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冒落矿震强度预测试验研究
来源:互联网 sk001 | 郑怀昌 胡龙
【分  类】 文化研究
【关 键 词】 冲击振动 振动速度 冒落矿震 强度预测
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要 冒落矿震可能诱发一定范围内地下工程失稳,导致更大范围内采空区大面积冒落。本文基于振速来衡量矿震强度,通过室内岩石块落物冲击试验,总结了下落岩块位势能与诱发基座振动速度的关系;在此基础上,通过在井下特定环境下的抛掷岩石块测振试验,探讨了岩石冲击底板引发的振动效应,并研究了岩层中振速的衰减规律,建立了采空区冒落矿震强度的预测模型。

  关键词 冲击振动 振动速度 冒落矿震 强度预测

  1 前言

  在非煤矿山采空区诱发的各类灾害中,矿震和高速的空气冲击气浪危害较为严重,且具有一定的普遍性。2004年2月16日,广东省兴宁市叶塘石青二矿发生大面积冒顶死亡6名矿工的事故,广东地震台记录到里氏3.98级地震;2005年11月6日,河北邢台县尚汪庄石膏矿区发生死亡37人的坍塌事故,河北地震台记录到里氏3.7级地震[1]。矿震破坏具有在瞬间完成、来势凶猛、过程极短、先兆不明显等特点,难以预报。近年来国内外对于采空区灾害特别是矿震灾害研究较多,更多的是对于构造型矿震的研究;据统计,在矿山发生的矿震中,冒落型矿震占80%以上[2,3]。冒落矿震破坏动能通过冲击空场底板和下盘再传递给其它的地下工程结构体及各采场,使其发生垮塌等破坏。目前国内外的工程爆破界是以质点振动速度峰值(PPV)来衡量地面振动强度,如美国矿业局(USMBE)和露天矿复垦管理局 (OSMRE)分别制定了各自的标准,将此两个标准合成以后,成为目前国际上比较流行的爆破振动安全判据,该标准以不同频率地面震动速度峰值(PGV)作为判据。我国1986年公布的《爆破安全规程》及2003年修订的《爆破安全规程》都是以PPV作为衡量建筑物和构筑物的安全标准。

  相关研究通过在地表建造相似工程,模拟试验研究了石块下落冲击诱发地表振动速度与岩块重量及下落高度关系[4]。为研究石膏矿山采空区冒落引起矿震的危害,本试验旨在测试不同石膏岩块质量和下落高度情况下石膏岩块冲击碰撞石膏基座岩体引起振速的变化,寻求石膏基座振速变化与石膏岩块质量、下落高度间的关系。基于室内试验和现场测试,试图建立冒落矿震的模拟模型。

  2 室内岩石冲击诱发振动试验研究

  采空区上部岩体冒落时,冒落岩体的势能转化为对底板的冲击功和对采空区内空气压缩做功;按其做功产生的效应不同,对底板的冲击功转化为造成岩体冲击破碎的冲击破碎能、对底板冲击变形的冲击变形能和激发矿震的振动能;采空区内空气压缩做功转化为冲击气浪的动能和冲击采空区矿壁的冲击功,这个冲击功同样具有冒落岩体冲击功的三个作用效果,但由于作用介质—空气的特性和该能量较小的特点,其前两个能量所占比重较小,可以忽略不计,一般可将其全部视为诱发矿震的振动能。

  已有的研究[5,6]表明:岩块下落碰撞底板岩体过程中,岩块本身的势能可能转化为如下几个方面的能量:引发底板振动的能量,碰撞造成部分岩石破碎的破碎能,声能,引起温度增加的热能,弹、塑性变形能等。

  冒落岩体冲击底板岩层,在底板岩层中引起振动,振动以应力波的形式在底板岩层中传播。应力波的传播过程乃是一个行进的扰动,也是能量从介质的一点传递给另一点的反映。施加在弹性体中的力不能立刻传到物体的各部分,而是通过力所引起的形边,以弹性波的形式渐渐传播至物体的各部分。在天然的岩体中存在颗粒结构、裂纹、杂质以及各种节理、裂隙、断层和夹层等,它们使得应力波在介质中传播时产生散射;岩体中应力波在传播过程中,介质存在着内摩擦、弹性滞后、塑性流动,将产生弹性波动能的吸收现象,介质对冲击振动波的吸收程度随介质的破碎度和松散度的增大而增大,散射和吸收现象是的岩石传播的应力波强度迅速衰减[7,8]。为模拟现场冒落冲击振动,设计室内试验。

  2.1试验设计及设备

  (1)振动试验台 根据试验目的,振动基座选取规格为0.6m×0.6m×0.12m的石膏厚板,架设在由两块工字钢构成的减震系统上,地面基础平整,石膏板上表面平整;

  (2)落物支架及夹具 支架带有标度竖杆、可伸缩,上部夹具操作灵活、方便;

  (3)石膏试块 要求石膏试块无可见破损,表面尽量平整,试块几何尺寸误差不超过0.1cm。规格分别选用6cm×6cm×6cm、8cm×8cm×8cm、10cm×10cm×10cm 、12cm×12cm×12 cm;

(4)试验测试仪器 室内试验测试采用UBOX—20016爆破振动记录仪,该仪器带有4个测振探头可同时测试四个测点振速。

  图1 试验设备布置示意图 2.2试验方案

  (1)高度变化 分别测试0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9 m高度下石膏试块下落冲击振动台的振动速度及其变化,每个高度试验三次,取平均值;

  (2)石膏规格变化 分别测试6×6×6、8×8×8、10×10×10 、12×12×12 cm规格试块下落冲击底座岩体的振速及其变化,每种厚度测试试验三次,取平均值;

  (3)测点和落点设置 UBOX—20016爆破振动记录仪的四个测振探头分别布置在振动台的四个角上,调整落物支架和夹具位置使石膏岩块的落点在振动台的中心处(见图1所示)。

  2.3试验结果分析

由测点和落点设置情况可知,四个测点到振动台中心距离相等,即m。试验中UBOX—20016爆破振动记录仪测得振动波形如图2所示。

  图2 石膏冲击石膏振动波形图

分析冲击振动波形,整理实验室内石膏岩块冲击石膏基座振速数据如表1所示。 表1 室内石膏试块冲击基座岩块测试振速 (单位:cm/s) 质量

  振速

高度 0.57kg 1.28kg 1.98kg 3.85kg 0.3m 1.635 3.202 4.928 10.873 0.4m 1.812 3.624 5.826 12.626 0.5m 2.566 4.076 6.463 13.886 0.6m 3.318 6.134 7.846 14.551 0.7m 3.335 6.968 8.742 14.576 0.8m 3.632 7.149 9.081 15.856 0.9m 3.632 7.235 10.081 16.873 相关研究[4]表明,诱发冲击振动的能量(下落岩块的位势能)、岩石落地点与测点的距离、现场地质地形条件等是影响振速的主要因素。在本试验中,测点与落地点的距离是相同的,所以主要考虑下落岩石的质量和下落高度对振速的影响。

  基于葛克水、吕涛等人关于振速计算公式的研究[9,10],构造振速的计算公式形式如下:

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