劉宏穎

(華北理工大學 礦業(yè)工程學院，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用，其二步驟回采過程中進行的深孔爆破，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，主要為爆破振動破壞和動態(tài)損傷巖體。當充填體礦柱靠近起爆點時，必須要作為重點研究對象，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重要。

在充填體的爆破損傷研究方面，國內(nèi)學者大多從爆破振動效應的角度入手。部分學者采用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對爆破震動進行研究，宋全杰等依據(jù)實際的爆破監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了爆破振動的傳播規(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)點振速分析爆破的振動響應。部分學者應用模擬對爆破振動進行分析，徐文彬等通過對熱處理的膠結(jié)充填體進行三點彎曲試驗，應用高速攝像機加載系統(tǒng)捕捉裂紋，應用MATLAB 進行分析。朱瑞鵬等采用ANSYS/LS-DYNA 研究了邊孔的爆破累計損傷對充填體的損傷情況，同時還用應力波的傳播對爆破振動進行分析。劉志祥和李夕兵認為，在二步驟回采過程中，應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)巖石破巖機理與交界面處的應力波傳播規(guī)律，提出了礦山異質(zhì)界面控制爆破技術，實現(xiàn)了安全穩(wěn)定的礦山回采。

但是，目前國內(nèi)外的專家學者主要研究的爆破損傷方向為隧道鉆爆，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，研究地下爆破開采過程中充填體礦柱的損傷情況。

1 理論計算

中關鐵礦埋深約300 m，以厚大礦體為主，在硐室中進行大直徑深孔鑿巖，按照鑿巖的高度和出礦的高度與礦體的實際情況，設計選用階段空場嗣后充填體采礦法進行開采，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50°～60°。

設當爆破應力波自礦巖進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)點的應力分別為σI、σR和σT，引起的質(zhì)點移動速度分別為vI、vR和vT，結(jié)合應力波傳播的特性及能量的守恒定律可以得知：

進而可以得到：

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參數(shù)帶入到式（3）中，得到垂直入射時通過交界面處的反射應力、透射應力與入射應力之間的關系：

同時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參數(shù)，可以得到垂直入射時通過交界面處的入射、反射、透射波攜帶能量之間的關系：

表1 礦巖及充填體力學參數(shù)

總的來說，在中關鐵礦的深孔爆破開采過程中，大部分的爆破應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，應用GDEM 模擬軟件進行計算分析，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。

圖1 模型

礦房側(cè)向深孔爆破鑿巖在鑿巖硐室中進行，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)礦山爆破設計選取炮孔直徑為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個炮孔，設置炮孔間起爆延時為25 ms，由于兩側(cè)對稱，因此選取3 個炮孔進行模擬，設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置7 個監(jiān)測點，1～7 監(jiān)測點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1，4，7 處的應力值對爆破應力波的衰減進行分析，如圖3 所示。

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

圖3 應力時程曲線

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

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

由圖3、圖4 可知，充填體內(nèi)最大壓應力為X方向，大小為4.96 MPa，超過了充填體的最大抗壓強度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度為0.41 MPa，超過了充填體的最大抗拉強度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 方向峰值應力與爆破距離的關系

由于邊角孔的爆破影響最大，因此設計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，峰值應力隨邊孔距的變化較小，邊孔距越大，同一位置上的峰值應力越小。邊孔距為3 m 時，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，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，峰值應力的漲幅增大。

圖5 不同邊孔距下峰值應力與爆破距離的關系

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

2.3 損傷演化規(guī)律

GDEM 中對損傷的定義有所不同，基于拉剪復合應變軟化模型，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)合損傷因子進行深孔爆破損傷模擬分析，在GDEM 軟件中，設爆破作用下，造成的損傷大于0.9 即為強損傷，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，隨著爆破的進行，充填體損傷范圍逐漸擴大，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到了1，強損傷范圍約為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度要遠大于充填體的強度。

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，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，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，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系

3 結(jié)論

（1）以中關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)選取不當會造成充填體邊界部位發(fā)生嚴重損傷，影響其穩(wěn)定性，因此可采用更大的邊孔距進行爆破參數(shù)的設計。