費(fèi)鴻祿，郭玉新,2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000；2.包頭市泉山爆破工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060)

0 引言

礦產(chǎn)資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物資基礎(chǔ)[1]，但由于礦產(chǎn)資源的不可再生性以及需求量的日益增加[2]，采空區(qū)隱患資源受到廣泛關(guān)注[3]；采空區(qū)是影響礦山安全生產(chǎn)的危害源之一[4]，也是安全生產(chǎn)中的重大隱患之一[5]，針對(duì)空區(qū)安全治理、隱患資源回收以及爆破時(shí)間間隔，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[6-9]。

李國(guó)書(shū)等[10]考慮空間協(xié)同、資源協(xié)同、工藝協(xié)同3個(gè)方向，提出了協(xié)同開(kāi)采理念，并歸納了協(xié)同開(kāi)采理念的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀；王玉樂(lè)等[11]采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，分析了深孔爆破對(duì)隱患資源開(kāi)采時(shí)鉛鋅礦兩幫的動(dòng)力響應(yīng)特性；吳啟紅[12]應(yīng)用突變理論和強(qiáng)度折減理論，研究了礦山復(fù)雜多層采空區(qū)的穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的安全治理方式；鄧紅衛(wèi)等[13]利用LS-DYNA建立了準(zhǔn)二維扇形中深孔爆破模型，并通過(guò)設(shè)計(jì)5組不同段別的逐孔起爆方案，優(yōu)選梅山鐵礦的爆破參數(shù)及微差方式；李祥龍等[14]為了控制地下爆破振動(dòng)，改善巖石破碎效果，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)孔間延期時(shí)間和排間延期時(shí)間分別為25，75 ms時(shí)最優(yōu)；吳賢振等[15]運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力分析程序研究了臨近采空區(qū)多段毫秒爆破的微差時(shí)間對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明：微差間隔時(shí)間為7 ms/m時(shí)干涉減振效果最優(yōu)。但以上研究缺少扇形布孔形式對(duì)空區(qū)治理和資源回收的內(nèi)容，對(duì)扇形排列間隔時(shí)間的研究更是鮮有報(bào)道。

為同時(shí)解決“空區(qū)隱患安全治理”和“隱患資源高效回收”問(wèn)題，提出交錯(cuò)扇形深孔崩落法，并采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件優(yōu)選扇形排列間隔時(shí)間。

1 工程背景

白音諾爾礦業(yè)有限公司位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗北部，礦山區(qū)域面積15.14 km2，是中國(guó)北方少見(jiàn)的大型鉛鋅金屬礦床，該礦床以鉛、鋅、銀、鎘為主，伴生有錫、銅、鎢、金等多種金屬。

由于采空區(qū)暴露時(shí)間較長(zhǎng)，1#礦體露天坑底隔離礦柱發(fā)生了塌陷，塌陷空洞長(zhǎng)約47 m，寬約15 m，如圖1所示，未造成人員傷亡，但已停止井下采場(chǎng)開(kāi)采作業(yè)。

圖1 露天坑底隔離礦柱塌陷

1#礦體采空區(qū)現(xiàn)狀示意圖如圖2所示，露天坑底標(biāo)高Z為1 020 m；采空區(qū)標(biāo)高分布在950～990 m，采空區(qū)長(zhǎng)約250 m，最寬處寬度約55 m，最窄處寬度約12 m，頂板暴露面積約3 468 m2，體積約13.87×104m3。

圖2 1#礦體采空區(qū)現(xiàn)狀示意

17#采場(chǎng)和18#采場(chǎng)標(biāo)高900～950 m ，17#采場(chǎng)在露天坑底隔離礦柱塌陷前正在進(jìn)行采礦，部分頂板與采空區(qū)貫通；9#采場(chǎng)標(biāo)高850～900 m，塌陷發(fā)生前正在進(jìn)行采準(zhǔn)工作。根據(jù)勘查結(jié)果，1#礦體可采殘礦礦量見(jiàn)表1。

表1 1#礦體可采殘礦礦量

由表1可知，1#礦體隱患資源總計(jì)415 439 t。為了同時(shí)解決“隱患資源高效回收”和“空區(qū)隱患安全治理”這對(duì)矛盾問(wèn)題，提出交錯(cuò)扇形深孔崩落法。

2 交錯(cuò)扇形深孔崩落法

1#礦體空區(qū)暴露面積大、位置較分散，所以設(shè)計(jì)將空區(qū)上方的露天坑底隔離礦柱崩落至采空區(qū)內(nèi)，但由于991 m上下盤、1 000 m下盤、1 005 m上盤施工的部分巷道出現(xiàn)不同程度錯(cuò)動(dòng)無(wú)法進(jìn)入，因此采用在1 005 m下盤施工鑿巖巷道對(duì)露天坑底礦體實(shí)施扇形深孔崩落[16]，使其形成緩沖層，既可以消除采空區(qū)安全隱患，又能夠回收殘留資源。

將崩落區(qū)域按照采空區(qū)位置分為采空一區(qū)爆破區(qū)和采空二區(qū)爆破區(qū)，如圖3所示。采空一區(qū)采用南側(cè)隔離礦柱依次向北側(cè)爆破崩落方案(扇形布孔13，14，15，…，70排順序起爆)；采空二區(qū)采用橫穿巷道由東向西依次向北側(cè)爆破崩落方案(扇形布孔77排至93排，78排至94排至104排順序起爆)。

圖3 采空一區(qū)和采空二區(qū)位置

1)孔交錯(cuò)。同排炮孔裝藥交錯(cuò)，由于爆破區(qū)域巖石和礦體相互交織，為避免扇形布孔孔口密、孔底疏，造成礦體的過(guò)度貧化，因此采用“短、中、長(zhǎng)”的裝藥尺寸形成孔交錯(cuò)的扇形布孔形式，如圖4(a)所示。

圖4 交錯(cuò)扇形排列布孔

2)排交叉。炮孔排間交錯(cuò)布控，為了保證施工質(zhì)量，根據(jù)“小抵抗線、大孔底距”的原則，避免小抵抗線時(shí)前排爆破造成后排炮孔破壞或帶掉起爆藥包，采用排交叉的扇形布孔形式，如圖4(b)所示。

交錯(cuò)扇形排列布孔主要通過(guò)空間交錯(cuò)裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)炸藥爆炸能量能夠分布均勻，通過(guò)炮孔的同排裝藥交錯(cuò)和排間交錯(cuò)的扇形布孔形式以及不同的炸藥單耗，滿足爆破塊度的要求，降低礦體的貧化率，實(shí)現(xiàn)礦巖分離，提高回采率，以及通過(guò)炸藥的空間均勻分布確保地表建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定以及地下采區(qū)的順利生產(chǎn)。

由于篇幅有限，選擇相鄰2排(18，19排)的礦巖分布、炮孔布置以及裝藥結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。圖5中T為透孔，孔底進(jìn)行了填塞，通過(guò)交錯(cuò)扇形排列布孔，18，19排的整體單耗分別為1.03，0.95 kg/m3。

圖5 礦巖分布、炮孔布置和裝藥結(jié)構(gòu)

3 基于LS-DYNA優(yōu)選排間間隔

3.1 數(shù)值模型建立

采用LS-DYNA模擬仿真軟件，根據(jù)交錯(cuò)扇形排列布孔，按照實(shí)際比例進(jìn)行建模。由于采空一區(qū)和采空二區(qū)爆破崩落方案均為順序起爆，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采空一區(qū)僅進(jìn)行13，14，15排模擬，采空二區(qū)僅進(jìn)行77，93排模擬，數(shù)值模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值模型

由圖6可知，數(shù)值模型的頂面為地表，即1 020 m水平；底面為990 m水平，由此底面及四周設(shè)置無(wú)反射邊界條件[17]。網(wǎng)格劃分采用自由劃分方式，巖石的網(wǎng)格尺寸為2 m，炸藥的網(wǎng)格尺寸為1 m。設(shè)置計(jì)算時(shí)間為0.6 s，共進(jìn)行600步，在計(jì)算過(guò)程中采用流固耦合算法，炸藥采用ALE算法，巖石采用LAGRANGE算法，模型采用kg-m-s單位制。

3.2 爆破參數(shù)選取

交錯(cuò)扇形排列布孔排距均為2 m，孔徑均為90 mm，其他爆破參數(shù)見(jiàn)表2～6。

表2 13排炮孔爆破參數(shù)

表3 14排炮孔爆破參數(shù)

3.3 材料參數(shù)設(shè)置

對(duì)1#礦體和巖石進(jìn)行取樣，采用量積法分別進(jìn)行密度測(cè)試。

表4 15排炮孔爆破參數(shù)

表5 77排炮孔爆破參數(shù)

表5(續(xù))

表6 93排炮孔爆破參數(shù)

根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)[18]，采用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，進(jìn)而計(jì)算彈性模量和泊松比，如圖7所示；根據(jù)巴西劈裂法，采用YAW-2000D微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，如圖8所示。

圖7 試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試

圖8 試件抗拉強(qiáng)度測(cè)試

巖石材料采用Elastic模型，并通過(guò)關(guān)鍵字Add-Erosion定義巖石的抗拉強(qiáng)度，使之強(qiáng)制失效；炸藥材料采用High-Explosive-Burn模型，并定義JWL狀態(tài)方程，具體材料參數(shù)見(jiàn)表7～8。

表7 巖石材料模型參數(shù)

3.4 采空一區(qū)排間間隔優(yōu)選

采空一區(qū)排間間隔為50 ms的垂直方向位移如圖9所示。由圖9(a)可知：巖石的破壞范圍比較集中，主要產(chǎn)生在炮孔孔端位置處；頂板產(chǎn)生了明顯的垂直方向位移，但未充分解體；由圖9(b)可知：孔端位置處巖石較破碎，但其余位置塊度較大；模型頂板產(chǎn)生延伸裂隙，但未形成貫通。

采空一區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移如圖10所示。由圖10(a)可知：巖石的破壞范圍較圖9顯著增大，塌落區(qū)域也比較分散；頂板同樣產(chǎn)生了明顯的垂直方向位移，并且解體更加充分；由圖10(b)可知：模型頂板破壞范圍也顯著增加，且形成了橫向貫通裂隙；塊度較圖9也更加均勻。

表8 炸藥材料模型參數(shù)

圖10 采空一區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移云圖

采空一區(qū)排間間隔為200 ms的垂直方向位移如圖11所示。由圖11(a)可知：巖石的破壞范圍更加集中，但導(dǎo)致塌落區(qū)域卻縮小為模型的右上部；頂板產(chǎn)生了垂直方向位移，但解體區(qū)域同樣較小；由圖11(b)可知：頂板的破壞范圍較圖9和圖10顯著減少，但同時(shí)破碎塊度更加均勻。

圖11 采空一區(qū)排間間隔為200 ms的垂直方向位移云圖

綜合對(duì)比圖9～11可知：排間間隔為100 ms時(shí)，巖石破壞范圍最大，且塌落區(qū)域分散，同時(shí)頂板解體充分，爆破塊度均勻，可以降低塌落振動(dòng)對(duì)900～950 m標(biāo)高之間采場(chǎng)的影響，保證建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定以及人員設(shè)備的安全。

采空一區(qū)排間間隔為100 ms的模擬效果如圖12所示。0.001 s時(shí)13排炮孔起爆，模型的頂板和右側(cè)壁位置處首先產(chǎn)生破壞；隨著爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的傳播，0.101 s時(shí)14排炮孔起爆，破壞范圍主要集中在孔端位置處，此時(shí)頂板充分解體；0.201 s時(shí)15排炮孔起爆，模型出現(xiàn)了大面積破壞，且塌落區(qū)域分散。

圖12 采空一區(qū)排間間隔為100 ms的模擬效果

3.5 采空二區(qū)排間間隔優(yōu)選

采空二區(qū)當(dāng)排間間隔為50 ms的垂直方向位移如圖13所示。77排位置和93排位置處巖石破碎程度相同，頂板產(chǎn)生貫通裂隙，且在2排中間處產(chǎn)生橫向貫通裂隙，保證了橫穿巷道的連續(xù)塌落。

圖13 采空二區(qū)排間間隔為50 ms的垂直方向位移云圖

采空二區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移如圖14所示。77排位置處巖石的破碎程度明顯大于93排位置處的破碎程度，導(dǎo)致巖石的塊度不均，頂板同樣產(chǎn)生了貫通裂隙，但在2排中間處沒(méi)有產(chǎn)生橫向貫通裂隙，這會(huì)導(dǎo)致相鄰排列炮孔缺少自由面，影響后續(xù)爆破效果。

圖14 采空二區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移云圖

綜合對(duì)比圖13～14可知：排間間隔為50 ms時(shí)，巖石的破碎塊度均勻，橫穿巷道連接處產(chǎn)生橫向貫通裂隙，保證了巖石的連續(xù)塌落，為后續(xù)爆破提供自由面。

采空二區(qū)排間間隔為50 ms的模擬效果如圖15所示。0.001 s時(shí)77排炮孔起爆，模型頂板和右側(cè)壁位置處首先產(chǎn)生破壞；隨著時(shí)間的推進(jìn)，0.051 s時(shí)93排炮孔起爆，此時(shí)77排位置處破碎程度增加，產(chǎn)生的裂隙也在兩排中間位置處進(jìn)行擴(kuò)展，頂板也產(chǎn)生了貫通裂隙。

圖15 采空二區(qū)排間間隔為50 ms的模擬效果

4 工程應(yīng)用

采用交錯(cuò)扇形深孔崩落法，按照上述爆破參數(shù)，設(shè)置采空一區(qū)排間間隔為100 ms，采空二區(qū)排間間隔為50 ms，對(duì)1#礦體空區(qū)隱患進(jìn)行治理，效果如圖16所示。

圖16 采空區(qū)隱患治理

采空區(qū)上方露天坑底的隔離礦柱崩落至設(shè)計(jì)范圍，形成1個(gè)緩沖層可以隔離露天和井下，不僅消除了隔離礦柱坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，而且保證了采空區(qū)下方礦區(qū)的施工安全。

5 結(jié)論

1)當(dāng)采空一區(qū)排間間隔為100 ms時(shí)，巖石破壞范圍最大，且塌落區(qū)域分散，同時(shí)頂板解體充分，爆破塊度均勻，可以降低塌落振動(dòng)對(duì)下部采場(chǎng)的影響，保證建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定以及人員設(shè)備的安全。

2)當(dāng)采空二區(qū)排間間隔為50 ms時(shí)，巖石破碎塊度均勻，橫穿巷道連接處產(chǎn)生橫向貫通裂隙，能夠保證巖石的連續(xù)塌落，為后續(xù)爆破提供自由面。

3)交錯(cuò)扇形深孔崩落法通過(guò)炮孔的同排裝藥交錯(cuò)和排間交錯(cuò)的扇形布孔形式以及不同的炸藥單耗，使1#礦體空區(qū)隱患治理效果良好，不僅能夠消除隔離礦柱坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，而且能夠保證采空區(qū)下方礦區(qū)的施工安全。