起爆點位置對采空區穩定性的影響研究

王永增，穆曉紅

（鞍鋼集團礦業有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000）

在金屬礦山中，存在著大量采空區影響正常生產工作，由于采空區不利于深部礦石資源開采利用，且時有發生由失穩導致的安全事故，給礦山生產作業帶來了極大的安全挑戰。為了降低采空區在礦山安全生產中的風險，采空區穩定性的研究最近得到廣泛關注。

通過現場的監測得到較為可靠的數據，但是耗時長，運用理論分析的結論與實際偏差較大。隨著科技的進步，計算機應用的領域越來越廣泛，尤其是利用數值模擬手段研究采空區的穩定性受到普遍重視[1-3]。通過數值模擬降低成本，模擬采空區整體的動態變化情況，以及分析影響采空區穩定性因素。此外，在分析采空區穩定性時可依據理論基礎和實際情況改變模擬方案，效率高且能夠彌補試驗方案的不足之處。國內外專家、學者在采空區穩定性領域取得了一定的研究成果[4-7]。2018年高鵬翔[8]等通過確定的尖點突變理論模型，分析出在采空區失穩狀態下其能量的釋放原因不在于外界附加作用，而是在于其巖土系統自身的性質。2018年胡洪旺[9]通過研究驗證了厚板理論在分析層狀頂板的采空區穩定性時的可行性，推進了Ressiner厚板理論在采空區頂板穩定性研究中的使用。

1 工程背景

齊大山鐵礦床主要分為南、北采區，多層采空區位于齊大山鐵礦采場內部，是礦山安全生產的巨大隱患。探測出淺部及中深部采空區異常位置點近400處，組成空區77處，空區規模大小不一，特殊井狀物區域23處，空區在空間上重疊、壓覆甚至形成空區群，這便給空區規模和位置上的確定帶來的困難。隨著生產爆破作業的循環進行，一旦誘發空區群上部巖體失穩垮落，將直接影響下層采空區探測及后續處理，甚至直接形成暴露面更大的采空區。圖1為齊大山鐵礦-180m水平臺階處發現一處采空區，部分頂板已經垮落現象，采空區暴露在外，本研究以雙層空區為例進行模擬。

圖1 雙層采空區參數示意圖

2 不同起爆點位置雙層采空區計算模型

2.1 模型建立

設計兩組僅起爆點位置不同的模擬試驗，雙層采空區厚度為5m，跨度為20m，下層采空區頂板厚度為5m，炮孔填塞4m，炮孔位于采空區中部正上側。模型1與模型2起爆點位置分別位于炮孔底部與頂部，起爆點位置如圖2所示。

圖2 不同起爆點位置的雙層采空區幾何模型

在下層采空區頂板上側及下側選取十處節點及單元作為主要分析對象，其位置分布如圖3及圖4所示。

圖3 節點位置分布圖

圖4 單元位置分布圖

2.2 數值模型建立

（1）劃分網格。采用八節點六面體單元劃分采空區模型，建立上層采空區跨度由20m～30m，步長為2m的六個雙層采空區模型。

（2）模型邊界處理。本組六個模型均為1/2對稱模型，對模型邊界條件進行如下設定：

對稱邊界：正面；無反射邊界：左面，右面，下面，后面；反射邊界：邊坡坡面，臺階頂面；共節點邊界：巖石與炸藥接觸面。

3 雙層采空區在不同起爆點位置爆破作用下穩定性分析

3.1 爆破過程應力云圖及分析

圖5 模型1爆破過程應力云圖

圖6 模型2爆破過程應力云圖

圖5（a）～（c）為模型1孔底單點起爆爆破過程應力云圖，圖6（a）～（c）為模型2孔頂單點起爆爆破過程應力云圖。從圖中可以看出：模型2孔頂起爆初期，爆炸應力波更早地與上側自由界面接觸，大量能量由坡頂自由面消耗，相對于模型1孔底起爆較晚向上層采空區兩端傳播；模型2在t=13000μs時，下層采空區頂板左側應力波傳播將優先于右側應力波向中部交匯，導致應力集中區域向下層采空區頂板右側偏移，孔頂起爆方式爆破效果較差。

3.2 下層采空區頂板單元有效應力分析

由計算結果列出下層采空區頂板十處單元最大有效應力表，如表1所示，通過表1繪制單元最大有效應力與起爆點位置關系曲線如圖7所示。

表1 單元最大有效應力表

根據表1數據可知：孔頂起爆時，下層采空區頂板十處單元均有所減小。通過圖7可以更直觀地看出，選擇孔頂起爆方式時，下層采空區頂板中部單元有效應力明顯減小，上下側單元有效應力差值較小。

圖7 單元最大有效應力與起爆點位置關系曲線

兩種起爆方式對下層采空區頂板兩端造成的應力變化并不大，兩端節點有效應力有較小幅度的減小現象；兩種起爆方式的爆破動荷載作用對下層采空區頂板兩端影響較小，對下層采空區頂板中部影響較為明顯。采用炮孔頂部起爆方式時，下層采空區頂板中部最大有效應力明顯減小。

4 結論

選用孔頂起爆方式時，大量爆生氣體在孔頂處逸出，爆炸應力在更大自由面的作用下于雙層采空區圍巖的分布較為分散，作用在下層采空區頂板的應力較小，下層采空區頂板振動效果也有所減弱，其安全系數提高，雙層采空區結構更加穩定。