文摘

机制的影响因素,如高围压和原位压力引起的深部开采巷道围岩的稳定性,是复杂的。特别是岩体介质的运动和能量释放可能是由于振动引起的传输在地下采矿爆破开挖。在此基础上,通过金属矿山的埋深498米作为一个研究对象,不同的开挖距离的影响屋顶巷道围岩在开挖变形场和应力场的影响,研究了通过使用一个三维数值模型。此外,围岩的屋顶的弱势地位决定。最后,影响裂隙岩体围岩在爆破振动波的传播和能量分布特征进行了分析。研究表明,岩体在开挖巷道走向挖掘空间在工作面不同推进阶段。位移场在横向隧道存在一个心形的分布沿工作面和最大位移出现屋顶结的横向隧道,沿着静脉水平巷道。随着工作面推进距离的增加,震支座失效主要发生在巷道围岩,和拉伸断裂拉伸和剪切破坏发生在不支持的屋顶和地板的道路。随着围压的增加,总能量频带的增加,其增加幅度也上升。此外,能量的频域响应信号爆破震动传播从二级频段主要频带和越来越集中。 With the increase of the damage degree of the roadway, signal energy in the frequency domain is transmitted from the primary to the secondary frequency band and signal energy is distributed more dispersedly. The test results are basically consistent with numerical simulation results. This study could provide technical guidance for the stability evaluation of surrounding rock of underground engineering structures.

1。介绍

作为能源的核心产业,矿业奠定了国民经济发展和社会进步的基础。然而,由于许多矿业以及不确定性高和低水平的管理困难,矿山的安全比其他行业更复杂。基于统计的矿难事故,每年死亡人数将我的各种工程事故占超过60%的工人的总伤亡人数在中国工矿企业的事故率远高于其他行业。近年来,金属矿山的开采深度已经超过1000米。然而,因素,如高围压和原位压力,导致巷道围岩的应力状态不稳定,从而增加支持的困难,容易导致肋骨剥落和屋顶在围岩屈服。围岩的安全是一个综合因素反映出正直、变形特征、强度和应力状态(1- - - - - -3,有很多影响因素和复杂的影响机制。因此,澄清的影响具有重要意义的围压和不同类型围岩在爆破振动对围岩的稳定性(图1)。

在地下采矿爆破开挖引发的振动可以产生许多对围岩稳定性的影响。岩体的爆破荷载的影响可以被看作是运动和能量释放的岩体介质岩体爆破应力波的传播。爆破荷载作用下岩体的失败直接相关岩体的稳定和安全,涉及到相应的工程支持和强化措施。因此,世界上许多研究人员研究了失效理论和岩体模型受到爆破和犯了一个很大的进步。翟et al。4)计算载荷下的动态响应的圆柱形洞穴在有限的时间内基于叠加法。Sinhg [5]探索损害相邻地下煤矿爆破。郭(6]分析了振动影响下不同的爆破模式及其围岩中传播。刘和王7]分析了爆破荷载作用下洞穴的动态响应不同的波形。围岩的爆破失败的原因可以概括为三个基本观点:①失败由于膨胀压力产生的爆炸性气体(8),②失败由于应力波反射引起的冲击波(9],③联合行动的扩张压力产生的爆炸性气体和压力波引起的冲击波。在三个观点,第一个两个理论只单方面强调损伤岩体的爆破荷载的影响从某个方面。然而,第三种理论同时考虑扩张压力的作用产生的爆炸性气体和压力波,通常用于分析实际爆破问题。然而,上述理论都是基于爆破均质材料的特征。关节或骨折引起的非均质性和各向异性岩体可以显著影响爆炸性气体和压力波的传播在岩体,这显然影响爆破岩体的响应特征。失败引起的岩体爆破理论建立了基于岩体的内部结构特征包括弹塑性理论(哈瑞斯模型(10)和费儒模型(11]),断裂理论(成核和生长分裂(NAG-FRAG)模型(12)和BCM模型(11]),和损伤理论13]。不连续结构的影响飞机,如关节,骨折,箱包,在实际岩体爆破特点主要表现为局部应力集中,应力波,增强和能量衰减。如何考虑不连续岩体的爆破振动效应的影响也是失败的研究焦点目前岩体爆破引起的。李(14)提出相应的爆破参数应选择在实际工程根据围岩的地质特征,以获得良好的爆破效果。崔et al。15]探讨骨折和关节的相互作用类型与爆破振动波。此外,他们建议裂隙围岩的破坏方向小于围岩没有关节,而现象,如过度分裂和不均匀的块,存在于当地的围岩。梁等。16)认为,包括关节可以削弱不连续结构面岩体的结构。岩体的结构显示更复杂的爆破荷载作用下的应力场特征,同时的存在结构面明显增加了应力波的衰减率。Rossmanith和Uenishi17]研究爆炸波的传播在关节的关节刚度不同的长处和得出结论,岩体爆破振动波的介质可以过滤高频组件。学者们在世界上深入探讨爆破振动信号的频谱特征在不同爆破参数。例如,影响的因素,如爆破中心距离的充电量,和总充电量对爆破振动信号的频谱特征,进行了研究。然而,很少有研究影响骨折在围岩爆破波的传播在围岩的岩石和能量分布在爆破振动地下巷道的结构。一些学者[18- - - - - -22)研究各种工程结构振动响应信号加载基于小波变换的分析。他们也取得了许多成就在爆破的优化爆破参数和识别过程和爆破振动的安全标准。然而,由于高复杂性和不确定性的地下结构岩体爆破振动荷载,有必要进行系统和深入的研究。

在此基础上,不同的开挖距离的影响顶板巷道开挖围岩变形和应力进行了研究基于三维(3 d)的数值模型。屋顶的弱势地位决定。最后,影响裂隙岩体在爆炸波的传播在围岩和能量分布特征进行了分析。此外,分析结果进行了验证,通过室内试验是合理的。

2。巷道的顶板稳定性的分析

2.1。计算模型和参数

用金属矿山在这项研究中,金矿位于低和温柔在胶东半岛的西部山区,有更好的地质条件与其他金矿相比,坚硬的岩石和低渗透率。项目控制的长度约3000米,厚度从一百多米到数百米。项目展示了一个罢工约45°角和倾向于东南,倾角约42°和明显的岩性分区。的主要断裂表面之间的接触区分布在太古代胶东群在玲珑金矿岩体,与厚度从几十厘米到几米。改变和石英闪长玢岩被广泛开发的主要断裂的下盘表面,和主要工业矿体分布在黄铁矿绢云母和beresitized花岗质碎裂岩。本研究的目的是掌握内部压力,造成围岩的变形和失效特征工作面开采,开采过程中岩体的动力响应。为此,水平工作面与埋深498米的没有。七世金矿矿体是作为研究对象。在此基础上,影响爆破excavation-induced扰动围岩稳定性的模拟使用3 d计算模型。平面分布的埋深498米图所示2。

建立计算模型,通过选择罢工的工作面、运输方式,分别为垂直方向X,Z,Y的方向。为了真正反映围岩环境,3 d模型的尺寸终于决定70 m×30 m×21 m综合考虑分布特征的矿体和围岩和excavation-induced干扰,如图3。该模型总共有65321个元素和73821个节点。水平约束应用于模型的外围和垂直约束对模型的底部。莫尔-库仑模型用于本构关系。获得围岩的稳定性在不同的位置,五个监测表面设置在水平巷道沿静脉,和八个监视点的截面巷道。

最初支持弹性模量E是31.5的绩点,泊松比为0.2,和体积密度是2500公斤/米³。岩石的分析参数计算模型中使用来自地质调查报告,表中列出1。

MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高性能炸药材料在ANSYS / LS-DYNA程序被用于模拟和计算了5×10⁵μ年代,炸药中列出的参数表2。拉格朗日算法用于岩体,和任意拉格朗日欧拉(ALE)算法用于炸药。

2.2。分析矿山围岩稳定的影响

之前分析影响巷道岩石爆破振动的稳定性、位移的变化规律挖掘过程首先分析,显示在图4。

如图4挖掘,挖掘巷道周围岩石移动到空间与工作面推进。横向隧道顶部上的位移场分布沿工作面心形,和最大位移(6.3毫米)被发现在屋顶上结的横向隧道,沿着静脉水平巷道。地板的围岩位移达到最大横向隧道交界处和水平巷道沿静脉,而沿着开挖方向位移场变化不明显的。因为屋顶是不受支持的由于巷道开挖,其位移场变化更严重比在地板上。

进一步明确的屋顶的位移变化水平巷道藤蔓,屋顶的垂直位移不同的监视点计算5的工作面推进距离下,20日和45米。位移的变化曲线如图所示5。

如图5开挖距离的增加,围岩的垂直位移趋于上升。水平巷道沿静脉3米内的横向隧道是显著影响垂直位移变化最明显的是,垂直位移增加62%。当距离水平巷道沿静脉外侧隧道大于3米,垂直位移沿血管变化无关紧要的和最大位移增加30%。总的来说,与开挖距离的增加,巷道围岩变形的增加,而增加振幅趋于减少。特别是,当工作面进步5米以外的监测位置,其变形逐渐趋于稳定。超过20米后,可以认为没有影响。

3 d仿真结果为失败的巷道围岩在开挖工作面是显示在图6。

作为显示在图6,岩体的损伤逐渐累积随着工作面推进深度的增加。由于岩体shear-bearing能力低,围岩主要显示震支座失败,而拉伸断裂和tensile-shear失败主要发生在围岩巷道在不同开挖的屋顶和地板的距离。巷道的开挖,应变能积累水平巷道沿静脉交界处和横向隧道失败区不断发展。随着工作面推进,上覆岩层的失败导致连续剪切,在岩体释放能量积累,降低动力灾害的概率。45米,开挖距离时巷道围岩的后续故障区进入弹性状态逐渐变化。

2.3。分析断裂的影响在围岩应力波的传播特性

调查不同的行为稳定的屋顶和不稳定顶板围岩在爆破振动,本研究首先模拟完整的围岩和屋顶的屋顶爆点时骨折模型的顶部。爆炸波的传播持续了600年μ年代,如图7和8。

如图7,爆破波传播在环初始爆破爆炸中心的舞台。在接下来的80年μ年代,vibration-induced两边向下压力波传播的道路绕过部分道路两侧形成拉应力区到波达到两侧边界和下边界。在170μ年代,大范围的拉伸应力集中发生的正上方屋顶。在接下来的时间,压力波和反射波之间的相互作用结果的交替压应力和拉应力模型,直到达到稳定。类似于爆破vibration-induced压力波的传播稳定的屋顶,模拟爆破从屋顶在0年代开始,迅速和波前传播从爆破指向整个模型在第一个60μ年代。这个过程是相同的与稳定的屋顶在60μ年代。

作为显示在图8,当blasting-induced压力波传播的骨折不稳定的屋顶,有差异。因为介质的物理参数的变化,压力波不传播的波阵面同心圆,骨折,海浪产生一个凹面指着爆点,然后不断发展。此外,反射波削弱当遇到巷道的屋顶。在接下来的80年μ年代,vibration-induced两边向下压力波传播的道路绕过部分隧道,两边形成拉应力区,直到海浪达到两侧边界和下边界。然而,拉应力区出现在170年μ在双方都比之前更大,和上面的压应力集中区域形成裂缝。在随后的时间,压力波与反射波相互作用导致的交替压应力和拉应力模型。当有裂缝在200∼450μ年代,压应力和拉应力波替代定期。这是因为爆破振动波和波反映在巷道的屋顶是交替叠加和行动。约为450μ年代,裂缝开始失败,也就是说,内部裂缝传播。从450年开始μ年代到600μ年代,骨折骨折不断传播和结构最终失败。在此基础上,单位在不稳定骨折屋顶逐渐传播的交替拉伸和压缩应力直到600年骨折的彻底失败μ年代。

3所示。围压对响应信号的能量分布的隧道振动

3.1。对爆破振动的能量分析

基于小波变换和能量原理,响应信号的能量在巷道的围岩是在频域分解到不同的频带。调查每个频带的能量分布在不同围压下,能量比在频带被定义如下: 在哪里和代表着能量我th频带的小波能量谱和总能量的小波频带,分别。

阻尼振动系统具有多个自由度,岩体介质分为结构与不同频率响应骨折或岩体裂缝。因此,响应信号巷道围岩的爆破振动是由多个频段不同能量在不同的频率范围。响应信号后巷道围岩在不同围压下爆破7-level分解的小波变换,得到了结果和能量频带。在此基础上,与最大的频带能量被定义为一个主要的频带,而其余频段被定义为次要的频段。因此,的主要频带响应信号频带4,即15.7∼31.3赫兹。

中小学频带的比例增加振幅的总能量频带八点监视点提取每次当围压增加4 MPa(巷道埋深的增加160米),如表所示3和4。

如表中所示3和4的增加幅度主要频带的能量在总能量的主要频带由围压的增加引起的。能量的增加幅度主要频段在监视点2占63%的总能量的增加幅度,而在监视点5和6占据约52%。此外,增加幅度主要频带的能量在监视点8占42%左右。同时,随着围压增加,比例的增加幅度主要频带能量的总能量的频带相应上升。随着爆破中心距离的增加,主频带的能量比例降低。当围压20 MPa,主要频带的能量比率监视点2,5,6和8 63.11%,53.54%,52.21%,和42.32%,分别。这表明一个更大的距离爆炸中心导致广泛的响应信号在频域能量分布在巷道的围岩,更多的能量分布均匀,大爆破振动效应的影响范围。

图9显示了巷道围岩的振动响应信号的围压下1 MPa。

作为显示在图9,水平方向的振动速度迅速变弱,而在垂直方向衰减慢0.2秒之后。原因是反射边界不应用于模型,所以水平爆破振动波传播到边界时没有反映;垂直时反映爆破振动波传播模型的底部。同时,第二和第三波的峰值出现在0.06和0.085年代以及0.2和0.3年代的历史在水平和垂直方向监视点5、6、8。这意味着反思现有的爆破振动波传播时巷道墙壁。

的围岩应力状态直接影响爆破振动波的传播和衰减。图10展示了在不同监测水平和垂直振动位移峰值点在不同围压下。

图10表明位移趋于上升与围压增加从1到11 MPa。以水平位移为例,在不同的监测位移的差异点分别是13.1%,46.5%,30.02%,6.5%,38.1%,19.4%,17.7%,和67.9%的围压下1 MPa。围压下20 MPa,差异是422.7%,383.7%,559.9%,362.1%,558.9%,269.3%,125.2%,和55.1%,分别。

在图11,随着围压的上升从1到11 MPa,不同监视点的水平应力和垂直应力增加。此外,1 MPa的围压下,峰值应力在水平和垂直方向上的差异在不同监测点分别是13.5%,46.2%,28.5%,7.0%,35.5%,17.1%,15.8%,65.7%。差异是418.5%,378.2%,571.5%,349.2%,548.8%,272.5%,122.9%,和53.5%的围压下20 MPa。

总能量的小波频带各监视点巷道围岩的不同围压下的比较图12。

作为显示在图12,总在水平方向在每个频带能量监测点小于那些在不同围压下的垂直方向。通过监测5点为例,总能量在水平方向的频段是3.35×10⁴J,而在垂直方向上是1.69×10⁵J的围压下20 MPa。同时,在水平方向上的总能量频带在监测8点,最大最小值时发现监测1点。在垂直方向相反的现象。这是因为这些监测爆破中心不同距离。爆破中心距离越大,越大总能量的小波频带响应信号。与围压增加,频带的总能量增加,其增加幅度也会增加。同样,通过监测5点为例,总能量的增加振幅频率乐队在水平方向上分别是2112,3989,5898,7798,和9587年J,而在垂直方向是10809,22415,33890,45700,和56910 J,分别。

4所示。模型试验

一般巷道实际采矿工程简化。工程条件如下所示。巷道跨度2 m和矿业的宽度是2.5米。没有柱子和屋顶是由螺栓。两端固定螺栓主要用于锚地。安排网格是1米×0.8米和锚固长度是1.8米。只有沉重的应力场模型和上覆岩层的围压被认为是在测试,所以无谓的应力场下的平面应力模型选择的测试。在实际工程中,材料的物理力学参数和巷道围岩的应力状态复杂,不能完全复制模型试验。因此,为了确保测试满足主要目标要求(19,23- - - - - -25),采用一定的简化和假设。①不连续结构的飞机,如关节骨折,不考虑岩体的模型,也就是说,假设巷道围岩均匀,连续、各向同性的。②影响螺栓的结构模型中被忽略,只有监测功能。

4.1。基于相似理论计算的模型试验

按照维理论,同样强度的物理量维度所表达的应该是压力相似比α_σ,而无量纲量的相似比是一个常数为1。因此,相似比例的物理量模拟岩石材料计算表5。相似的比例α_σ的压力和相似比α_l几何的相似比例控制物理量和其他物理量导出根据维理论。物理量相似比的模拟螺栓的材料见表6。

根据测试目的,响应信号在不同损伤程度的围岩和不同围压测试,分别。

以下4.4.1。损伤程度的围岩

三个围岩的破坏等级划分,即完整的模型(未损坏的块),损伤模型(砂浆比8:1:1的连接),和故障模型(没有迫击炮,和受损块只有螺栓固定),如图13。

响应信号的总能量频带围岩在不同振动强度和围压力模型与不同的损伤程度进行了比较。随着振动强度的降低,在频段降低总能量。围压为4.0 MPa时,完整的模型中的总能量频带不同振动强度下1872年,1232年和1262年J,而损伤模型是2251年,1455年和1172年J。故障模型的总能量频带分别是2861、2689和1912 J。随着围压的增加,响应信号的总能量频带增加不同的模型。当围压增加从0.2到4 MPa,总能量频带的完整模型,损伤模型,和失败模型增加了102.65%,141.56%,和180.25%,分别在第一个振动强度。这表明,响应信号的频带的能量围岩振动变化更敏感的在周围岩体围压后裂缝传播。

4.2。分布的能量响应信号的频带

首先,我们应用不同的振动强度的三个模型,和振动信号的频带能量的三个测试模型进行了分析,如图14。

图14显示了频带的总能量随围岩压力增加。频带的完整模型的总能量增加3振动强度作用下的10倍。同时,我们可以发现,总能量振动强度的增加而减小。

5级小波分解后,测试信号在频域分解为六个频段。根据公式(1),在每个频带能量分布和能量的比率P在每个频带计算。计算结果如图所示15。

图15表明,响应信号的频带能量分布始终在每个模型在不同围压下。最大的频带能量,即主要频带,是频带3 15.55∼32.10赫兹的范围。结果与数值模拟结果相一致。所不同的是,能量比在测试信号的频带6约为11%,而在频带7和8在数值模拟结果小于5%。这表明在高频部分有更多的能量(124∼252 Hz)的测试信号,造成不可避免的存在细泡沫和裂隙由于不平衡振动浇注工艺的模型。因此,许多vibration-induced应力波反射和折射在围岩中的传播模型中,和噪音信号的能量主要集中在高频范围。

类似于数值模拟分析结果,与围压的增加,主频带的能量比例上升,表明从次要频带能量转移到主频带。在频域的能量越来越集中。例如,主要频带的能量比率在不同围压下的损伤模型的振动强度3 31.18%,33.35%,37.89%,41.05%,41.89%,和45.01%,分别。在实际工程中,随着开采深度的不断增加,围压的增加,和能量响应信号的主要频率范围的围岩爆破振动增加。在同样的爆破强度、开采深度越大,围岩的爆破振动影响越大,越容易围岩的局部破坏,最终导致整体失败和崩溃事故。

5。结论

(1)在不同开挖距离,岩体在开挖巷道开挖空间移。横向隧道的顶部位移场分布在心脏形状沿工作面和6.3毫米的最大位移在屋顶结的横向隧道和水平巷道沿静脉。巷道围岩垂直位移的增加和变化中最重要的矿业3米的距离。在这种情况下,最大垂直位移上升了62%。当开挖水平巷道和侧巷道之间的距离大于3 m,沿脉巷道的围岩位移变化不明显的和最大位移仅增加了30%。(2)与工作面推进距离的增长,震支座失效主要发生在巷道的围岩和拉伸断裂拉伸和剪切破坏主要似乎不支持的屋顶和地板的道路。此外,随着巷道的开挖工作面进步,围岩的应变能积累横向隧道交界处和水平巷道沿静脉,失败区不断发展。当发展到45米,随后失败区巷道围岩的逐渐变化到弹性状态。(3)与围压的增加,总能量在频带上升及其振幅也会增加。自然频率越接近主频带(15.6∼31.3赫兹),爆破振动对地下结构的影响越大(衬砌结构,支持结构,等等),失败的可能性越大。与爆破中心之间的距离增加,主频带的能量比例减少。这表明大型爆破中心之间的距离,更广泛的频域的能量分布围岩响应信号的能量分布越均匀,较大的爆破振动效应的影响范围。(4)实验室试验结果和数值模拟结果的比较表明,测试信号的高频波段的能量比例比较大。这主要是因为越来越多的反射和折射出现在振动波传播模型中,并且有一定的高频信号中噪声组件。随着围压的增加,能量趋于集中。随着巷道的破坏程度上升,能源在频域的信号传输主要频带第二频带信号能量分布更分散地。测试结果与数值模拟结果基本上是一致的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

经济工作是由中国博士后科学基金会(2021 m691391),开放的基础数值地震预报的联合实验室(批准号2021 lnef04),中国国家自然科学基金(52174188)。