爆破振动下充填体对采场矿柱的稳定性分析

何治荣， 廖名志， 杨俊超， 王铮朗

(1 武汉理工大学建筑与土木工程学院， 湖北 武汉 430070；2 武汉理工大学设计研究院， 湖北 武汉 430070；3 湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430070； 4 武汉地铁集团有限公司, 湖北 武汉 430070)

爆破振动下充填体对采场矿柱的稳定性分析

何治荣1， 廖名志2， 杨俊超3， 王铮朗4

(1 武汉理工大学建筑与土木工程学院， 湖北 武汉 430070；2 武汉理工大学设计研究院， 湖北 武汉 430070；3 湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430070； 4 武汉地铁集团有限公司, 湖北 武汉 430070)

采用充填的方法来保证充填体的稳定性，降低矿柱内部应力集中或内部损伤。分析了爆破振动的传播规律，分析充填体的作用机理，再运用LS-DYNA有限元软件模拟不同配比充填体在爆破振动下对矿柱稳定性的影响，根据塑性位移大小与应力变化来判断充填体的匹配程度。分析结果表明，适当提高水泥的含量，这种稳定性会随之加强，超过一定限度后，再增大水泥用量对改善充填体稳定性影响并不大。

充填体； 矿柱； 爆破； LS-DYNA； 稳定性

目前，采矿界学者越来越重视难动用预留保安矿柱等矿产资源的开采，并进行了大量的研究[1]。

预留保安矿柱主要采用爆炸的方法来凿岩开采，影响预留保安矿柱稳定性的因素主要是高地应力和爆炸扰动。保安矿柱作为采场结构的安全保证，其稳定性是保证安全开采的重点。国外内很多专家学者在保证保安矿柱在爆破凿岩开采下的稳定性方面进行了许多研究，20世纪90年代中期发展起来的充填采矿法[2-8]越来越多地得到应用。研究在爆炸振动下充填体对预留保安矿柱的稳定性影响，是保证安全高效开采下需要解决的重大问题。

为此，有必要研究爆破对保安矿柱的作用机理以及对比在充填体充填前后分析矿柱位移大小及应力变化来判断充填体对稳定性的影响。

1 保安矿柱爆破及充填体作用机理

在预留保安矿柱爆炸凿岩过程中矿柱及周围岩体不可避免地会受到一定损伤或破坏。为了研究爆炸过程对预留保安矿柱的安全性以及岩体的稳定性的影响，需要分析爆炸地震波的传播形式及其与岩体作用机理以及分析充填体与岩体作用机理。

1.1爆破地震波理论

爆炸地震波有R波、L波、P波、S波，其中R波、L波为面波，P波、S波为纵波。一幅相对完整的地震波的记录波形传播图见图1。

图 1 爆炸地震波传播波形图

实际上，爆炸地震波在介质中的传播是能量和强度不断衰减的一个过程[9], 爆炸地震波的影响因素主要有：炸药品种、用药量、爆炸方式与方法、炮孔大小、传播介质等。

1.2预留保安矿柱爆炸过程中的稳定性分析

在预留保安矿柱的爆炸凿岩过程中，最重要的工程问题是要保证预留保安矿柱的稳定性及安全性[10]。特别是对中深部矿柱，特别是高地应力的存在，岩层内部已承受了很大的上覆垂直应力，有的可能已处于极限状况或者内部已有一定的损伤破坏。在爆炸过程中，会造成矿柱应力集中并同时也会造成岩体破碎以及损伤，威胁矿柱的稳定，这种破坏机制主要包括应变效应和应力效应。

1.3充填体与矿柱作用机理

充填体的作用机理是指充填体与周围岩体或者矿柱的互相力学作用机理，主要是与采场顶板岩层、上盘及下盘岩层的作用。充填体与周围岩体或者矿柱的作用机理：表面支护、局部支护及总体支护理论；保持岩层的稳定性、填充节理裂隙以及提供地震波通道[11]；充填体对岩体的被动支撑作用；能有效控制岩层地压，预防压爆的发生。总之，充填体与岩体的主要作用为：接触支撑、应力吸收转移和应力隔离。

2 充填体对预留保安矿柱的影响分析

2.1矿山概况

程潮铁矿位于鄂东南区域，矿产物质资源丰富，以15条勘探线作为分界线分为东西两区，选择位于西区-230 m～-375 m的预留保安矿柱进行稳定性分析研究，铁矿储量约为1.476×106t。花岗岩和硬石膏岩是围岩的组成部分，其安全性及稳定性优良，而高铜磁铁矿为矿石的主要种类，稳定性好，选用上向点柱分层胶结充填法作为回采方法。

2.2保安矿柱爆炸开采对充填体的作用

充填体在收到爆炸动载作用时， 其破坏过程相当复杂[12]。 在爆炸动载作用下， 充填体不一定出现宏观破坏， 但是由于爆炸振动波的影响， 应力波在充填体裂隙或者微裂隙处传播， 当达到一定强度时， 在围岩中会产生一定的应力集中。 这种应力集中会进一步破坏围岩的力学性质并降低围岩的承载能力[13-14]， 主要的动力扰动机制有： 爆炸振动效应、爆炸损伤效应[15]、爆炸开采诱发的岩体塑性变形。

2.3计算模型

模型假设岩体为各向同性材料以及采用整合接触作为岩层间的接触形式。应用LS-DYNA建立模型，采场尺寸长200 m，宽150 m，高24 m，网格为0.5 m，整个模型共487 080个单元、513 525个节点(图2)。矿房进路宽度为7.5 m，个别非标准进路图中均有标注标出，矿柱宽度为 5 m，非标准矿柱以图示为准；所有点柱设计直径为5 m；间柱宽度为 5 m。模型上表面施加地应力为9.87 MPa，底部加垂直位移约束，四周分别施加垂直于模型表面的约束，无反射边界，水平地应力通过泊松比添加，爆炸荷载按等效加载方式进行添加。

图 2 计算模型分区及网格划分

2.4材料参数及计算工况

本次数值计算依据北京科技大学与武汉钢铁集团矿业有限责任公司程潮铁矿联合编制的《程潮铁矿西区工程和水文地质及围岩稳定性分析》报告和室内力学实验[16]，由此可得岩体及充填体的物理力学参数(表1)。

材料参数工况选取主要有以下几种：

方案一，采场未进行充填；方案二，以充填体1进行充填；方案二，以充填体2进行充填；方案二，以充填体3进行充填,采用随动硬化模型进行计算。

2.5预留矿柱爆炸开采及充填计算结果分析

把爆炸荷载以应力波荷载形式对模型加载，并且同时考虑地应力作用的影响，作为模型所受外荷载。图3为运用LS-DYNA分别建立的在充填前与充填后矿柱塑性总位移及主应力云图。从图3中可以看出，在爆破回采预留条柱的过程中，充填体对条柱稳定性控制有重要作用，充填体充填后围岩位移、应力都有很大改善。

充填体2相比于利用充填体1的工况，位移下降超过5%，塑性位移有所减小，而充填体2相比充填体2工况，塑性位移变化不是很明显，说明：充填体中水泥含量的适当提高，有利于改善矿岩稳定性；一定条件下，充填体材料参数对爆炸振动并不特别敏感。

图 3 模型计算充填前后位移、应力图

3 结论

本文以程潮铁矿西区-375 m预留保安矿柱爆炸振动下充填体对矿柱的影响分析为工程背景，运用LS-DYNA 有限元数值模拟计算等手段和方法，并结合爆炸损伤理论，探讨了爆炸振动下充填体对预留保安矿柱的稳定性和安全性的影响。通过模型计算分析，得出充填能有效改善预留条柱在爆破回采过程中的稳定性，适当提高水泥的含量，这种稳定性会随之加强，若水泥用量超过一定限度后，再增大水泥用量对改善充填体稳定性影响并不大。在实际工程应用中，应当控制好水泥用量，实现最优经济安全高效开采。

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[责任编校：张岩芳]

AnalysisofFillingBodyonPillarStabilityunderBlastingVibration

HE Zhirong1, LIAO Mingzhi2, YANG Junchao3, WANG Zhenglang4

(1WuhanUniv.ofTech.,Wuhan430070,China; 2TheCompanyofWuhanUniv.ofTech.,Wuhan430070,China; 3SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 4TheMetroCompanyofWuhan,Wuhan430070,China)

In the paper, the filling method is used to ensure the stability of the filling body and reduce the internal stress concentration or internal damage. This paper analyzes the propagation law of blasting vibration, analyzes the mechanism of the filling body, and then uses LS-DYNA finite element software to simulate the effect of different ratio filling on the stability of the pillar under blasting vibration. According to the change of plastic displacement size and stress, it determines the degree of matching of the filling body. The results show that the increase of the cement content will increase the stability of the filling body. After it exceeds a certain limit, the increase of cement content has little effect on improving the stability of the filling body.

filling body; pillar; blast vibration; LS-DYNA; damage

2016-12-28

湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA136)

何治荣(1990-)， 女，湖北潜江人，武汉理工大学硕士研究生，研究方向为深部采矿下充填体与岩体相互作用机理

1003-4684(2017)05-0023-03

TU4

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