温海波1,陈庆凯1,田益琳2,刘舒朗1,郭赵杰1
(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司,河北 唐山 063700)
摘 要:基于露天台阶爆破振动现场监测试验与数值模拟的方法,研究爆破地震波在露天边坡传播过程中高程放大效应的产生及其变化规律。结果表明,爆破地震波在露天边坡中传播,整体上呈现衰减的趋势,局部出现放大效应,爆破振动的高程放大效应是由于爆破地震波在坡面反射叠加效应以及露天台阶在爆破振动作用下的鞭梢效应导致的。
关键词:爆破振动;现场监测;数值模拟;高程放大效应
THE STUDY OF THE MONITORING AND NUMERICAL SIMULATION OF ELEVATION AMPLIFICATION EFFECT OF BLASTING VIBRATION IN THE OPEN BENCH
Wen Haibo1 Chen Qingkai1 Tian Yilin1 Liu Shulang1 Guo Zhaojie1
(1. School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University, Liaoning Shenyang 110819,China; 2. Hebei Iron and Steel Group Sijiaying Yanshan Opencast Iron Mine, Hebei Tangshan 063700,China)
Abstract:Based on the on-site monitoring and numerical simulation experiments of blasting vibration of open-air steps, the generation and variation of the elevation amplification effect of blasting seismic waves during the open-air slope propagation are studied. The results show that the blasting seismic wave propagates in the open slope, and the whole shows a tendency of attenuation. The elevation amplification effect occurs locally, The elevation amplification effect of blasting vibration is caused by the reflection superposition effect of blasting seismic waves on the slope and the whiplash effect of the open step under the action of blasting vibration.
Key words:blasting vibration, on-site monitoring, numerical simulation, elevation amplification effect
0 引 言
目前,国内矿山或其他工程在做爆破设计过程中,没有考虑高程差对爆破地震波的影响,通过大量的爆破实践发现,爆破振动的高程放大效应能够使得爆破地震波在高程上出现局部的放大现象[1,2]。为了保证露天高边坡的稳定性,掌握高程影响下边坡爆破振动传播机理,控制爆破振动效应是工程应用中的关键问题。爆破实践证明,在正高差的地形或建筑物中,爆破振动的强度,包括质点振动位移、峰值振速以及加速度都出现了一定程度的高程放大现象[3,4]。郭学彬等[5]根据的不同爆破振动监测实例,分析了不同类型的坡面对爆破振动的高程效应的影响,认为爆破振动高程放大效应的实质是坡面效应。唐海[6]等结合波动理论和数值模拟,发现正负高差对爆破振动的影响不同,凹形地貌对爆破振动有明显的衰减作用,凸形地貌对爆破振动有明显的放大作用,爆破振动波放大的实质是地震波在自由面上叠加的结果。舒大强[7]认为爆破振动高程放大效应与边坡的坡度有关,当坡度比大于1/2时,边坡开始表现高程放大效应,反之,则不表现放大效应。周同龄[8]认为影响爆破地震波传播的主要因素是自由面和地表波阻抗不连续面的存在。
本文结合司家营研山露天铁矿现场爆破振动监测与数值模拟的方法,对爆破地震波在露天边坡中传播的高程放大效应进行分析;并且结合现场监测数据提出台阶地形条件下爆破振动速度预测模型。
1 爆破振动高程放大效应现场监测
利用成都泰测科技Blast-UM型爆破振动监测仪器对研山采场东帮边坡进行爆破振动监测。结合现场生产爆破计划,分别在东帮以及东北帮边坡不同高程的台阶上布置6个测点,共布置三个台阶,分别在每个台阶的坡底及坡顶各布置一个测点。测点布置如图1所示,其中1、2、3、4、5、6分别为监测点,1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#分别为7条测线。
2 爆破振动监测结果及分析
表1列出了7次现场爆破振动监测中的各测点的峰值振速、爆源距、振动主频率等情况。
从表1中可知,各个监测点在水平径向(X方向)质点峰值振速的范围分布在0.42~8.31 cm/s内,其振动的主频率分布在7.2~21.2 Hz;质点在水平切向(Y方向)质点峰值振速范围分布在0.25~9.89 cm/s,振动主频率分布在7.8~41.5 Hz;质点在竖直向(Z方向)峰值振速范围分布在0.53~14.63 cm/s内,其振动主频率分布在8.8~29.1 Hz;质点矢量合速度主要分布在0.68~15.07 cm/s的范围内。
对监测数据进行分析可知,爆破地震波沿边坡传播,随着爆距和高程差的增大,监测点的峰值振速在整体上呈现衰减的趋势,但是在局部区域出现了随着爆距与高程的增大质点峰值振速出现增大或衰减变缓的这一异常现象。并且分析同高程台阶坡顶与坡底的监测数据发现,爆破振动在台阶坡顶位置由于鞭梢效应的影响产生了明显的放大效应。
将表1中的异常监测数据提取出来,分别对每一次爆破振动监测数据进行分析,如表2所示。
通过分析异常数据可发现,这种异常现象也存在两种形式,这里用形式一、二来加以区分,将边坡进行简化,如图2所示。
如图2所示,1 #、2 #测线属于形式一;5#测线属于形式二;结合监测数据可知:对于形式一而言,V3>V2>V4;对于形式二,V3>V5>V4。
针对于形式一这种情况,在边坡的内部引入了一个监测点3'、5',其中监测点3'与监测点2在同一水平上,如图3所示。
如图3(a)所示,监测点2与监测点3´同处于同一水平,距爆源的水平距离R2<R3’,所以由即萨道夫斯基公式可知,V2>V3’;又由测点3与测点3'水平爆距R相同,之间的高程差为,又由V3>V2可知,V3>V3’,说明测点3的振动速度相对于测点3'被放大了。同理,对于图3(b)中的情况,也可证明V5>V5’,说明测点5相对于测点5'其振动速度被放大了。
通过对爆破振动监测结果分析可知,爆破振动在露天边坡中传播存在高程放大效应,并且这种高程放大效应是局部的、相对的。
3 爆破振动高程放大效应的数值模拟
3.1 参数的选取
假设岩体材料是连续的、均匀和各向同性的弹塑性材料,选择LS-DYNA中塑性随动硬化模型(关键字*MAT_PLSASTIC_KINEMATIC)作为岩体材料的弹塑性屈服模型。该模型是各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型,与应变率相关,可考虑失效,其应变率采用Cowper-Symonds模型。本文采用的岩体材料分别为:1-微风化黑云变粒岩;2-强风化黑云变粒岩;3-黑云变粒岩;4-磁铁石英岩;5-白云母片岩;6-混合岩化黑云变粒岩。其岩体物理力学参数的选取依据为《强渗流对研山铁矿特厚冲积层及基岩边坡稳定性影响与工程防护研究报告》,详细参数见表3,其几何模型如图4所示。炸药材料及状态方程参数如表4所示。
炮孔的填塞材料选用线弹性软泥材料(关键字*MAT_ELASTIC),材料参数见表5。
3.2 模型的建立
利用LS-DYNA程序建立爆破模型,台阶高度为15 m,台阶坡面角为65°,安全平台宽度5 m;炮孔的孔网参数为,爆破方式采用逐孔起爆,最大单段药量750 kg(乳化炸药),以此为基础建立台阶爆破模型。模型的炮孔轴线平行于Y轴,其直径为310 mm,炮孔长度17 m,堵塞8 m,超深2 m,装药长度9 m。为了降低计算工作量,在不影响计算精度的前提下对该模型进行了简化,以通过炮孔轴线的平面为对称面建立1/2模型,模型总尺寸为220 mx145 mx40 m,在建模过程中,炮孔装药采用耦合连续装药的方式,炸药、岩石、填塞材料之间都采用共节点建模,图5为边坡的计算模型。
Fig.4 The geometry model of slope Fig.5 The calculation mode of slope
3.3 数值模拟结果
为了评价本文数值模拟效果的好坏和验证该数值模拟过程能够较准确的反应司家营研山露天铁矿爆破地震波沿边坡的传播规律,本文按照现场4 #、5 #、7 #测线(单孔药量750 kg)的布点方式,在模型的边坡坡面布置6个监测点,监测爆破振动在露天边坡坡面上的质点峰值振速,并与实测的数据进行对比,如图6、7所示。
如图7,通过实测数据与数值模拟结果进行对比分析可知,数值模拟的结果与现场实测结果在数值上相差不大,测点振动速度的衰减规律基本一致。考虑到对爆破振动传播规律的数值模拟过程为理想状态,且忽略了节理裂隙等细节,不能将复杂的边坡完全模拟出来,可能导致计算结果与实测数据存在一定差异。但从总体上来看,模拟的效果较好,说明本文对爆破振动传播规律的数值模拟的模型建立及材料参数的选取具有合理性,可以利用该模型来模拟爆破地震波在研山东帮边坡中的传播规律。
通过现场爆破振动监测数据分析可知,爆破振动沿露天边坡中传播存在局部的高程放大效应。本文为了研究爆破振动在露天边坡中的高程放大效应,通过后处理软件在该模型边坡坡面及内部设置多个监测点,分别监测台阶坡面上不同位置测点及其对应在距爆源同一水平线上测点的振动峰值情况,如图8所示,获取监测点峰值振动速度,如表6、7所示。
(1)分别监测测点布置在台阶坡顶及其对应在爆源同一水平投影线上测点的振动情况,然后通过计算高程放大系数来表征爆破振动的高程放大效应。其中高程放大系数表示为在爆心距相同的情况下,相对高程大的测点峰值振速除以相对高程小的测点峰值振速,如表6所示。
(2)测点布置在台阶坡底及其对应在爆源同一水平投影线上投影点的振动情况,如表7所示。
由表6、7可知,爆破振动在露天边坡中传播,监测点无论在台阶坡顶还是坡底其在竖直向的峰值振速相对于其对应在爆源同水平投影线上测点的振速都出现了放大现象,说明爆破振动在露天边坡上传播,测点竖直向的峰值振速出现了高程放大效应。分析其放大系数发现,测点随爆距与高程的增大,放大系数逐渐减小直至小于1,说明爆破振动的高程放大效应随爆距与高程的增大逐渐减小直至消失,模拟结果表明爆破振动的高程放大效应是局部的、在一定范围内出现的并且是具有方向性的。而对于测点在同高程台阶坡顶位置放大系数大于台阶坡底,说明爆破振动高程放大效应在台阶坡顶位置更加显著,这主要是由于台阶坡顶位置自由度更大,产生了鞭梢效应的影响。
通过对爆破振动在露天边坡中传播规律的数值模拟可知,爆破振动在爆距一定的条件下随着高程的增大在一定范围内存在高程放大效应,并且这种高程放大效应是相对的,与选择的参考系有关;当选取与爆源同水平为参考系,爆破振动的高程放大效应随爆距与高程的增大逐渐减小至消失,并且高程放大效应具有方向性,其在竖直方向表现的更为显著。
为了进一步分析爆破振动随高程的变化规律,本次分别在水平爆距R为57 m、77 m、92 m、107 m的位置,在坡面测点与其投影点之间均匀选取若干个测点,分析测点水平向及其竖直向峰值振速在爆距R一定的条件随高程差变化的规律,测点布置如图9所示,监测结果如图10所示。
从图10可知,质点峰值振速随着高程的增大,在越接近于台阶坡面位置时,其振动速度出现了快速增长的迹象,这种现象可导致爆破振动在台阶岩体部位产生高程放大效应。对于这种现象的产生可运用爆破地震波的反射与折射叠加理论进行解释,爆破地震波在越接近于台阶岩体部位时,由于自由面的反射叠加效应增强导致爆破振动出现放大现象;其次由于台阶坡面自由度增大,在爆破振动作用下露天台阶产生了鞭梢效应,使其振动强度得到加强,这也可导致爆破地震波产生局部的高程放大效应。
通过对爆破振动传播规律的数值模拟可知,露天台阶对爆破地震波传播具有明显的放大作用,主要是由于台阶自由面对爆破地震波的反射叠加以及台阶本身在爆破振动作用下产生“鞭梢效应”的影响。由于本文的模拟结果是在假定岩体介质为均匀各向同性条件下得到的,然而实际的露天边坡由于爆破开挖带来的影响,在露天台阶部位节理裂隙的密度相对于边坡内部而言要大,爆破地震波的反射与折射叠加的效应在台阶部位要更加强烈,这可导致爆破振动的放大效应更加显著;其次由于在露天台阶部位节理裂隙的增多导致台阶部位的刚度相对于边坡内部要小,致使露天边坡在受爆破振动作用下产生的鞭梢效应要更强烈。所以在实际的露天边坡中爆破振动的高程放大效应要比数值模拟得到的结果要更大。
通过数值模拟结果可知,爆破振动在露天边坡中传播存在高程放大效应,爆破振动高程放大效应与边坡岩体的结构具有很大的关系。爆破振动的高程放大效应在一定程度上会对爆破振动的衰减规律产生影响,特别是在深凹露天矿中,采用经验公式对爆破振动进行预测的值可能要比实际的值要小,所以在计算爆破振动安全允许药量的过程中需要考虑爆破振动高程放大效应的影响,适当的降低安全允许药量,减小爆破振动对最终边帮稳定性的影响。
5 结 论
通过采用爆破振动现场监测与数值模拟的方法,对司家营研山露天铁矿爆破振动的高程放大效应进行研究,得到如下结论:
(1)通过对爆破振动监测结果分析可知,爆破振动在露天边坡中传播存在高程放大效应,并且这种高程放大效应是局部的、相对的。
(2)通过对爆破振动传播规律的数值模拟分析得到爆破振动沿露天台阶边坡传播存在高程放大效应的结论,这种放大效应是相对的、具有方向性的、不是无限放大的,随高程与爆距的增大高程放大效应逐渐减小直至消失。
(3)模拟结果表明在爆距一定的条件下,质点振动速度随高程的增大,在越接近于露天台阶部位时其测点的振动速度出现快速增长的现象,这种现象可导致爆破振动出现局部的高程放大效应。爆破振动高程放大效应产生的实质是爆破地震波在边坡自由面的反射叠加以及露天台阶在爆破振动作用下的产生“鞭梢效应”共同作用下的结果。
参考文献:
[1] 舒大强,何蕴龙,董振华.岩质高边坡开挖爆破震动荷载及其对边坡稳定性影响的研究[J].工程爆破,1996,2(04):39-43.
[2] 舒大强,李小联,占学军,等.龙滩水电工程右岸高边坡开挖爆破震动观测与分析[J].爆破,2002,19(04):65-67.
[3] 谢小军,蒲传金,肖正学,等.邻近埋地天然气管道桥梁桩井爆破振动的高程效应[J].甘肃科技纵横,2011,06:41-43.
[4] 张涛,郭学彬,蒲传金,等.边坡爆破振动高程效应的实验分析与研究[J].江西有色金属.2006(04):6-12.
[5] 郭学彬,肖正学,张志呈.爆破振动作用的坡面效应[J].岩石力学与工程学报,2001,20(01):83-87.
[6] 唐海,李俊如.凸形地貌对爆破震动波传播影响的数值模拟[J].岩土力学,2010,31(04):1289-1294.
[7] 舒大强,何蕴龙,董振华.岩质高边坡开挖爆破震动荷载及其对边坡稳定性影响的研究[J].工程爆破,1996(04):39-43.
[8] 周同岭,杨秀甫,翁家杰.爆破地震高程效应的实验研究[J].建井技术,1997,(S1):32-36.
[9] 胡刚,吴云龙.爆破地震控制的一种方法[J].煤炭技术,2004,23(04):104-106.