卸壓爆破下巖體損傷模擬研究

汪 禹 張西良 俞海云 崔正榮 楊海濤

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

在采礦工程、地下空間工程、交通工程、水利工程中，爆破法仍然是最主要的破巖方法。爆破過程中既要使開挖巖體能夠高效破碎，又要減少爆破開挖對周邊巖體造成損傷或破壞。由于淺部資源已開采多年，資源量相對匱乏、枯竭，礦產資源開發向深部發展已成必然趨勢。原始地應力場的分布對巖體破碎過程有著重要的影響，使得巖體破碎過程變得更加復雜。何滿潮等[1]基于“三高一擾動”的復雜環境指出，深部巖石力學行為及深部災害特征與淺部巖石有著明顯不同，基于淺部巖體建立傳統的爆破理論、方法已經不再適合于深部巖體爆破開挖，需要建立新的深部礦巖破碎理論及方法。

巖爆是由于高地應力區域的巖體在進行爆破開挖時，圍巖應力得到突然釋放，巖體發生剝落、破裂并彈射出去，同時發出巨大聲響，對礦山安全生產威脅極大。在深部礦床開采過程中，由于特殊開采條件，巖爆是最為頻繁的地質災害之一，是地下工程中危害性較大的地質災害。巖爆嚴重影響地下采礦工程的效率，對井下施工人員、機械設備和構筑物的安全造成嚴重的威脅。根據巷道周邊圍巖應力分布狀態可以看出，在巖爆發生最頻繁的部位，應力分布梯度較大，圍巖應力集中較為明顯，巷道埋深大、圍巖地質構造條件相對復雜，具備巖爆發生的應力條件。防止井下巖爆發生最有效的方法是改變巖爆產生的條件，破壞巖爆危險區域圍巖結構，降低巖爆發生的可能性。目前針對巖爆主要采用的措施有向圍巖高壓注水、斷頂爆破、斷底爆破、卸壓爆破等方法[2]，其中最有效的方法是卸壓爆破法。

考慮到爆破載荷與地應力動態荷載作用復雜性，初始地應力狀態、巖性、開采深度等因素對卸壓爆破效果都產生不同的影響。為研究不同開采深度條件下巖體卸壓爆破效果，采用ANSYS/LS-DYNA數值軟件模擬深部巖體卸壓爆破過程，重點研究開采深度對巖體卸壓爆破損傷范圍的影響，對深部礦床安全、高效開采具有積極的指導意義。

1 地應力與卸壓爆破研究現狀

初始地應力的形成是一個相當復雜的動態過程，地應力是由多種應力聯合作用而逐漸形成。在不同的深度條件下，初始地應力包括多種類別的應力，如構造應力、溫度應力和自重應力等。大多數學者認為，巖體的重力與地殼運動產生的應力對初始地應力場的分布起到主導作用。在絕大部分地區，地應力是以水平應力為主的三向不等壓應力場。三向地應力的大小和方向隨著空間和時間發生變化。煤礦中頂板大面積來壓與冒頂、瓦斯突出、沖擊地壓等均與地應力分布有密切關系。了解深部開采區地應力分布，據此進行合理地礦產資源開采，能顯著地提高礦產資源回收率，避免地質災害的發生，提高礦井的經濟效益[2]。

起初，國內外學者對地應力的研究很難用數學形式來確定其分布情況，尤其考慮到時間、空間等因素后地應力場分布存在復雜性、多變性。基于地下采礦、硐室開挖等工程需要，學者進行了大量的地應力測量工作，獲得了地應力實測資料，利用統計分析法得到深部地應力場的分布規律及特性。E. Hoek和E.T.Brown等[3]統計了世界各地地應力測量結果并進行了分析，總結了垂直應力、水平平均應力與垂直應力之比隨開采深度變化規律。Oliver Heidbach等[4]基于北美洲地應力測量結果，系統地總結了最大水平主應力、最小水平主應力、垂直應力分布規律。國外學者研究地應力分布規律見表1[3-4]。

表1 國外學者研究地應力分布規律

注：σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；σv為垂直應力，MPa；H為開采深度，m。

國內學者李新平等[5]收集全國各地628組地應力測量結果，系統地總結了我國深部垂直應力、最大水平主應力、最小水平主應力的分布情況，利用數學統計法得到地應力、側壓系數隨開采深度分布的規律。景鋒等[6]通過收集我國大陸地區大量的實測地應力資料，建立了巖漿巖、沉積巖和變質巖地應力隨埋深分布的散點圖，根據巖漿巖、沉積巖和變質巖地應力分布進行了數學回歸分析，提出三大類巖石的地應力分布規律。國內學者研究地應力分布規律見表2。

為實現安全、高效地回采深部礦產資源，降低巖爆等地質災害發生，國內外學者提出卸壓爆破法，并針對卸壓爆破的方法、工藝做了大量的研究工作，完善了卸壓爆破的理論體系。歐陽振華[2]針對井下復雜的地質構造條件及開采技術條件，提出多級爆破卸壓技術，以防止井下沖擊地壓產生。根據數值模擬研究及現場試驗結果，得出多級爆破卸壓技術能夠使應力集中區域的能量得到有效釋放，煤層中的應力向深部轉移，遠離采掘工作面，有效地降低沖擊地壓的產生頻次。李俊平等[7]針對深部資源開采中高應力集中區易誘導巷道、采場圍巖發生大變形及失穩而誘發沖擊地壓等工程災害，提出了卸壓開采法，目的是使部分高地應力得到轉移或釋放，對卸壓施工工藝進行了簡單分類，概述了卸壓開采的研究方法。陸菜平等[8]利用卸壓爆破法使深部巖體中多余的彈性應變能得到有效釋放，煤巖的能量體系達到動態平衡(卸壓爆破的效果)，從而減少巖爆發生的頻率，并利用電磁輻射法檢驗卸壓爆破效果。劉元春[9]借助FLAC3D數值軟件模擬了卸壓爆破下巖體應力分布規律，得出卸壓爆破后各個方向工作面的應力均得到大幅度的降低，深部高應力下的巖石與礦體得到有效分離，應力集中區逐漸向深部巖體轉移，為深部礦體安全回采提供了保障。

表2 國內學者研究地應力分布規律

注：σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；σv為垂直應力，MPa；H為開采深度，m；k為側壓系數。

卸壓爆破法使圍巖應力能夠重新分布，圍巖中積聚的彈性變形能得以釋放，降低應力集中程度，整個能量體系達到動態平衡，圍巖處于較低的應力狀態，應力集中區向深部轉移，對控制圍巖變形具有較好的效果[10]。

2 數值模擬

2.1 計算模型

考慮到卸壓爆破炮孔相對于井下工作面的圍巖較小，為了方便模型網格劃分，使模擬結果更加接近于現場實際布置情況，設計模型尺寸為2 m×2 m×3 m，卸壓炮孔位于模型幾何中心，孔徑為10 cm，炮孔長度為2.5 m，采用孔底起爆方式。通過對模型施加應力來模擬初始應力場，在模型X方向施加地應力σH，Y方向施加地應力σh，Z方向施加地應力σv。考慮到模型是地下巖體中的一部分，為了消除人為邊界處應力反射波對巖體結構影響，在模型周邊分別設置無反射邊界條件，以達到模擬地下無限巖體的效果。幾何模型見圖1。

圖1 模型建立

建立的數值模型由炸藥、巖體和炮泥三部分組成，采用Lagrange-ALE算法，將炸藥單元與巖體、炮泥結構單元之間通過共用節點方式建立聯系[11]。采用三維實體方式建模，巖體、炮泥采用彈塑性本構模型，炸藥采用HIGH_EXPLPSIVE_BURN模型，并采用JWL狀態方程予以描述：

(1)

式中,P為爆轟壓力，GPa；V為相對體積；E為單位體積內能,GPa；ω、A、B、R1、R2為炸藥材料參數，模擬炸藥參數與現場采用2#巖石炸藥一致，具體參數見表3。

表3 炸藥材料參數

為了確保模擬過程與現場實際相符合，炮孔中填塞炮泥，炮泥具體參數見表4。

表4 炮泥材料參數

礦體圍巖主要為石英砂巖，巖石呈塊狀結構，穩定性相對較好，節理裂隙發育，巖石較堅硬。為了使模擬結果與現場實際情況相吻合，設定巷道圍巖為石英砂巖，參考巖石力學參數測試數據，具體材料參數見表5。

表5 巖體材料參數

為研究不同開采深度條件對卸壓爆破損傷區擴展及爆破效果的影響，設定3種工況條件，即開采深度H=1 000，2 000，3 000 m。考慮到地應力測量相對比較復雜，參考Oliver Heidbach等[4]研究結果，3種工況條件下地應力分布見表6。

表6 3種工況地應力分布

2.2 數值模擬結果及分析

開采深度為1 000,2 000,3 000 m下巖體卸壓爆破模擬結果見圖2。可以看出，在開采深度相同條件下Y-Z方向較X-Z方向損傷區范圍大，其中Y-Z方向損傷區分布形狀近似圓形，X-Z方向損傷區分布形狀近似三角形；X方向地應力σ1較Y方向地應力σ2大，X-Z方向較Y-Z方向損傷區范圍小，說明地應力對卸壓爆破起到抑制作用。圖2(a)顯示，開采深度H=1 000 m時，裝藥區巖體損傷類型為拉伸破壞、剪切破壞，拉伸區體積占總體積45%，剪切區體積占總體積55%；炮泥填塞區圍巖損傷類型為剪切破壞，剪切區占填塞區體積15%。圖2(c)顯示，開采深度H=2 000 m時，裝藥區巖體損傷類型為拉伸破壞、剪切破壞，拉伸區體積占總體積30%，剪切區體積占總體積70%；炮泥填塞區圍巖損傷類型為剪切破壞，剪切區占填塞區體積45%。圖4顯示，開采深度H=3 000 m時，裝藥區巖體損傷類型為拉伸破壞、剪切破壞，拉伸區體積占總體積10%，剪切區體積占總體積90%；炮泥填塞區圍巖損傷類型為剪切破壞，剪切區占填塞區體積85%。隨著開采深度逐漸增加，炸藥近區更易于產生剪切破壞，稍遠區域更易產生拉伸破壞，卸壓爆破巖體損傷主要類型由拉伸破壞逐漸轉向為剪切破壞，初始地應力的存在對卸壓爆破損傷區的產生、發展具有抑制和促進作用，地應力對拉伸破壞起進一步抑制作用，對剪切破壞起促進作用。隨著開采深度增加，3個方向的地應力也隨之增加，導致填塞處炮孔受到三向不等壓作用力而發生剪切破壞，填塞處炮孔圍巖剪切破壞范圍隨之增大。

圖2 巖體卸壓爆破損傷分布

開采深度H=1 000 m時，卸壓爆破損傷區體積為1.85 m3；開采深度H=2 000 m時，卸壓爆破損傷區體積為0.9 m3；開采深度H=3 000 m時，卸壓爆破損傷區體積為0.46 m3。根據模擬結果，繪制損傷區體積隨開采深度變化的規律曲線(圖3)，損傷區體積變化過程相對比較復雜。隨著開采深度逐漸增加，3個方向地應力也隨之增加，地應力對卸壓爆破抑制作用加劇，分布損傷區體積逐漸減小，呈非單調變化。

圖3 損傷區體積隨開采深度變化曲線

3 結 論

(1)隨著開采深度逐漸增加，地應力使卸壓爆破損傷區分布更加集中，該區域巖

體得到充分破碎，損傷區外巖體能夠保持較好的完整性；卸壓爆破損傷區范圍逐漸減少，地應力對卸壓爆破損傷抑制作用進一步加強。同時，建立了卸壓爆破下巖體損傷區體積與開采深度之間的關系，為深部礦巖卸壓爆破提供參考。

(2)開采深度較低時，巖體損傷區破壞的主要類型為拉伸破壞、剪切破壞；開采深度較高時，巖體損傷區破壞的主要類型為剪切破壞。卸壓爆破巖體損傷主要類型由拉伸破壞逐漸轉向為剪切破壞，初始地應力對卸壓爆破損傷區產生、發展具有抑制和促進作用，地應力對拉伸破壞起進一步抑制作用，對剪切破壞起促進作用。

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