而变；t=0,1/8T,7/8T时为压缩半波作用；t=3/8T,1/2T,5/8T时为拉伸半波作用；t=1/4T,3/4T时从压缩半波转到拉伸半波；最大压缩半波(t=0)时巷道周边最大环向应力(1.8σx)发生在巷道顶板，最大拉伸半波(t=T/2)时最大环向应力(－1.8σx)也在θ=π/2处。第9页/共45页理论分析随应力波波长增加，周边拉、压应力集中系数增大。λ/(2a)=2.415时应力集中系数为2.46，λ/(2a)=15.7时达到3.16，超过静力场时状态。实测资料表明，除低弹模岩石外，岩体中纵波速度为3700～6700m/s，相应波长为7.4～45m。因此，在现有矿山工程尺寸情况下，λ/(2a)>3时的应力波对工程岩体稳定性的影响更具实际意义；第10页/共45页理论分析纵波作用下巷道周围的径向应力也随应力波周期变化而异；不同时期应力分布形式基本相同，应力值有差别；在应力波作用一侧围岩径向应力要大于其它方向。第11页/共45页数值分析动应力场数值解法结果与理论分析结果相似。研究结果表明：例：把爆破荷载简化成三角形波形，采用有限元计算得到的巷道周边环向应力分布图。应力波作用下，巷道周边环向应力分布是非对称的；巷道在迎爆方向的应力大于背爆方向的，两者相差近20倍；应力波传播一个周期后，有波的叠加现象。第12页/共45页横波作用下的应力场横波速度低于纵波，所以巷道围岩在经受压、拉应力波作用后，还要受到剪切波作用。理论解设横波沿X轴传入，其参数为式中B为常数，β为系数。则作用在岩体上产生的初始应力分量为第13页/共45页横波作用下的应力场按弹性理论求出τxy应力场作用下孔口周边(不支护巷道周边)环向应力。分析：λ/(2a)越小，环向应力分布越不均匀；在λ/(2a)=31.4，按动、静载得到的结果几乎完全相同，表明波长较大时可以用准静载来确定横波引起的围岩应力场。第14页/共45页动载下巷道周边不平整时围岩应力理论研究证实，应力波作用下：不平整周边的凹陷处应力集中显著增加；传递拉伸波时为拉应力集中，这是围岩中裂隙产生与扩展的主要原因。第15页/共45页小结关于应力波作用下巷道围岩应力状态的几点认识：（1）应力波作用下，巷道周围应力分布不均，应力波入射方向围岩应力大于背爆方向的应力。（2）应力波为周期变化，围岩应力场则是交变的，同一地点既要承受压应力作用，又要承受拉应力。爆破引起的动应力场可用动应力集中系数表示应力值。（3）爆破震动效应与应力波波长和巷道跨度之比有关。随应力波波长增加，巷道动应力集中系数增大。在应力波波长较大且λ/(2a)>3时，可用准静载解。λ/(2a)<3时必须按动力学问题处理。（4）巷道周边不平整对动载作用更敏感，应力集中变化大，更易导致围岩破坏。实际情况下还要考虑直达波引起反射波影响以及围岩性质变化和结构面的存在。第16页/共45页8.3爆破震动作用下围岩变形和破坏动应力引起的围岩变形爆破产生的围岩动应力将引起围岩瞬时变形。动载下围岩位移分布，它与岩石性质、岩体结构、工程断面尺寸等有关，还取决于应力波参数、与爆源中心距离以及应力波传入方向。应力波作用下巷道顶板和两帮位移不一样，通常应力波传入一侧围岩位移最大。第17页/共45页动应力作用下围岩破坏机理波的传播过程：直达压缩波到达自由表面时，A点受压缩波前作用。在极短t1时刻A点移到新位置2′，同时产生反射拉伸波（2″至2′）抵消一部分压缩波前。经t2时刻，巷道表面A点移至3′点，直达波前降至3″点，反射拉伸波为3′至3″区。第18页/共45页动应力作用下围岩破坏机理直达波能量耗尽后，围岩本身抗力使A回到原位，所有波移向岩体内部。点4通过初始位置时，巷道表面开始出现反射压缩波，但幅值很低，5′点。破坏机理：直达压缩波引起围岩应力集中导致围岩破坏是整个破坏过程的第一阶段，反射拉伸波的出现标志着破坏进入第二阶段，两个阶段间隔很短。反射拉伸波产生的拉应力超过抗拉强度时，在围岩中出现平行于巷道周边裂隙，此后，如果直达波尚未完全消失，在有裂隙的地方还要产生反射拉伸波，如此重复出现，加速围岩破坏过程。第19页/共45页围岩破坏类型（1）环向裂隙与剥层破坏整体结构岩体中，爆炸应力波（压缩波）在巷道表面反射拉伸波，形成沿巷道轴方向纵裂隙和平行巷道周边环向裂隙。（2）块体滑落块状结构岩体中，应力波使结构面张开，并附加惯性力使块体滑落。（3）围岩破坏区破坏区形态依岩体结构、巷道与岩层空间位置及应力波传入方向而不同。受不同方向爆破时，还随爆破方向和次数、时间过程变化。第20页/共45页8.4爆破震动效应的现场研究现场测震的意义应力波传播受多因素影响，是一个复杂物理过程，很难用统一力学模型描述其规律，现场测震研究更有意义，可以给出以下结果：①应力波波型参数及其衰减结果；②动应力大小及其分布；③爆炸地震波作用下的工程安全距离；④震动作用下支护效果的评价，等等。量测参数和仪器可测振动参数：岩石质点振动位移、速度和加速度，可相互换算。量测参数选择依据：反映围岩破坏主要因素；易量测，便于力学分析。量测参数：速度和加速度。第21页/共45页量测参数和仪器量测方法：应力波垂直巷道轴线传入时，直接量取质点径向和环向的速度(加速度)分量；应力波传入方向与巷道轴线斜交，除径向和环向分量外，还要量测同一质点上的轴向分量，确定速度（加速度）最大值和方向。仪器选择依据：依据测试震动波型（地震波、应力波）选择测量。第22页/共45页测震数据分析与应用数据分析：测震数据统计分析可得振动参数在岩石介质中传播规律－衰减规律：Q－爆破炸药量；R－爆心至测点的距离，m；K－振速系数，由试验定；α－衰减系数，由试验定。应用：对地下工程，现场测震可用于：（1）确定巷道周边动应力。如果测得振速v，则该点的动载qD为c－岩体弹性波速；v＝质点振动速度；γ－岩石容重；g－重力加速度。巷道周边的动应力为KD－动应力集中系数；D(巷道直径)>λ(波长)，KD=0.8Kc(静载应力集中系数)；D<λ时，且0<D/λ<0.25，取KD=Kc。第23页/共45页测震数据分析与应用（2）评价爆破影响下工程岩体稳定性。判据：围岩质点振速达到岩石临界振速时，围岩就会失稳。岩石临界振速条件：围岩在动、静载作用下产生的动、静应力之和等于岩体动力强度。σ－岩体总应力；σc－静载（初始应力）下产生的应力；σD－动载下产生的应力。岩体动力强度：比静载高，以RD=KRRt表示动抗拉强度。KR动力强度提高系数，一般取1.1～1.2。Rt静抗拉强度。动抗拉确定与相同动载的其它强度相比也是最低的。第24页/共45页测震数据分析与应用则岩石临界振速为c－岩体波速，围岩处在弹性阶段取弹性波速，出现裂隙时取弹性波速一半；KD－动应力集中系数，与巷道断面形状有关，按表选取；σc－静载下巷道周边应力σθ，可取理论值。由此可计算围岩在弹性阶段、出现裂隙、局部冒落以及大面积塌方时的临界振速，用于对围岩状态估计。实测岩石质点振速v≥[v]，就会出现某种破坏；v＜[v]，是安全的。第25页/共45页测震数据分析与应用根据实测质点振速，按表（长江科学院）也可估计围岩稳定状态。（3）确定安全距离。根据衰减规律及临界振速，可得出不支护巷道不失稳时的安全距离第26页/共45页8.5回采进路测震实例地质和开采条件矿体为磁铁矿，上盘围岩为角闪岩，下盘花岗岩；矿岩中结构面中等发育，矿体被断层切割；采用无底柱分段崩落法开采，分段高10～14m，进路间距10m；进路断面为直墙三心拱形，大部分采用喷锚支护。中深孔爆破落矿，孔径90mm，扇形布置；最小抵抗线2～2.5m，火雷管起爆，三段微差爆破；分段最大药量150kg，2＃岩石炸药。目的：弄清爆破对进路稳定性的影响。第27页/共45页测震方法（1）测试系统YD－1型加速度计，配ZK－2型阻抗变换器、GZ－2型测震仪和SC－16光线示波器组成。使用前要在振动台上进行标定，并确定频率范围、灵敏度和稳定性。（2）测点布置与安装安装：巷道表面钻直径40mm、深100mm的孔；将有机玻璃绝缘片固定在孔中，连上加速度计。第28页/共45页测点布置（3）确定爆心位置第29页/共45页测震方法（3）确定爆心位置扇形中深孔爆心坐标根据每个孔的药量及重心坐标经计算确定。（4）同步起爆要测试生产爆破引起的震动效应，要求起爆与记录仪器同步开动；又必须保证爆破地点与测试地点之间有足够的安全距离，要求远距离起爆。因此采用电点火起爆火雷管的办法。测试前要铺设测试线路。检查联线，选择仪器量程。第30页/共45页测试结果与分析（1）应力波波型分析记录的振动波型：第31页/共45页测试结果与分析采用直观分析法量测主振相和波峰间距：（2）质点加速度衰减规律根据加速度衰减方程，回归分析得K和α值，得出经验公式为第32页/共45页第33页/共45页测试结果与分析结果分析：I.炸药量越大，爆心距越小，质点加速度越大；II.引爆一侧的加速度大于背爆一侧。另外，所得数据受地质条件影响产生一定偏差是正常的。（3）测试结果及应用该矿条件下，最大分段药量Q=150kg，爆心距R=9.86m，可算得进路周边质点最大加速度为14.4g。应力波视为谐波时，质点径向速度vr=a/ω(ω为振动圆频率ω=2πf)，质点动应力为a=14.4g时，径向地应力为0.69MPa。第34页/共45页8.6动、静载作用下巷道稳定性评价与支护选择动、静载作用下巷道稳定性的特殊性（1）各类矿山巷道的稳定性要求不同矿山巷道种类多，稳定性评价时要考虑服务年限。I.第一类巷道，服务年限久(井筒或主要洞室)，要求高，使用期间不允许围岩或支架有任何变形或破坏。具体评价时要从两方面考虑：①按强度准则评价围岩稳定性，围岩内任一点动、静应力之和应低于岩体的计算强度；②有支架时，支架上动、静载不能超过支架承载能力。II.第二类巷道，服务年限10年左右(阶段井底车场、主要运输巷道)，要求低一些，允许围岩或支架出现微裂隙，但不影响正常使用；III.第三类巷道，服务年限2～5年(采区运输巷、人行道、通风井、溜井等)，允许围岩或支架上有裂隙或小的片落，限整个服务期间不扩大到妨碍正常使用。第35页/共45页动、静载作用下巷道稳定性的特殊性III.第三类巷道，服务年限2～5年(采区运输巷、人行道、通风井、溜井等)，允许围岩或支架上有裂隙或小的片落，限整个服务期间不扩大到妨碍正常使用。VI.第四类巷道，服务年限小于2年(切割巷或临时措施巷道等)，允许有局部冒顶或片帮、支架变形，限使用期不危及安全。（2）巷道要经历不同受载时期以采准巷道为例，要经历三个时期：I.掘进完成到采场生产之前，远离其它采区时，主要受初始应力场静载作用；II.采动影响期，爆破振动，地压迁移等都多巷道稳定性有影响；III.生产结束或远离，动载消失，残留大量裂隙或累积变形，状态恶化。第36页/共45页动、静载作用下巷道稳定性的特殊性（2）动、静载作用下围岩中最大静应力和动应力作用点往往不一致各自影响因素不同：静载引起的围岩应力场取决于巷道埋深、岩石性质、构造应力及其它生产因素(开采空间尺寸，邻近工程影响)等；爆破引起的围岩动应力场取决于采用的爆破参数、爆心距、巷道尺寸和岩石性质等因素，应力波传入方向也有较大影响；实验研究表明：应力波传入方向与巷道轴一致时，周边质点轴向振速分量大于横断面内环向与径向振速分量，此时应力波引起围岩破坏轻微。应力波传入方向与巷道轴垂直时，巷道断面内径向振速大于环向的，更大于轴向分量，围岩破坏也较严重。第37页/共45页评价方法（1）动、静载作用下的稳定条件动、静载作用下稳定性判别条件有两个：I.直达纵波产生交替拉－压应力作用于巷道周围，其稳定条件为、－在r、θ坐标上的静、动态径向应力；－与上述坐标相同点岩石抗拉（或抗压）强度。II.径向应力出现同时，巷道周边环向应力也可能引起剪切破坏、－在r、θ坐标上的静、动态环向应力；－与上述坐标相同点岩石抗压强度。第38页/共45页评价方法（2）稳定性图表示法稳定图：把动、静载作用下产生的应力和围岩的强度直接进行对比。例：层状岩体中一圆形巷道，应力波传入方向与岩层垂直，判别稳定性。I.确定圆形巷道周边各特征点应力。将各点计算的静应力和动、静应力之和表示到图上(曲线III和IV)。II.确定各点围岩强度。由岩石试块强度按下列影响因素修正获得：①各向异性影响及系数naH；②完整性影响及系数KV；③湿度的影响及系数nW；④爆破震动影响及系数npT；III.计算围岩强度。表示在图上(I－抗压强度；II－抗拉强度)判断：A区稳定，B区失稳。第39页/共45页支架受动载的效应爆炸应力波作用下，不同结构形式的支架在承载能力和支护效果方面有很大差别。实例分析：一条长70m坑道中布置5个试验段（不支护、离壁支护、短锚杆喷网段、长锚杆喷网段、喷锚网段），附近峒室爆破后观察破坏情况。第40页/共45页支架受动载的效应观察结果：不支护段，围岩破坏严重。两帮比拱顶更甚；冒落岩块为断层和结构面切割的巨石。离壁支护段，支架破坏较严重。支架整体移向一侧，拱架坍塌或错动变位，有的半圆拱变成尖拱；每个拱1/4部位有与坑道轴线平行的裂隙。短锚杆喷网段，洞口附件因地质构造复杂，喷层破坏较多，局部冒落高达4.3m；迎爆壁裂隙张开，背爆