蒋楠1,2，郑晓硕2，张磊2，占建琴2
(1．岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074，2．中国地质大学(武汉)工程学院，武汉430074)
摘 要：采用FLAC3D3.0数值模拟软件，对巷道围岩在自然应力状态下和爆破振动荷载作用下巷道的围岩应力场、变形场和塑性区的状况及其变化特征，进行了计算机数值模拟。得到了采矿巷道的应力场和变形场，根据结果对比分析得出深孔爆破振动荷载对巷道围岩的影响及其特点。
关键词：FLAC3D；深孔爆破；爆破振动；巷道；动力荷载；数值模拟
1 引言
对于地下矿山开采而言，保证巷道稳定是矿山安全稳定生产的前提。在矿山回采的过程中，采用大直径深孔爆破的落矿方案，由于规模大、频次多、药量集中、地下采矿空间密闭等原因，爆破效应对采矿工程安全稳定的破坏是客观存在和难免的[1]。国内外学者对爆破振动的影响问题已做了许多研究[2-5]。Datta等人用渐近匹配展开法研究了柱形空腔的SH波、P波和SV波的散射，得到了远场渐近表达式及数值结果，并对任意柱形空腔的动应力集中和位移场进行了研究[2]；易长平、卢文波运用LS-DYNA软件研究了不同炮孔爆破、不同分段方式和起爆顺序对邻近隧洞的振动影响[3]；毕继红、钟建辉采用ANSYS软件对既有隧道受邻近爆破振动影响进行了研究，分别就不同围岩类型、不同隧道间距情况下既有隧道的振动进行了分析[4]。本文结合安徽铜陵冬瓜山采矿巷道的生产条件与爆破环境，利用FLAC3D 3.O软件，从巷道的应力场和变形场着手，研究爆源区位于所研究巷道正下方的爆破振动荷载对凿岩巷道围岩的影响。
2 FLAC动力学分析基本原理
在FLAC3D动力计算中，动力分析被视为模型的一个载荷条件与模拟序列的一个独特的阶段。静力平衡计算总是先于动力分析。通常，动力分析有四个阶段：①确定模型满足波精确传播的条件。即使是在执行静态解答前，这一检验也必须执行，因为计算开始后网格不能再改动。②规定合适的机械阻尼。③施加动荷载。④设置模型动力响应的监测，应注意动力载荷、边界条件、阻尼选择三个方面。
2.1 动力荷载与边界条件
FLAC3D依靠在模型边界或内部结点应用输人的动力边界条件来模拟区域材料受到外部或内部动力荷载。为保证计算的精确度在模型边界上的波的反射需要被最小化，因此需要设置动力边界条件，包括静边界和自由场边界两种。本文模拟分析中采用自由场边界。网格剖分的尺寸受输入波动的最短波长控制。设网格的最大尺寸为△l，输入波动的最短波长为λ，则△l必须小于(1／10～1／8) λ。本次模型的网格尺寸为10m，在此要求之内[6]。
2.2 动载输入
在FLAC3D中，可以用加速度时程、速度时程、应力(或压力)时程和位移时程4种方式输入动载。动载输入可以施加在所建立模型的坐标轴方向上，或根据模型边界的法向或切向施加。确定的边界条件不能在同一边界段混合施加[7]。
当在模型边界上施加速度时程或加速度时程时，一个限制是边界条件在静(黏性)边界条件的情况下，不能施加在同一边界，因为此时在这一方向上静边界将无效。这时应该将速度时程或加速度时程转化成应力时程，再施加到这一边界上。
2.3 阻尼的选取
FLAC3D中，采用了瑞雷阻尼和局部阻尼两种形式的阻尼。局部阻尼是在静力计算中用来使结构达到最终平衡的，也可以用来进行动力分析；瑞雷阻尼是结构分析和弹性体系分析中用来抑制系统自振的，通常可以用下式来表示：С=αΜ+βΚ
式中：α，β分别为质量阻尼常数和刚度阻尼常数；Μ为质量矩阵；Κ为刚度矩阵；С为阻尼矩阵。
3 两种状态下的巷道围岩变形机理模拟
3.1 动载输入
在模拟过程中，采用速度时程的方式加入爆破振动荷载，施加方法是：通过TOPVIEW2000虚拟仪器软件，自动生成时间速度EXCEI。表格，复制生成TXT文本文件，作为FLAC3D命令流文件导人荷载。
本文所研究的是安徽铜陵冬瓜山铜矿采矿爆破现场一730m水平采场大直径深孔爆破，对一670m采矿凿岩巷道围岩的影响。爆源区位于所研究巷道的正下方，所以在施加荷载的时候，爆破振动荷载采用垂直的方式加入模型的整个底面，并且是以变化的面荷载的形式加入的。加人现场实测爆破振动的数据，振动波形如图1所示。
3.2 数值模拟计算与分析
为了了解爆破振动荷载作用下该水平巷道围岩应力应变状况，在所建模型中施加自然应力进行模拟计算达到平衡后，加入动荷载后进一步的模拟计算。这里列出两次模拟结果中的剪应力云图(略)，以及在两次模拟的过程中设立的三个监测点，并分别分析了：a点(15，1，11.8)，即巷道拱顶位置的Z方向位移曲线图(见图4)．b点(12.65，1，9.23)即巷道直墙中部位置应力曲线图(见图5)；c点(12.65，1，8)，即巷道直墙底部位置的加速度变化曲线图(见图6)(自然应力状态下加速度为零)。a、b、c三个监测点的数值模拟对比分析的结果如表1所示。
表1数值模拟结果对比分析
|
监测点
|
参数类别
|
自然应力状态下
|
爆破振动荷载下
|
|
a
|
Z方向位移
|
位移从-1.49×10-5慢增加到-1.585×10-5,如图4(a)所示
|
位移呈波形变化,变化趋势与所测振动波形大体一致,正向位移最大为1.404×lO-5,负方向最大位移为l.671×lO-5，如图4(b)所示
|
|
b
|
最大应力
|
所受应力为压应力，应力量值从5.693×105缓慢增加到9.570X105，如图5(a) 所示
|
所受应力为压应力，并且呈波形变化，变化趋势与所测振动波形大体一致，应力量值最小为8.656×105，最大为1.029×106，如图5(b)所示
|
|
c
|
加速度
|
加速度为零
|
加速度同样呈波形变化，与所加振动波形大体的变化趋势一致，最大正方向加速度为1.392×101，最大负方向加速度为-1.801×lO1，如图6所示
|
|
|
剪应力
|
巷道的拱角以及底板底角位置都出现了剪应力集 中，压应力最大为2.485×105，拉应力最大为2.5×105，如图2(a)所示 如图2(b)所示
|
巷道的拱角以及底板底角位置都出现了剪应力集中，压应力最大为2.761×105，拉应力
最大为2.4377×105，
|
|
|
塑性区
|
围岩巷道在拱顶与边墙底角位shear-p，即表示现在弹性状态，但曾有过剪切 破坏的区域[8]，巷道的边墙角出现小范围的shear-p
区域。
|
围岩巷道在边墙底角以及底板位置出现大范围的shear-p区域。
|
4 结 论
通过对安徽冬瓜山铜矿采矿爆破振动对巷道影响的数值模拟研究，主要获得以下几点结论：
(1)巷道围岩在爆破振动荷载作用过程中，围岩应力场、变形场的变化趋势曲线与振动载荷波形曲线大体一致。
(2)模拟中巷道围岩塑性区的变化为进一步研究围岩体的累积的损伤失稳提供了依据。对比自然应力状态下与爆破振动荷载作用后的巷道围岩塑性区得出：巷道正下方的采矿爆破产生的爆破振动对巷道围岩产生了一定的损伤，且损伤区域集中在巷道的底板围岩上。可以预测在矿山爆破规模大、频次多的情况下，采矿工程围岩体的损伤将会累积并且进一步加剧，进而对采矿工程围岩体的稳定性造成影响。
参考文献：
[1]张志毅，王中黔．工程爆破研究与实践[M]．北京：中国铁道出版社，2004．
[2]刘慧．邻近爆破对隧道影响的研究进展[J]．爆破，1999，16(1)：57—63．
[3]易长平，卢文波．开挖爆破对邻近隧洞的震动影响研究[J]．工程爆破，2004，10(1)：1—5．
[4]毕继红，钟建辉．邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究[J]．工程爆破，2004，10(4)：69—73．
[5]阳生权．小线间距施工隧道爆破地震影响下既有隧道围岩线性动力分析口]．工程爆破，1998，4(1)：1—6．
[6]刘波，韩彦辉．FLAC原理、实例与应用指南[M]．北京；人民交通出版社，2005．
[7]乔宪队．爆破震动对临近隧洞的动力响应分析[D]．中南大学，2007．
[8]杨小林．开挖爆破对围岩损伤作用的探讨[J]．爆破，2003(增刊)：19—23．
检测平台
