深孔爆破沖擊充填體損傷研究

劉宏穎

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山市 063009)

0 引言

階段空場嗣后充填采礦法在國內(nèi)外金屬礦山得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其二步驟回采過程中進(jìn)行的深孔爆破，不同于開挖爆破和淺孔爆破，單次爆破藥量大，對充填體礦柱的影響十分明顯，主要為爆破振動(dòng)破壞和動(dòng)態(tài)損傷巖體。當(dāng)充填體礦柱靠近起爆點(diǎn)時(shí)，必須要作為重點(diǎn)研究對象，因其極大地影響著礦柱的穩(wěn)定性和二步回采的安全性。因此，分析二步回采過程中的爆破對充填體的損傷情況至關(guān)重要。

在充填體的爆破損傷研究方面，國內(nèi)學(xué)者大多從爆破振動(dòng)效應(yīng)的角度入手。部分學(xué)者采用實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對爆破震動(dòng)進(jìn)行研究，宋全杰等依據(jù)實(shí)際的爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了爆破振動(dòng)的傳播規(guī)律，并提出了爆破損傷及損傷模型。龔亞莉等參考薩道夫斯基公式，通過質(zhì)點(diǎn)振速分析爆破的振動(dòng)響應(yīng)。部分學(xué)者應(yīng)用模擬對爆破振動(dòng)進(jìn)行分析，徐文彬等通過對熱處理的膠結(jié)充填體進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，應(yīng)用高速攝像機(jī)加載系統(tǒng)捕捉裂紋，應(yīng)用MATLAB 進(jìn)行分析。朱瑞鵬等采用ANSYS/LS-DYNA 研究了邊孔的爆破累計(jì)損傷對充填體的損傷情況，同時(shí)還用應(yīng)力波的傳播對爆破振動(dòng)進(jìn)行分析。劉志祥和李夕兵認(rèn)為，在二步驟回采過程中，應(yīng)力波在交界面主要是發(fā)生反射作用，并且充填體內(nèi)的透射應(yīng)力對藥包的距離非常敏感。姚曙、蔣志明、楊宏寶等根據(jù)巖石破巖機(jī)理與交界面處的應(yīng)力波傳播規(guī)律，提出了礦山異質(zhì)界面控制爆破技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定的礦山回采。

但是，目前國內(nèi)外的專家學(xué)者主要研究的爆破損傷方向?yàn)樗淼楞@爆，對于地下礦山爆破對充填體的損傷影響研究較少，本文以連續(xù)-非連續(xù)單元方法（GDEM）為基礎(chǔ)，研究地下爆破開采過程中充填體礦柱的損傷情況。

1 理論計(jì)算

中關(guān)鐵礦埋深約300 m，以厚大礦體為主，在硐室中進(jìn)行大直徑深孔鑿巖，按照鑿巖的高度和出礦的高度與礦體的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)選用階段空場嗣后充填體采礦法進(jìn)行開采，礦塊垂直礦體走向布置，礦塊高60 m，礦塊寬18 m，礦塊長≤50 m。礦體的勘測控制面積達(dá)到1 km2，礦體走向約為2000 m，寬度為300～1000 m，總體走向北東14°，傾向南東，傾角一般為10°～15°，局部傾角可達(dá)50°～60°。

設(shè)當(dāng)爆破應(yīng)力波自礦巖進(jìn)入充填體過程中的入射波、反射波和透射波引起的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力分別為σI、σR和σT，引起的質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)速度分別為vI、vR和vT，結(jié)合應(yīng)力波傳播的特性及能量的守恒定律可以得知：

進(jìn)而可以得到：

式中，ρi（i=1，2）為介質(zhì)i（此處為礦石、充填體）的密度；Ci（i=1，2）為介質(zhì)i中縱波的傳播速度。將表1 礦巖與充填體的物理力學(xué)參數(shù)帶入到式（3）中，得到垂直入射時(shí)通過交界面處的反射應(yīng)力、透射應(yīng)力與入射應(yīng)力之間的關(guān)系：

同時(shí)可以得到反射與透射波所攜帶能量和入射波攜帶的能量之間的關(guān)系：

式中，EI、ER、ET為入射、反射、透射波攜帶能量。

代入表1 中的礦石與充填體的物理力學(xué)參數(shù)，可以得到垂直入射時(shí)通過交界面處的入射、反射、透射波攜帶能量之間的關(guān)系：

表1 礦巖及充填體力學(xué)參數(shù)

總的來說，在中關(guān)鐵礦的深孔爆破開采過程中，大部分的爆破應(yīng)力波及能量均被反射回爆破礦房中。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

為模擬二步回采過程中爆破對充填體的損傷破壞過程，應(yīng)用GDEM 模擬軟件進(jìn)行計(jì)算分析，建立模型如圖1 所示?；夭蓞?shù)為礦塊高度60 m、寬度18 m、長度50 m，建立兩側(cè)為礦房、中間為充填體礦柱的模型，一側(cè)礦房已開采，另一側(cè)為開采到一半的礦房，劃分網(wǎng)格尺寸為2 m，并在充填體礦柱的中部沿炮孔方向布置監(jiān)測點(diǎn)。

圖1 模型

礦房側(cè)向深孔爆破鑿巖在鑿巖硐室中進(jìn)行，炸藥采用普通乳化油炸藥，非電起爆系統(tǒng)雙路起爆，根據(jù)礦山爆破設(shè)計(jì)選取炮孔直徑為140 mm，孔距為3 m，裝藥系數(shù)為0.5 的爆破參數(shù)，因此每排布置5個(gè)炮孔，設(shè)置炮孔間起爆延時(shí)為25 ms，由于兩側(cè)對稱，因此選取3 個(gè)炮孔進(jìn)行模擬，設(shè)礦房中間的炮孔為中心炮孔，最接近交界面處的炮孔為邊角炮孔，二者之間為中間炮孔，并在落礦礦房相鄰充填體礦柱設(shè)置7 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，1～7 監(jiān)測點(diǎn)距礦房充填體交界面的距離分別為18，15，…，0 m，如圖2所示。

圖2 炮孔布置模型

2.2 結(jié)果分析

提取監(jiān)測點(diǎn)1，4，7 處的應(yīng)力值對爆破應(yīng)力波的衰減進(jìn)行分析，如圖3 所示。

由圖3 可以看出，X 方向的爆破擾動(dòng)要大于Y、Z 方向的爆破擾動(dòng)；X 方向的爆破應(yīng)力值主要為壓縮應(yīng)力，而Y、Z 方向的爆破應(yīng)力則為拉壓應(yīng)力；距交界面越近，爆破應(yīng)力值越大，且衰減的速度越快；3 個(gè)炮孔之間微差爆破造成應(yīng)力波疊加，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力峰值，并逐漸回彈。

圖3 應(yīng)力時(shí)程曲線

由于X 方向受到的沖擊最大，因此選取X 方向的應(yīng)力峰值對3 次爆破沖擊作用下的應(yīng)力波衰減進(jìn)行分析。

從圖4 可以看出，中心孔爆破入射應(yīng)力值為5.91 MPa，透射應(yīng)力值、反射應(yīng)力值與入射應(yīng)力之間的關(guān)系為σT=0.3σi，σR=0.7σi；中間孔爆破入射應(yīng)力值為15.6 MPa，透射應(yīng)力值、反射應(yīng)力值與入射應(yīng)力之間的關(guān)系為σT=0.2σi，σR=0.8σi；邊角孔爆破入射應(yīng)力只有6.88 MPa，透射應(yīng)力為4.96 MPa，是由于之前的爆破應(yīng)力波在交界面處的反射與第3 個(gè)炮孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波相互抵消?？芍M得到的反射應(yīng)力值比計(jì)算結(jié)果更小。

由圖3、圖4 可知，充填體內(nèi)最大壓應(yīng)力為X方向，大小為4.96 MPa，超過了充填體的最大抗壓強(qiáng)度4.48 MPa，說明在充填體內(nèi)部距交界面約3 m范圍內(nèi)產(chǎn)生了壓縮破壞。充填體中的最大抗拉強(qiáng)度為0.41 MPa，超過了充填體的最大抗拉強(qiáng)度0.33 MPa，說明在充填體內(nèi)部距交界面約3 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生了拉伸破壞。

圖4 X 方向峰值應(yīng)力與爆破距離的關(guān)系

由于邊角孔的爆破影響最大，因此設(shè)計(jì)采用邊角孔爆破模擬邊孔距對爆破沖擊充填體的影響。由圖5 可以看出，峰值應(yīng)力隨邊孔距的變化較小，邊孔距越大，同一位置上的峰值應(yīng)力越小。邊孔距為3 m 時(shí)，礦柱內(nèi)距交界面約6 m 范圍內(nèi)有明顯的衰減。邊孔距為3.5 m 和4 m 時(shí)，在充填體礦柱內(nèi)部距交界面處約4 m 范圍內(nèi)有較明顯的衰減過程。并且隨著邊孔距的增大，峰值應(yīng)力的漲幅增大。

圖5 不同邊孔距下峰值應(yīng)力與爆破距離的關(guān)系

應(yīng)力波在不同孔徑下通過交界面處，邊孔距3 m 時(shí)，入射應(yīng)力值約為σI=7.48 MPa，與透射應(yīng)力、反射應(yīng)力之間的關(guān)系為σT=0.357σI，σR=0.643σI；邊孔距為3.5 m 時(shí)，入射應(yīng)力值為σI=6.99 MPa，與透射應(yīng)力、反射應(yīng)力之間的關(guān)系為σT=0.281σI，σR=0.719σI；邊孔距為4 m 時(shí)，入射應(yīng)力值為σI=6.11 MPa，與透射應(yīng)力、反射應(yīng)力之間的關(guān)系為σT=0.255σI，σR=0.745σI，可以看出，交界面處的反射應(yīng)力值與入射應(yīng)力值的比值為0.6～0.75，小于理論計(jì)算結(jié)果。

2.3 損傷演化規(guī)律

GDEM 中對損傷的定義有所不同，基于拉剪復(fù)合應(yīng)變軟化模型，可以定義三類損傷因子，分別為拉伸損傷因子α、剪切損傷因子β以及聯(lián)合損傷因子χ。

本文采用聯(lián)合損傷因子進(jìn)行深孔爆破損傷模擬分析，在GDEM 軟件中，設(shè)爆破作用下，造成的損傷大于0.9 即為強(qiáng)損傷，而小于0.1 即為弱損傷，定義了D=0.9 的損傷半徑為強(qiáng)損傷區(qū)的臨界半徑，D=0.1 的損傷半徑為弱損傷區(qū)的臨界半徑。

從圖6、圖7 可知，隨著爆破的進(jìn)行，充填體損傷范圍逐漸擴(kuò)大，礦石的破碎情況更好；中心孔爆破交界面處礦石最大損傷因子為0.1108，而充填體的最大損傷為0.4057，弱損傷范圍約為2.15 m，中間孔爆破交界面處礦石最大損傷因子為0.3159，而充填體的最大損傷為1，強(qiáng)損傷范圍約為0.21 m，弱損傷范圍約為3.4 m；邊角孔爆破，交界面處損傷因子均達(dá)到了1，強(qiáng)損傷范圍約為2.1 m，弱損傷范圍約為8.4 m。所以中心孔與中間孔爆破對充填體損傷較小，邊孔爆破才是造成充填體損傷的主要原因。

圖6 爆破后損傷云圖

圖7 爆破后的損傷因子

中心孔與中間炮孔爆破過程中，充填體的損傷程度要大于礦石邊界的損傷程度，主要是由于礦石的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于充填體的強(qiáng)度。

同樣采用邊孔距爆破模型研究損傷因子的影響程度。由圖8 可知，隨著邊孔距的增大，爆破對充填體的沖擊越大，充填體的爆破損傷也越大，但是礦房的爆破效果隨著邊孔距的增大，炮孔間距減小，礦石的爆破效果也就越好。

圖8 不同邊孔距下爆破損傷情況

隨著邊孔距的增大，充填體內(nèi)部損傷范圍越小，損傷也越輕微，如圖9 所示：邊孔距為3 m 時(shí)，礦房邊界的損傷因子為1，破碎效果較好，充填體內(nèi)部臨界損傷深度，即強(qiáng)損傷臨界半徑為2.8893 m，弱損傷臨界半徑為9.4685 m；邊孔距為3.5 m 時(shí)，礦房邊界的損傷因子為1，破碎效果較好，充填體內(nèi)部臨界損傷深度，即強(qiáng)損傷臨界半徑為2.535 m，弱損傷臨界半徑為6.7833 m；邊孔距為4 m 時(shí)，礦房邊界2 m 范圍內(nèi)損傷因此最小為0.82，破碎效果較差，充填體內(nèi)部臨界損傷深度，即強(qiáng)損傷臨界半徑為0.712 m，弱損傷臨界半徑為6.607 m。

圖9 不同邊孔距下?lián)p傷因子與爆破距離的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）以中關(guān)鐵礦的階段空場嗣后充填采礦法為研究對象，采用GDEM 軟件研究了不同邊孔距爆破對充填體礦柱的損傷范圍的影響，得到邊孔距對礦柱損傷影響較大的結(jié)論。

（2）隨著邊孔距的增大，炸藥爆破對充填體的作用強(qiáng)度在減小，充填體礦柱的弱損傷區(qū)深度逐漸增大。

（3）參考應(yīng)力數(shù)值及損傷因子在充填體內(nèi)的變化規(guī)律可知，礦山爆破參數(shù)選取不當(dāng)會造成充填體邊界部位發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，影響其穩(wěn)定性，因此可采用更大的邊孔距進(jìn)行爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)。