空區(qū)隱患爆破治理方案及延期時(shí)間的數(shù)值模擬分析

胡 剛，費(fèi)鴻祿，楊智廣，張超逸

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000； 2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)北方爆破科技有限公司，北京 100089)

0 引言

礦山長(zhǎng)期的開采使得獨(dú)立空區(qū)或多個(gè)緊鄰空區(qū)的體積劇增，甚至形成了空區(qū)群[1]。這些空區(qū)使得井下開采條件惡劣，造成礦柱變形破壞，引起地表塌陷等危機(jī)[2]。為了消除空區(qū)對(duì)資源開采的威脅，保證人員設(shè)備的安全，需對(duì)空區(qū)隱患進(jìn)行治理[3]。

針對(duì)空區(qū)的處理問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[4-8]。閆長(zhǎng)斌等[9]針對(duì)廠壩鉛鋅礦受到亂采亂挖破壞的情況，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)爆破振動(dòng)作用下采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析；鄧喀中等[10]認(rèn)為采動(dòng)破裂巖體空隙是老采空區(qū)殘余沉降的主要誘因，根據(jù)破裂巖體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及采空破裂巖體高度計(jì)算方法，建立了老采空區(qū)殘余下沉系數(shù)計(jì)算方法；李向陽等[11]采用數(shù)值模擬與相似模擬的方法研究了采空區(qū)處理時(shí)地表的移動(dòng)規(guī)律；吳賢振等[12]運(yùn)用LS-DYNA程序研究了臨近采空區(qū)多段毫秒爆破的微差時(shí)間對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響；劉曉明等[13]在華錫集團(tuán)銅坑礦隱患空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)RFPA軟件分析了空區(qū)在動(dòng)力擾動(dòng)作用下破壞過程的裂紋擴(kuò)展規(guī)律；張耀平等[14]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原巖應(yīng)力測(cè)試和室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬計(jì)算和預(yù)測(cè)分析。以上研究主要為采空區(qū)的穩(wěn)定問題，針對(duì)空區(qū)隱患爆破治理方案和延期時(shí)間的研究卻鮮有報(bào)道。

本文采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，在巖石物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試的基礎(chǔ)上，根據(jù)地表質(zhì)點(diǎn)振速和空區(qū)治理效果，研究了爆破治理方案及延期時(shí)間的優(yōu)選問題。

1 工程概況

白音諾爾礦業(yè)有限公司位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗北部，礦山區(qū)域面積15.14 km2；該礦床以鉛、鋅、銀、鎘為主，伴生有錫、銅、鎢、金等多種金屬。礦區(qū)劃分為南、北2個(gè)礦帶，彼此相距400 m；1#礦體位于南礦帶東部，礦體走向北東、傾向南東、傾角60°～80°；礦區(qū)平面圖如圖1所示。

圖1 礦區(qū)平面示意Fig.1 Planar graph of mining area

1#礦體1 020 m標(biāo)高以上為露天開采，因歷史原因，采空區(qū)分布為950～990 m標(biāo)高之間，采空區(qū)頂板暴露面積約3 468 m2。900～950 m標(biāo)高之間有2個(gè)采場(chǎng)，分別為17#采場(chǎng)和18#采場(chǎng)。現(xiàn)在露天坑底隔離礦柱發(fā)生坍塌，為了確保地面建(構(gòu))筑物的安全運(yùn)營(yíng)及950 m水平以下開采工作的順利進(jìn)行，通過在采空區(qū)下盤1 005 m水平施工鑿巖巷道，在鑿巖巷道內(nèi)實(shí)施深孔爆破，將隔離礦柱崩落在采空區(qū)內(nèi)，從而治理空區(qū)隱患。

2 爆破方案

結(jié)合空區(qū)的分布情況，初步確定1 005 m水平巷道南側(cè)隔離礦柱依次向北側(cè)崩落和1 005 m水平巷道中間最薄處隔離礦柱依次向兩側(cè)崩落2種爆破方案；由于1 005 m水平巷道中間最薄處隔離礦柱依次向兩側(cè)崩落爆破方案需準(zhǔn)確確定薄弱區(qū)域位置，且后續(xù)爆破質(zhì)量取決于拉槽效果，而且爆破施工復(fù)雜，難度較大；所以采用1 005 m水平巷道南側(cè)隔離礦柱依次向北側(cè)起爆崩落(13～70排)的爆破方案，具體炮孔排數(shù)分布如圖2所示。

圖2 炮孔排數(shù)分布Fig.2 Row distribution of blasting holes

在確定空區(qū)隱患治理工程整體爆破方案之后，設(shè)置A方案為13排首先起爆，然后根據(jù)延期時(shí)間，14，15排直至70排順序起爆；B方案為13和14排首先起爆，然后根據(jù)延期時(shí)間逐排起爆。

爆破施工采用巖石乳化炸藥和數(shù)碼電子雷管，進(jìn)行扇形排列布孔[15]；炮孔直徑為90 mm，最小抵抗線為2 m，孔底距為2.5 m。13～15排炮孔爆破參數(shù)見表1～3所示。

表1 13排炮孔爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters of holes in the 13th row

表2 14排炮孔爆破參數(shù)Table 2 Blasting parameters of holes in the 14th row

表3 15排炮孔爆破參數(shù)Table 3 Blasting parameters of holes in the 15th row

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，根據(jù)上述爆破方案及參數(shù)，按照實(shí)際比例建立模型。由于A方案和B方案對(duì)15排之后的炮孔起爆無差別，所以僅進(jìn)行13～15排的模型建立；為了簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算，按照圣維南原理[16]，設(shè)置模型長(zhǎng)度為47.2 m、寬度為20 m、高度為30 m，數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

數(shù)值模型的頂面為地表，即1 020 m水平；底面為990 m水平，由此底面及四周設(shè)置無反射邊界條件。網(wǎng)格劃分采用自由劃分方式，巖石的網(wǎng)格尺寸為2 m，炸藥的網(wǎng)格尺寸為1 m。設(shè)置計(jì)算時(shí)間為0.6 s，共進(jìn)行600步，在計(jì)算過程中采用流固耦合算法，炸藥采用ALE算法，巖石采用LAGRANGE算法，模型采用kg-m-s單位制。

3.2 材料參數(shù)設(shè)置

按照工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[17]對(duì)礦區(qū)內(nèi)的巖石進(jìn)行取樣；根據(jù)量積法進(jìn)行密度測(cè)試；利用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)而確定彈性模量和泊松比；采用巴西劈裂法進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖4 試件物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試Fig.4 Measurement on physical and mechanical indexes of samples

巖石材料采用ELASTIC模型，并通過關(guān)鍵字ADD-EROSION定義巖石的抗拉強(qiáng)度，使之強(qiáng)制失效；炸藥材料采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，并定義JWL狀態(tài)方程，具體材料參數(shù)見表4～5所示。

3.3 爆破方案選擇

根據(jù)上述的數(shù)值模型和材料參數(shù)，初選延期時(shí)間為50 ms，進(jìn)行A方案和B方案空區(qū)隱患爆破治理工程的數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5～6所示。

表4 巖石材料模型參數(shù)Table 4 Material parameters of rock in model

表5 炸藥材料模型參數(shù)Table 5 Material parameters of explosive in model

圖5 A方案模擬效果Fig.5 Simulation effect of scheme A

圖6 B方案模擬效果Fig.6 Simulation effect of scheme B

由圖5可知，0.001 s時(shí)13排炮孔起爆，模型未發(fā)生變化；在0.004 s時(shí)出現(xiàn)首次破壞，發(fā)生在模型的右側(cè)壁位置處；隨著爆炸應(yīng)力波及爆生氣體的傳播，模型出現(xiàn)連續(xù)性破壞，但是破壞范圍主要集中在扇形布孔的孔端位置處。0.051 s時(shí)14排炮孔起爆，在0.052 s時(shí)炮孔孔底處模型就發(fā)生了破壞，并且隨著時(shí)間的推進(jìn)，模型受到大面積的爆破破壞；15排炮孔在0.101 s起爆，此時(shí)模型的頂部及底部已經(jīng)產(chǎn)生了貫通裂縫，并且在0.115 s時(shí)出現(xiàn)了巖石塌落區(qū)域；達(dá)到0.161 s時(shí)，巖石塌落區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大。

由圖6可知，13和14排炮孔在0.001 s同時(shí)起爆之后，模型在0.003 s時(shí)就發(fā)生了破壞，首次出現(xiàn)破壞的位置為炮孔的孔底處，并且破壞范圍較大；在0.011 s時(shí)炮孔的孔端位置也出現(xiàn)了大面積破壞；由于13和14排炮孔同時(shí)起爆，使用的炸藥量明顯增加，導(dǎo)致模型在0.021 s時(shí)就出現(xiàn)貫通裂縫；隨著時(shí)間的推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)模型的破壞范圍仍然集中在炮孔的孔端位置處；15排炮孔在0.051 s起爆之后，模型頂板的破壞范圍顯著增加，同時(shí)模型出現(xiàn)了塌落區(qū)域。

在考慮空區(qū)隱患爆破治理效果的基礎(chǔ)上，分析爆破振動(dòng)對(duì)地表的影響同樣至關(guān)重要。由此，在地表處任意選取節(jié)點(diǎn)，本文選取4 967節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)為(20，47.2，1 020)(見圖3)；A方案和B方案4 967節(jié)點(diǎn)處振速圖如圖7所示。

圖7 4 967節(jié)點(diǎn)振速Fig.7 Vibration velocity of 4 967 node

結(jié)合圖7以及圖5～6的分析結(jié)果可知：A方案的巖石塌落范圍集中，塌落面積較大；B方案的巖石塌落范圍分散，塌落比較均勻。雖然B方案初期爆破效果良好，增加了頂板的破壞范圍，但是相比于A方案，4 967節(jié)點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)振速峰值由0.923 9 m/s增大至1.225 3 m/s，為了地表建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定以及人員設(shè)備的安全，選擇A方案進(jìn)行空區(qū)隱患爆破治理。

3.4 延期時(shí)間確定

在延期時(shí)間為50 ms的A方案數(shù)值模型基礎(chǔ)上，增加100和200 ms的延期時(shí)間，為了比較空區(qū)爆破治理效果，3種延期時(shí)間的垂直方向位移云圖如圖8～10所示。

圖8 延期時(shí)間為50 ms的垂直方向位移Fig.8 Vertical displacement with delay time of 50 ms

圖9 延期時(shí)間為100 ms的垂直方向位移Fig.9 Vertical displacement with delay time of 100 ms

圖10 延期時(shí)間為200 ms的垂直方向位移Fig.10 Vertical displacement with delay time of 200 ms

由圖8可知，巖石的破壞范圍比較集中，主要產(chǎn)生在炮孔孔端位置處；模型頂板產(chǎn)生延伸裂縫，但未形成貫通。

由圖9可知，巖石的破壞范圍顯著增大，塌落區(qū)域也比較分散；模型頂板破壞范圍也顯著增加，且形成了橫向貫通裂縫。

由圖10可知，巖石的破壞范圍更加集中，塌落區(qū)域也縮小為模型的右上部；頂板的破壞范圍減少，且未形成裂隙。

對(duì)比圖8～10可知：延期時(shí)間為100 ms時(shí)，巖石破壞范圍最大，且塌落區(qū)域分散，可以降低塌落振動(dòng)對(duì)900～950 m標(biāo)高之間采場(chǎng)的影響。

4 爆破效果

圖11為采空區(qū)隱患爆破治理前后對(duì)比效果圖。

圖11 采空區(qū)隱患爆破治理Fig.11 Blasting treatment of hidden trouble in goaf

由圖11可知：按照上述爆破方案和延期時(shí)間對(duì)白音諾爾1#礦體采空區(qū)隱患進(jìn)行崩落法治理，采空區(qū)上方露天坑底的隔離礦柱崩落至采空區(qū)內(nèi)，形成了1個(gè)緩沖層可以隔離露天和井下，不僅消除了隔離礦柱坍塌的風(fēng)險(xiǎn)而且保證了采空區(qū)下方礦區(qū)的施工安全。

5 結(jié)論

1)在滿足爆破效果的基礎(chǔ)上，同1節(jié)點(diǎn)處A方案的地表質(zhì)點(diǎn)振速峰值為0.923 9 m/s小于B方案的地表質(zhì)點(diǎn)振速峰值1.225 3 m/s，保證了地表建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定以及人員設(shè)備的安全。

2)當(dāng)數(shù)值模型延期時(shí)間為100 ms時(shí)，巖石的破壞范圍最大，頂板裂隙擴(kuò)展距離增加，并且塌落區(qū)域分散，降低了巖石塌落振動(dòng)對(duì)900～950 m標(biāo)高之間采場(chǎng)的影響，確保了開采工作的順利進(jìn)行。

3)按照A方案和100 ms的延期時(shí)間對(duì)1#礦體采空區(qū)隱患進(jìn)行崩落法治理，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示可以得出采空區(qū)上方露天坑底的隔離礦柱崩落至采空區(qū)內(nèi)，形成了1個(gè)緩沖層隔離露天和井下以保證安全。