卸压爆破下岩体损伤模拟研究

汪 禹 张西良 俞海云 崔正荣 杨海涛

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

在采矿工程、地下空间工程、交通工程、水利工程中，爆破法仍然是最主要的破岩方法。爆破过程中既要使开挖岩体能够高效破碎，又要减少爆破开挖对周边岩体造成损伤或破坏。由于浅部资源已开采多年，资源量相对匮乏、枯竭，矿产资源开发向深部发展已成必然趋势。原始地应力场的分布对岩体破碎过程有着重要的影响，使得岩体破碎过程变得更加复杂。何满潮等[1]基于“三高一扰动”的复杂环境指出，深部岩石力学行为及深部灾害特征与浅部岩石有着明显不同，基于浅部岩体建立传统的爆破理论、方法已经不再适合于深部岩体爆破开挖，需要建立新的深部矿岩破碎理论及方法。

岩爆是由于高地应力区域的岩体在进行爆破开挖时，围岩应力得到突然释放，岩体发生剥落、破裂并弹射出去，同时发出巨大声响，对矿山安全生产威胁极大。在深部矿床开采过程中，由于特殊开采条件，岩爆是最为频繁的地质灾害之一，是地下工程中危害性较大的地质灾害。岩爆严重影响地下采矿工程的效率，对井下施工人员、机械设备和构筑物的安全造成严重的威胁。根据巷道周边围岩应力分布状态可以看出，在岩爆发生最频繁的部位，应力分布梯度较大，围岩应力集中较为明显，巷道埋深大、围岩地质构造条件相对复杂，具备岩爆发生的应力条件。防止井下岩爆发生最有效的方法是改变岩爆产生的条件，破坏岩爆危险区域围岩结构，降低岩爆发生的可能性。目前针对岩爆主要采用的措施有向围岩高压注水、断顶爆破、断底爆破、卸压爆破等方法[2]，其中最有效的方法是卸压爆破法。

考虑到爆破载荷与地应力动态荷载作用复杂性，初始地应力状态、岩性、开采深度等因素对卸压爆破效果都产生不同的影响。为研究不同开采深度条件下岩体卸压爆破效果，采用ANSYS/LS-DYNA数值软件模拟深部岩体卸压爆破过程，重点研究开采深度对岩体卸压爆破损伤范围的影响，对深部矿床安全、高效开采具有积极的指导意义。

1 地应力与卸压爆破研究现状

初始地应力的形成是一个相当复杂的动态过程，地应力是由多种应力联合作用而逐渐形成。在不同的深度条件下，初始地应力包括多种类别的应力，如构造应力、温度应力和自重应力等。大多数学者认为，岩体的重力与地壳运动产生的应力对初始地应力场的分布起到主导作用。在绝大部分地区，地应力是以水平应力为主的三向不等压应力场。三向地应力的大小和方向随着空间和时间发生变化。煤矿中顶板大面积来压与冒顶、瓦斯突出、冲击地压等均与地应力分布有密切关系。了解深部开采区地应力分布，据此进行合理地矿产资源开采，能显著地提高矿产资源回收率，避免地质灾害的发生，提高矿井的经济效益[2]。

起初，国内外学者对地应力的研究很难用数学形式来确定其分布情况，尤其考虑到时间、空间等因素后地应力场分布存在复杂性、多变性。基于地下采矿、硐室开挖等工程需要，学者进行了大量的地应力测量工作，获得了地应力实测资料，利用统计分析法得到深部地应力场的分布规律及特性。E. Hoek和E.T.Brown等[3]统计了世界各地地应力测量结果并进行了分析，总结了垂直应力、水平平均应力与垂直应力之比随开采深度变化规律。Oliver Heidbach等[4]基于北美洲地应力测量结果，系统地总结了最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力分布规律。国外学者研究地应力分布规律见表1[3-4]。

表1 国外学者研究地应力分布规律

注：σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；σv为垂直应力，MPa；H为开采深度，m。

国内学者李新平等[5]收集全国各地628组地应力测量结果，系统地总结了我国深部垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力的分布情况，利用数学统计法得到地应力、侧压系数随开采深度分布的规律。景锋等[6]通过收集我国大陆地区大量的实测地应力资料，建立了岩浆岩、沉积岩和变质岩地应力随埋深分布的散点图，根据岩浆岩、沉积岩和变质岩地应力分布进行了数学回归分析，提出三大类岩石的地应力分布规律。国内学者研究地应力分布规律见表2。

为实现安全、高效地回采深部矿产资源，降低岩爆等地质灾害发生，国内外学者提出卸压爆破法，并针对卸压爆破的方法、工艺做了大量的研究工作，完善了卸压爆破的理论体系。欧阳振华[2]针对井下复杂的地质构造条件及开采技术条件，提出多级爆破卸压技术，以防止井下冲击地压产生。根据数值模拟研究及现场试验结果，得出多级爆破卸压技术能够使应力集中区域的能量得到有效释放，煤层中的应力向深部转移，远离采掘工作面，有效地降低冲击地压的产生频次。李俊平等[7]针对深部资源开采中高应力集中区易诱导巷道、采场围岩发生大变形及失稳而诱发冲击地压等工程灾害，提出了卸压开采法，目的是使部分高地应力得到转移或释放，对卸压施工工艺进行了简单分类，概述了卸压开采的研究方法。陆菜平等[8]利用卸压爆破法使深部岩体中多余的弹性应变能得到有效释放，煤岩的能量体系达到动态平衡(卸压爆破的效果)，从而减少岩爆发生的频率，并利用电磁辐射法检验卸压爆破效果。刘元春[9]借助FLAC3D数值软件模拟了卸压爆破下岩体应力分布规律，得出卸压爆破后各个方向工作面的应力均得到大幅度的降低，深部高应力下的岩石与矿体得到有效分离，应力集中区逐渐向深部岩体转移，为深部矿体安全回采提供了保障。

表2 国内学者研究地应力分布规律

注：σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；σv为垂直应力，MPa；H为开采深度，m；k为侧压系数。

卸压爆破法使围岩应力能够重新分布，围岩中积聚的弹性变形能得以释放，降低应力集中程度，整个能量体系达到动态平衡，围岩处于较低的应力状态，应力集中区向深部转移，对控制围岩变形具有较好的效果[10]。

2 数值模拟

2.1 计算模型

考虑到卸压爆破炮孔相对于井下工作面的围岩较小，为了方便模型网格划分，使模拟结果更加接近于现场实际布置情况，设计模型尺寸为2 m×2 m×3 m，卸压炮孔位于模型几何中心，孔径为10 cm，炮孔长度为2.5 m，采用孔底起爆方式。通过对模型施加应力来模拟初始应力场，在模型X方向施加地应力σH，Y方向施加地应力σh，Z方向施加地应力σv。考虑到模型是地下岩体中的一部分，为了消除人为边界处应力反射波对岩体结构影响，在模型周边分别设置无反射边界条件，以达到模拟地下无限岩体的效果。几何模型见图1。

图1 模型建立

建立的数值模型由炸药、岩体和炮泥三部分组成，采用Lagrange-ALE算法，将炸药单元与岩体、炮泥结构单元之间通过共用节点方式建立联系[11]。采用三维实体方式建模，岩体、炮泥采用弹塑性本构模型，炸药采用HIGH_EXPLPSIVE_BURN模型，并采用JWL状态方程予以描述：

(1)

式中,P为爆轰压力，GPa；V为相对体积；E为单位体积内能,GPa；ω、A、B、R1、R2为炸药材料参数，模拟炸药参数与现场采用2#岩石炸药一致，具体参数见表3。

表3 炸药材料参数

为了确保模拟过程与现场实际相符合，炮孔中填塞炮泥，炮泥具体参数见表4。

表4 炮泥材料参数

矿体围岩主要为石英砂岩，岩石呈块状结构，稳定性相对较好，节理裂隙发育，岩石较坚硬。为了使模拟结果与现场实际情况相吻合，设定巷道围岩为石英砂岩，参考岩石力学参数测试数据，具体材料参数见表5。

表5 岩体材料参数

为研究不同开采深度条件对卸压爆破损伤区扩展及爆破效果的影响，设定3种工况条件，即开采深度H=1 000，2 000，3 000 m。考虑到地应力测量相对比较复杂，参考Oliver Heidbach等[4]研究结果，3种工况条件下地应力分布见表6。

表6 3种工况地应力分布

2.2 数值模拟结果及分析

开采深度为1 000,2 000,3 000 m下岩体卸压爆破模拟结果见图2。可以看出，在开采深度相同条件下Y-Z方向较X-Z方向损伤区范围大，其中Y-Z方向损伤区分布形状近似圆形，X-Z方向损伤区分布形状近似三角形；X方向地应力σ1较Y方向地应力σ2大，X-Z方向较Y-Z方向损伤区范围小，说明地应力对卸压爆破起到抑制作用。图2(a)显示，开采深度H=1 000 m时，装药区岩体损伤类型为拉伸破坏、剪切破坏，拉伸区体积占总体积45%，剪切区体积占总体积55%；炮泥填塞区围岩损伤类型为剪切破坏，剪切区占填塞区体积15%。图2(c)显示，开采深度H=2 000 m时，装药区岩体损伤类型为拉伸破坏、剪切破坏，拉伸区体积占总体积30%，剪切区体积占总体积70%；炮泥填塞区围岩损伤类型为剪切破坏，剪切区占填塞区体积45%。图4显示，开采深度H=3 000 m时，装药区岩体损伤类型为拉伸破坏、剪切破坏，拉伸区体积占总体积10%，剪切区体积占总体积90%；炮泥填塞区围岩损伤类型为剪切破坏，剪切区占填塞区体积85%。随着开采深度逐渐增加，炸药近区更易于产生剪切破坏，稍远区域更易产生拉伸破坏，卸压爆破岩体损伤主要类型由拉伸破坏逐渐转向为剪切破坏，初始地应力的存在对卸压爆破损伤区的产生、发展具有抑制和促进作用，地应力对拉伸破坏起进一步抑制作用，对剪切破坏起促进作用。随着开采深度增加，3个方向的地应力也随之增加，导致填塞处炮孔受到三向不等压作用力而发生剪切破坏，填塞处炮孔围岩剪切破坏范围随之增大。

图2 岩体卸压爆破损伤分布

开采深度H=1 000 m时，卸压爆破损伤区体积为1.85 m3；开采深度H=2 000 m时，卸压爆破损伤区体积为0.9 m3；开采深度H=3 000 m时，卸压爆破损伤区体积为0.46 m3。根据模拟结果，绘制损伤区体积随开采深度变化的规律曲线(图3)，损伤区体积变化过程相对比较复杂。随着开采深度逐渐增加，3个方向地应力也随之增加，地应力对卸压爆破抑制作用加剧，分布损伤区体积逐渐减小，呈非单调变化。

图3 损伤区体积随开采深度变化曲线

3 结 论

(1)随着开采深度逐渐增加，地应力使卸压爆破损伤区分布更加集中，该区域岩

体得到充分破碎，损伤区外岩体能够保持较好的完整性；卸压爆破损伤区范围逐渐减少，地应力对卸压爆破损伤抑制作用进一步加强。同时，建立了卸压爆破下岩体损伤区体积与开采深度之间的关系，为深部矿岩卸压爆破提供参考。

(2)开采深度较低时，岩体损伤区破坏的主要类型为拉伸破坏、剪切破坏；开采深度较高时，岩体损伤区破坏的主要类型为剪切破坏。卸压爆破岩体损伤主要类型由拉伸破坏逐渐转向为剪切破坏，初始地应力对卸压爆破损伤区产生、发展具有抑制和促进作用，地应力对拉伸破坏起进一步抑制作用，对剪切破坏起促进作用。

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