基于結(jié)構(gòu)離散的復(fù)雜水平采空區(qū)群殘采激勵(lì)動(dòng)力響應(yīng)

姜立春，曾俊佳，吳愛祥

?

基于結(jié)構(gòu)離散的復(fù)雜水平采空區(qū)群殘采激勵(lì)動(dòng)力響應(yīng)

姜立春1，曾俊佳2，吳愛祥3

(1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州510640；2. 中交城市投資控股有限公司，廣州510290；3. 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境學(xué)院，北京100083)

為研究殘采激勵(lì)下復(fù)雜組合水平采空區(qū)群的動(dòng)力響應(yīng)，借助離散化方法，構(gòu)建復(fù)雜水平采空區(qū)群動(dòng)力響應(yīng)模型。結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)某大型地下金礦山KT8礦體1100 m中段復(fù)雜水平采空區(qū)群進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)及應(yīng)力傳遞研究。結(jié)果表明：爆破激勵(lì)下，水平采空區(qū)群結(jié)構(gòu)的改變幾乎不會(huì)對(duì)其作用巖體本身的位移響應(yīng)和速度響應(yīng)產(chǎn)生影響，但對(duì)其余部分巖體響應(yīng)產(chǎn)生較為明顯的增幅，其中增幅最大的區(qū)域是水平采空區(qū)群的結(jié)構(gòu)改變處巖體；爆破荷載對(duì)其作用巖體應(yīng)力分布產(chǎn)生較明顯的變化，對(duì)其余部分巖體不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響?，F(xiàn)場(chǎng)工程結(jié)果表明，復(fù)雜水平采空區(qū)群間柱經(jīng)殘采后，所形成新的大采空區(qū)穩(wěn)定性良好，空區(qū)周邊沒有發(fā)生大的位移變形，并驗(yàn)證動(dòng)力響應(yīng)模型分析的可靠性，該方法為復(fù)雜采空區(qū)群殘采作業(yè)提供理論指導(dǎo)。

采空區(qū)群；動(dòng)力響應(yīng)模型；應(yīng)力傳遞；結(jié)構(gòu)離散

由于長期開采及滯后處理，地下金屬礦山逐漸形成采空區(qū)群，留下大量維持采空區(qū)群穩(wěn)定的間柱、頂(底)板等殘礦體[1]。為了提高資源利用率，礦山需要對(duì)這些殘礦進(jìn)行多次回采作業(yè)。殘礦回采改變了原有采空區(qū)群的結(jié)構(gòu)組成，導(dǎo)致空區(qū)群結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化。

爆破激勵(lì)作用下的采空區(qū)群穩(wěn)定性問題，實(shí)質(zhì)是地下空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問題[2?5]。爆破激勵(lì)下，采空區(qū)群的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律與應(yīng)力波的傳遞路徑相關(guān)[6]，空區(qū)群的空間結(jié)構(gòu)組成是應(yīng)力波的傳遞主要路徑。因此，從采空區(qū)群的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，探討空區(qū)群的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，維系爆破條件下采空區(qū)群的穩(wěn)定，是保證礦山殘采安全的關(guān)鍵核心問題。

目前國內(nèi)外多名學(xué)者開展了爆破激勵(lì)下地下金屬礦山的動(dòng)力響應(yīng)研究。唐禮忠等[7]采用應(yīng)力波方法和FLAC3D數(shù)值模擬分析了采空區(qū)圍巖受到周邊爆破開采側(cè)崩時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)；余偉健等[8]分析了掘進(jìn)爆破擾動(dòng)應(yīng)力傳播規(guī)律及其對(duì)鄰近巷道和硐室圍巖穩(wěn)定性的影響；宋波等[9]分析了爆破作用對(duì)地下金屬礦圍巖穩(wěn)定性的影響，研究了爆破前后巷道的位移、應(yīng)力、加速度和速度變化規(guī)律；劉博等[10]采用擬牛頓法的改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(QN-BP)模型對(duì)爆破振動(dòng)峰值速度進(jìn)行預(yù)測(cè)；YILMAZ等[11]借助FLAC3D模擬研究了不同爆破和工況條件下的圍巖動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；YUGO等[12]將震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)添加到既有的錨桿拉力上，研究了爆破下圍巖的質(zhì)點(diǎn)峰值速度和頻率；REDDY等[13]采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬研究了不同爆破步長的間柱及周邊巖體的應(yīng)力分布；SHI等[14]分析了基于Hilbert-Huang變換(HHT)的EMD識(shí)別法在精確短延時(shí)爆破中的延期時(shí)間識(shí)別能力。

目前金屬礦山動(dòng)力響應(yīng)研究尚處于起步階段，研究方法主要采用數(shù)值模擬、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，尚未發(fā)現(xiàn)從采空區(qū)的結(jié)構(gòu)本源出發(fā)，從其固有的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性角度開展的研究。隨著金屬礦開采深度的不斷增加，大量采空區(qū)群不斷涌現(xiàn)，工程災(zāi)害問題越來越突出。因此，亟待開展理論和分析方法創(chuàng)新研究，進(jìn)行地下礦山動(dòng)力響應(yīng)分析和損傷評(píng)價(jià)。

本文作者在前期工作中借助結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的離散化方法，提出了水平采空區(qū)群離散多自由度動(dòng)力響應(yīng)模型分析方法，研究空區(qū)群的動(dòng)力響應(yīng)，并驗(yàn)證了該方法的可靠性[6]。由于地下空區(qū)群是復(fù)雜巨型系統(tǒng)，在當(dāng)前研究技術(shù)水平下，從采空區(qū)群具有連續(xù)結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，通過巖體介質(zhì)的合理離散化處理，有助于簡(jiǎn)化外部荷載應(yīng)力傳遞路徑，揭示巖體介質(zhì)的相互作用規(guī)律。本文作者以某大型地下金礦山KT8礦體1100 m中段復(fù)雜水平采空區(qū)群為研究對(duì)象，借助離散化方法，提出復(fù)雜組合水平采空區(qū)群動(dòng)力響應(yīng)模型，并結(jié)合數(shù)值模擬，開展殘采爆破激勵(lì)下應(yīng)力傳遞規(guī)律研究，為該領(lǐng)域研究提供一種新途徑。

1 模型構(gòu)建

1.1 工程概況

某大型地下金礦山KT8礦體1100 m中段經(jīng)過開采形成了由5個(gè)單元空區(qū)組成的水平采空區(qū)群，如圖1所示。單元空區(qū)頂板厚5 m，底板厚10 m；空區(qū)跨度為40 m，厚度為30 m；間柱高為30 m、寬為10 m。巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

前期殘采作業(yè)已成功將回采間柱1、空區(qū)1與空區(qū)2相互貫通形成了一大采空區(qū)。為了最大限度地回采間柱殘礦體，在保證新形成的大采空區(qū)穩(wěn)定的前提下，礦山嘗試對(duì)間柱2進(jìn)行二次殘采作業(yè)。圖2為復(fù)雜水平采空區(qū)群殘采示意圖。

影響采空區(qū)群殘采作業(yè)的制約條件有兩個(gè)：一是在靜力荷載下新的采空區(qū)單元頂板拉伸應(yīng)力不超過抗拉強(qiáng)度；另一是非爆破區(qū)域巖體的爆破應(yīng)力場(chǎng)與地應(yīng)力場(chǎng)耦合作用不能超過巖體容許承受荷載。

圖1 由5個(gè)單元空區(qū)組成的水平采空區(qū)群

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

圖2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)水平采空區(qū)群殘采示意圖

1.2 動(dòng)力響應(yīng)模型

建立如圖3所示的復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)水平采空區(qū)群動(dòng)力響應(yīng)模型。前期殘采作業(yè)回采間柱1(3)后，采空區(qū)群的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，只留下部分頂、底部巖體3?1和3?2存在于頂板和底板中。將大采空區(qū)的頂板和底板各離散成3自由度振動(dòng)系統(tǒng)。由于巖體3?1和3?2水平方向跨度較小，可假設(shè)該方向上巖體為無限剛性的介質(zhì)。則水平采空區(qū)群動(dòng)力平衡方程為

式中：[]、[]、[]、[]、[]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、動(dòng)載荷矩陣及剪切力矩陣；、和{}分別為加速度矩陣、速度矩陣和位移矩陣；[]為能量耗損矩陣，只與阻尼矩陣[]的對(duì)應(yīng)元素相乘，采用“*”表示。其中[]的表達(dá)式為

(2)

式(1)中剛度、阻尼等參數(shù)的確定方法參考文獻(xiàn)[6]，爆破荷載采用指數(shù)型等效荷載[15?16]，為

為研究水平采空區(qū)的組合結(jié)構(gòu)體對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響，構(gòu)建對(duì)比工況(工況2，間柱1未回采)，與本研究工況(工況1，間柱1已回采)進(jìn)行對(duì)比分析。圖4和5所示為工況2的示意圖及其動(dòng)力響應(yīng)模型。

圖3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)水平采空區(qū)群動(dòng)力響應(yīng)模型

Fig. 3 Dynamic response modal of complicated horizontal goaf group

圖4 工況2的示意圖

圖5 工況2的水平采空區(qū)群動(dòng)力響應(yīng)模型

由于爆破載荷施加在間柱上，應(yīng)力波能量傳遞到相鄰空區(qū)頂、底板的距離大致相同，耗散在頂、底板周邊圍巖的能量相當(dāng)。工況1及工況2的耗損因子取值方法參考文獻(xiàn)[6]。對(duì)于工況1，各巖體的耗損因子為10、10、7、7、4、4、1、4、4、7、10、10、13、16和16；對(duì)于工況2，各巖體的耗損因子′為10、10、7、4、4、1、4、4、7、10、10、13、16和16。

1.3 數(shù)值模型

由圣維南原理可知，數(shù)值模型的大小一般按照水平采空區(qū)群當(dāng)量直徑的3~5倍來確定[17]。因此，建立如圖6所示的由5個(gè)單元空區(qū)組成的水平采空區(qū)群數(shù)值模型。由于水平采空區(qū)群埋深較大，采用頂部施加荷載的方法來等效覆巖應(yīng)力的作用。數(shù)值模型四周采用水平固定邊界，底部采用豎向固定邊界，頂部采用自由邊界。

在開始數(shù)值模擬之前，需對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行以下基本假設(shè)：

1) 水平采空區(qū)群巖體是具有均質(zhì)各向同性的半無限體；

2) 水平采空區(qū)群構(gòu)造完整，不考慮巖體中斷層、節(jié)理以及水的滲流作用的影響；

3) 數(shù)值模擬過程中，單元空區(qū)是一次開挖形成的，順序?yàn)閺淖笙蛴摇?/p>

數(shù)值模型的巖體力學(xué)參數(shù)參考表1。經(jīng)由礦山實(shí)地踏勘，計(jì)算得到模型的頂部均布荷載=4.7 MPa。本構(gòu)模型服從Mohr-Coulomb屈服破壞準(zhǔn)則。

圖6 水平采空區(qū)群數(shù)值模型

2 動(dòng)力響應(yīng)特征分析

2.1 位移響應(yīng)特征分析

圖7所示為工況1和2的位移響應(yīng)?時(shí)程曲線。從圖7可以看出，無論是工況1還是工況2，在爆破荷載作用下，各巖體都將首先達(dá)到位移響應(yīng)的峰值，在內(nèi)、外部阻尼的作用下，然后做幅值遞減的自由振動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)平衡。爆破荷載作用巖體的位移響應(yīng)極值最大，其余巖體的位移響應(yīng)極值隨著與動(dòng)載荷距離的增大而減小。

圖7 工況1和工況2的位移響應(yīng)?時(shí)程曲線

工況1和2下爆破荷載作用巖體間柱2(6)的位移響應(yīng)極值幾乎相等，約為17.33 mm；而其余部分巖體在工況1下的位移響應(yīng)極值均大于工況2的。其中，工況1下間柱1頂部巖體(3?1)的位移響應(yīng)極值與對(duì)比工況2下間柱1(3)相比增幅最大，即從0.39 mm增加到0.74 mm，其它巖體的增幅都較小。

因此，殘采爆破激勵(lì)下，水平采空區(qū)群結(jié)構(gòu)的改變幾乎不會(huì)對(duì)爆破作用巖體本身的位移響應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響，但對(duì)其余部分巖體的位移響應(yīng)均有一定程度的增加，且增幅最大的部位是水平采空區(qū)群的結(jié)構(gòu)改變處。

2.2 速度響應(yīng)特征分析

圖8所示為工況1和2的速度響應(yīng)?時(shí)程曲線。由圖8可知，在殘采爆破荷載作用下，工況1和工況2中的各巖體速度響應(yīng)均呈相同的規(guī)律：首先達(dá)到速度響應(yīng)的峰值，然后在內(nèi)、外部阻尼的作用下逐步衰減，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)平衡。爆破荷載作用巖體的速度響應(yīng)極值最大，其余部分巖體的速度響應(yīng)極值隨著與動(dòng)載荷距離的增大而減小。

圖8 工況1和工況2速度響應(yīng)?時(shí)程曲線

與位移響應(yīng)類似，工況1和工況2下爆破荷載作用巖體間柱2(6)的速度響應(yīng)極值幾乎相等，約為1.43 m/s；而其余巖體在工況1下的速度響應(yīng)極值均大于工況2的。其中，工況1下原間柱1頂部巖體(3?1)的速度響應(yīng)極值與工況2下間柱1(3)相比增幅最大，即從0.02 m/s增加到0.04 m/s，其余部分巖體的增幅都 較小。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，動(dòng)力響應(yīng)模型阻尼系數(shù)采用Rayleigh阻尼，由質(zhì)量、剛度及其阻尼比例系數(shù)。由于工況1的巖體3?1和巖體3?2質(zhì)量均小于工況2的間柱1(3)質(zhì)量，則工況1的內(nèi)部阻尼3?1和3?2小于工況2下的3，且前者的耗損因子3?1和3?2等于后者3，因此，工況1的內(nèi)外部阻尼3?1C3?1與3?2C3?2之和小于工況2的33。

然而工況1下巖體3?1和巖體3?2的速度均大于工況2下間柱1(3)。根據(jù)動(dòng)力響應(yīng)模型可知，巖體能量的耗損量是其內(nèi)外部阻尼與速度的乘積，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可判斷兩者的能量消耗是相當(dāng)?shù)?。其余部分巖體的速度變化微小。整體來看，工況1和工況2下水平采空區(qū)群的能量耗損是相當(dāng)?shù)摹?/p>

因此，殘采爆破激勵(lì)下，水平采空區(qū)群結(jié)構(gòu)的改變幾乎不會(huì)對(duì)爆破激勵(lì)作用巖體本身的速度響應(yīng)產(chǎn)生影響，但對(duì)其余部分巖體的速度響應(yīng)均產(chǎn)生一定程度的影響，且影響最大的區(qū)域?yàn)榭諈^(qū)群的結(jié)構(gòu)改變部位。

3 應(yīng)力傳遞分析

圖9所示為工況1的最大主應(yīng)力傳遞。從圖9可知，在爆破荷載段位較大瞬間0.03 s時(shí)，爆破荷載未對(duì)整個(gè)水平采空區(qū)群的最大主應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，主要影響范圍集中在裝藥點(diǎn)間柱上。當(dāng)間柱受爆破荷載作用時(shí)，臨近爆破荷載的部分巖體會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的壓應(yīng)力，并與其頂、底部巖體形成“匚”狀的應(yīng)力集中區(qū)。此時(shí)呈壓應(yīng)力的最大主應(yīng)力比初始狀態(tài)的值增加，從13.04 MPa增加到16.80 MPa。對(duì)于大采空區(qū)頂板，呈拉應(yīng)力的最大主應(yīng)力只從4.79 MPa微增到4.84 MPa，可忽略其影響，且未超過巖體的抗拉強(qiáng)度6.5 MPa。因此，在爆破作用較強(qiáng)烈時(shí)，大采空區(qū)頂板不會(huì)發(fā)生拉伸破壞。

圖9 工況1最大主應(yīng)力傳遞

4 工程應(yīng)用及其效果評(píng)析

某地下金礦間柱殘采區(qū)域位于1100 m中段，范圍包括W603礦房間柱和頂板，共計(jì)礦量4.23萬t，平均品位1.08 g/t，金屬量45.68 kg；共計(jì)裝藥量2525 kg，其中2號(hào)巖石起爆炸藥為750 kg。本次殘采爆破作業(yè)采用如圖10所示的爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，圖11所示為炮孔礦柱上布置圖。

圖12所示為殘采爆破后的現(xiàn)場(chǎng)。由圖12可看出，采用上述方案對(duì)間柱進(jìn)行殘采?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況表明，間柱和頂柱得到有效回采，礦巖完全分離，回采形成新的大采空區(qū)穩(wěn)定性良好，空區(qū)及周邊沒有發(fā)生垮塌，空區(qū)周邊布設(shè)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)120 d最大位移變形在6 mm范圍內(nèi)，沒有發(fā)生大的位移變形(見圖13)。

由于大采空區(qū)頂板暴露面積增大，隨著暴露時(shí)間的推移，空區(qū)穩(wěn)定性將不斷下降，極易引發(fā)坍塌事故。因此，需及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填或崩落處理。

圖10 殘采爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖

圖11 炮孔礦柱上分布圖

圖12 殘采爆破后現(xiàn)場(chǎng)

圖13 采空區(qū)周邊測(cè)點(diǎn)位移曲線圖

5 結(jié)論

1) 提出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)水平采空區(qū)群殘采動(dòng)力響應(yīng)分析模型，研究殘采激勵(lì)下復(fù)雜組合水平采空區(qū)群的動(dòng)力響應(yīng)問題。

2) 爆破激勵(lì)下，水平采空區(qū)群結(jié)構(gòu)的改變幾乎不會(huì)對(duì)激勵(lì)作用巖體本身的位移響應(yīng)和速度響應(yīng)產(chǎn)生影響，但對(duì)其余部分巖體響應(yīng)產(chǎn)生較為明顯的增幅，其中增幅最大的地方是水平采空區(qū)群的結(jié)構(gòu)改變處巖體。

3) 爆破荷載只對(duì)其作用巖體應(yīng)力分布產(chǎn)生較明顯的變化，對(duì)其余部分巖體不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

4) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，間柱回采后，形成的新的大采空區(qū)穩(wěn)定性良好，空區(qū)及周邊沒有發(fā)生垮塌，沒有發(fā)生大的位移變形，驗(yàn)證了動(dòng)力響應(yīng)模型分析結(jié)果的可靠性。

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(編輯 王 超)

Dynamic response of complicated horizontal goaf group under residual mining excitation based on structural discrete

JIANG Li-chun1, ZENG Jun-jia2, WU Ai-xiang3

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. CCCC Urban Investment Holding Company Limited, Guangzhou 510290, China;3. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In order to investigate the dynamic response of horizontal goaf group in complicated combination under residual mining excitation, a dynamic response modal of horizontal goaf group in complicated combination was established based on structural discrete. Dynamic response and stress transfer of horizontal goaf group in complicated combination on Level 1100 m of KT8 ore body in a large underground gold mine were researched combined with numerical simulation. The results indicate that the structure change of horizontal goaf group can not influence the displacement and velocity response of rock mass that blasting excites, while it would obviously increase the response of residual rock mass, among which the area of maximum increment belongs to structure change sector. Blasting load obviously impacts on stress distribution of rock mass it effects on while others not. Field engineering results show that goaf newly formed is in stable state and has no large displacement and deformation in the surrounding area after residual mining of horizontal goaf group in complicated combination, which verifies the reliability of dynamic response modal. A theoretical guidance has been provided for residual mining of horizontal goaf group in complicated combination.

goaf group; dynamic response model; stress transfer; structural discrete

Project (2016YFC0600802) supported by the National Key Research and Development Program of China? Projects (51174093, 51374035, 51574013) supported by the National Natural Science Foundation of China

2016-04-21; Accepted date: 2016-10-24

WU Ai-xiang; Tel: +86-10-62333563; E-mail: wuaixiang@126.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.05.020

1004-0609(2017)-05-1023-08

O383；TD853

A

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YF0600802)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174093，51374035，51574013)

2016-04-21；

2016-10-24

吳愛祥，博士，教授；電話：010-62333563；E-mail：wuaixiang@126.com