宋春輝，李祥龍,2，范天林，陳 浩，宋 飛

(1.昆明理工大學(xué)，昆明650093；2.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650093；3.玉溪礦業(yè)有限公司大紅山銅礦，云南 玉溪653405；4.四川路航建設(shè)有限責(zé)任公司，成都610000)

在對(duì)巷道圍巖破壞調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，爆破荷載下圍巖破壞較為普遍，因而本文針對(duì)礦山復(fù)雜場(chǎng)地中爆破振動(dòng)展開(kāi)研究。隨著震災(zāi)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到地震動(dòng)的頻譜組成對(duì)巷道圍巖的結(jié)構(gòu)反應(yīng)有著重要影響[1]。

早在1943年，美國(guó)學(xué)者Biot提出反應(yīng)譜這一概念，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體抗震領(lǐng)域。爆破地震反應(yīng)譜理論是地震工程領(lǐng)域較為成熟的分析方法，該方法綜合考慮了信號(hào)的頻譜、幅值以及結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)態(tài)特性[2]。20世紀(jì)50年代，我國(guó)開(kāi)始初步研究爆破地震效應(yīng)，至50年代中期，反應(yīng)譜理論開(kāi)始逐步應(yīng)用在我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)之中[3]。在工程爆破領(lǐng)域，越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始應(yīng)用反應(yīng)譜理論研究爆破振動(dòng)[4]。

本文結(jié)合大紅山銅礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，選擇有代表性的振動(dòng)波形為激勵(lì)輸入已經(jīng)編好的MATLAB程序，對(duì)得到的爆破振動(dòng)速度、位移、絕對(duì)加速度和絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線(xiàn)展開(kāi)分析。

1 反應(yīng)譜理論

反應(yīng)譜理論是以單自由度黏性阻尼體系在實(shí)際爆破振動(dòng)工程中的反應(yīng)為基礎(chǔ)[1,5]的反應(yīng)譜理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用應(yīng)力譜計(jì)算建筑物的地震作用，不僅簡(jiǎn)單快捷其精度也能夠滿(mǎn)足要求[6]。反應(yīng)譜分析方法能夠客觀反應(yīng)結(jié)構(gòu)體在爆破荷載下的損傷程度[7]，并且可以得到結(jié)構(gòu)體在爆破作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[8]，行之有效的分析爆破振動(dòng)對(duì)地下構(gòu)建筑物的影響。

反應(yīng)譜理論分析是在地震激勵(lì)下分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力的一種方法，基于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性(固有頻率、固有振型以及振型阻尼比)和反應(yīng)譜表征的地面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特性[9]，此舉既可以真實(shí)反映頻譜特征也可以更加便捷得應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中[1]。

2 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試

本次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試使用NUBOX-8016爆破振動(dòng)記錄儀布置于460切頂巷圍巖54～58線(xiàn)兩側(cè)，其儀器及具體參數(shù)如圖1、表1所示；圍巖力學(xué)參數(shù)如表2所示；現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖及所測(cè)圍巖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2、表3所示。

圖1 NUBOX-8016爆破振動(dòng)記錄儀Fig.1 NUBOX-8016 blasting vibration recorder

表1 技術(shù)參數(shù)

Table 1 Technical parameter

標(biāo)準(zhǔn)配置技術(shù)指標(biāo)最高采樣率2 000 kSpsA/D分辨率16 Bit量程±1 V、±2 V、±5 V、±10 V測(cè)量精度0.1%信噪比86 dB通道間相位差≤0.3°(0～10 kHz)通道間隔離度≥90 dB智能觸發(fā)觸發(fā)閥值自適應(yīng),無(wú)需設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)最多可記錄16 384次數(shù)據(jù),單次最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為57 600樣點(diǎn)供電方式內(nèi)置電池供電或外部直流電源

表2 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)

圖2 傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.2 Sensor site layout diagram

表3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

Table 3 Blasting vibration monitoring data sheet

監(jiān)測(cè)對(duì)象檢測(cè)次數(shù)爆心距/m最大單響藥量/kg振動(dòng)速度/(cm·s-1)切向徑向垂向圍巖體(54～58線(xiàn))1862 48611.747.9916.1221852 4868.426.116.5132908032.733.441.9345332 9631.871.711.1351081 0512.091.591.286961 1203.432.812.9773569801.240.960.5987567410.547.775.87

3 爆破振動(dòng)反應(yīng)譜曲線(xiàn)及分析

在最具有代表性的振動(dòng)波形基礎(chǔ)上選取X、Y、Z三個(gè)方向中顯著的振動(dòng)波形(即X方向)作為激勵(lì)輸入導(dǎo)入MATLAB程序進(jìn)行運(yùn)算分析。其中爆心距86 m的4#機(jī)振速為11.74 cm/s，爆心距185 m的7#機(jī)振速8.42 cm/s。4#機(jī)所測(cè)振速、加速度波形圖見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 振動(dòng)波形圖Fig.3 Vibration waveform

圖4 加速度波形圖Fig.4 Acceleration waveform

7#機(jī)所測(cè)振速、加速度波形圖見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 振動(dòng)波形圖Fig.5 Vibration waveform

圖6 加速度波形圖Fig.6 Acceleration waveform

建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比ξ通常在0.02～0.05范圍內(nèi)，在建筑物減振降振過(guò)程中，阻尼起著關(guān)鍵性作用，故在工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算選取ξ=0.05[10]。本文選取阻尼比(ξ)為0.02、0.05、0.1下的反應(yīng)譜進(jìn)行分析，將以上所測(cè)得的波信號(hào)通過(guò)卷積分計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜曲線(xiàn)以此來(lái)分析阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)體減震效果。

3.1 速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)分析

針對(duì)圖7速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)分析得出以下結(jié)論：

1)由兩測(cè)點(diǎn)的速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)可知，增大阻尼比ξ減震效果很顯著。其中ξ=0.05～1區(qū)間范圍內(nèi)的速度反應(yīng)譜峰值減小量小于ξ=0.02～0.05。

2)隨著周期增大兩測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)逐漸平緩，4#機(jī)的速度反應(yīng)譜峰值主頻率位于3～100 Hz；7#機(jī)的速度反應(yīng)譜峰值主頻率位于0.65～1 Hz。由此可見(jiàn)在爆心距86～185 m區(qū)間內(nèi)，圍巖中爆破振動(dòng)主頻在向低頻方向發(fā)展。

3)在周期2 s內(nèi)，7#機(jī)所呈現(xiàn)的速度峰值數(shù)明顯多于4#機(jī)，且7#機(jī)大多數(shù)機(jī)速度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率都在10 Hz以下，與巷道圍巖自振頻率更為接近。由此得出爆心距185 m的爆破振動(dòng)比在爆心距86 m處更劇烈，隨著爆破區(qū)域的擴(kuò)展振動(dòng)強(qiáng)度可能會(huì)減小，但這不代表巷道圍巖穩(wěn)定。

4)從爆心距86 m到爆心距185 m，爆破振動(dòng)速度最大反應(yīng)譜值有所減小，由爆破距86 m處的8.8 cm/s降到爆心距185 m處的4.3 cm/s，最終兩曲線(xiàn)都趨于定值，與阻尼比的大小無(wú)關(guān)。

圖7 速度反應(yīng)譜Fig.7 Velocity response spectrum

3.2 位移反應(yīng)譜曲線(xiàn)分析

針對(duì)圖8位移反應(yīng)譜曲線(xiàn)分析可知：

1)爆心距在86 m處的位移明顯大于185 m處，位移變化量也更大。相比于速度反應(yīng)譜最大峰值頻帶的尖窄，位移反應(yīng)譜頻帶則顯得更平緩，橫跨周期更大。

2)兩測(cè)點(diǎn)處的位移反應(yīng)譜曲線(xiàn)形式都相對(duì)圓滑。爆心距185 m出現(xiàn)的波峰多于爆心距為86 m處，說(shuō)明距離的增大會(huì)使質(zhì)點(diǎn)位移出現(xiàn)頻率帶放大效應(yīng)，其位移的幅值也會(huì)降低，位移波峰的多次出現(xiàn)也恰恰說(shuō)明此處圍巖更加不穩(wěn)定。

圖8 位移反應(yīng)譜Fig.8 Displacement response spectrum

3.3 絕對(duì)加速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)分析

針對(duì)圖9絕對(duì)加速度曲線(xiàn)分析可知：

1)絕對(duì)加速度主峰數(shù)較少，作用在圍巖上的時(shí)間也比較短，同時(shí)加速度的數(shù)值也反應(yīng)爆破振動(dòng)對(duì)巷道圍巖的影響程度。其中周期為0.1～0.2 s范圍內(nèi)，爆心距86 m處的加速度可達(dá)到幾個(gè)到幾十個(gè)重力加速度，遠(yuǎn)大于爆心距185 m處。與此同時(shí)阻尼比的作用顯得更為關(guān)鍵，阻尼比對(duì)主峰的削減作用比較明顯，阻尼比越大對(duì)應(yīng)的加速度值則越小，兩者成反比。

2)絕對(duì)加速度反應(yīng)譜曲線(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到峰值，隨后急劇下降，通過(guò)對(duì)比圖9與圖7可知，加速度反應(yīng)譜峰值周期與速度反應(yīng)譜峰值周期并不相同。由此可見(jiàn)，速度、絕對(duì)加速度反應(yīng)譜最大峰值頻率相差較多。

3)為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，可以將計(jì)算所得的加速度最大峰值與圍巖自身質(zhì)量相乘計(jì)算出在爆破振動(dòng)下圍巖所受的最大剪應(yīng)力，對(duì)巷道圍巖的支護(hù)具有指導(dǎo)意義。

圖9 絕對(duì)加速度反應(yīng)譜Fig.9 Absolute acceleration response spectrum

3.4 絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)譜反應(yīng)譜曲線(xiàn)分析

為分析巷道圍巖動(dòng)力放大作用，故應(yīng)用絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行進(jìn)一步分析爆破振動(dòng)下巷道圍巖動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。針對(duì)圖10加速度標(biāo)準(zhǔn)譜分析可知：

1)通過(guò)4#機(jī)和7#機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在爆心距增加的過(guò)程中，絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)譜主峰值放大倍數(shù)有所減小。

2)絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜放大系數(shù)可直觀的反應(yīng)出爆破振動(dòng)作用下巷道圍巖的反應(yīng)程度，在放大系數(shù)等于1時(shí)，巷道圍巖與爆破振動(dòng)頻率基本一致，會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時(shí)巷道圍巖的安全將會(huì)受到很大影響。由7#機(jī)(爆心距為185 m)阻尼比為0.05對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)可知，此時(shí)放大系數(shù)剛好為1，爆破振動(dòng)作用很容易使巷道圍巖發(fā)生損傷破壞，因此，必須要對(duì)此處圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)并采取必要的加固措施來(lái)確保井下安全。

圖10 絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)譜Fig.10 Absolute acceleration standard spectrum

4 結(jié)論

基于反應(yīng)譜理論對(duì)巷道圍巖中實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行振速、位移、絕對(duì)加速度以及絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線(xiàn)分析，得出以下結(jié)論：

1)爆心距為185 m的速度反應(yīng)譜峰值數(shù)多于爆心距為86 m的速度反應(yīng)譜，爆心距185 m出現(xiàn)的10 Hz以下的諧波分量多于爆心距86 m，爆破作用下爆心距185 m處的圍巖損傷影響更大，在此范圍內(nèi)爆心距增加也并不代表巷道圍巖穩(wěn)定。

2)為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，可以將計(jì)算所得的加速度最大峰值與圍巖自身質(zhì)量相乘計(jì)算出在爆破振動(dòng)下圍巖所受的最大剪應(yīng)力，這對(duì)巷道圍巖的支護(hù)具有指導(dǎo)意義。

3)絕對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜放大系數(shù)可直觀的反應(yīng)出爆破振動(dòng)作用下巷道圍巖的反應(yīng)程度，爆心距185 m、阻尼比為0.05時(shí)放大系數(shù)為1，巷道圍巖與爆破振動(dòng)頻率基本一致，會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時(shí)巷道圍巖的安全將會(huì)受到很大影響。