爆破動荷載對充填體內(nèi)預(yù)留巷道的穩(wěn)定性研究

劉 曉

(山東金洲礦業(yè)集團(tuán)有限公司, 山東 威海 264500)

1 前言

隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)不斷推進(jìn),淺部資源逐漸枯竭,深部開采已經(jīng)成為礦山的主戰(zhàn)場[1-2]。巷道擔(dān)負(fù)著礦井運輸、通風(fēng)、行人等任務(wù),其穩(wěn)定性對礦井安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用[3-4]。隨著礦井深部延伸,巷道受采動、礦山壓力增大等影響開始變形或遭到破壞。爆破開挖是礦山生產(chǎn)的必要工序之一,其危害主要包括爆破振動、爆炸應(yīng)力沖擊及飛石等,誘導(dǎo)采場圍巖及巷道失穩(wěn),降低礦山生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性。

一般主要進(jìn)行巷道支護(hù)的靜力學(xué)分析,但實際上,采空區(qū)圍巖和巷道在承受靜壓的同時,還受到來自開采爆破的動力擾動[5-7]。姜明偉等[8]利用FLAC3D軟件分析了動力擾動對頂板穩(wěn)定性和斷裂規(guī)律的影響,得到不同擾動強度下頂板破壞規(guī)律。唐禮忠等[9]利用Abaqus軟件對爆破作用下巷道圍巖的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析,探討了軟弱夾層對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,提出了支護(hù)優(yōu)化方案。朱萬成等[10]采用數(shù)值分析方法,模擬了不同側(cè)壓條件下深部巷道失穩(wěn)的動力觸發(fā)過程,探索了動力擾動觸發(fā)巷道巖爆的力學(xué)機制。鄧紅衛(wèi)等[11]采用Midas/GTS與FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù),研究了不同擾動幅值下充填體的破壞規(guī)律及動力響應(yīng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)動力擾動對充填體的振動特性有顯著影響。研究動力擾動作用下巷道的失穩(wěn)破壞過程及其振動特性,可以為礦山安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支持,但動力擾動作用下巷道的動態(tài)響應(yīng)、失穩(wěn)機制及其穩(wěn)定性與時間相關(guān)的分析研究較少。

本文利用3DEC離散元軟件對爆破動載荷作用下充填體內(nèi)預(yù)留巷道的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析,揭示動力擾動下巷道周圍的變形特征以及應(yīng)力場分布特征,為理論分析提供依據(jù),提高礦山生產(chǎn)的安全性保障能力。

2 礦區(qū)簡介

山東金洲礦業(yè)集團(tuán)有限公司金青頂?shù)V區(qū)位于山東省乳山市下初鎮(zhèn)境內(nèi),坐落在黃壘河南岸南東莊南部的金青頂上,行政區(qū)劃隸屬乳山市下初鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)地理坐標(biāo):東經(jīng)121°38′00″～121°41′15″,北緯37°04′00″～37°07′30″。礦區(qū)南距乳山市約25 km,距威海至桃村鐵路下初站15 km,北距煙臺港75 km,均有公路相接,交通方便,交通位置如圖1所示。

圖1 交通位置圖

金青頂?shù)V區(qū)地貌屬低緩丘陵區(qū),地面標(biāo)高55.7～133.80 m,最高海拔133.8 m,地勢較緩,地形坡度0°～15°,溝谷發(fā)育,植被廣布。地表水主要為黃壘河,發(fā)源于昆崳山南麓,自北向南從礦區(qū)西 2 km 處流過,向南注入黃海,當(dāng)?shù)貧v史最高洪水水位為43.8 mm。

成礦帶內(nèi)地層簡單,構(gòu)造及巖漿活動強烈,成礦地質(zhì)條件優(yōu)越。區(qū)內(nèi)成礦前北北東、北東向斷裂最為發(fā)育,成礦期北北東向斷裂繼續(xù)活動,成礦后以北西向斷裂為主。主要控礦構(gòu)造為北北東向斷裂,縱貫全區(qū),區(qū)域上有5條規(guī)模較大的斷裂。這些斷裂對金礦的形成和分布起控制作用。隨著礦山開采深度的不斷增加,礦體內(nèi)外環(huán)境發(fā)生一系列變化,礦山壓力逐漸增加,礦體賦存條件變得更加復(fù)雜,嚴(yán)重影響了采場的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬方案

本文采用鋼絲繩+鋼絲網(wǎng)的形式進(jìn)行充填體預(yù)留巷道,預(yù)留巷道的尺寸為3 m×3 m的三心拱,數(shù)值模擬采用的充填體高60 m,寬40 m。使用數(shù)值分析軟件3DEC對爆破動荷載下充填體內(nèi)預(yù)留巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬,3DEC軟件是在二維軟件UDEC基礎(chǔ)上發(fā)展而來,內(nèi)置幾種常用的材料模型以及12種分析模式,可以對接觸面的非連續(xù)力學(xué)行為進(jìn)行模擬,除可模擬連續(xù)介質(zhì)外,在處理非連續(xù)介質(zhì)在外力作用下靜、動態(tài)響應(yīng)等問題上相對有限元軟件有本質(zhì)優(yōu)勢。在3DEC軟件中可以將實體離散為黏結(jié)塊體(Bonded Block Model,BBM)模型,具體如圖2所示,其中,圖2a為一柱狀BBM模型,2b為其剖面示意圖。

圖2 BBM模型及塊體之間的接觸

采用灰砂比1∶8的充填體材料進(jìn)行空區(qū)的充填,充填體及鋼筋的力學(xué)參數(shù)見表1,其中1∶8充填體接觸面的內(nèi)摩擦角為36.94,黏聚力為0.171,法向剛度和切向剛度均為0.3 GPa/m。

表1 充填體及鋼筋網(wǎng)力學(xué)參數(shù)

為了分析動荷載作用下充填體預(yù)留巷道的穩(wěn)定性,分別在距離預(yù)留巷道中心軸線10 m、15 m、20 m以及25 m分別建立半徑為10 cm、長度為1 m的炮孔模型。由于3DEC軟件中需要對炮孔附近塊體進(jìn)行離散化處理,全模型采用BBM將極大地增加計算量,嚴(yán)重降低計算效率。因此,為了突出充填體損傷特征,僅在充填體預(yù)留巷道的重點研究區(qū)域,采用BBM模型進(jìn)行充填體離散化處理,以獲得充填體受動載作用下的裂隙擴(kuò)展規(guī)律。在模型的BBM區(qū)域,塊體遵守線性關(guān)系,接觸面采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則,模型其余部分采用連續(xù)體,其本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

本文從巷道周圍應(yīng)力場分布特征以及破壞特征(塑性區(qū))兩方面對充填體巷道的動荷載穩(wěn)定性做出全方位的定性定量分析評價。根據(jù)爆破動載理論,圖3所示為簡易爆破動載時程曲線,分別由上升階段以及下降階段組成,一般情況下,爆破動載的上升時間明顯小于下降時間。根據(jù)工程實際,一般炸藥爆破巖石產(chǎn)生的峰值應(yīng)力取1.0 GPa,上升時間與總時間的比值為1∶5,爆破作用時間為600 us。

圖3 數(shù)值仿真采用的爆破波理論曲線

本文僅考慮爆破距離為10 m的爆破動載荷對支護(hù)條件下預(yù)留巷道的穩(wěn)定性影響,重點分析巷道周圍的應(yīng)力場分布特征以及巷道周圍的破壞特征等。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 爆破作用下巷道周圍應(yīng)力場分布特征

圖4所示為預(yù)留巷道周圍最大主應(yīng)力的分布云圖,分析范圍為0～1 MPa(-號表示壓應(yīng)力)。從圖中可以看出,炮孔周圍由于爆破作用,為主要的沖擊受壓區(qū),在未受到動載作用之前,充填體預(yù)留巷道周圍最大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力,在應(yīng)力波作用于巷道周圍時,巷道上方植入的鋼筋網(wǎng)以及懸吊鋼絲繩等支護(hù)材料,能有效減小巷道頂板上方的受壓范圍,使鋼筋網(wǎng)為主要受壓承重體,在應(yīng)力波影響后,巷道右側(cè)上方及右側(cè)底部位置的壓應(yīng)力區(qū)有所增加,但局限在1 MPa之內(nèi),表明爆破作用對充填體預(yù)留巷道產(chǎn)生的影響較小。

圖4 距離10 m巷道周圍最大主應(yīng)力隨時間變化

圖5所示為預(yù)留巷道周圍最小主應(yīng)力的分布云圖,分析范圍為0～1 MPa(-號表示壓應(yīng)力,白色部位表示最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力)。在未受到爆破作用前,BBM巷道模型中,除頂板鋼筋網(wǎng)支護(hù)上端部位最小主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力,其余部位均變現(xiàn)為拉應(yīng)力,隨著爆破應(yīng)力波的推進(jìn),爆破時間為30 ms時,應(yīng)力波正好作用于巷道中心,上下頂板部位受到P波影響而表現(xiàn)為壓應(yīng)力,但也出現(xiàn)了靠近巷道表面的充填體表現(xiàn)為拉應(yīng)力的現(xiàn)象,當(dāng)應(yīng)力波作用過后,時間為60 ms時,巷道頂板上方的壓應(yīng)力區(qū)相較爆破前有所減小,而巷道右側(cè)下方壓應(yīng)力區(qū)有所增加。

圖5 距離10 m巷道周圍最小主應(yīng)力隨時間變化

以上說明,爆破作用在一定程度上改變了巷道周圍的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)的范圍,對于巷道頂部而言,拉應(yīng)力區(qū)有所增大,這對充填體的穩(wěn)定性是不利的,另外,鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的支護(hù)方式對于減弱巷道周邊由壓應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力區(qū)的范圍起到了一定的作用。

4.2 爆破作用下巷道周圍變形特征

1) 未支護(hù)(不加網(wǎng))條件下巷道穩(wěn)定性分析

圖6、圖7所示是在未支護(hù)條件下,爆破距離為10 m,爆破時間為30 ms、40 ms和50 ms時巷道周圍裂隙的法向位移和切向位移。從圖6和圖7中可以看出,在爆破應(yīng)力波傳播過程中,巷道右側(cè)幫首先出現(xiàn)較為明顯的拉伸狀態(tài),而頂板右側(cè)下部易出現(xiàn)較為明顯的壓縮狀態(tài),這種狀態(tài)一直持續(xù)到爆破應(yīng)力波傳播之后,可以判定的是,巷道右側(cè)幫容易出現(xiàn)拉伸破壞。底板部位由于應(yīng)力波的作用,裂隙的剪切位移量也相對來說有所增大。

圖6 未支護(hù)條件下不同爆破時間巷道周圍裂隙法向位移圖

圖7 未支護(hù)條件下不同爆破時間巷道周圍裂隙切向位移圖

2) 支護(hù)條件下巷道穩(wěn)定性分析

爆破距離為10 m時,預(yù)留巷道周圍的充填體的裂隙張拉錯動位移如圖8、圖9所示。從圖8和圖9中可以看出,在鋼筋網(wǎng)及鋼絲繩支護(hù)的上端,裂隙的剪切位移量增加較少,而在鋼筋網(wǎng)及鋼絲繩支護(hù)下端的巷道右上側(cè)部位,裂隙的剪切位移量則明顯增多。

圖8 支護(hù)條件下不同爆破時間巷道周圍裂隙法向位移圖

圖9 支護(hù)條件下不同爆破時間巷道周圍裂隙切向位移圖

對圖6和圖8支護(hù)前后預(yù)留巷道周圍裂隙法向位移量進(jìn)行對比分析。暫且將圖6以及圖8中30 ms 時方框作為鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩柔性支護(hù)的影響范圍區(qū)。從圖中可以看出,在應(yīng)力波的傳播過程中,支護(hù)影響范圍區(qū)的裂隙法向位移量要明顯小于未支護(hù)條件下的裂隙法向位移量,且在未支護(hù)條件下,紅色方框內(nèi)的裂隙一般呈現(xiàn)出壓縮變形,對應(yīng)于負(fù)的裂隙法向位移量。但是,隨著時間的推進(jìn),應(yīng)力波的作用減弱,除了支護(hù)影響區(qū)域以外,巷道周圍其余部位的裂隙法向位移量未出現(xiàn)較為明顯的差異。

對圖7和圖9支護(hù)前后預(yù)留巷道周圍裂隙切向位移量的進(jìn)行對比分析。巷道周圍裂隙切向位移量的空間分布特點與法向位移量的空間分布特點較為一致。在應(yīng)力波傳播的30 ms左右,巷道右側(cè)上墻周邊裂隙切向位移量的分布尤為明顯,在未支護(hù)條件下,巷道直接受到應(yīng)力波的強烈沖擊影響。

這說明了采用鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的支護(hù)方式,對于削弱充填體預(yù)留巷道在爆破擾動下的剪切破壞,具有較強的效果。

5 結(jié)論

采用3DEC軟件對爆破動載荷作用下充填體內(nèi)預(yù)留巷道的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究結(jié)果表明:

(1) 爆破作用在一定程度上改變了巷道周圍的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)的范圍,對于巷道頂部而言,拉應(yīng)力區(qū)有所增大,這對充填體的穩(wěn)定性是不利的。

(2) 鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的支護(hù)方式對于減弱巷道周邊由壓應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力區(qū)的范圍起到了一定的作用。對于削弱充填體預(yù)留巷道在爆破擾動下的剪切破壞,具有較強的效果。

因此,為了降低爆破動載荷對充填體的影響,保持充填體穩(wěn)定性,保證礦山生產(chǎn)的安全性,可以采用鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的預(yù)留巷道開采方式,合理有效地對巷道外爆破動力擾動進(jìn)行很大程度上的削弱,這對于巷道穩(wěn)定性的保持是非常有利的。