爆破振動對充填體影響的數值模擬分析

武 旭，顧鑫鑫

（1.河北聯合大學，河北唐山063009；2.首鋼水廠鐵礦，河北唐山063009）

爆破振動對充填體影響的數值模擬分析

武 旭*1，顧鑫鑫2

（1.河北聯合大學，河北唐山063009；2.首鋼水廠鐵礦，河北唐山063009）

結合某礦山分段鑿巖階段出礦嗣后充填的采礦方法，利用LS-DYNA軟件對中深孔爆破對充填體安全穩定性的影響進行數值模擬，提取動載荷作用下充填體內部一系列質點振動速度，加以對比分析，以此確定單段起爆藥量等爆破參數，控制爆破對充填體的影響，達到安全生產的目的。

中深孔爆破；數值模擬；充填體；爆破振速

礦山爆破除了使巖石破碎，有一部分能量以地震波的形式向外傳播，引起周圍介質質點的振動，產生爆破地震效應。在地下采場中，因頻繁的爆破工作，地震效應必然對相連巷道、充填體、頂底板產生不利影響。本文結合礦山實例，通過ANSYS/LS-DYNA軟件模擬地下開采環境中爆破振動對充填體的影響作用。

1 數值模型的建立

1.1 工程背景

某礦山為地下開采的礦山，其采礦方法為分段鑿巖階段出礦嗣后充填的采礦法，充填料為尾砂膠結材料，采礦方法圖如圖1所示。

圖1 分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法

該礦山沿礦體走向劃分采區，采區長70m，高為中段高度45m，分段高為12m左右，長為礦體的水平厚度。采區與采區之間留10m間柱，采區內再分礦房，礦房寬12.5m，采區內共布置4個礦房。礦房中采用分段鑿巖爆破階段出礦方式。即采區內礦房按①～④號礦房順序排列，第一個礦房回采結束后隨即進行膠結充填，待充填體終凝后，再回采第二個礦房。

采場采用上向扇形中深孔落礦，?65mm上向扇形中深孔，孔深7.2～17.5m，排距為1.2～1.4m，孔底距為2.0～2.4m，每次爆3～5排孔。為了保證相鄰充填體的安全穩定，在近充填體的礦體中進行炸藥類型、裝藥結構和單段起爆藥量的數值模擬。

1.2 構建模型

幾何模型示意圖如圖2所示，根據礦山實際情況，對模型做以下簡化和假設：

（1）模型尺寸與實際尺寸一致。

（2）在不影響模擬結果的前提下，為了方便建模，減少運算時間，數字模型設置單排等效藥包。

（3）假設模型介質是連續、均勻、均質、無初始應力、各向同性的彈塑性材料。

1.3 材料模型及狀態方程

礦體和充填體選擇雙線性隨動硬化模型（*MAT、PLASTIC、KINEMATIC），該材料模型為各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型，與應變率相關，可考慮失效。選取的巖石力學參數如表1所示。

在處理爆破模型的時候，由于ANSYS不能完全支持LS-DYNA，很多爆破計算中的所需要用到的關鍵字不能在ANSYS前處理中得到，需要通過修改K文件添加缺少的關鍵字。在ANSYS前處理完成后在K文件中添加炸藥材料的關鍵字（*MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN）。

圖2 幾何模型示意圖

炸藥爆炸時爆轟產物的壓力從最高的幾十萬個大氣壓到最低小于一個大氣壓，變化范圍很大，在對爆炸過程的數值模擬中需要對其進行精確的描述，因此爆轟產物采用JWL狀態方程進行爆轟壓力計算，其狀態方程為：

式中：A、B、R1、R2、ω——所選炸藥的性質常數；

P——爆轟壓力；

E——爆轟產物的內能；

V——爆轟產物的相對體積。

選取的炸藥材料及狀態方程參數如表2所示。

表1 礦體和充填體材料參數

表2 炸藥材料及狀態方程參數

空氣材料采用空白材料模型，其狀態方程為：

式中：E——初始內能，2.5kPa；

ρ0——材料密度，1.29kg/m3。

2 數值模擬的結果

實際扇形炮孔每排設計為13個炮孔，總長度約為126m，孔徑為65mm，裝藥總長度約為100m。總裝藥量為349kg。按裝藥量不變的條件計算等效炮孔孔徑為190mm。

為研究充填體內爆破振動速度的衰減規律，在模型中選取等間距的6個質點，作為研究對象。

通過數值模擬計算，提取圖4中質點的振動速度，并進行數據擬合分析。充填體內6個質點的最大峰值振速及爆心距如表3所示。

圖3 網格劃分示意圖

3 結果分析

根據特定采礦方法的礦塊參數以及充填體本構，通過數值模擬獲得了相應的爆破振動數據，利用薩道夫斯基公式進行計算。

薩道夫斯基公式：

式中：V——質點峰值振動速度，cm/s；

Q——最大段起爆藥量，kg；

R——爆心距，m；

K、α——與地形、地質條件有關的系數和衰減指數。

圖4 選取的充填體內部質點示意圖

表3 質點振動速度

通過matlab對以上數據進行擬合處理，擬合得到的一元線性直線如圖5所示。

圖5 擬合直線圖

求得爆破振動速度衰減公式為：

相關系數為0.957。

安全距離計算：對充填體而言，根據礦山的實際情況，以充填體中心安全與否為判斷標準。在《爆破安全規程》中，混凝土所允許的PPV值見表4所示。

表4 爆破振動安全允許標準

由于充填體與礦體之間存在斷裂面，其本身與預裂縫和斷裂構造有著相同的減震效果，可以認為充填體所允許的PPV值要比地表混凝土建（構）筑物的要大，依據爆破安全規程及相關文獻，模擬實驗中取PPV=12～16cm/s。

通過式（4）可以得出：當最大允許振速為12～16cm/s時（R取爆源距充填體邊界距離6.25m），最大段起爆藥量應控制在22～40kg。依據此計算結構指導該礦山爆破設計，實現安全生產。

4 結論

（1）由于無法在充填體內進行爆破振動監測，所以利用數值模擬的手段研究爆破地震波對充填體穩定性的影響是可行、有效的方法。

（2）通過對爆破質點最大振動速度的分析，獲得地震波的衰減規律，并根據此規律計算出最大允許起爆藥量為22～40kg。

[1] 胡建華.充填環境下預裂縫的爆破動力響應分析[J].中南大學學報，2011（6）.

[2]劉優平，龔敏.近充填體崩礦過程爆破振動控制研究[J].礦冶工程，2011（10）.

[3] 胡建華，雷濤.充填采礦環境下爆破振動效應預測與控制[J].爆破，2009（12）.

[4]李娜，周科平.中深孔爆破動載荷下塊石充填體強度響應研究[J].礦冶工程，2011.

[5] 劉志祥，李夕兵.爆破動載下高階段充填體穩定性研究[J].礦冶工程，2004（6）.

Numerical SimulationAnalysis of the effects of Blasting Vibration on Fill-mass

WU Xu1,GU Xin-xin2
(1.Hebei United University,Tangshan Hebei 063009,China; 2.Shougang Shuichang Iron Mining,Tangshan Hebei 063000, China)

According to the mining method of sublevel drilling stage room stoping subsequent filling,the effect on fill-mass produced by the medium-length hole blasting was simulated using the LS-DYNA software.Basing on the comparative analysis of a series of particle vibration velocity extracted from the interior of the fill-mass,the blasting parameter of the charge per delay was determined so as to control the effect on the fill-mass by blasting and realize the goal of safety production.

medium-length holes blasting；numerical simulation；fill-mass；blasting vibration velocity

TD235

A

1004-5716(2015)02-0084-04

2014-03-10

2014-03-11

武旭（1988-），男（漢族），河北唐山人，河北聯合大學礦業工程學院在讀碩士研究生，研究方向：采礦工程、爆破工程。