采空區爆破振動響應特征分析

周建忠

(陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西 晉中市 045400)

0 引言

井工煤礦盜采亂挖情況較為普遍，形成了大跨度、縱橫交錯、厚度不均的采空區[1]。結合相關調查，大跨度的采空區塌落，誘導了地面下沉、建筑物地基不穩，影響了井下工人的安全，已被視為礦山首要解決的問題[1-3]。隨著安全意識的提高，采空區的安全性預測、評價及處理的研究工作越來越重要。采用先進的數字化可視技術監測了復雜環境采空區的分布結構以及空區周圍巖石條件，采用數值模擬方法建立了與監測采空區狀態較為類似的三維簡化計算模型，計算了采空區安全性評價指標數值參數[3-7]。明確不同動荷載下復雜采空區的安全性情況，對空區防護與治理方案的制定具有一定的意義[8-10]。

1 采空區賦存狀況

開元煤礦3908工作面位于閆莊村北東部約264 m，中莊村北部約351 m，北燕竹村北西部約253 m的范圍內。地面標高為1109 m～1172 m。經探測，空區規模大小不一，分布結構較為復雜，并沒有制定支護方案。礦山生產過程中，發現一處采空區部分頂板坍塌致使地面下沉，經初步探測，該采空區頂板高度約8 m，跨度約25 m，并且采空區下方已探明存在另一采空區，獲得了其規模、位置、跨度以及分布結構等信息，采空區的存在對礦山正常生產帶來了嚴重影響。爆破施工時增大了下層采空區失穩垮落的概率，可能誘導上下層采空區貫通，進而威脅到地面人員的安全。

2 構建采空區計算模型

設計兩組僅起爆點位置不同的模擬試驗，上層采空區高度為8 m，跨度為25 m，下層采空區高度為6 m，兩個采空區相差12 m，炮孔位于采空區中部正上側。考慮到不同起爆方式的下層采空區頂板的動態響應變化，以下層采空區頂板上下側選取10處節點1～5及單元A～E作為主要分析對象，所建立模型及其位置分布如圖1所示。

圖1 不同起爆方式的采空區幾何模型

3 模擬結果分析

3.1 下層采空區頂板節點峰值振速分析

圖2～圖3反映了不同起爆方式爆炸應力波傳播情況，根據計算數據列出節點峰值振速如表1所示，根據表1繪制節點峰值振速與起爆點位置的關系曲線，如圖4所示。

圖2 模型A爆破過程應力云圖

圖3 模型B爆破過程應力云圖

表1 節點峰值振速/(cm·s-1)

根據爆破振動安全規程，質點峰值振動速度變化是受到動荷載的作用，故頂板的質點峰值振動速度可視為評價空區安全性的量化指標。當爆破施工時，監測頂板特征部位的峰值振動速度，參照安全規程以此評價空區的安全性。由表1可知：當中部起爆時，下層采空區頂板各節點峰值振速變化范圍處于5.01 cm/s～7.29 cm/s，近似于反向起爆各點峰值振速0.31～0.92倍，其中下層采空區頂板下側中部水平及豎直振速分別由11.80 cm/s、15.96 cm/s減小到7.29 cm/s、5.21 cm/s。從圖4可以看出，中部起爆與反向起爆對下層采空區頂板兩端節點振動速度影響不大，中部起爆方式下，下層采空區頂板兩端節點振動速度較反向起爆方式有降低趨勢，其主要破壞位置仍然位于下層采空區頂板中部。

圖4 節點峰值振速與起爆點位置關系曲線

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 10處單元最大有效應力，如表2所示，其單元最大有效應力與起爆點位置關系曲線如圖5所示。

圖5 單元最大有效應力與起爆點位置關系曲線

根據表2數據可知：中部起爆時，下層采空區頂板10處單元均有所減小。通過圖5可以更直觀地看出，選擇中部起爆方式時，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。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。采用中部起爆方式時，下層采空區頂板中部最大有效應力明顯減小。

表2 單元最大有效應力/MPa

4 結論

（1）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，由于下層空區頂板受到的應力較大，增大了下層空區失穩的可能性，存在上下采空區貫通的隱患。

（2）當中部起爆時，下層采空區頂板各節點峰值振速變化范圍處于5.01 cm/s～7.29 cm/s，近似于反向起爆各點峰值振速的0.31～0.92倍，下層采空區頂板兩端節點振動速度受起爆方式影響不大。

（3）采用中部起爆方式較反向起爆方式更能保障下層采空區的穩定。