基于FLAC3D軟件的凝灰巖礦溜井爆破降段 動應力數值模擬及穩定性分析

王 翼，李 珍，尹圣凱，梁瑞軍，漆東生

(甘肅建投礦業有限公司，甘肅 永靖 731611)

溜井-平硐開拓作為一種運輸方式常應用于煤礦、金屬礦等地下礦山，隨著砂石行業大型化、集約化的發展趨勢，溜井-平硐開拓逐漸運用到砂石行業中，已成為砂石礦山生產選擇與設計的重要方式[1]。但由于礦山采場降段導致海拔高度降低，溜井降段爆破及采礦活動引起的震動會對砂石礦溜井井底或平硐的穩定性產生影響[2]，采場采面越低，爆破降段振動波對溜井底部巷道硐室的影響越明顯，導致達到某間距后降段過程無法繼續。因此，研究某凝灰巖砂石骨料礦山溜井降段過程對礦山的生產安全具有重要意義。

目前，溜井降段對溜井穩定性的影響研究大多基于煤礦或金屬礦[3-7]，而對于砂石礦山溜井穩定性的研究寥寥無幾。凝灰巖露天礦隨開采臺階下降必須進行溜井平臺降段，降段一定間距后，由于爆破等產生的強振動對生產系統造成的影響會迫使開拓方式發生改變，以提高礦石資源采出率，保證安全生產。本文以某凝灰巖砂石骨料礦山為例，基于FLAC3D軟件溜井降段基本模型，對溜井爆破降段進行有限差分數值計算，通過量化動應力變化及圍巖損傷破壞程度，計算出溜井爆破降段間距臨值，探究溜井爆破降段及采掘活動對溜井穩定性的影響。

1 礦山概況

該凝灰巖露天礦位于高山區，屬于高山地貌，海拔在2 000～2 500 m之間，礦區溝谷發育，溝壑縱橫，形成兩山夾兩溝的地貌特征。爆破后的原礦由自卸卡車經運輸道路搬運至溜井，剝離的廢土及廢渣由自卸汽車運至永久排土場堆排。采場內布置1條直徑6 m、井深185 m、井口標高+2 210 m、采用鋼筋混凝土內襯50 mm厚錳鋼釬永久支護的溜井，主要依賴重力流動保證開采平臺到破碎硐室的原礦溜入井底，經井下粗碎硐室內的PG42-65型旋回破碎機破碎后，通過膠帶機平硐運輸至半成品庫臨時堆存，凝灰巖礦溜破系統如圖1所示。

圖1 凝灰巖礦溜破系統圖Fig.1 System diagram of slip breaking in tuff mine

2 溜井降段方法選擇

該凝灰巖露天礦溜井布置在采場內，隨著采場平臺海拔高度的下降，為溜井放礦創造更加便捷的條件，保證了溜井放礦及安全生產，溜井井口標高相應降段。每個階段溜井降段后，必須保證降段水平以下溜井壁及溜井圍巖的影響可以忽略不計，要求與原礦成分不相關的其余材料(如支護材料CF30錳鋼釬維混凝土)均不能落入溜井底部或者混入溜井原礦中，以免影響加工系統設備整體的優良性能。

結合降段技術要求，通過貯礦降段法和直接爆破法的對比研究，可以減緩礦石流直接沖擊井壁，最重要的是還可以降低礦石自由下落高度，減輕對溜井中礦石的夯實度及礦石因自重而產生的額外碎礦，從而減少溜井堵塞的機會[8]。貯礦降段法能有效降低溜礦段的距離，有效防止原礦對溜井內壁的沖擊作用，再者可以綜合運用多種爆破技術，結合露天礦不同的爆破方法[9]，同時改變爆破參數[10-13]，靈活結合多種技術與環境因素[14]，采用貯礦降段法，最終實現溜井整體爆破降段。

3 模型構建及模擬分析

FLAC3D軟件能夠模擬三維巖土達到強度極限時的破壞流變、塑性破壞、地震動應力、受荷載抗壓樁等力學變形行為。依據該礦山的實際情況，在模型左右邊界施加水平地應力，且初始位移為零。溜井圍巖體是理想彈塑性體，符合model mohr準則且地層中含有少量砂質泥巖夾層，另外，由于該礦山膠帶機平硐水平與溜井首采平臺(+2 210 m)間距不大，模型高度為185 m，模型上部無承重地應力，僅自身受到重力作用，表現為山間山體相互擠壓產生的水平構造應力或水平地壓，因此穩定性分析需同時考慮自重應力和水平山體擠壓力的影響。

3.1 數值模擬模型構建

基于FLAC3D軟件，通過對該礦山基本巖層條件對比及其三維數值分析，確定幾何參數為80 m×80 m×210 m的溜井爆破降段基本模擬模型(圖2)，溜井的貫通施工會對溜井圍巖產生工程性擾動，而距離溜井半徑范圍內較遠的巖體基本不受影響，溜井內部以彈性材料弱參數物充填，模擬貯礦降段法降段爆破，建立的模型應盡量包含受溜井施工作業，貫通開挖擾動影響的所有巖層或巖體，忽略該礦山運輸平硐及膠帶機平硐開挖施工與溜井貫通過程中的影響，研究溜井(豎井)在降段爆破作業過程中溜井爆破降段影響的位移場及塑性分布情況，以便模擬溜井圍巖位移及塑性特征[15]，進而對該礦溜井爆破降段整體進行模擬。

圖2 溜井降段基本模型Fig.2 Basic model of descending section in chute

3.2 邊界條件確定

根據該礦山溜井圍巖的物理力學性質，選取地質報告中的相關參數及地質概況作為溜井降段爆破分析的巖體力學參數及地應力受力情況模擬值，實驗測得的凝灰巖基本參數見表1。 以此為基礎，確定模型的邊界條件為：對模型周圍的四面設置水平位移約束，施加水平地應力場(壓應力場)進行計算，以FLAC命令ini xdis=0、ydis=0、zdis=0；ini xvel=0、yvel=0、zvel=0，將初始化后的位移和速率清零，模型底部滿足并施加剛度約束，同時采用命令set gravity 0 0 10.0，對整個模型自上表面至最底部施加自重應力場，根據該礦山巖層地質條件確定邊界條件基本模型如圖3所示。

表1 凝灰巖基本參數Table 1 Basic parameters of tuff samples

圖3 邊界條件基本模型Fig.3 Basic model of boundary conditions

3.3 模擬結果分析

露天礦山溜井降段爆破過程中主要影響因素是避爆點與溜井水平距離較低和開采平臺的降段爆破，導致開采平盤逐漸降低，開采平臺與溜井底部平硐的間距逐漸縮小，動載源對溜井的沖擊拉伸影響不斷增大[16-17]。因此，研究降段過程有助于溜井穩定性的分析，進而提高生產效率，對確保砂石行業露天礦山安全爆破及溜破安全生產具有重要意義。

3.3.1 水平位移場分析

在同一爆破能量、不同水平距離的條件下，增大露天爆破動載源與溜井間的距離，可以研究爆破沖擊振動波對溜井及其圍巖影響的逐漸變化過程[18]，研究距離范圍對溜井損傷的破壞及其發生機理。通過爆破沖擊震動能量與溜井井壁距離分別為8 m、20 m、50 m不同沖擊下的位移圖像及損傷程度。在降段爆破動載源能量大小相同的情況下，監測溜井井底井壁位移變化規律。根據該礦山實際情況，溜井降段爆破動載源距溜井不同距離的位移模擬云圖如圖4所示。

圖4 不同水平距離模擬云圖Fig.4 Simulated cloud images of different horizontal distance

根據圖4繪出溜井井底位移趨勢圖(圖5)，假設每次溜井降段爆破炸藥量一定，即爆炸產生的震源大小為定值。 當降段爆破動載源與溜井距離分別為3 m、24 m、50 m時，以History功能監測溜井底部內壁位移量[19]，動載源水平距離24 m時，位移量為1.07 mm左右，水平距離50 m時，位移量為0.76 mm，由此可見，爆破對溜井井頸與溜井底部溜破系統的影響依次減小，水平距離由24 m增至50 m 時，位移減小量可達40.78%，結果證明爆破點到溜井的距離大于50～60 m時，溜井底部圍巖位移量斜率的變化率越來越小，塑性區域面積也相應減小，爆破動載沖擊對溜井圍巖的擾動影響也會明顯降低。

圖5 溜井井底位移趨勢圖Fig.5 Displacement trend diagram of chute

3.3.2 豎直位移場分析

隨著開采工作平臺逐步下降，溜井平臺要經常進行爆破降段，采場溜井平臺與井底標高+2 025 m之間的間距會逐漸減小，爆破動載對硐室巷道圍巖的擾動程度也會隨之變化，溜井降段爆破過程會對溜井穩定性造成影響。 在溜井降段間距分別為12 m、48 m、96 m、144 m、168 m、180 m時，再次進行爆破降段，以降段爆破等產生的動載對溜井底部及圍巖受力變化進行模擬。結果顯示：當降段距離下降首個溜井平臺時，溜井內壁圍巖位移最大是0.90 mm；降段間距達到168 m時，溜井井底井壁最大位移量7.02 mm；降段間距達到180 m，最大位移增至17.83 mm；降段距離下降至144 m左右時，溜井井壁最大位移量明顯增高，達到3.90 mm左右。根據圖5可知，采場平臺與溜井底部平硐的間距縮小，即連續低采面爆破降段，造成溜井圍巖或平硐失穩，其主要原因是降段爆破動載過大，因此必須采取降震減震技術措施，避免出現錨噴支護、噴射砼支護掉塊或平硐和配電室出現水平向貫通剪切裂縫或豎向拉伸裂縫等現象。

圖6為溜井降段不同間距位移模擬云圖。由圖6可知，采場溜井平臺越降越低，降段爆破動載對溜井的影響逐漸增大。開采初期，開采平臺較高，動載對溜井造成的影響較小，但是生產中后期，采深增加，采面降低，持續對溜井進行再爆破再降段，形成露天開采盆地型低采面，爆破動載對溜井底部的圍巖塑性疲勞形變增大(圖7和圖8)，從時間變化數值模擬演變的塑性區域面積來看，降段間距越大，動應力對溜井圍巖的持續累加作用明顯；從不同降段間距下的同步動畫演示可以看出，降段間距越大，采面越低，受動應力影響的溜井圍巖塑性區斷面面積不斷增大，垮塌風險系數逐漸上升[20]。根據圖6繪制出豎直位移場中不同降段間距下位移趨勢圖(圖9)，由圖9可知，180 m以后最大位移發生突變，證明在動載源與溜井圍巖距離較小的情況下，振動波在一定范圍內對圍巖的損傷是一種不可逆的大形變突變行為。

圖6 溜井降段不同間距位移模擬云圖Fig.6 Displacement simulation cloud diagrams of different spacing in descending section of chute

圖7 連續降段至96 m溜井斷面圍巖破壞過程Fig.7 Failure process of surrounding rock of chute section from continuous descending section to 96 m

圖8 連續降段至144 m溜井斷面圍巖破壞過程Fig.8 Failure process of surrounding rock of chute section from continuous descending section to 144 m

圖9 不同降段間距下位移趨勢圖Fig.9 Displacement trend diagram at differentdescending section

3.3.3 討論

根據以上建模分析，假設每次爆破所用炸藥量一定，即爆破動載不變，溜井降段間距越大且動載源至溜井的水平距離越小，溜井對動應力的影響越明顯，溜井圍巖塑性區面積越大。 隨著溜井降段采面越降越低，實際生產中后期降段距離達到144～168 m時，應該采取安全技術措施，加強微震監測，提高平硐頂底板及兩幫的位移測量和監測頻次，并對測量結果進行統計分析，采取相應措施，保證人機安全。

依據模擬效果及技術經濟指標，按照每個臺階高度為12 m計算，溜井降段間距≤168 m就進行開拓運輸方式的改變，改變后剩余礦石資源保有量過大，溜井爆破降段間距>168 m時，爆破振動產生的動應力與靜載產生疊加作用，迫使硐室圍巖發生形變。因此，當降段間距達到168 m時，自井底至采場水平礦段剩余高度間距為17 m，意味著一方面當采場中深孔爆破發生在臨近溜井和平硐覆巖上表層時，降段爆破前必須采取安全技術措施，對平硐溜井系統穩定性進行分析；另一方面綜合運用多種露天礦控制爆破技術，保證溜井井壁和平硐、粗碎硐室的穩定安全，當溜井降段持續加強支護使得硐室上覆巖體間距達到極限護頂厚度5 m時，需采取公路開拓運輸方式替代現有的開拓方式，開采剩余待降礦體，提高礦石資源采出率，保證溜井服務系統穩定。

4 結 論

1) 模擬發現起爆瞬間，當溜井降段爆破產生的巨大動應力震源與溜井平臺避爆點距離越小，動載對溜井產生的沖擊破壞或疲勞損傷越大，并且動載源距離避爆點50～60 m外，砂石骨料凝灰巖露天礦采場構筑物或者巖體的震動頻率會明顯降低。

2) 爆破動載的存在打破了原本穩定的平硐溜井系統，導致原有的自重應力場與采場爆破產生的動應力疊加，產生動靜載疊加作用。特別是溜井降段間距達到168～180 m時，動載瞬間，巷道硐室內表面產生的振動速度值越來越高，且溜井井底內壁將出現拉應力值將超過硐室圍巖或支護材料CF30錳鋼釬維混凝土的抗拉強度，此情況下粗碎硐室或聯絡巷道將出現失穩現象，甚至出現局部掉塊現象。因此，在溜井爆破降段過程中，在爆破活動靠近硐室巷道時需要加強對溜破系統附屬聯絡巷及平硐硐室的動應力動態監測。

3) 溜井爆破降段間距越大，溜井對爆破動載的響應程度越來越高，主要表現在溜井井底圍巖最大位移增長速率越來越快，從不同降段間距位移趨勢可知，斜率越來越大，斜率變化率也越來越高，圍巖最大位移量從7.02 mm突增至17.83 mm，位移增量比為153.99%。