鄰近爆破作業下采空區頂板振動效應分析

解明聰

（四川大學匹茲堡學院，四川 成都 610207）

近年來，采空區穩定性的研究已有很多專家、學者進行了探討，如鄭懷昌、文興等[1,2]采用Barton“當量尺寸”極限跨度分析法和Mathews穩定性圖解法、能量意外轉移論定量方法分別對空區危險性進行了綜合分析。杜相會、王海軍等[3,4]采用巖石力學試驗、理論分析、數值模擬與可視化仿真、三維建模等方法,進行了礦山采空區穩定性分析并進行治理方案篩選。不僅如此，還有許多人也采用試驗與理論相結合的方法對采空區的穩定性進行了分析，并提出了相應的依據和技術，正如賈楠、王俊程、賈曉川等[5-7]運用三維動力有限差分法、巖體力學和結構力學理論，并結合數值模擬和實驗的方式，通過對礦山地質調查獲得的礦區結構參數，對振動信號進行處理分析，模擬了圍巖非線性演化特性進而探討采動順序對采空區圍巖的穩定性影響，提出了采空區穩定性安全判據和控制技術。

因此，研究采空區穩定性的核心問題就是要解決采空區頂板的穩定性，通過研究爆破過程中產生的振動效果引起的頂板危害特征，從而提出解決方法，對提高采空區的穩定性、解決采空區安全隱患、確定空區與爆心之間的安全距離、改善爆破效果和防震設計具有重要意義。

1 礦區概況及試驗簡述

1.1 礦區概況

鞍鋼礦業集團有限公司旗下的大孤山鐵礦，位于遼寧省鞍山市，爆破作業方式為露天臺階爆破，采場劃分的水平臺階從上往下逐層開采，開采臺階的高度為12m～15m，開采至最終境界時每兩個臺階并段為24m～30m，單段最大裝藥量500kg左右，此時恰好能為礦山帶來合理的經濟效益，隨著開采逐漸挖深，爆破的位置也逐漸向采空區的方向靠近，這嚴重的影響采空區的穩定性，可能會導致空區頂板塌陷，引起比較大的安全事故，增大礦山的安全治理成本，所以必須保障大孤山鐵礦鄰近采空區的穩定性。

1.2 試驗簡述

選取露天采場鄰近采空區的三個位置A、B、C進行爆破監測如圖1所示，分別為離爆源160m、180m、200m的三個點，三點采用TC4850爆破測振儀對準爆心沿射線布置，現場測試情況如圖2。

圖1 測點布置圖

圖2 現場測試圖

1.3 爆心至空區的地震強度及安全距離計算

根據薩氏公式按照中硬巖石片麻巖選取K（200）、a（1.65）值，監測點到爆源的距離分別是160m、180m、200m，采用以上數據進行計算，得出三個觀測點的振動速度：

VA=1.408cm/s；

VB=1.159cm/s；

VC=0.974cm/s；

通過與Z軸的實測峰值振速進行對比，VA實=1.94 cm/s、VB實=1.35、VC實=1.14，可以明顯看出，測出的數據大部分都大于計算所得出的數據，采空區振速不在《爆破安全規程》的安全允許振速內，應采取相應降振措施。

經過實地考察，采用土窯洞的安全允許振速V=1.0cm/s 計算采空區到礦山爆心的安全允許距離，單段最大裝藥量按500kg，K取200，a取1.65，經計算得出最小安全距離為R最小=196.825 m。

通過分析比較，采空區離爆心的距離最近為160m，而計算單段最大裝藥量得出的安全距離為196.825m，驗證了裝藥量不合理，應采取降振措施以保證采空區的安全。下面通過采空區離爆心的最近距離R=160m來計算總裝藥量：Q=268.589 kg。即礦山爆破應該將總裝藥量控制在安全用藥量內

圖3 數值計算模型及網格劃分

2 采空區頂板擾動特征數值模擬

2.1 數值模型建立

根據鞍鋼集團礦業大孤山鐵礦建立FLAC3D數值模型，根據礦山的實際情況和巖石的特點設置模型尺寸的長度為160m，寬度60m，高度100m。模型的采空區由上下、左右巖體的四個橫截面組成，而且只考慮采空區上方頂板受到的爆破振動的影響，采空區的長寬高X×Y×Z尺寸為40m×60m×20m，采空區頂板距離地表20m，且地表即為采空區頂板。以三維的豎直方向Z軸為模型的數值計算區域，沿采空區走向方向為Y軸，水平方向垂直采空區的方向設為X軸。模型的Z軸的正方向-70m≤Z≤30m為數值計算區域，X軸正方向的計算區域為-80m≤X≤80m，Y軸正方向的計算區域為0m≤Y≤60m。網格單元的劃分情況采用的是不平等劃分，根據模型的采空區部分的網格劃分的細一些，對模型外部較遠的區域劃分相對稀疏一些。模型內共劃分了16000個單元，18271個節點，三維計算模型及網格劃分情況如圖1所示。本次FLAC3D數值模擬分析中靜力計算和動力計算均采用Mohr-Coulomb強度準則。根據礦山提供計算所需的巖體物理力學參數如表1。

表1 巖體的物理力學參數取值

2.2 數值模型計算過程

設計礦山實測的三種不同爆破振動荷載，分析采空區頂板在爆破振動荷載作用下的穩定性和動力響應特征，方案如下：

（1）截取測點A時間為0～0.8 s的爆破地震波進行數值模擬。

（2）截取測點B時間為0～0.8 s的爆破地震波進行數值模擬。

（3）截取測點C時間為0～0.8 s的爆破地震波進行數值模擬。

3 爆破地震波對采空區頂板的擾動破壞分析

根據設置的爆破地震波模擬方案（1）、（2）、（3），采用開挖后的采空區模型進行動力計算，得出爆破地震波模擬下采空區頂板中心點（0，30，20）的位移圖和Z軸速率圖和模型的位移等值線云圖如圖4～圖6。

圖4 方案（1）（2）（3）模擬后的位移等值線云圖

圖5 方案（1）、（2）、（3）模擬后點（0,30,20）的位移

圖6 方案（1）（2）（3）模擬后點（0,30,20）的Z軸速率

根據數值模擬計算結果進行對比分析，分析表明：由于截取的爆破地震波的平均值不等于零，當爆破地震波的持續時間0s～0.8s模擬結束后，動力計算結束，點（0,30,20）關于Z軸的速率不等于零，所以模型不能計算至平衡狀態，以最終狀態為結果；對比方案（1）（2）（3）對應點關于Z軸的位移最終值為5.2×10-5m、3.85×10-4m、8.8×10-4m，顯示方案（3）的中心點位移值最小，方案（1）中心點的位移值最大；對比方案（1）（2）（3）對應點關于Z軸的速率最終值為-1.1×10-4m/s、-1.6×10-3m/s、-0.5×10-3m/s，顯示方案（3）的速率值最小，方案（1）的速率值最大；根據圖4分析可知，方案（1）的采空區頂板的位移最大，方案（2）頂板的位移次之，方案（3）頂板的位移最小。

結合礦山的實際開采情況，爆破作業的具體實施方案以及鄰近空區分布情況，歸納出如下降振措施：

（1）限制一次爆破作業的最大用藥量。參考爆破振動安全允許標準，根據薩氏公式計算單段最大用藥量。爆破設計藥量超過爆破振動安全允許的最大用藥量時，必須采取降振措施，或采用毫秒延時爆破。

（2）爆破地震監測和開挖減震溝槽。減震溝槽與爆心的距離不宜過大，應在采空區與爆心之間，不影響爆破作業的情況下，位置適中即可；主要采用導爆索爆破形成的減震溝槽，并輔以人工開挖的減震溝槽；可適當添加一些減震材料到減震溝槽之中，達到更好的減震效果，進而保證采空區的穩定性，保持礦山擁有更好的經濟效益。

4 結論

（1）結合爆破振動監測試驗，按照薩道夫斯基公式對安全距離和單段最大裝藥量計算，得出最小安全距離為196.825 m，單段最大裝藥量為268.589 kg，實測峰值振速和裝藥量均不在安全允許范圍內。

（2）通過實測波形導入進行數值模擬對空區頂板振動效應進行分析，對比分析得出不同爆破地震波對采空區頂板的擾動破壞情況不同，爆破地震波的幅度段數越少且幅值越小時，采空區的頂板的擾動破壞程度越小，致使的位移距離也越小，反之則越大。

（3）綜合礦山實際開采情況，給出了相應降振措施，限制爆破作業的單段最大裝藥量，開挖減震溝。