空區隱患爆破治理方案及延期時間的數值模擬分析

胡 剛，費鴻祿，楊智廣，張超逸

(1. 遼寧工程技術大學 爆破技術研究院，遼寧 阜新 123000； 2.中國兵器工業集團北方爆破科技有限公司，北京 100089)

0 引言

礦山長期的開采使得獨立空區或多個緊鄰空區的體積劇增，甚至形成了空區群[1]。這些空區使得井下開采條件惡劣，造成礦柱變形破壞，引起地表塌陷等危機[2]。為了消除空區對資源開采的威脅，保證人員設備的安全，需對空區隱患進行治理[3]。

針對空區的處理問題，國內外學者進行了大量研究[4-8]。閆長斌等[9]針對廠壩鉛鋅礦受到亂采亂挖破壞的情況，運用FLAC3D軟件對爆破振動作用下采空區的穩定性進行了數值分析；鄧喀中等[10]認為采動破裂巖體空隙是老采空區殘余沉降的主要誘因，根據破裂巖體應力應變關系及采空破裂巖體高度計算方法，建立了老采空區殘余下沉系數計算方法；李向陽等[11]采用數值模擬與相似模擬的方法研究了采空區處理時地表的移動規律；吳賢振等[12]運用LS-DYNA程序研究了臨近采空區多段毫秒爆破的微差時間對采空區頂板穩定性的影響；劉曉明等[13]在華錫集團銅坑礦隱患空區現場實測的基礎上，根據RFPA軟件分析了空區在動力擾動作用下破壞過程的裂紋擴展規律；張耀平等[14]根據現場原巖應力測試和室內力學試驗參數對采空區穩定性進行了模擬計算和預測分析。以上研究主要為采空區的穩定問題，針對空區隱患爆破治理方案和延期時間的研究卻鮮有報道。

本文采用LS-DYNA數值模擬軟件，在巖石物理力學指標測試的基礎上，根據地表質點振速和空區治理效果，研究了爆破治理方案及延期時間的優選問題。

1 工程概況

白音諾爾礦業有限公司位于內蒙古自治區赤峰市巴林左旗北部，礦山區域面積15.14 km2；該礦床以鉛、鋅、銀、鎘為主，伴生有錫、銅、鎢、金等多種金屬。礦區劃分為南、北2個礦帶，彼此相距400 m；1#礦體位于南礦帶東部，礦體走向北東、傾向南東、傾角60°～80°；礦區平面圖如圖1所示。

圖1 礦區平面示意Fig.1 Planar graph of mining area

1#礦體1 020 m標高以上為露天開采，因歷史原因，采空區分布為950～990 m標高之間，采空區頂板暴露面積約3 468 m2。900～950 m標高之間有2個采場，分別為17#采場和18#采場。現在露天坑底隔離礦柱發生坍塌，為了確保地面建(構)筑物的安全運營及950 m水平以下開采工作的順利進行，通過在采空區下盤1 005 m水平施工鑿巖巷道，在鑿巖巷道內實施深孔爆破，將隔離礦柱崩落在采空區內，從而治理空區隱患。

2 爆破方案

結合空區的分布情況，初步確定1 005 m水平巷道南側隔離礦柱依次向北側崩落和1 005 m水平巷道中間最薄處隔離礦柱依次向兩側崩落2種爆破方案；由于1 005 m水平巷道中間最薄處隔離礦柱依次向兩側崩落爆破方案需準確確定薄弱區域位置，且后續爆破質量取決于拉槽效果，而且爆破施工復雜，難度較大；所以采用1 005 m水平巷道南側隔離礦柱依次向北側起爆崩落(13～70排)的爆破方案，具體炮孔排數分布如圖2所示。

圖2 炮孔排數分布Fig.2 Row distribution of blasting holes

在確定空區隱患治理工程整體爆破方案之后，設置A方案為13排首先起爆，然后根據延期時間，14，15排直至70排順序起爆；B方案為13和14排首先起爆，然后根據延期時間逐排起爆。

爆破施工采用巖石乳化炸藥和數碼電子雷管，進行扇形排列布孔[15]；炮孔直徑為90 mm，最小抵抗線為2 m，孔底距為2.5 m。13～15排炮孔爆破參數見表1～3所示。

表1 13排炮孔爆破參數Table 1 Blasting parameters of holes in the 13th row

表2 14排炮孔爆破參數Table 2 Blasting parameters of holes in the 14th row

表3 15排炮孔爆破參數Table 3 Blasting parameters of holes in the 15th row

3 數值模擬分析

3.1 數值模型建立

采用LS-DYNA數值模擬軟件，根據上述爆破方案及參數，按照實際比例建立模型。由于A方案和B方案對15排之后的炮孔起爆無差別，所以僅進行13～15排的模型建立；為了簡化數值計算，按照圣維南原理[16]，設置模型長度為47.2 m、寬度為20 m、高度為30 m，數值模型如圖3所示。

圖3 數值模型Fig.3 Numerical model

數值模型的頂面為地表，即1 020 m水平；底面為990 m水平，由此底面及四周設置無反射邊界條件。網格劃分采用自由劃分方式，巖石的網格尺寸為2 m，炸藥的網格尺寸為1 m。設置計算時間為0.6 s，共進行600步，在計算過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 材料參數設置

按照工程巖體試驗方法標準[17]對礦區內的巖石進行取樣；根據量積法進行密度測試；利用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機進行抗壓強度試驗，進而確定彈性模量和泊松比；采用巴西劈裂法進行抗拉強度試驗。

圖4 試件物理力學指標測試Fig.4 Measurement on physical and mechanical indexes of samples

巖石材料采用ELASTIC模型，并通過關鍵字ADD-EROSION定義巖石的抗拉強度，使之強制失效；炸藥材料采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，并定義JWL狀態方程，具體材料參數見表4～5所示。

3.3 爆破方案選擇

根據上述的數值模型和材料參數，初選延期時間為50 ms，進行A方案和B方案空區隱患爆破治理工程的數值模擬，結果如圖5～6所示。

表4 巖石材料模型參數Table 4 Material parameters of rock in model

表5 炸藥材料模型參數Table 5 Material parameters of explosive in model

圖5 A方案模擬效果Fig.5 Simulation effect of scheme A

圖6 B方案模擬效果Fig.6 Simulation effect of scheme B

由圖5可知，0.001 s時13排炮孔起爆，模型未發生變化；在0.004 s時出現首次破壞，發生在模型的右側壁位置處；隨著爆炸應力波及爆生氣體的傳播，模型出現連續性破壞，但是破壞范圍主要集中在扇形布孔的孔端位置處。0.051 s時14排炮孔起爆，在0.052 s時炮孔孔底處模型就發生了破壞，并且隨著時間的推進，模型受到大面積的爆破破壞；15排炮孔在0.101 s起爆，此時模型的頂部及底部已經產生了貫通裂縫，并且在0.115 s時出現了巖石塌落區域；達到0.161 s時，巖石塌落區域持續擴大。

由圖6可知，13和14排炮孔在0.001 s同時起爆之后，模型在0.003 s時就發生了破壞，首次出現破壞的位置為炮孔的孔底處，并且破壞范圍較大；在0.011 s時炮孔的孔端位置也出現了大面積破壞；由于13和14排炮孔同時起爆，使用的炸藥量明顯增加，導致模型在0.021 s時就出現貫通裂縫；隨著時間的推進，發現模型的破壞范圍仍然集中在炮孔的孔端位置處；15排炮孔在0.051 s起爆之后，模型頂板的破壞范圍顯著增加，同時模型出現了塌落區域。

在考慮空區隱患爆破治理效果的基礎上，分析爆破振動對地表的影響同樣至關重要。由此，在地表處任意選取節點，本文選取4 967節點，坐標為(20，47.2，1 020)(見圖3)；A方案和B方案4 967節點處振速圖如圖7所示。

圖7 4 967節點振速Fig.7 Vibration velocity of 4 967 node

結合圖7以及圖5～6的分析結果可知：A方案的巖石塌落范圍集中，塌落面積較大；B方案的巖石塌落范圍分散，塌落比較均勻。雖然B方案初期爆破效果良好，增加了頂板的破壞范圍，但是相比于A方案，4 967節點處的質點振速峰值由0.923 9 m/s增大至1.225 3 m/s，為了地表建(構)筑物的穩定以及人員設備的安全，選擇A方案進行空區隱患爆破治理。

3.4 延期時間確定

在延期時間為50 ms的A方案數值模型基礎上，增加100和200 ms的延期時間，為了比較空區爆破治理效果，3種延期時間的垂直方向位移云圖如圖8～10所示。

圖8 延期時間為50 ms的垂直方向位移Fig.8 Vertical displacement with delay time of 50 ms

圖9 延期時間為100 ms的垂直方向位移Fig.9 Vertical displacement with delay time of 100 ms

圖10 延期時間為200 ms的垂直方向位移Fig.10 Vertical displacement with delay time of 200 ms

由圖8可知，巖石的破壞范圍比較集中，主要產生在炮孔孔端位置處；模型頂板產生延伸裂縫，但未形成貫通。

由圖9可知，巖石的破壞范圍顯著增大，塌落區域也比較分散；模型頂板破壞范圍也顯著增加，且形成了橫向貫通裂縫。

由圖10可知，巖石的破壞范圍更加集中，塌落區域也縮小為模型的右上部；頂板的破壞范圍減少，且未形成裂隙。

對比圖8～10可知：延期時間為100 ms時，巖石破壞范圍最大，且塌落區域分散，可以降低塌落振動對900～950 m標高之間采場的影響。

4 爆破效果

圖11為采空區隱患爆破治理前后對比效果圖。

圖11 采空區隱患爆破治理Fig.11 Blasting treatment of hidden trouble in goaf

由圖11可知：按照上述爆破方案和延期時間對白音諾爾1#礦體采空區隱患進行崩落法治理，采空區上方露天坑底的隔離礦柱崩落至采空區內，形成了1個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險而且保證了采空區下方礦區的施工安全。

5 結論

1)在滿足爆破效果的基礎上，同1節點處A方案的地表質點振速峰值為0.923 9 m/s小于B方案的地表質點振速峰值1.225 3 m/s，保證了地表建(構)筑物的穩定以及人員設備的安全。

2)當數值模型延期時間為100 ms時，巖石的破壞范圍最大，頂板裂隙擴展距離增加，并且塌落區域分散，降低了巖石塌落振動對900～950 m標高之間采場的影響，確保了開采工作的順利進行。

3)按照A方案和100 ms的延期時間對1#礦體采空區隱患進行崩落法治理，通過現場應用結果顯示可以得出采空區上方露天坑底的隔離礦柱崩落至采空區內，形成了1個緩沖層隔離露天和井下以保證安全。