薛田喜

摘要：焦家金礦采用下向進(jìn)路充填采礦法開采時(shí)，礦體爆破對(duì)旁側(cè)進(jìn)路的充填體造成很大的影響。通過(guò)LS-DYNA軟件建立二維平面模型，其外部尺寸為5.5 m×3.0 m，其中礦體尺寸為3.5 m×3.0 m，充填體尺寸為2.0 m×3.0 m，在礦體中建立一排炮孔，共4個(gè)，炮孔直徑42 mm，孔距0.8 m，孔邊距0.5 m。模擬下向進(jìn)路充填采礦法開采，礦體單側(cè)、兩側(cè)或三側(cè)有充填體時(shí)，爆破對(duì)充填體的影響。為了充分研究不同孔邊距對(duì)充填體的影響程度，還模擬了不同孔邊距時(shí)充填體的破壞范圍，獲得充填體內(nèi)有效應(yīng)力變化規(guī)律及充填體內(nèi)破壞范圍，研究結(jié)果表明：應(yīng)力波在礦體中傳播比較快，而在充填體中傳播的速度較慢；隨著孔邊距的逐漸增大，爆破導(dǎo)致填充物的失效區(qū)域也迅速減少。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)充分考慮充填體的破裂深度及破碎效果，焦家金礦采用下向進(jìn)路充填采礦法的爆破孔邊距應(yīng)控制在0.3～0.7 m。

關(guān)鍵詞：下向進(jìn)路充填采礦法；爆破振動(dòng)效應(yīng)；爆破參數(shù)；孔邊距；充填體

中圖分類號(hào)：TD235.4 TD853.34文章編號(hào)：1001-1277（2023）03-0016-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230304

引 言

隨著人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求不斷增加，淺部礦山資源逐漸減少，開采深度正在快速增加。國(guó)內(nèi)外許多礦山已經(jīng)由淺部轉(zhuǎn)向深部開采^［1-5］。深部開采面臨著“三高一擾動(dòng)”的問(wèn)題，巖爆、采空區(qū)冒落等地壓災(zāi)害頻繁發(fā)生，而充填采礦法作為一種管理地壓的采礦方法，被廣泛應(yīng)用于金屬礦山地下開采中^［6］。

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦（下稱“焦家金礦”）在應(yīng)用下向進(jìn)路充填采礦法開采時(shí)存在諸多問(wèn)題，采場(chǎng)回采爆破時(shí)容易把礦體旁側(cè)的充填體也剝落下來(lái)。首采采場(chǎng)時(shí)，進(jìn)路兩側(cè)均為礦石，采用掘進(jìn)爆破，炮孔布置為：在巷道中間位置布置掏槽孔，隨后的部分礦房開采時(shí)，采場(chǎng)單側(cè)、兩側(cè)或三側(cè)均為充填體，而礦山一般采用擠壓爆破，崩落礦石擠壓充填體^［7-8］。這種擠壓爆破通過(guò)擠壓充填體獲得爆破補(bǔ)償空間，避免了掏槽孔施工，在開采效率提高的同時(shí)也增強(qiáng)了爆破對(duì)臨近充填體的擾動(dòng)，若充填體強(qiáng)度不足，爆破會(huì)造成充填體大面積垮落，混入礦石中，導(dǎo)致礦石貧化，增加選礦成本，還會(huì)給采場(chǎng)生產(chǎn)安全帶來(lái)隱患^［9］。所以擠壓充填體爆破要求充填體有一定的塑性和強(qiáng)度，使得充填體經(jīng)歷崩落礦石擠壓時(shí)，不致失去強(qiáng)度。因此，爆破時(shí)機(jī)、爆破參數(shù)的選擇對(duì)充填體的穩(wěn)定性、礦山安全高效開采至關(guān)重要^［10-11］。

目前，焦家金礦高應(yīng)力、強(qiáng)振動(dòng)、頻繁爆破擾動(dòng)條件下的充填體破壞問(wèn)題日漸突出。針對(duì)爆破擾動(dòng)下充填體破壞特征的研究具有工程指導(dǎo)意義。

由于炸藥爆炸作用是一個(gè)迅速的物理、化學(xué)過(guò)程，用普通的模擬軟件不能真實(shí)地反映炸藥爆炸過(guò)程中的具體作用機(jī)理，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)又需要多方面準(zhǔn)備。針對(duì)上述問(wèn)題專門開發(fā)的LS-DYNA程序成為當(dāng)今模擬爆炸的主要應(yīng)用軟件。其能快速求解各種復(fù)雜的非線性動(dòng)力問(wèn)題，可以很好地解決爆炸應(yīng)力-應(yīng)變問(wèn)題，為焦家金礦下向進(jìn)路充填采礦法開采爆破對(duì)周圍充填體影響研究提供了強(qiáng)有力的計(jì)算工具。

1 數(shù)值模擬材料及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)焦家金礦現(xiàn)場(chǎng)情況，在礦體中爆破時(shí)對(duì)充填體造成很大的影響，充填體中上部發(fā)生大面積垮落。經(jīng)過(guò)初步分析，認(rèn)為炮孔的布置結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)爆破效果產(chǎn)生較大影響，假設(shè)充填體強(qiáng)度達(dá)到最大，礦體單側(cè)有充填體時(shí)，分析孔邊距為0.5 m的條件下，爆破對(duì)充填體的影響。

在軟件中建立二維計(jì)算模型，其外部尺寸為5.5 m×3.0 m，其中，礦體部分尺寸為3.5 m×3.0 m，充填體部分尺寸為2.0 m×3.0 m。在礦體中建立1排炮孔，共4個(gè)，炮孔直徑42 mm，孔距0.8 m，孔邊距0.5 m，其二維計(jì)算模型如圖1所示。

1.2 材料模型及參數(shù)

炸藥在巖石中的爆炸是一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題^［7］，爆炸過(guò)程中，巖石的加載應(yīng)變率非常大，爆炸近區(qū)的巖體發(fā)生破壞，巖體材料的應(yīng)變大，應(yīng)變率效應(yīng)明顯，適合選用包含應(yīng)變率效應(yīng)的塑性硬化材料模型。

在本次模擬中，假設(shè)巖體和充填體材料是連續(xù)、均勻和各向同性的彈塑性材料。該材料模型為各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，與應(yīng)變率相關(guān)，可考慮失效，通過(guò)在僅隨動(dòng)硬化和僅各向同性硬化間調(diào)整硬化參數(shù)來(lái)選擇各向同性或隨動(dòng)硬化。

LS-DYNA程序通過(guò)提供高能炸藥材料模型和各種炸藥的狀態(tài)方程，能直接準(zhǔn)確地模擬高能炸藥的爆炸過(guò)程。程序中的JWL狀態(tài)方程能夠描述高能炸藥爆轟過(guò)程。其爆轟過(guò)程中，爆炸壓力與比內(nèi)能的關(guān)系如下：

式中：pCJ為爆炸壓力（GPa）；V為相對(duì)體積（m3）；EV為初始比內(nèi)能（GPa）；A、B、R₁、R₂、ω為狀態(tài)方程參數(shù)常數(shù)。

炸藥、巖石和充填體材料參數(shù)如表1～3所示。

2 爆破模擬及結(jié)果分析

2.1 充填體內(nèi)有效應(yīng)力變化規(guī)律

4個(gè)炮孔在零秒時(shí)同時(shí)起爆的有效應(yīng)力傳播過(guò)程如圖2所示。在t=80 μs時(shí)，應(yīng)力波只能在礦體中傳播到很小的一個(gè)范圍，應(yīng)力波沒有到達(dá)充填體，此時(shí)炮孔周圍的有效應(yīng)力非常大，但各炮孔產(chǎn)生的有效應(yīng)力沒有疊加，彼此不受影響。t=280 μs時(shí)應(yīng)力波穿過(guò)礦體與充填體的交界面到達(dá)充填體內(nèi)。從有效應(yīng)力云圖上看，礦體一側(cè)的交界面處出現(xiàn)應(yīng)力集中，大部分應(yīng)力波被反射回來(lái)，此時(shí)到達(dá)充填體的應(yīng)力波較少，其有效應(yīng)力值大約是礦體一側(cè)的十分之一。

爆炸后1 880 μs，礦體中應(yīng)力波波峰早已從模型邊界透射出去，充填體中應(yīng)力波波峰剛到達(dá)模型的中央位置。在3 240 μs時(shí)，礦體中遠(yuǎn)離炮孔的地方從云圖上看不到應(yīng)力波的存在，而充填體中應(yīng)力波波峰到達(dá)模型邊界。從云圖顏色上可以看到，應(yīng)力波波峰相比1 880 μs時(shí)有所衰減。

為了研究有效應(yīng)力峰值的變化規(guī)律，選取充填體內(nèi)不同位置分析，如圖3所示的a截面、b截面、c截面和d截面，每隔0.2 m取一個(gè)單元測(cè)點(diǎn)，輸出有效應(yīng)力和速度峰值，其中a截面為充填體模型水平中心線，b截面緊鄰交界面，c截面距交界面0.5 m，d截面距交界面1.0 m。

充填體內(nèi)a截面（充填體模型水平中心線）的有效應(yīng)力峰值變化過(guò)程如圖4所示。從圖4可以看出：隨著充填體內(nèi)距交界面距離的增加，有效應(yīng)力峰值逐漸減小，在緊鄰交界面處有效應(yīng)力峰值最大為3.4 MPa；這是由應(yīng)力疊加引起的。從緊鄰交界面處到距交界面0.2 m，有效應(yīng)力峰值迅速下降，從距交界面0.2 m到0.8 m有效應(yīng)力峰值呈較緩的圓弧曲線，而到0.8 m以后有效應(yīng)力峰值變化不大，幾乎相同，呈一條水平直線。

b截面的有效應(yīng)力（如圖5所示）明顯比c截面、d截面大，由于炮孔在充填體高度上關(guān)于1.5 m上下對(duì)稱，所以有效應(yīng)力曲線也是對(duì)稱的。b截面的曲線上下波動(dòng)，這是由在距離炮孔較近時(shí)，有效應(yīng)力疊加造成的，充填體高度0.3 m、1.1 m、1.9 m和2.7 m分別與4個(gè)炮孔在同一個(gè)水平位置，此時(shí)的有效應(yīng)力較大，出現(xiàn)一個(gè)峰值，最大為4.2 MPa；c、d截面有效應(yīng)力大小差別不大，曲線也趨于水平，這時(shí)的有效應(yīng)力衰減到一個(gè)較穩(wěn)定的值。

2.2 充填體破壞范圍

孔邊距0.5 m條件下充填體的破壞范圍如圖6所示，充填體的抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa。根據(jù)動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則，單元有效應(yīng)力大于1.8 MPa時(shí)，充填體發(fā)生破壞，破壞面積為0.93 m2；與孔邊距0.3 m相比，充填體的破壞面積減少了0.25 m2。圖6中充填體高度上，最上和最下破壞范圍較小是由于單個(gè)炮孔作用下，沒有應(yīng)力疊加，有效應(yīng)力較小，達(dá)不到充填體的破壞強(qiáng)度。充填體距交界面0.14 m以內(nèi)的充填體全部破壞。

為了充分研究了解不同的孔邊距對(duì)充填體的影響程度，除了孔邊距為0.5 m的情況，還模擬了孔邊距為0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m時(shí)充填體的破壞范圍，如圖7所示?？走吘嗯c充填體破壞面積如表4所示。

表4中不同孔邊距爆破時(shí)，充填體破壞范圍有很大差異。孔邊距0.2 m時(shí)充填體破壞面積最大，為1.323 6 m2；孔邊距0.8 m時(shí)充填體破壞面積最小，為0.648 0 m2。隨著孔邊距的增加，充填體破壞面積逐漸減小?？走吘?.2 m時(shí)充填體破壞范圍比孔邊距0.3 m大許多，由孔邊距0.2 m到0.3 m減少的破壞面積比孔邊距0.5 m到0.6 m減少的破壞面積多，由此可以看出，當(dāng)炮孔距充填體較近時(shí)，爆破對(duì)充填體的破壞更嚴(yán)重。

孔邊距0.5 m比孔邊距0.2 m充填體破壞面積減小了0.472 5 m2，孔邊距0.8 m比孔邊距0.5 m充填體破壞面積減小了0.203 1 m2。因此，當(dāng)炮孔距充填體越遠(yuǎn)時(shí)，爆破對(duì)充填體的影響越小，礦石貧化率越低，選礦成本也越低。依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以得出：當(dāng)孔邊距0.3～0.8 m時(shí)，爆破對(duì)充填體的破壞較小。

3 結(jié) 論

1）應(yīng)力波在礦體中傳播較快，在這段時(shí)間內(nèi)有效應(yīng)力波從剛開始傳播到波峰穿過(guò)模型邊界，衰減到很小的數(shù)值；而充填體內(nèi)的應(yīng)力波相對(duì)于在礦體中傳播的速度較慢，有效應(yīng)力波峰一點(diǎn)點(diǎn)地向前傳播，并且隨著時(shí)間變化，波峰的數(shù)值逐漸減小。

2）隨著炮孔距離填充物越接近，爆炸對(duì)充填體的損害越大，即隨著孔邊距的逐漸增大，爆破導(dǎo)致填充物的失效區(qū)域也迅速減少。另外，在孔邊距小的情況下，充填體的最深處是與炮孔相同的高度，孔邊距越大，應(yīng)力越大，破壞深度越大。

3）在實(shí)際生產(chǎn)中，充分考慮充填體的破裂深度和礦石破碎效果后，焦家金礦下向進(jìn)路充填采礦法的爆破孔邊距應(yīng)控制在0.3～0.7 m。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］ PENG K，LIU Z M，ZHANG Y L，et al.Determination of isolation layer thickness for undersea mine based on differential cubature solution to irregular Mindlin plate［J］.Journal of Central South University，2017，24（3）：708-719.

［2］ PENG K，YIN X Y，YIN G Z，et al.Galerkin solution of Winkler foundation-based irregular Kirchhoff plate model and its application in crown pillar optimization［J］.Journal of Central South University，2016，23（5）：1 253-1 263.

［3］ 彭康，李夕兵，彭述權(quán)，等.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（8）：2 417-2 422.

［4］ 彭康，李夕兵，彭述權(quán)，等.海底下框架式分層充填法開采中礦巖穩(wěn)定性分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（1）：3 452-3 458.

［5］ 古德生，李夕兵.有色金屬深井采礦研究現(xiàn)狀與科學(xué)前沿［C］∥中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì).中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第5屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)，2003：1-5.

［6］ 黃麟淇，陳江湛，周健，等.未來(lái)有色金屬采礦可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐與思考［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2021，31（11）：3 436-3 449.

［7］ 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（16）：2 803-2 813.

［8］ 趙興東，周鑫，趙一凡，等.深部金屬礦采動(dòng)災(zāi)害防控研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，52（8）：2 522-2 538.

［9］ 梅世洲.充填采礦工藝特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2016，32（3）：253-254.

［10］ 阮詩(shī)昆，黃玉錦，藍(lán)先靈.某金屬礦山巷道掘進(jìn)掏槽爆破優(yōu)化及應(yīng)用［J］.黃金，2019，40（12）：27-31.

［11］ 錢七虎.非線性巖石力學(xué)的新進(jìn)展——深部巖體力學(xué)的若干關(guān)鍵問(wèn)題［C］∥中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì).第八次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.北京：中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)，2004：21-28.

Analysis of the influence of blasting on the surrounding filling

body based on the LS-DYNA approach filling mining method

Xue Tianxi

（Jiaojia Gold Mine of Shandong Gold Mining（Laizhou）Co.，Ltd.）

Abstract：When the Jiaojia Gold Mine is mined by the downward approach filling mining method，the blasting in the ore body has a great impact on the filling body next to the approach.A two-dimensional planar model is established by LS-DYNA software.Its external dimensions are 5.5 m×3.0 m，of which the ore body part is 3.5 m×3.0 m，and the filling body part is 2.0 m×3.0 m.A row of boreholes is established in the ore body，a total of 4，the borehole diameter is 42 mm，the hole spacing is 0.8 m，and the borehole distance from the filling body is 0.5 m.The effect of blasting on the filling body is simulated under the condition of the presence of filling bodies on one，two，or three sides of the ore bodies in the process of the downward approach filling mining method.To thoroughly study and understand the influence of different hole margins on the filling body，the failure range of the filling body under different hole margins is also simulated to obtain the effective stress change law in the filling body and the failure range in the filling body.The results show that the stress wave propagates faster in the ore body，while the stress wave in the filling body propagates slower than in the ore body;with the gradual increase of hole margins，the failure area of the filler caused by blasting rapidly decreases.In actual production，the rupture depth and crushing effect of the filling body should be fully considered，and the blasting hole margin of the mine using the downward approach filling mining method should be controlled at 0.3-0.7 m.

Keywords：downward approach filling mining method;blasting vibration effect;blasting parameters;hole margin;filling body