莫 超 陳星明 賈 達(dá) 劉小平 龍林健

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

在金屬礦山地下開(kāi)采過(guò)程中，因頂板冒落而引發(fā)的礦震是最為嚴(yán)重的危害之一。礦震發(fā)生的大多數(shù)原因?yàn)椴蓤?chǎng)采空區(qū)頂板冒落產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能直接作用于采場(chǎng)底部，沖擊動(dòng)能其中一部分能量轉(zhuǎn)化為采空區(qū)底部巖體的形變能，另一部分能量以振動(dòng)波的形式傳遞給采空區(qū)下部采場(chǎng)或相鄰地下工程結(jié)構(gòu)，造成劇烈振動(dòng)并致其發(fā)生垮塌破壞。礦震的危害具有瞬時(shí)性、短暫性、普遍性、先兆不明顯及難以預(yù)報(bào)等特點(diǎn)［1］，同時(shí)礦震震級(jí)受到多個(gè)因素的共同影響，其中最主要的因素是采空區(qū)頂板冒落時(shí)所產(chǎn)生沖擊動(dòng)能的大小。通過(guò)相關(guān)研究資料［2-3］可知，下部采場(chǎng)所受沖擊動(dòng)能大小的影響因素分別為采空區(qū)高度、頂板冒落量、礦體自身強(qiáng)度和采空區(qū)底部是否具有安全墊層。

本研究依據(jù)相似理論進(jìn)行砂漿配比，制作與礦山實(shí)際情況匹配的砂漿模型，通過(guò)物理試驗(yàn)?zāi)M地下礦山采空區(qū)頂板冒落，測(cè)定在不同冒落高度、不同冒落量、不同礦體強(qiáng)度以及有無(wú)安全墊層4種條件下采空區(qū)頂板冒落在下部各采場(chǎng)引起的沖擊振動(dòng)速度，進(jìn)而揭示地下礦山上部采空區(qū)頂板冒落對(duì)礦山下部采場(chǎng)穩(wěn)定性影響的規(guī)律，為礦山安全生產(chǎn)提供參考。

1 相似模型制作

1.1 試驗(yàn)所需材料

本次模具制作參考某礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（分段高度×進(jìn)路間距）為15 m×15 m，回采進(jìn)路尺寸（寬×高）為4.6 m×4.3 m。本次試驗(yàn)依照該礦山采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，按1∶100的比例制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模具前部為有機(jī)玻璃板，左右兩側(cè)為固定木板，模型后部為可拆卸木板，試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D1所示。為良好地測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)，模型在每分層設(shè)有一個(gè)尺寸為7.3 cm×7.3 cm的巷道用于安裝爆破振動(dòng)儀傳感接收器。此次試驗(yàn)所需其他材料包括水泥、河沙（粒徑為0.1～0.3 mm）、石膏、規(guī)格為2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm的小鐵塊（用于模擬頂板冒落的礦石）、鐵墊片（承載小鐵塊）、鐵棒（承載鐵墊片）、爆破振動(dòng)儀（Blas-UM型）等。

1.2 相似條件的選取

在巖土工程中，模型試驗(yàn)是一種行之有效的方法，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用和發(fā)展［4］。相似模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)是相似理論，在進(jìn)行相似模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先確定模型的相似條件，使模型盡可能貼近現(xiàn)實(shí)情況。根據(jù)公式［5］：

式中，Cε為應(yīng)力相似系數(shù)；CE為彈性模量相似系數(shù)；CL為幾何相似系數(shù)，本次試驗(yàn)為100；Cγ為容重相似系數(shù)，本試驗(yàn)選取Cγ=1.5；

計(jì)算得Cε=CE=150。

根據(jù)相似準(zhǔn)則公式［6］：

式中，σ0為原巖的抗壓強(qiáng)度，取原巖的抗壓強(qiáng)度平均值，σ0=108 MPa。計(jì)算得試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度σm=0.72 MPa。

由于需要通過(guò)試驗(yàn)研究得到材料強(qiáng)度對(duì)沖擊振動(dòng)波的影響，故本次試驗(yàn)砂漿配比按M5強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行配置。根據(jù)《JGJ/T98-2010砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及已有的相關(guān)研究配合比［7］，本次試驗(yàn)的材料配比如表1（砂∶水泥∶石膏∶水=6.4∶1∶0.5∶1.1）。

1.3 模型制作

根據(jù)表1中的材料配比稱取各類試驗(yàn)材料，在攪拌機(jī)內(nèi)攪拌均勻后倒入試驗(yàn)?zāi)＞邇?nèi)，每個(gè)分層內(nèi)插入鐵質(zhì)模具模擬巷道，砂漿倒入模具后需均勻搗實(shí)壓密，整個(gè)倒模過(guò)程應(yīng)迅速完成，澆筑完成后的模型如圖2所示。

2 相似模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)冒落總量

根據(jù)普氏平衡拱理論，地下工程開(kāi)挖形成采空區(qū)后若不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)空區(qū)暴露面積大于其穩(wěn)定的臨界面積或受外部強(qiáng)烈擾動(dòng)時(shí)，空區(qū)頂板將會(huì)發(fā)生垮塌冒落，直至形成一個(gè)拋物線的穩(wěn)定拱形［8］。結(jié)合礦山采場(chǎng)實(shí)際情況，在本次試驗(yàn)中，頂板冒落總量為采空區(qū)開(kāi)挖完成時(shí)到頂板充分冒落至穩(wěn)定拱形時(shí)的礦巖冒落量。

頂板冒落拱高度H計(jì)算公式：

式中，H為頂板冒落拱高度；L為頂板冒落跨度；α為頂板冒落部分的內(nèi)摩擦角，根據(jù)調(diào)研相關(guān)礦山資料，α=37.58°。

根據(jù)式（4）求得H=15.5 m，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤?∶100，則試驗(yàn)時(shí)冒落拱高度為15.5 cm。

根據(jù)已有的相關(guān)研究［9-10］可將冒落體類比作橢球體，根據(jù)半圓橢球體積計(jì)算公式：

式中，V表示冒落體積；a為橢球長(zhǎng)半軸，m；b為橢球短半軸，m，c為橢球高度即H，m。

試驗(yàn)時(shí)為防止鐵塊與模具四周木板發(fā)生碰撞，故考慮將冒落半橢球體等價(jià)為直徑40 cm的半球體，即a=b=20 m，c=H=15.5 m，代入式（5）得V為12 978.67 m3，巖石密度為3 t/m3，則冒落重量為38 936 t，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤?∶100，求得試驗(yàn)時(shí)冒落總重量為38.9 kg。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

調(diào)研資料［7］可知模型澆筑完成后，在室外保養(yǎng)7 d即可進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將爆破振動(dòng)儀傳感接收器依次編號(hào)為1、2、3、4，分別放入每分層規(guī)格為7.3 cm×7.3 cm的1#、2#、3#、4#預(yù)留巷道中間，底部按操作規(guī)范用特種石膏安裝固定。在模型上方相應(yīng)高度固定鐵板，并在鐵板上方均勻敷設(shè)小鐵塊用于模擬冒落體，打開(kāi)爆破振動(dòng)儀，將其精度調(diào)為最小值0.008 cm/s，開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)迅速抽出鐵墊片，此時(shí)鐵塊由于重力作用將發(fā)生自由冒落，待冒落結(jié)束后讀取相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。模型傳感接收器安裝如圖3所示。

2.2.1 不同冒落高度對(duì)下部采場(chǎng)的沖擊振動(dòng)影響

假定頂板暴露面積達(dá)到臨界冒落面積并發(fā)生冒落，冒落量為總量的30%（11.6 kg），為研究冒落體在不同高度冒落后對(duì)下部各采場(chǎng)底板的振動(dòng)變化規(guī)律，試驗(yàn)冒落高度分別設(shè)置為15、20、25、30、35 cm，按照試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，且每個(gè)冒落高度均進(jìn)行3次試驗(yàn)，共計(jì)15次，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2（養(yǎng)護(hù)14 d試驗(yàn)數(shù)據(jù)）。

分析表2可知，隨著頂板冒落高度的增加，下部采場(chǎng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度總體上均為上升趨勢(shì)，其中1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度上升趨勢(shì)較為明顯，而4#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度上升趨勢(shì)相對(duì)緩和。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推斷，在實(shí)際礦山開(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)頂板冒落量一定時(shí)，采空區(qū)頂板不同冒落高度對(duì)下部采場(chǎng)的沖擊振動(dòng)影響范圍存在某一臨界深度（本研究結(jié)果60 m，4#測(cè)點(diǎn)處），當(dāng)超過(guò)該深度后，不同冒落高度對(duì)該處的振動(dòng)速度變化影響較小。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冒落高度由20 cm上升至25 cm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度發(fā)生相對(duì)的突增，而冒落高度超過(guò)25 cm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度上升幅度明顯減小。由此可以認(rèn)為，頂板冒落高度在一定范圍內(nèi)（本研究為20 cm），頂板冒落對(duì)下部采場(chǎng)的沖擊振動(dòng)影響較??；當(dāng)冒落高度超過(guò)這一高度時(shí)，頂板冒落對(duì)下部采場(chǎng)的沖擊振動(dòng)影響相對(duì)明顯。

2.2.2 不同冒落量對(duì)下部采場(chǎng)沖擊振動(dòng)的影響

在確保冒落高度25 cm不變的情況下，假定頂板暴露面積在達(dá)到臨界冒落面積時(shí)發(fā)生冒落，為研究不同冒落量沖擊采場(chǎng)底板的振動(dòng)變化規(guī)律，假定冒落量分別為前述計(jì)算總量的20%（7.7 kg）、30%（11.6 kg）、40%（15.6 kg）、50%（19.4 kg），用不同冒落量分別進(jìn)行3次試驗(yàn)，共計(jì)12次。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示（養(yǎng)護(hù)14 d試驗(yàn)數(shù)據(jù)）。

分析表3可知，當(dāng)冒落高度一定時(shí)，隨著冒落體質(zhì)量的增加，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度均有所增加，但相比1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)，4#測(cè)點(diǎn)速度變化不明顯。由此可知，當(dāng)頂板冒高度一定時(shí)，采空區(qū)頂板不同冒落量對(duì)下部采場(chǎng)的沖擊振動(dòng)影響范圍存在某一臨界深度（本研究結(jié)果60 m，4#測(cè)點(diǎn)處），當(dāng)超過(guò)該深度后，不同冒落量對(duì)該處的振動(dòng)速度變化影響較小。

2.2.3 安全墊層對(duì)沖擊振動(dòng)的影響

上述兩方案均研究的是冒落體直接沖擊采場(chǎng)底部的情形，然而有些礦山實(shí)際生產(chǎn)情況是在采場(chǎng)內(nèi)預(yù)留一些礦石作為緩沖墊層，故本次研究試驗(yàn)在模型上方鋪設(shè)5 cm散體作為安全墊層，散體塊度級(jí)配為 0.1～0.3 cm占75%、0.3～0.6 cm 占 15%、0.6～0.9 cm占10%，在確保冒落質(zhì)量、安全墊層厚度及安全墊層配比不變的情況下，假定頂板暴露面積達(dá)到臨界冒落面積時(shí)發(fā)生誘導(dǎo)冒落，冒落量為總量的30%。為研究在有散體墊層情況下，不同冒落高度頂板冒落沖擊下部采場(chǎng)的振動(dòng)變化規(guī)律，在初次冒落高度的基礎(chǔ)上升高5 cm，分別為15、20、25、30、35 cm，不同冒落高度分別進(jìn)行3次試驗(yàn)，共計(jì)15次。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示（養(yǎng)護(hù)14 d試驗(yàn)數(shù)據(jù)）。

分析表4數(shù)據(jù)并與表2無(wú)墊層數(shù)據(jù)對(duì)比可知，當(dāng)模型上方鋪設(shè)有5 cm散體墊層時(shí)，各冒落高度振動(dòng)速度的變化趨勢(shì)與無(wú)散體墊層時(shí)一致；當(dāng)模型上方均勻敷設(shè)5 cm墊層時(shí)，不同冒落高度冒落時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度大小均有一定下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，礦山采場(chǎng)內(nèi)預(yù)留適當(dāng)厚度的墊層對(duì)冒落體有一定的緩沖作用。

2.2.4 不同材料強(qiáng)度對(duì)沖擊振動(dòng)的影響

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹?qiáng)度是按照規(guī)范M5強(qiáng)度配制，試驗(yàn)根據(jù)模型養(yǎng)護(hù)時(shí)間不同而強(qiáng)度不同來(lái)達(dá)到測(cè)試材料不同強(qiáng)度對(duì)沖擊振動(dòng)影響的目的。在澆筑模型的同時(shí)澆筑9個(gè)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，試件3個(gè)一組分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、21 d，測(cè)試試件強(qiáng)度的儀器為微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)。試件及試件抗壓試驗(yàn)如圖4。

單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果如表5。

在測(cè)得7 d、14 d、21 d標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，控制冒落高度和冒落量不變，分別測(cè)試模型在養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、21 d時(shí)受冒落沖擊振動(dòng)影響。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

分析表6可知，在頂板冒落高度及冒落量不變的情況下，隨著材料強(qiáng)度的增加，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度大小均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即在同等外部沖擊條件下，材料強(qiáng)度越大，同一個(gè)位置的振動(dòng)速度也就越大。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推測(cè)，礦山巖石強(qiáng)度越大，振動(dòng)速度也就越大。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究以相似理論為基礎(chǔ)，通過(guò)相似模型試驗(yàn)研究礦山開(kāi)采過(guò)程中不同條件下頂板冒落對(duì)下部采場(chǎng)沖擊振動(dòng)的規(guī)律，根據(jù)本次試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）隨著冒落高度的升高，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度都有增大；振動(dòng)速度大小隨著冒落高度的增加存在一個(gè)突變期，在突變期內(nèi)振動(dòng)速度增長(zhǎng)最快。

（2）振動(dòng)速度的大小和冒落量多少、材料強(qiáng)度大小呈正相關(guān)的關(guān)系。

（3）采場(chǎng)內(nèi)存在適當(dāng)厚度的散體墊層對(duì)冒落體具有良好的緩沖作用，當(dāng)采場(chǎng)存在適當(dāng)厚度的散體墊層時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度有明顯減小。

（4）通過(guò)分析所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在各個(gè)試驗(yàn)條件下，距離沖擊位置越近的測(cè)點(diǎn)速度變化越明顯；采場(chǎng)頂板冒落對(duì)下部采場(chǎng)造成的影響都存在某一臨界深度，當(dāng)超過(guò)這一臨界深度時(shí)，上部采場(chǎng)頂板冒落對(duì)其造成的沖擊振動(dòng)影響較小。