露天礦爆破荷載等效施加探究范文

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《金屬礦山雜志》2014年第七期

1計(jì)算方法與原理

以爆破荷載衰減理論為基礎(chǔ)，計(jì)算出露天礦爆破荷載衰減到粉碎區(qū)外邊界上的荷載，等效為三角波荷載，計(jì)算出粉碎區(qū)外邊界三角波荷載的峰值和作用時(shí)間，采用FLAC強(qiáng)度折減有限差分法計(jì)算露天礦邊坡的安全系數(shù)，用以評(píng)價(jià)露天礦邊坡在爆破作用穩(wěn)定性。該方法可分為兩步驟:①爆破荷載等效;②強(qiáng)度折減法求安全系數(shù)。

1.1爆破荷載等效在露天礦爆破中，巖石主要的破壞形式為爆破縱波產(chǎn)生的拉壓破壞，這種破壞會(huì)使得巖石原有裂隙從炮孔壁向自由面方向繼續(xù)發(fā)展。露天礦的開(kāi)采場(chǎng)地和邊坡都是由巖石構(gòu)成，巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，在破壞時(shí)很容易表現(xiàn)為拉伸破壞，爆破過(guò)程中巖石即受到拉應(yīng)力同時(shí)也受到壓應(yīng)力，且?guī)r石處在拉壓混合三向應(yīng)力狀態(tài)下，粉碎區(qū)的巖石受到高壓的爆破作用而破壞，巖石裂紋是由于拉伸作用形成的。本研究采用三角形脈沖荷載的爆破加載形式來(lái)對(duì)爆破震動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此做了大量探討［6-7］，三角形脈沖荷載如圖1所示。其中pm為粉碎區(qū)外邊緣荷載峰值，t1=1ms，t2=5ms。炮孔壁初始爆破荷載峰值有兩種，一是爆破時(shí)形成的氣體壓力作用到炮孔壁的最大值，即爆破氣壓峰值，二是爆破時(shí)炮孔壁沖擊波峰值。

1.2強(qiáng)度折減法求安全系數(shù)利用FLAC動(dòng)力強(qiáng)度折減法［9］計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，對(duì)露天礦邊坡巖體材料參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度折減，折減過(guò)程中考慮到爆破動(dòng)載所引起拉破壞，同時(shí)對(duì)邊坡巖體的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的折減，強(qiáng)度折減法公式如下。

2算例與分析

2.1計(jì)算模型與參數(shù)在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算中，邊坡各尺寸和邊界條件都將影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般認(rèn)為坡腳到模型左邊界的距離是邊坡總高的1.5倍，邊坡頂端到模型右邊界的距離是邊坡總高的2.5，上下邊界不得小于2倍的邊坡總高，此時(shí)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果和精度較為理想［11］。炮孔距離邊坡角20m，兩排兩列，即考慮了爆破時(shí)各個(gè)方向上的相互作用影響。本研究模型尺寸符合建模計(jì)算要求，數(shù)值模型及炮孔位置如圖2所示。

2.2計(jì)算結(jié)果與分析根據(jù)上文所述的加載形式和炮孔模型，模擬實(shí)際的爆破形式，對(duì)爆破動(dòng)載情況下露天礦邊坡進(jìn)行計(jì)算分析，得到邊坡在爆破動(dòng)載下的響應(yīng)特征和安全系數(shù)。為了進(jìn)行對(duì)比研究，將此加載方式與傳統(tǒng)的將爆破振動(dòng)的加速度加載在邊坡模型邊界上進(jìn)行對(duì)比，利用有限差分軟件FLAC3D計(jì)算，進(jìn)行2種加載方式的對(duì)比分析。2種動(dòng)載加載方式在靜力計(jì)算方面都是一樣的，只在動(dòng)力計(jì)算部分不同。FLAC靜力計(jì)算部分用靜態(tài)邊界條件和彈性模型，再在自重情況下算出初始應(yīng)力和位移，初始化后利用FLAC強(qiáng)度折減有限差分法計(jì)算靜力情況下該邊坡的安全系數(shù)和相應(yīng)的應(yīng)力、位移。圖3為該露天礦邊坡達(dá)到屈服極限時(shí)的水平位移云圖，圖4為邊坡的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D，貫通到邊坡頂部。由強(qiáng)度折減法計(jì)算的邊坡在該種范圍的材料參數(shù)內(nèi)聚力為0.06944MPa，內(nèi)摩擦角為34.8541°，由強(qiáng)度折減式(8)得邊坡靜力情況下的安全系數(shù)Fs=1.44。當(dāng)折減系數(shù)小于1.44時(shí)邊坡的滑動(dòng)面不貫通，邊坡不發(fā)生滑動(dòng)，當(dāng)折減系數(shù)大于1.44時(shí)邊坡計(jì)算過(guò)程不收斂，卻滑動(dòng)面迅速貫通，坡頂滑動(dòng)面處位移發(fā)生突變，邊坡已經(jīng)失穩(wěn)破壞。因此，該露天礦邊坡靜力情況下邊坡的安全系數(shù)Fs=1.44。加載爆破荷載時(shí)將爆破荷載等效到炮孔粉碎區(qū)邊緣施加，其爆破荷載等效計(jì)算如式(1)～式(7)，將爆破荷載的各峰值和半徑計(jì)算出來(lái)，本研究取炮孔半徑0.125m，炮孔間距為6m。通過(guò)對(duì)爆破參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算的炮孔粉碎區(qū)邊緣距炮孔中心的距離為0.75m，這樣就是以炮孔中心為圓心，以0.75m為半徑，裝藥位置為炮孔中間三分之一高處，在該圓柱體外表面施加一個(gè)法向的面荷載，荷載矢量圖如圖5所示。研究爆破荷載下的邊坡安全系數(shù)時(shí)，主要對(duì)邊坡在爆破過(guò)程中的塑性區(qū)域的變化進(jìn)行考察，邊坡上塑性區(qū)域是否貫通是衡量邊坡是否穩(wěn)定的重要標(biāo)準(zhǔn)［12］，在此基礎(chǔ)上再對(duì)滑動(dòng)面上的位移(或速度)和計(jì)算是否收斂綜合分析考慮，得到邊坡的安全系數(shù)。

本研究采用強(qiáng)度折減法先將折減系數(shù)減小，使邊坡不發(fā)生失穩(wěn)或極限平衡狀態(tài)，此時(shí)邊坡的塑性區(qū)域沒(méi)有從坡腳貫通到坡頂，再在炮孔上加載上述爆破荷載，計(jì)算完成后看邊坡上的塑性區(qū)域是否貫通，反復(fù)調(diào)整折減系數(shù)，直至加完爆破荷載后邊坡塑性區(qū)域剛好貫通(且再增大折減系數(shù)計(jì)算后坡頂塑性區(qū)處位移發(fā)生突變，計(jì)算不收斂)，此時(shí)的折減系數(shù)為邊坡在此爆破荷載下的安全系數(shù)。如圖6和圖7分別為折減系數(shù)1.43未加爆破荷載邊坡塑性區(qū)域貫通情況和加爆破荷載后塑性區(qū)域貫通情況。圖7塑性區(qū)貫通且在坡頂為受拉破壞;當(dāng)折減系數(shù)大于1.43時(shí)，塑性區(qū)域很快貫通，且計(jì)算不收斂，位移發(fā)生突變，說(shuō)明邊坡已經(jīng)失穩(wěn)破壞，安全系數(shù)不大于1.43;折減系數(shù)小于1.43時(shí)邊坡在爆破荷載下塑性區(qū)域未完全貫通。圖8、圖9分別是在折減系數(shù)為1.43和1.435情況下測(cè)得的坡頂速度時(shí)程圖，折減系數(shù)為1.43時(shí)，最終速度收斂為零，邊坡最終靜止，折減系數(shù)為1.435時(shí)最終速度越來(lái)越大，邊坡發(fā)生滑動(dòng)，因此邊坡在爆破荷載下的安全系數(shù)應(yīng)該為1.43，該判定方法和相關(guān)結(jié)論已被廣泛運(yùn)用。在爆破荷載施加方面，一般情況而言都是將爆破時(shí)在邊坡附近測(cè)得的爆破振動(dòng)速度或加速度以地震波的形式施加在測(cè)點(diǎn)所在的截面上。在上述模型和爆破荷載的情況下，在邊坡坡腳5m處布置兩側(cè)點(diǎn)，兩側(cè)點(diǎn)距離炮孔中心距離不同得到兩個(gè)不同的加速度圖像，如圖10和圖11，再將這兩個(gè)測(cè)得的加速度分別加載到邊坡5m處，計(jì)算出兩個(gè)加速度情況下的邊坡安全系數(shù)，其中圖10是距離炮孔中心較遠(yuǎn)的加速度，加載后計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.445，圖11為距離炮孔中心較近的加速度，加載計(jì)算得到安全系數(shù)為1.415。這種一般常用的等效加載方式會(huì)隨著測(cè)點(diǎn)的位置不同而測(cè)到不同的加速度，要想準(zhǔn)確全面的測(cè)到5m處斷面的所有控制點(diǎn)的加速度是一件比較困難的事情，地下測(cè)點(diǎn)不可能準(zhǔn)確測(cè)出，而且將整個(gè)面上的加速度統(tǒng)計(jì)和分析出來(lái)十分困難。一般在實(shí)際的工程中，研究人員是在離邊坡較近的地方安放爆破振動(dòng)記錄儀，測(cè)得該測(cè)點(diǎn)的加速度或速度來(lái)分析邊坡的穩(wěn)定性，如上所述的分析方法，這種方法存在很大誤差，只能將測(cè)得數(shù)據(jù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)衡量邊坡的穩(wěn)定性，而不能較準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)值模擬。

3結(jié)論

(1)本研究中露天礦爆破開(kāi)采時(shí)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響不大，就本模型而言邊坡安全系數(shù)僅相對(duì)靜力安全系數(shù)下降較小，但炮孔附近區(qū)域由于爆破形成塑性區(qū)較大。(2)本研究針對(duì)露天礦邊坡在爆破荷載下穩(wěn)定性研究提出了一種與實(shí)際爆破荷載更加吻合的加載方式，通過(guò)爆破荷載衰減規(guī)律將爆破荷載等效施加到炮孔粉碎區(qū)邊緣，使得加載方式與實(shí)際爆破荷載形式十分相似，可以在數(shù)值模擬研究中較為準(zhǔn)確的模擬實(shí)際爆破荷載，較為準(zhǔn)確分析邊坡在爆破荷載下的穩(wěn)定情況。(3)數(shù)值模擬時(shí)測(cè)控制點(diǎn)加速度，將加速度加載到模型上分析邊坡的穩(wěn)定，測(cè)得較近點(diǎn)的加速度加載到模型上計(jì)算出來(lái)的邊坡安全系數(shù)就會(huì)比實(shí)際的安全系數(shù)偏小;測(cè)得較遠(yuǎn)點(diǎn)的加速度，計(jì)算出的安全系數(shù)則會(huì)偏大。通過(guò)測(cè)加速度等效加載到模型上的加載方式與本研究加載方式相比存在一定誤差。

作者：胡軍鐘龍單位：遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院