撫順西露天礦臺(tái)階致裂爆破多炮孔相互作用*

于永軍 楊曉琴 高廣來(lái) 劉允秋

（1.原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；3.撫順市應(yīng)急管理局；4.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

撫順西露天礦位于市區(qū)南部，東西方向長(zhǎng)6.6 km，南北方向?qū)?.2 km，坑底部分區(qū)域垂深超過(guò)400 m，總面積接近15 km2，鄰近水系發(fā)達(dá)的渾河南岸。西露天礦坑內(nèi)地層含有較多的新老地層交錯(cuò)區(qū)域，非規(guī)整的玄武巖、片麻巖和花崗巖相互接觸，覆蓋煤層。礦體巖石強(qiáng)度較低，受到強(qiáng)烈的風(fēng)化作用和區(qū)域變質(zhì)作用，表現(xiàn)為較強(qiáng)的含水性和導(dǎo)水性［1］。露天礦體的原巖存在地下水滲流運(yùn)移特性以及常規(guī)降雨引起的滲流補(bǔ)給，在進(jìn)行露天礦臺(tái)階爆破致裂巖體時(shí)，有必要同時(shí)考慮巖體自重（應(yīng)力分量）與水滲流的雙向耦合作用［2］，以獲得更客觀的計(jì)算結(jié)果。本研究通過(guò)建立基于應(yīng)力—滲流耦合的壓裂模型，采用MATLAB自主編程實(shí)現(xiàn)特定算法，在與室內(nèi)壓裂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證后，將模型用于撫順西露天礦邊坡臺(tái)階的炮孔致裂機(jī)制與效果研究，分析多個(gè)炮孔同步致裂過(guò)程中的多裂縫相互干擾行為。

1 露天礦煤層壓裂模型與有效性驗(yàn)證

露天礦爆破致裂過(guò)程是一個(gè)涉及多因素的復(fù)雜力學(xué)過(guò)程，將力學(xué)計(jì)算模型與單一鉆孔煤巖室內(nèi)壓裂試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，是校驗(yàn)力學(xué)模型所反映巖石裂縫擴(kuò)展規(guī)律準(zhǔn)確性的重要手段。建立考慮露天礦巖體中流體飽和度的流—固耦合控制方程來(lái)描述臺(tái)階致裂過(guò)程中的巖體變形響應(yīng)，以及流體壓力分布的演變。其中，根據(jù)彈性力學(xué)與滲流力學(xué)的耦合理論，建立以位移、巖石孔隙壓力表示的平衡方程：

式中，G 為材料剪切彈性模量，Pa；ν 為泊松比；ui是位移向量；Sw是飽和度，在單相水滲流時(shí)取1.0；pw和Fi分別是流體壓力標(biāo)量（Pa）和煤巖體力向量（Pa）；α 為流—固耦合Biot系數(shù)。通過(guò)式（1）求解出礦體平均位移分量ui?？紤]煤巖固體變形與流體流動(dòng)過(guò)程的耦合作用，水滲流方程為

式中，Cw是流體壓縮系數(shù)，Pa-1；Qw為源匯項(xiàng)，s-1；kj為礦體平均滲透率，m2；ρw為流體密度kg·m-3。

通過(guò)式（2）解算出流體壓力pw，式（2）含有與位移ui相關(guān)聯(lián)的耦合項(xiàng)，即體應(yīng)變?chǔ)舦，實(shí)現(xiàn)了流固雙向耦合。對(duì)式（1）、式（2）描述的煤巖致裂方程與文獻(xiàn)［5］煤巖致裂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（圖1）。試樣尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，中部井筒直徑為20 mm，數(shù)值試樣基本力學(xué)參數(shù)：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為125 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為9.4 MPa，彈性模量為14 GPa，泊松比為0.35；流固邊界條件：豎向地應(yīng)力（σv）為46.2 MPa，橫向地應(yīng)力（σh）為51.9 MPa。向井筒內(nèi)不斷注入壓裂液直至巖石致裂，其排量為4 mL/min。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，裂紋從井筒射孔處萌生，沿著層理與最大地應(yīng)力方向擴(kuò)展，其擴(kuò)展路徑基本保持直線性（圖1（b））。當(dāng)裂縫持續(xù)延伸到試樣邊界處時(shí)，裂縫的開(kāi)度顯著增大，這是由于主裂縫與層理同步開(kāi)裂，試樣沿著層理面完全劈裂為兩部分（圖1（c））。壓裂主裂縫基本沿著射孔方向及層理展布方向擴(kuò)展，由于層理弱面（低強(qiáng)度、低剛度以及高導(dǎo)流性）的存在，使得試樣的橫向整體強(qiáng)度弱于豎向，且射孔與最大地應(yīng)力分量保持一致，進(jìn)而致裂后的煤巖體內(nèi)形成開(kāi)度較大的橫向貫穿主裂縫，與實(shí)際試驗(yàn)的直觀認(rèn)識(shí)非常吻合（圖1（d））。數(shù)學(xué)模型可與試驗(yàn)結(jié)果反映一致的巖石裂縫擴(kuò)展規(guī)律，表明將所建立力學(xué)模型用于撫順西露天礦臺(tái)階多炮孔的致裂分析，具備一定科學(xué)依據(jù)。

2 西露天礦臺(tái)階的致裂作業(yè)數(shù)值計(jì)算

2.1 基本工況模型

露天礦爆破過(guò)程中采用淺、中、深孔爆破技術(shù)，其中鉆孔深度、鉆孔間隔等參數(shù)是人為可調(diào)控的工藝因素，而水文地質(zhì)條件為不可控的天然地質(zhì)因素。以撫順西露天礦北幫E1200～E3400 開(kāi)采范圍為研究對(duì)象，礦體表面受到剝離、風(fēng)化作用使其強(qiáng)度弱化，該礦體內(nèi)摩擦角僅為30°，平均滲透系數(shù)達(dá)到0.008 7 m/d。根據(jù)撫順西露天礦實(shí)際工況，北幫的平均設(shè)計(jì)坡面角為60°。建立鉆孔—臺(tái)階計(jì)算模型以模擬礦用GZ-160 型變孔深鉆機(jī)所預(yù)制φ120 mm 鉆孔的情形［2-3］。炮孔連線距離地表1.25 m。為簡(jiǎn)化分析，設(shè)置鉆孔時(shí)，將臺(tái)階近似為理想水平臺(tái)階，最終建立如圖2 所示數(shù)值模型，并完成單元?jiǎng)澐?，求解時(shí)需考慮礦體自重。

計(jì)算模型底部長(zhǎng)度為30 m，高度為15 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為22.11 m，致裂炮孔間距為2.5 m，距離地表為1.25 m。模型左側(cè)邊界、下側(cè)邊界分別約束其橫向、豎向位移，整體礦體承受均勻分布的巖體自重。煤巖體主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

注：此處單軸抗壓強(qiáng)度為煤巖混合物的單軸抗壓強(qiáng)度平均數(shù)值。

礦體的均質(zhì)度系數(shù)表征礦體巖石材料參數(shù)非均勻分布，采用損傷力學(xué)思想進(jìn)行破巖計(jì)算［4-6］?；竟r為假定礦體滿足疏干條件，采用脆性材料線彈性損傷力學(xué)的方法模擬煤巖裂縫擴(kuò)展，根據(jù)損傷力學(xué)原理，當(dāng)煤巖發(fā)生損傷破壞時(shí)，彈性模量在假設(shè)巖石彈模Weibull 隨機(jī)分布的樣本值基礎(chǔ)上進(jìn)一步折減［6］，通過(guò)計(jì)算得到多孔致裂結(jié)果如圖3 所示，分別以彈性模量隨機(jī)分布樣本值（表征巖石非均質(zhì)性）分布的折減（圖3（a）、（b））以及對(duì)應(yīng)的損傷區(qū)演化（圖3（c））表征煤巖致裂過(guò)程以及裂縫擴(kuò)展。其中，折減至接近于零的彈性模量即為煤巖破裂區(qū)，對(duì)應(yīng)的損傷區(qū)用損傷因子表示（數(shù)值0 表示未損傷，-1 和1 分別表示拉伸和剪切損傷）?？梢?jiàn)，多孔之間相互影響，并不能同步致裂，其中2#孔最優(yōu)先起裂，之后破巖作用至3#、4#孔，而1#孔的起裂最為滯后。大范圍拉伸破壞區(qū)域集中在2#～4#鉆孔附近（圖3（c））。

2.2 承壓水對(duì)爆破的影響

若考慮該礦近水系特征以及降雨影響，臺(tái)階水平面以下的線性分布水壓力（初始靜液柱水頭）將對(duì)臺(tái)階致裂時(shí)裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生顯著影響，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。對(duì)比圖3（b）、圖4（b），初始水壓（圖4（c））更有利于提升爆破致裂效果，增大破巖塊體體積。這是由于水壓與Biot系數(shù)共同改變了煤巖的有效應(yīng)力場(chǎng)。

2.3 鉆孔深度影響及各工況破巖機(jī)制對(duì)比

不同的鉆孔深度會(huì)影響整體布孔長(zhǎng)度上的抵抗線位置，進(jìn)而產(chǎn)生不同的飛石結(jié)果。理論上，鉆孔位置越深，臺(tái)階經(jīng)過(guò)致裂后的有效產(chǎn)能越高［6］。在與基本工況條件一致情況下，將鉆孔向上移至距離地表50 cm 處（圖5），可見(jiàn)多孔仍未同步起裂，此時(shí)2#孔的致裂最為滯后。臺(tái)階破裂形態(tài)（表征飛石）與前述工況也有差別，表現(xiàn)為近地表地帶礦石的大量破壞、剝離，且最終礦石破壞區(qū)形態(tài)基本與布孔特征一致；而距離炮孔連線一定深度范圍內(nèi)礦石基本未產(chǎn)生損傷。同時(shí)，對(duì)比破壞區(qū)范圍（圖3（b）、圖5（b）），也非常符合適當(dāng)增加鉆孔深度有利于提高最終產(chǎn)量的實(shí)踐規(guī)律。

對(duì)比上述3 種爆破施工工況時(shí)礦體的拉伸及剪切破壞機(jī)制與破壞時(shí)機(jī)，如圖6所示，初始階段，不產(chǎn)生損傷，拉伸與剪切損傷因子均為0，后期不論何種工況，拉伸損傷的產(chǎn)生均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)先于剪切損傷（拉伸損傷因子的絕對(duì)值首先大于0），依據(jù)傳統(tǒng)巖石力學(xué)理論，巖石抗壓強(qiáng)度∶抗剪強(qiáng)度∶抗拉強(qiáng)度為（8～10）∶2∶1，數(shù)值計(jì)算反映了露天礦巖體致裂破壞現(xiàn)象與完整巖石的強(qiáng)度特征比較接近。與基本工況（圖6（a））相比，礦體內(nèi)含有承壓水時(shí)有利于提高剪切破巖效果，因?yàn)榇藭r(shí)剪切損傷因子接近0.8，然而基本工況時(shí)不足0.6，承壓水的存在，進(jìn)一步弱化了礦體，而剪切損傷程序的增加，將使得爆破后煤巖塊體位移增加，利于改善爆破效果。采用淺孔進(jìn)行致裂時(shí)，剪切破壞不顯著，剪切損傷因子不足0.3，而拉伸破壞更明顯，拉伸破壞曲線比前2 種工況更陡峭（圖6（c）），說(shuō)明淺孔起裂時(shí)，可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)以拉伸破壞為主的致裂破巖效果。當(dāng)炮孔布置深度較淺時(shí)，孔上部煤巖重量較小，煤巖拉伸破壞明顯優(yōu)先于剪切破壞。本文所得到的臺(tái)階煤巖、礦體破裂效果與該礦實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)得到的爆破破巖規(guī)律基本保持一致，數(shù)值計(jì)算結(jié)果有助于指導(dǎo)今后考慮不同布孔方案以及承壓水等地質(zhì)條件下的臺(tái)階爆破施工。

3 結(jié) 論

（1）建立考慮流—固耦合效應(yīng)的露天礦鉆孔爆破模型可再現(xiàn)煤巖室內(nèi)致裂試驗(yàn)裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，即表明所建立模型用于撫順西露天礦臺(tái)階致裂過(guò)程具備客觀性。該礦臺(tái)階多炮孔致裂時(shí)，裂縫擴(kuò)展并不同步，多孔之間存在強(qiáng)烈干擾，部分鉆孔的起裂產(chǎn)生滯后效應(yīng)。

（2）礦體內(nèi)承壓水分布明顯影響多炮孔致裂效果。當(dāng)計(jì)入地表以下承壓水作用時(shí)，致裂、破巖體積比礦體疏干工況有所增大，所得結(jié)果對(duì)于考慮水作用時(shí)的邊坡穩(wěn)定性與臺(tái)階爆破分析有參考意義。淺埋深孔工況下多孔不同步致裂時(shí)的起裂順序發(fā)生改變，臺(tái)階破裂飛石分布規(guī)律也有不同，近地表區(qū)域礦石大量剝離，即增大孔深有利于提高煤礦最終產(chǎn)量，與生產(chǎn)實(shí)踐規(guī)律一致。

（3）臺(tái)階爆破時(shí)，對(duì)于疏干臺(tái)階、臺(tái)階地表以下含承壓水情況以及淺孔致裂工況，礦體的拉伸破壞均占絕大比重，而剪切破壞程度不明顯。拉—剪損傷機(jī)制曲線反映的規(guī)律與不同工況下的礦體破裂計(jì)算結(jié)果相一致。