爆破振動(dòng)對(duì)充填體影響的數(shù)值模擬分析

武 旭，顧鑫鑫

（1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山063009；2.首鋼水廠鐵礦，河北唐山063009）

爆破振動(dòng)對(duì)充填體影響的數(shù)值模擬分析

武 旭*1，顧鑫鑫2

（1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山063009；2.首鋼水廠鐵礦，河北唐山063009）

結(jié)合某礦山分段鑿巖階段出礦嗣后充填的采礦方法，利用LS-DYNA軟件對(duì)中深孔爆破對(duì)充填體安全穩(wěn)定性的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，提取動(dòng)載荷作用下充填體內(nèi)部一系列質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，加以對(duì)比分析，以此確定單段起爆藥量等爆破參數(shù)，控制爆破對(duì)充填體的影響，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

中深孔爆破；數(shù)值模擬；充填體；爆破振速

礦山爆破除了使巖石破碎，有一部分能量以地震波的形式向外傳播，引起周圍介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，產(chǎn)生爆破地震效應(yīng)。在地下采場(chǎng)中，因頻繁的爆破工作，地震效應(yīng)必然對(duì)相連巷道、充填體、頂?shù)装瀹a(chǎn)生不利影響。本文結(jié)合礦山實(shí)例，通過ANSYS/LS-DYNA軟件模擬地下開采環(huán)境中爆破振動(dòng)對(duì)充填體的影響作用。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 工程背景

某礦山為地下開采的礦山，其采礦方法為分段鑿巖階段出礦嗣后充填的采礦法，充填料為尾砂膠結(jié)材料，采礦方法圖如圖1所示。

圖1 分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法

該礦山沿礦體走向劃分采區(qū)，采區(qū)長(zhǎng)70m，高為中段高度45m，分段高為12m左右，長(zhǎng)為礦體的水平厚度。采區(qū)與采區(qū)之間留10m間柱，采區(qū)內(nèi)再分礦房，礦房寬12.5m，采區(qū)內(nèi)共布置4個(gè)礦房。礦房中采用分段鑿巖爆破階段出礦方式。即采區(qū)內(nèi)礦房按①～④號(hào)礦房順序排列，第一個(gè)礦房回采結(jié)束后隨即進(jìn)行膠結(jié)充填，待充填體終凝后，再回采第二個(gè)礦房。

采場(chǎng)采用上向扇形中深孔落礦，?65mm上向扇形中深孔，孔深7.2～17.5m，排距為1.2～1.4m，孔底距為2.0～2.4m，每次爆3～5排孔。為了保證相鄰充填體的安全穩(wěn)定，在近充填體的礦體中進(jìn)行炸藥類型、裝藥結(jié)構(gòu)和單段起爆藥量的數(shù)值模擬。

1.2 構(gòu)建模型

幾何模型示意圖如圖2所示，根據(jù)礦山實(shí)際情況，對(duì)模型做以下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

（1）模型尺寸與實(shí)際尺寸一致。

（2）在不影響模擬結(jié)果的前提下，為了方便建模，減少運(yùn)算時(shí)間，數(shù)字模型設(shè)置單排等效藥包。

（3）假設(shè)模型介質(zhì)是連續(xù)、均勻、均質(zhì)、無初始應(yīng)力、各向同性的彈塑性材料。

1.3 材料模型及狀態(tài)方程

礦體和充填體選擇雙線性隨動(dòng)硬化模型（*MAT、PLASTIC、KINEMATIC），該材料模型為各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，與應(yīng)變率相關(guān)，可考慮失效。選取的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

在處理爆破模型的時(shí)候，由于ANSYS不能完全支持LS-DYNA，很多爆破計(jì)算中的所需要用到的關(guān)鍵字不能在ANSYS前處理中得到，需要通過修改K文件添加缺少的關(guān)鍵字。在ANSYS前處理完成后在K文件中添加炸藥材料的關(guān)鍵字（*MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN）。

圖2 幾何模型示意圖

炸藥爆炸時(shí)爆轟產(chǎn)物的壓力從最高的幾十萬個(gè)大氣壓到最低小于一個(gè)大氣壓，變化范圍很大，在對(duì)爆炸過程的數(shù)值模擬中需要對(duì)其進(jìn)行精確的描述，因此爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行爆轟壓力計(jì)算，其狀態(tài)方程為：

式中：A、B、R1、R2、ω——所選炸藥的性質(zhì)常數(shù)；

P——爆轟壓力；

E——爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；

V——爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積。

選取的炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)如表2所示。

表1 礦體和充填體材料參數(shù)

表2 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)

空氣材料采用空白材料模型，其狀態(tài)方程為：

式中：E——初始內(nèi)能，2.5kPa；

ρ0——材料密度，1.29kg/m3。

2 數(shù)值模擬的結(jié)果

實(shí)際扇形炮孔每排設(shè)計(jì)為13個(gè)炮孔，總長(zhǎng)度約為126m，孔徑為65mm，裝藥總長(zhǎng)度約為100m。總裝藥量為349kg。按裝藥量不變的條件計(jì)算等效炮孔孔徑為190mm。

為研究充填體內(nèi)爆破振動(dòng)速度的衰減規(guī)律，在模型中選取等間距的6個(gè)質(zhì)點(diǎn)，作為研究對(duì)象。

通過數(shù)值模擬計(jì)算，提取圖4中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析。充填體內(nèi)6個(gè)質(zhì)點(diǎn)的最大峰值振速及爆心距如表3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

3 結(jié)果分析

根據(jù)特定采礦方法的礦塊參數(shù)以及充填體本構(gòu)，通過數(shù)值模擬獲得了相應(yīng)的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用薩道夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算。

薩道夫斯基公式：

式中：V——質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，cm/s；

Q——最大段起爆藥量，kg；

R——爆心距，m；

K、α——與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

圖4 選取的充填體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)示意圖

表3 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

通過matlab對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，擬合得到的一元線性直線如圖5所示。

圖5 擬合直線圖

求得爆破振動(dòng)速度衰減公式為：

相關(guān)系數(shù)為0.957。

安全距離計(jì)算：對(duì)充填體而言，根據(jù)礦山的實(shí)際情況，以充填體中心安全與否為判斷標(biāo)準(zhǔn)。在《爆破安全規(guī)程》中，混凝土所允許的PPV值見表4所示。

表4 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

由于充填體與礦體之間存在斷裂面，其本身與預(yù)裂縫和斷裂構(gòu)造有著相同的減震效果，可以認(rèn)為充填體所允許的PPV值要比地表混凝土建（構(gòu)）筑物的要大，依據(jù)爆破安全規(guī)程及相關(guān)文獻(xiàn)，模擬實(shí)驗(yàn)中取PPV=12～16cm/s。

通過式（4）可以得出：當(dāng)最大允許振速為12～16cm/s時(shí)（R取爆源距充填體邊界距離6.25m），最大段起爆藥量應(yīng)控制在22～40kg。依據(jù)此計(jì)算結(jié)構(gòu)指導(dǎo)該礦山爆破設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）由于無法在充填體內(nèi)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，所以利用數(shù)值模擬的手段研究爆破地震波對(duì)充填體穩(wěn)定性的影響是可行、有效的方法。

（2）通過對(duì)爆破質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度的分析，獲得地震波的衰減規(guī)律，并根據(jù)此規(guī)律計(jì)算出最大允許起爆藥量為22～40kg。

[1] 胡建華.充填環(huán)境下預(yù)裂縫的爆破動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）.

[2]劉優(yōu)平，龔敏.近充填體崩礦過程爆破振動(dòng)控制研究[J].礦冶工程，2011（10）.

[3] 胡建華，雷濤.充填采礦環(huán)境下爆破振動(dòng)效應(yīng)預(yù)測(cè)與控制[J].爆破，2009（12）.

[4]李娜，周科平.中深孔爆破動(dòng)載荷下塊石充填體強(qiáng)度響應(yīng)研究[J].礦冶工程，2011.

[5] 劉志祥，李夕兵.爆破動(dòng)載下高階段充填體穩(wěn)定性研究[J].礦冶工程，2004（6）.

Numerical SimulationAnalysis of the effects of Blasting Vibration on Fill-mass

WU Xu1,GU Xin-xin2
(1.Hebei United University,Tangshan Hebei 063009,China; 2.Shougang Shuichang Iron Mining,Tangshan Hebei 063000, China)

According to the mining method of sublevel drilling stage room stoping subsequent filling,the effect on fill-mass produced by the medium-length hole blasting was simulated using the LS-DYNA software.Basing on the comparative analysis of a series of particle vibration velocity extracted from the interior of the fill-mass,the blasting parameter of the charge per delay was determined so as to control the effect on the fill-mass by blasting and realize the goal of safety production.

medium-length holes blasting；numerical simulation；fill-mass；blasting vibration velocity

TD235

A

1004-5716(2015)02-0084-04

2014-03-10

2014-03-11

武旭（1988-），男（漢族），河北唐山人，河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：采礦工程、爆破工程。