爆破振動下充填體對采場礦柱的穩(wěn)定性分析

何治榮， 廖名志， 楊俊超， 王錚朗

(1 武漢理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070；2 武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢 430070；3 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 4 武漢地鐵集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430070)

爆破振動下充填體對采場礦柱的穩(wěn)定性分析

何治榮1， 廖名志2， 楊俊超3， 王錚朗4

(1 武漢理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070；2 武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢 430070；3 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 4 武漢地鐵集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430070)

采用充填的方法來保證充填體的穩(wěn)定性，降低礦柱內(nèi)部應(yīng)力集中或內(nèi)部損傷。分析了爆破振動的傳播規(guī)律，分析充填體的作用機(jī)理，再運(yùn)用LS-DYNA有限元軟件模擬不同配比充填體在爆破振動下對礦柱穩(wěn)定性的影響，根據(jù)塑性位移大小與應(yīng)力變化來判斷充填體的匹配程度。分析結(jié)果表明，適當(dāng)提高水泥的含量，這種穩(wěn)定性會隨之加強(qiáng)，超過一定限度后，再增大水泥用量對改善充填體穩(wěn)定性影響并不大。

充填體； 礦柱； 爆破； LS-DYNA； 穩(wěn)定性

目前，采礦界學(xué)者越來越重視難動用預(yù)留保安礦柱等礦產(chǎn)資源的開采，并進(jìn)行了大量的研究[1]。

預(yù)留保安礦柱主要采用爆炸的方法來鑿巖開采，影響預(yù)留保安礦柱穩(wěn)定性的因素主要是高地應(yīng)力和爆炸擾動。保安礦柱作為采場結(jié)構(gòu)的安全保證，其穩(wěn)定性是保證安全開采的重點(diǎn)。國外內(nèi)很多專家學(xué)者在保證保安礦柱在爆破鑿巖開采下的穩(wěn)定性方面進(jìn)行了許多研究，20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的充填采礦法[2-8]越來越多地得到應(yīng)用。研究在爆炸振動下充填體對預(yù)留保安礦柱的穩(wěn)定性影響，是保證安全高效開采下需要解決的重大問題。

為此，有必要研究爆破對保安礦柱的作用機(jī)理以及對比在充填體充填前后分析礦柱位移大小及應(yīng)力變化來判斷充填體對穩(wěn)定性的影響。

1 保安礦柱爆破及充填體作用機(jī)理

在預(yù)留保安礦柱爆炸鑿巖過程中礦柱及周圍巖體不可避免地會受到一定損傷或破壞。為了研究爆炸過程對預(yù)留保安礦柱的安全性以及巖體的穩(wěn)定性的影響，需要分析爆炸地震波的傳播形式及其與巖體作用機(jī)理以及分析充填體與巖體作用機(jī)理。

1.1爆破地震波理論

爆炸地震波有R波、L波、P波、S波，其中R波、L波為面波，P波、S波為縱波。一幅相對完整的地震波的記錄波形傳播圖見圖1。

圖 1 爆炸地震波傳播波形圖

實(shí)際上，爆炸地震波在介質(zhì)中的傳播是能量和強(qiáng)度不斷衰減的一個過程[9], 爆炸地震波的影響因素主要有：炸藥品種、用藥量、爆炸方式與方法、炮孔大小、傳播介質(zhì)等。

1.2預(yù)留保安礦柱爆炸過程中的穩(wěn)定性分析

在預(yù)留保安礦柱的爆炸鑿巖過程中，最重要的工程問題是要保證預(yù)留保安礦柱的穩(wěn)定性及安全性[10]。特別是對中深部礦柱，特別是高地應(yīng)力的存在，巖層內(nèi)部已承受了很大的上覆垂直應(yīng)力，有的可能已處于極限狀況或者內(nèi)部已有一定的損傷破壞。在爆炸過程中，會造成礦柱應(yīng)力集中并同時也會造成巖體破碎以及損傷，威脅礦柱的穩(wěn)定，這種破壞機(jī)制主要包括應(yīng)變效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)。

1.3充填體與礦柱作用機(jī)理

充填體的作用機(jī)理是指充填體與周圍巖體或者礦柱的互相力學(xué)作用機(jī)理，主要是與采場頂板巖層、上盤及下盤巖層的作用。充填體與周圍巖體或者礦柱的作用機(jī)理：表面支護(hù)、局部支護(hù)及總體支護(hù)理論；保持巖層的穩(wěn)定性、填充節(jié)理裂隙以及提供地震波通道[11]；充填體對巖體的被動支撐作用；能有效控制巖層地壓，預(yù)防壓爆的發(fā)生?？傊涮铙w與巖體的主要作用為：接觸支撐、應(yīng)力吸收轉(zhuǎn)移和應(yīng)力隔離。

2 充填體對預(yù)留保安礦柱的影響分析

2.1礦山概況

程潮鐵礦位于鄂東南區(qū)域，礦產(chǎn)物質(zhì)資源豐富，以15條勘探線作為分界線分為東西兩區(qū)，選擇位于西區(qū)-230 m～-375 m的預(yù)留保安礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性分析研究，鐵礦儲量約為1.476×106t。花崗巖和硬石膏巖是圍巖的組成部分，其安全性及穩(wěn)定性優(yōu)良，而高銅磁鐵礦為礦石的主要種類，穩(wěn)定性好，選用上向點(diǎn)柱分層膠結(jié)充填法作為回采方法。

2.2保安礦柱爆炸開采對充填體的作用

充填體在收到爆炸動載作用時， 其破壞過程相當(dāng)復(fù)雜[12]。 在爆炸動載作用下， 充填體不一定出現(xiàn)宏觀破壞， 但是由于爆炸振動波的影響， 應(yīng)力波在充填體裂隙或者微裂隙處傳播， 當(dāng)達(dá)到一定強(qiáng)度時， 在圍巖中會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。 這種應(yīng)力集中會進(jìn)一步破壞圍巖的力學(xué)性質(zhì)并降低圍巖的承載能力[13-14]， 主要的動力擾動機(jī)制有： 爆炸振動效應(yīng)、爆炸損傷效應(yīng)[15]、爆炸開采誘發(fā)的巖體塑性變形。

2.3計(jì)算模型

模型假設(shè)巖體為各向同性材料以及采用整合接觸作為巖層間的接觸形式。應(yīng)用LS-DYNA建立模型，采場尺寸長200 m，寬150 m，高24 m，網(wǎng)格為0.5 m，整個模型共487 080個單元、513 525個節(jié)點(diǎn)(圖2)。礦房進(jìn)路寬度為7.5 m，個別非標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)路圖中均有標(biāo)注標(biāo)出，礦柱寬度為 5 m，非標(biāo)準(zhǔn)礦柱以圖示為準(zhǔn)；所有點(diǎn)柱設(shè)計(jì)直徑為5 m；間柱寬度為 5 m。模型上表面施加地應(yīng)力為9.87 MPa，底部加垂直位移約束，四周分別施加垂直于模型表面的約束，無反射邊界，水平地應(yīng)力通過泊松比添加，爆炸荷載按等效加載方式進(jìn)行添加。

圖 2 計(jì)算模型分區(qū)及網(wǎng)格劃分

2.4材料參數(shù)及計(jì)算工況

本次數(shù)值計(jì)算依據(jù)北京科技大學(xué)與武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司程潮鐵礦聯(lián)合編制的《程潮鐵礦西區(qū)工程和水文地質(zhì)及圍巖穩(wěn)定性分析》報(bào)告和室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)[16]，由此可得巖體及充填體的物理力學(xué)參數(shù)(表1)。

材料參數(shù)工況選取主要有以下幾種：

方案一，采場未進(jìn)行充填；方案二，以充填體1進(jìn)行充填；方案二，以充填體2進(jìn)行充填；方案二，以充填體3進(jìn)行充填,采用隨動硬化模型進(jìn)行計(jì)算。

2.5預(yù)留礦柱爆炸開采及充填計(jì)算結(jié)果分析

把爆炸荷載以應(yīng)力波荷載形式對模型加載，并且同時考慮地應(yīng)力作用的影響，作為模型所受外荷載。圖3為運(yùn)用LS-DYNA分別建立的在充填前與充填后礦柱塑性總位移及主應(yīng)力云圖。從圖3中可以看出，在爆破回采預(yù)留條柱的過程中，充填體對條柱穩(wěn)定性控制有重要作用，充填體充填后圍巖位移、應(yīng)力都有很大改善。

充填體2相比于利用充填體1的工況，位移下降超過5%，塑性位移有所減小，而充填體2相比充填體2工況，塑性位移變化不是很明顯，說明：充填體中水泥含量的適當(dāng)提高，有利于改善礦巖穩(wěn)定性；一定條件下，充填體材料參數(shù)對爆炸振動并不特別敏感。

圖 3 模型計(jì)算充填前后位移、應(yīng)力圖

3 結(jié)論

本文以程潮鐵礦西區(qū)-375 m預(yù)留保安礦柱爆炸振動下充填體對礦柱的影響分析為工程背景，運(yùn)用LS-DYNA 有限元數(shù)值模擬計(jì)算等手段和方法，并結(jié)合爆炸損傷理論，探討了爆炸振動下充填體對預(yù)留保安礦柱的穩(wěn)定性和安全性的影響。通過模型計(jì)算分析，得出充填能有效改善預(yù)留條柱在爆破回采過程中的穩(wěn)定性，適當(dāng)提高水泥的含量，這種穩(wěn)定性會隨之加強(qiáng)，若水泥用量超過一定限度后，再增大水泥用量對改善充填體穩(wěn)定性影響并不大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)控制好水泥用量，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)安全高效開采。

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[責(zé)任編校：張巖芳]

AnalysisofFillingBodyonPillarStabilityunderBlastingVibration

HE Zhirong1, LIAO Mingzhi2, YANG Junchao3, WANG Zhenglang4

(1WuhanUniv.ofTech.,Wuhan430070,China; 2TheCompanyofWuhanUniv.ofTech.,Wuhan430070,China; 3SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 4TheMetroCompanyofWuhan,Wuhan430070,China)

In the paper, the filling method is used to ensure the stability of the filling body and reduce the internal stress concentration or internal damage. This paper analyzes the propagation law of blasting vibration, analyzes the mechanism of the filling body, and then uses LS-DYNA finite element software to simulate the effect of different ratio filling on the stability of the pillar under blasting vibration. According to the change of plastic displacement size and stress, it determines the degree of matching of the filling body. The results show that the increase of the cement content will increase the stability of the filling body. After it exceeds a certain limit, the increase of cement content has little effect on improving the stability of the filling body.

filling body; pillar; blast vibration; LS-DYNA; damage

2016-12-28

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA136)

何治榮(1990-)， 女，湖北潛江人，武漢理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樯畈坎傻V下充填體與巖體相互作用機(jī)理

1003-4684(2017)05-0023-03

TU4

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