爆破動(dòng)荷載對(duì)充填體內(nèi)預(yù)留巷道的穩(wěn)定性研究

劉 曉

(山東金洲礦業(yè)集團(tuán)有限公司, 山東 威海 264500)

1 前言

隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)不斷推進(jìn),淺部資源逐漸枯竭,深部開(kāi)采已經(jīng)成為礦山的主戰(zhàn)場(chǎng)[1-2]。巷道擔(dān)負(fù)著礦井運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等任務(wù),其穩(wěn)定性對(duì)礦井安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用[3-4]。隨著礦井深部延伸,巷道受采動(dòng)、礦山壓力增大等影響開(kāi)始變形或遭到破壞。爆破開(kāi)挖是礦山生產(chǎn)的必要工序之一,其危害主要包括爆破振動(dòng)、爆炸應(yīng)力沖擊及飛石等,誘導(dǎo)采場(chǎng)圍巖及巷道失穩(wěn),降低礦山生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性。

一般主要進(jìn)行巷道支護(hù)的靜力學(xué)分析,但實(shí)際上,采空區(qū)圍巖和巷道在承受靜壓的同時(shí),還受到來(lái)自開(kāi)采爆破的動(dòng)力擾動(dòng)[5-7]。姜明偉等[8]利用FLAC3D軟件分析了動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)頂板穩(wěn)定性和斷裂規(guī)律的影響,得到不同擾動(dòng)強(qiáng)度下頂板破壞規(guī)律。唐禮忠等[9]利用Abaqus軟件對(duì)爆破作用下巷道圍巖的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析,探討了軟弱夾層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,提出了支護(hù)優(yōu)化方案。朱萬(wàn)成等[10]采用數(shù)值分析方法,模擬了不同側(cè)壓條件下深部巷道失穩(wěn)的動(dòng)力觸發(fā)過(guò)程,探索了動(dòng)力擾動(dòng)觸發(fā)巷道巖爆的力學(xué)機(jī)制。鄧紅衛(wèi)等[11]采用Midas/GTS與FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù),研究了不同擾動(dòng)幅值下充填體的破壞規(guī)律及動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)充填體的振動(dòng)特性有顯著影響。研究動(dòng)力擾動(dòng)作用下巷道的失穩(wěn)破壞過(guò)程及其振動(dòng)特性,可以為礦山安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支持,但動(dòng)力擾動(dòng)作用下巷道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、失穩(wěn)機(jī)制及其穩(wěn)定性與時(shí)間相關(guān)的分析研究較少。

本文利用3DEC離散元軟件對(duì)爆破動(dòng)載荷作用下充填體內(nèi)預(yù)留巷道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析,揭示動(dòng)力擾動(dòng)下巷道周圍的變形特征以及應(yīng)力場(chǎng)分布特征,為理論分析提供依據(jù),提高礦山生產(chǎn)的安全性保障能力。

2 礦區(qū)簡(jiǎn)介

山東金洲礦業(yè)集團(tuán)有限公司金青頂?shù)V區(qū)位于山東省乳山市下初鎮(zhèn)境內(nèi),坐落在黃壘河南岸南東莊南部的金青頂上,行政區(qū)劃隸屬乳山市下初鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)地理坐標(biāo):東經(jīng)121°38′00″～121°41′15″,北緯37°04′00″～37°07′30″。礦區(qū)南距乳山市約25 km,距威海至桃村鐵路下初站15 km,北距煙臺(tái)港75 km,均有公路相接,交通方便,交通位置如圖1所示。

圖1 交通位置圖

金青頂?shù)V區(qū)地貌屬低緩丘陵區(qū),地面標(biāo)高55.7～133.80 m,最高海拔133.8 m,地勢(shì)較緩,地形坡度0°～15°,溝谷發(fā)育,植被廣布。地表水主要為黃壘河,發(fā)源于昆崳山南麓,自北向南從礦區(qū)西 2 km 處流過(guò),向南注入黃海,當(dāng)?shù)貧v史最高洪水水位為43.8 mm。

成礦帶內(nèi)地層簡(jiǎn)單,構(gòu)造及巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,成礦地質(zhì)條件優(yōu)越。區(qū)內(nèi)成礦前北北東、北東向斷裂最為發(fā)育,成礦期北北東向斷裂繼續(xù)活動(dòng),成礦后以北西向斷裂為主。主要控礦構(gòu)造為北北東向斷裂,縱貫全區(qū),區(qū)域上有5條規(guī)模較大的斷裂。這些斷裂對(duì)金礦的形成和分布起控制作用。隨著礦山開(kāi)采深度的不斷增加,礦體內(nèi)外環(huán)境發(fā)生一系列變化,礦山壓力逐漸增加,礦體賦存條件變得更加復(fù)雜,嚴(yán)重影響了采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬方案

本文采用鋼絲繩+鋼絲網(wǎng)的形式進(jìn)行充填體預(yù)留巷道,預(yù)留巷道的尺寸為3 m×3 m的三心拱,數(shù)值模擬采用的充填體高60 m,寬40 m。使用數(shù)值分析軟件3DEC對(duì)爆破動(dòng)荷載下充填體內(nèi)預(yù)留巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬,3DEC軟件是在二維軟件UDEC基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),內(nèi)置幾種常用的材料模型以及12種分析模式,可以對(duì)接觸面的非連續(xù)力學(xué)行為進(jìn)行模擬,除可模擬連續(xù)介質(zhì)外,在處理非連續(xù)介質(zhì)在外力作用下靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等問(wèn)題上相對(duì)有限元軟件有本質(zhì)優(yōu)勢(shì)。在3DEC軟件中可以將實(shí)體離散為黏結(jié)塊體(Bonded Block Model,BBM)模型,具體如圖2所示,其中,圖2a為一柱狀BBM模型,2b為其剖面示意圖。

圖2 BBM模型及塊體之間的接觸

采用灰砂比1∶8的充填體材料進(jìn)行空區(qū)的充填,充填體及鋼筋的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,其中1∶8充填體接觸面的內(nèi)摩擦角為36.94,黏聚力為0.171,法向剛度和切向剛度均為0.3 GPa/m。

表1 充填體及鋼筋網(wǎng)力學(xué)參數(shù)

為了分析動(dòng)荷載作用下充填體預(yù)留巷道的穩(wěn)定性,分別在距離預(yù)留巷道中心軸線10 m、15 m、20 m以及25 m分別建立半徑為10 cm、長(zhǎng)度為1 m的炮孔模型。由于3DEC軟件中需要對(duì)炮孔附近塊體進(jìn)行離散化處理,全模型采用BBM將極大地增加計(jì)算量,嚴(yán)重降低計(jì)算效率。因此,為了突出充填體損傷特征,僅在充填體預(yù)留巷道的重點(diǎn)研究區(qū)域,采用BBM模型進(jìn)行充填體離散化處理,以獲得充填體受動(dòng)載作用下的裂隙擴(kuò)展規(guī)律。在模型的BBM區(qū)域,塊體遵守線性關(guān)系,接觸面采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則,模型其余部分采用連續(xù)體,其本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

本文從巷道周圍應(yīng)力場(chǎng)分布特征以及破壞特征(塑性區(qū))兩方面對(duì)充填體巷道的動(dòng)荷載穩(wěn)定性做出全方位的定性定量分析評(píng)價(jià)。根據(jù)爆破動(dòng)載理論,圖3所示為簡(jiǎn)易爆破動(dòng)載時(shí)程曲線,分別由上升階段以及下降階段組成,一般情況下,爆破動(dòng)載的上升時(shí)間明顯小于下降時(shí)間。根據(jù)工程實(shí)際,一般炸藥爆破巖石產(chǎn)生的峰值應(yīng)力取1.0 GPa,上升時(shí)間與總時(shí)間的比值為1∶5,爆破作用時(shí)間為600 us。

圖3 數(shù)值仿真采用的爆破波理論曲線

本文僅考慮爆破距離為10 m的爆破動(dòng)載荷對(duì)支護(hù)條件下預(yù)留巷道的穩(wěn)定性影響,重點(diǎn)分析巷道周圍的應(yīng)力場(chǎng)分布特征以及巷道周圍的破壞特征等。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 爆破作用下巷道周圍應(yīng)力場(chǎng)分布特征

圖4所示為預(yù)留巷道周圍最大主應(yīng)力的分布云圖,分析范圍為0～1 MPa(-號(hào)表示壓應(yīng)力)。從圖中可以看出,炮孔周圍由于爆破作用,為主要的沖擊受壓區(qū),在未受到動(dòng)載作用之前,充填體預(yù)留巷道周圍最大主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力,在應(yīng)力波作用于巷道周圍時(shí),巷道上方植入的鋼筋網(wǎng)以及懸吊鋼絲繩等支護(hù)材料,能有效減小巷道頂板上方的受壓范圍,使鋼筋網(wǎng)為主要受壓承重體,在應(yīng)力波影響后,巷道右側(cè)上方及右側(cè)底部位置的壓應(yīng)力區(qū)有所增加,但局限在1 MPa之內(nèi),表明爆破作用對(duì)充填體預(yù)留巷道產(chǎn)生的影響較小。

圖4 距離10 m巷道周圍最大主應(yīng)力隨時(shí)間變化

圖5所示為預(yù)留巷道周圍最小主應(yīng)力的分布云圖,分析范圍為0～1 MPa(-號(hào)表示壓應(yīng)力,白色部位表示最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力)。在未受到爆破作用前,BBM巷道模型中,除頂板鋼筋網(wǎng)支護(hù)上端部位最小主應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力,其余部位均變現(xiàn)為拉應(yīng)力,隨著爆破應(yīng)力波的推進(jìn),爆破時(shí)間為30 ms時(shí),應(yīng)力波正好作用于巷道中心,上下頂板部位受到P波影響而表現(xiàn)為壓應(yīng)力,但也出現(xiàn)了靠近巷道表面的充填體表現(xiàn)為拉應(yīng)力的現(xiàn)象,當(dāng)應(yīng)力波作用過(guò)后,時(shí)間為60 ms時(shí),巷道頂板上方的壓應(yīng)力區(qū)相較爆破前有所減小,而巷道右側(cè)下方壓應(yīng)力區(qū)有所增加。

圖5 距離10 m巷道周圍最小主應(yīng)力隨時(shí)間變化

以上說(shuō)明,爆破作用在一定程度上改變了巷道周圍的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)的范圍,對(duì)于巷道頂部而言,拉應(yīng)力區(qū)有所增大,這對(duì)充填體的穩(wěn)定性是不利的,另外,鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的支護(hù)方式對(duì)于減弱巷道周邊由壓應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力區(qū)的范圍起到了一定的作用。

4.2 爆破作用下巷道周圍變形特征

1) 未支護(hù)(不加網(wǎng))條件下巷道穩(wěn)定性分析

圖6、圖7所示是在未支護(hù)條件下,爆破距離為10 m,爆破時(shí)間為30 ms、40 ms和50 ms時(shí)巷道周圍裂隙的法向位移和切向位移。從圖6和圖7中可以看出,在爆破應(yīng)力波傳播過(guò)程中,巷道右側(cè)幫首先出現(xiàn)較為明顯的拉伸狀態(tài),而頂板右側(cè)下部易出現(xiàn)較為明顯的壓縮狀態(tài),這種狀態(tài)一直持續(xù)到爆破應(yīng)力波傳播之后,可以判定的是,巷道右側(cè)幫容易出現(xiàn)拉伸破壞。底板部位由于應(yīng)力波的作用,裂隙的剪切位移量也相對(duì)來(lái)說(shuō)有所增大。

圖6 未支護(hù)條件下不同爆破時(shí)間巷道周圍裂隙法向位移圖

圖7 未支護(hù)條件下不同爆破時(shí)間巷道周圍裂隙切向位移圖

2) 支護(hù)條件下巷道穩(wěn)定性分析

爆破距離為10 m時(shí),預(yù)留巷道周圍的充填體的裂隙張拉錯(cuò)動(dòng)位移如圖8、圖9所示。從圖8和圖9中可以看出,在鋼筋網(wǎng)及鋼絲繩支護(hù)的上端,裂隙的剪切位移量增加較少,而在鋼筋網(wǎng)及鋼絲繩支護(hù)下端的巷道右上側(cè)部位,裂隙的剪切位移量則明顯增多。

圖8 支護(hù)條件下不同爆破時(shí)間巷道周圍裂隙法向位移圖

圖9 支護(hù)條件下不同爆破時(shí)間巷道周圍裂隙切向位移圖

對(duì)圖6和圖8支護(hù)前后預(yù)留巷道周圍裂隙法向位移量進(jìn)行對(duì)比分析。暫且將圖6以及圖8中30 ms 時(shí)方框作為鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩柔性支護(hù)的影響范圍區(qū)。從圖中可以看出,在應(yīng)力波的傳播過(guò)程中,支護(hù)影響范圍區(qū)的裂隙法向位移量要明顯小于未支護(hù)條件下的裂隙法向位移量,且在未支護(hù)條件下,紅色方框內(nèi)的裂隙一般呈現(xiàn)出壓縮變形,對(duì)應(yīng)于負(fù)的裂隙法向位移量。但是,隨著時(shí)間的推進(jìn),應(yīng)力波的作用減弱,除了支護(hù)影響區(qū)域以外,巷道周圍其余部位的裂隙法向位移量未出現(xiàn)較為明顯的差異。

對(duì)圖7和圖9支護(hù)前后預(yù)留巷道周圍裂隙切向位移量的進(jìn)行對(duì)比分析。巷道周圍裂隙切向位移量的空間分布特點(diǎn)與法向位移量的空間分布特點(diǎn)較為一致。在應(yīng)力波傳播的30 ms左右,巷道右側(cè)上墻周邊裂隙切向位移量的分布尤為明顯,在未支護(hù)條件下,巷道直接受到應(yīng)力波的強(qiáng)烈沖擊影響。

這說(shuō)明了采用鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的支護(hù)方式,對(duì)于削弱充填體預(yù)留巷道在爆破擾動(dòng)下的剪切破壞,具有較強(qiáng)的效果。

5 結(jié)論

采用3DEC軟件對(duì)爆破動(dòng)載荷作用下充填體內(nèi)預(yù)留巷道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究結(jié)果表明:

(1) 爆破作用在一定程度上改變了巷道周圍的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)的范圍,對(duì)于巷道頂部而言,拉應(yīng)力區(qū)有所增大,這對(duì)充填體的穩(wěn)定性是不利的。

(2) 鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的支護(hù)方式對(duì)于減弱巷道周邊由壓應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力區(qū)的范圍起到了一定的作用。對(duì)于削弱充填體預(yù)留巷道在爆破擾動(dòng)下的剪切破壞,具有較強(qiáng)的效果。

因此,為了降低爆破動(dòng)載荷對(duì)充填體的影響,保持充填體穩(wěn)定性,保證礦山生產(chǎn)的安全性,可以采用鋼筋網(wǎng)+鋼絲繩的預(yù)留巷道開(kāi)采方式,合理有效地對(duì)巷道外爆破動(dòng)力擾動(dòng)進(jìn)行很大程度上的削弱,這對(duì)于巷道穩(wěn)定性的保持是非常有利的。