空区隐患爆破治理方案及延期时间的数值模拟分析

2019-08-13费鸿禄杨智广张超逸

中国安全生产科学技术 2019年7期

胡刚，费鸿禄，杨智广，张超逸

(1. 辽宁工程技术大学爆破技术研究院，辽宁阜新 123000； 2.中国兵器工业集团北方爆破科技有限公司，北京 100089)

0 引言

矿山长期的开采使得独立空区或多个紧邻空区的体积剧增，甚至形成了空区群[1]。这些空区使得井下开采条件恶劣，造成矿柱变形破坏，引起地表塌陷等危机[2]。为了消除空区对资源开采的威胁，保证人员设备的安全，需对空区隐患进行治理[3]。

针对空区的处理问题，国内外学者进行了大量研究[4-8]。闫长斌等[9]针对厂坝铅锌矿受到乱采乱挖破坏的情况，运用FLAC3D软件对爆破振动作用下采空区的稳定性进行了数值分析；邓喀中等[10]认为采动破裂岩体空隙是老采空区残余沉降的主要诱因，根据破裂岩体应力应变关系及采空破裂岩体高度计算方法，建立了老采空区残余下沉系数计算方法；李向阳等[11]采用数值模拟与相似模拟的方法研究了采空区处理时地表的移动规律；吴贤振等[12]运用LS-DYNA程序研究了临近采空区多段毫秒爆破的微差时间对采空区顶板稳定性的影响；刘晓明等[13]在华锡集团铜坑矿隐患空区现场实测的基础上，根据RFPA软件分析了空区在动力扰动作用下破坏过程的裂纹扩展规律；张耀平等[14]根据现场原岩应力测试和室内力学试验参数对采空区稳定性进行了模拟计算和预测分析。以上研究主要为采空区的稳定问题，针对空区隐患爆破治理方案和延期时间的研究却鲜有报道。

本文采用LS-DYNA数值模拟软件，在岩石物理力学指标测试的基础上，根据地表质点振速和空区治理效果，研究了爆破治理方案及延期时间的优选问题。

1 工程概况

白音诺尔矿业有限公司位于内蒙古自治区赤峰市巴林左旗北部，矿山区域面积15.14 km2；该矿床以铅、锌、银、镉为主，伴生有锡、铜、钨、金等多种金属。矿区划分为南、北2个矿带，彼此相距400 m；1#矿体位于南矿带东部，矿体走向北东、倾向南东、倾角60°～80°；矿区平面图如图1所示。

图1 矿区平面示意Fig.1 Planar graph of mining area

1#矿体1 020 m标高以上为露天开采，因历史原因，采空区分布为950～990 m标高之间，采空区顶板暴露面积约3 468 m2。900～950 m标高之间有2个采场，分别为17#采场和18#采场。现在露天坑底隔离矿柱发生坍塌，为了确保地面建(构)筑物的安全运营及950 m水平以下开采工作的顺利进行，通过在采空区下盘1 005 m水平施工凿岩巷道，在凿岩巷道内实施深孔爆破，将隔离矿柱崩落在采空区内，从而治理空区隐患。

2 爆破方案

结合空区的分布情况，初步确定1 005 m水平巷道南侧隔离矿柱依次向北侧崩落和1 005 m水平巷道中间最薄处隔离矿柱依次向两侧崩落2种爆破方案；由于1 005 m水平巷道中间最薄处隔离矿柱依次向两侧崩落爆破方案需准确确定薄弱区域位置，且后续爆破质量取决于拉槽效果，而且爆破施工复杂，难度较大；所以采用1 005 m水平巷道南侧隔离矿柱依次向北侧起爆崩落(13～70排)的爆破方案，具体炮孔排数分布如图2所示。

图2 炮孔排数分布Fig.2 Row distribution of blasting holes

在确定空区隐患治理工程整体爆破方案之后，设置A方案为13排首先起爆，然后根据延期时间，14，15排直至70排顺序起爆；B方案为13和14排首先起爆，然后根据延期时间逐排起爆。

爆破施工采用岩石乳化炸药和数码电子雷管，进行扇形排列布孔[15]；炮孔直径为90 mm，最小抵抗线为2 m，孔底距为2.5 m。13～15排炮孔爆破参数见表1～3所示。

表1 13排炮孔爆破参数Table 1 Blasting parameters of holes in the 13th row

表2 14排炮孔爆破参数Table 2 Blasting parameters of holes in the 14th row

表3 15排炮孔爆破参数Table 3 Blasting parameters of holes in the 15th row

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

采用LS-DYNA数值模拟软件，根据上述爆破方案及参数，按照实际比例建立模型。由于A方案和B方案对15排之后的炮孔起爆无差别，所以仅进行13～15排的模型建立；为了简化数值计算，按照圣维南原理[16]，设置模型长度为47.2 m、宽度为20 m、高度为30 m，数值模型如图3所示。

图3 数值模型Fig.3 Numerical model

数值模型的顶面为地表，即1 020 m水平；底面为990 m水平，由此底面及四周设置无反射边界条件。网格划分采用自由划分方式，岩石的网格尺寸为2 m，炸药的网格尺寸为1 m。设置计算时间为0.6 s，共进行600步，在计算过程中采用流固耦合算法，炸药采用ALE算法，岩石采用LAGRANGE算法，模型采用kg-m-s单位制。

3.2 材料参数设置

按照工程岩体试验方法标准[17]对矿区内的岩石进行取样；根据量积法进行密度测试；利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行抗压强度试验，进而确定弹性模量和泊松比；采用巴西劈裂法进行抗拉强度试验。

图4 试件物理力学指标测试Fig.4 Measurement on physical and mechanical indexes of samples

岩石材料采用ELASTIC模型，并通过关键字ADD-EROSION定义岩石的抗拉强度，使之强制失效；炸药材料采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，并定义JWL状态方程，具体材料参数见表4～5所示。

3.3 爆破方案选择

根据上述的数值模型和材料参数，初选延期时间为50 ms，进行A方案和B方案空区隐患爆破治理工程的数值模拟，结果如图5～6所示。

表4 岩石材料模型参数Table 4 Material parameters of rock in model

表5 炸药材料模型参数Table 5 Material parameters of explosive in model

图5 A方案模拟效果Fig.5 Simulation effect of scheme A

图6 B方案模拟效果Fig.6 Simulation effect of scheme B

由图5可知，0.001 s时13排炮孔起爆，模型未发生变化；在0.004 s时出现首次破坏，发生在模型的右侧壁位置处；随着爆炸应力波及爆生气体的传播，模型出现连续性破坏，但是破坏范围主要集中在扇形布孔的孔端位置处。0.051 s时14排炮孔起爆，在0.052 s时炮孔孔底处模型就发生了破坏，并且随着时间的推进，模型受到大面积的爆破破坏；15排炮孔在0.101 s起爆，此时模型的顶部及底部已经产生了贯通裂缝，并且在0.115 s时出现了岩石塌落区域；达到0.161 s时，岩石塌落区域持续扩大。

由图6可知，13和14排炮孔在0.001 s同时起爆之后，模型在0.003 s时就发生了破坏，首次出现破坏的位置为炮孔的孔底处，并且破坏范围较大；在0.011 s时炮孔的孔端位置也出现了大面积破坏；由于13和14排炮孔同时起爆，使用的炸药量明显增加，导致模型在0.021 s时就出现贯通裂缝；随着时间的推进，发现模型的破坏范围仍然集中在炮孔的孔端位置处；15排炮孔在0.051 s起爆之后，模型顶板的破坏范围显著增加，同时模型出现了塌落区域。

在考虑空区隐患爆破治理效果的基础上，分析爆破振动对地表的影响同样至关重要。由此，在地表处任意选取节点，本文选取4 967节点，坐标为(20，47.2，1 020)(见图3)；A方案和B方案4 967节点处振速图如图7所示。

图7 4 967节点振速Fig.7 Vibration velocity of 4 967 node

结合图7以及图5～6的分析结果可知：A方案的岩石塌落范围集中，塌落面积较大；B方案的岩石塌落范围分散，塌落比较均匀。虽然B方案初期爆破效果良好，增加了顶板的破坏范围，但是相比于A方案，4 967节点处的质点振速峰值由0.923 9 m/s增大至1.225 3 m/s，为了地表建(构)筑物的稳定以及人员设备的安全，选择A方案进行空区隐患爆破治理。