采空区爆破振动响应特征分析

2021-03-02周建忠

采矿技术 2021年1期

周建忠

(阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西晋中市 045400)

0 引言

井工煤矿盗采乱挖情况较为普遍，形成了大跨度、纵横交错、厚度不均的采空区[1]。结合相关调查，大跨度的采空区塌落，诱导了地面下沉、建筑物地基不稳，影响了井下工人的安全，已被视为矿山首要解决的问题[1-3]。随着安全意识的提高，采空区的安全性预测、评价及处理的研究工作越来越重要。采用先进的数字化可视技术监测了复杂环境采空区的分布结构以及空区周围岩石条件，采用数值模拟方法建立了与监测采空区状态较为类似的三维简化计算模型，计算了采空区安全性评价指标数值参数[3-7]。明确不同动荷载下复杂采空区的安全性情况，对空区防护与治理方案的制定具有一定的意义[8-10]。

1 采空区赋存状况

开元煤矿3908工作面位于闫庄村北东部约264 m，中庄村北部约351 m，北燕竹村北西部约253 m的范围内。地面标高为1109 m～1172 m。经探测，空区规模大小不一，分布结构较为复杂，并没有制定支护方案。矿山生产过程中，发现一处采空区部分顶板坍塌致使地面下沉，经初步探测，该采空区顶板高度约8 m，跨度约25 m，并且采空区下方已探明存在另一采空区，获得了其规模、位置、跨度以及分布结构等信息，采空区的存在对矿山正常生产带来了严重影响。爆破施工时增大了下层采空区失稳垮落的概率，可能诱导上下层采空区贯通，进而威胁到地面人员的安全。

2 构建采空区计算模型

设计两组仅起爆点位置不同的模拟试验，上层采空区高度为8 m，跨度为25 m，下层采空区高度为6 m，两个采空区相差12 m，炮孔位于采空区中部正上侧。考虑到不同起爆方式的下层采空区顶板的动态响应变化，以下层采空区顶板上下侧选取10处节点1～5及单元A～E作为主要分析对象，所建立模型及其位置分布如图1所示。

图1 不同起爆方式的采空区几何模型

3 模拟结果分析

3.1 下层采空区顶板节点峰值振速分析

图2～图3反映了不同起爆方式爆炸应力波传播情况，根据计算数据列出节点峰值振速如表1所示，根据表1绘制节点峰值振速与起爆点位置的关系曲线，如图4所示。

图2 模型A爆破过程应力云图

图3 模型B爆破过程应力云图

表1 节点峰值振速/(cm·s-1)

根据爆破振动安全规程，质点峰值振动速度变化是受到动荷载的作用，故顶板的质点峰值振动速度可视为评价空区安全性的量化指标。当爆破施工时，监测顶板特征部位的峰值振动速度，参照安全规程以此评价空区的安全性。由表1可知：当中部起爆时，下层采空区顶板各节点峰值振速变化范围处于5.01 cm/s～7.29 cm/s，近似于反向起爆各点峰值振速0.31～0.92倍，其中下层采空区顶板下侧中部水平及竖直振速分别由11.80 cm/s、15.96 cm/s减小到7.29 cm/s、5.21 cm/s。从图4可以看出，中部起爆与反向起爆对下层采空区顶板两端节点振动速度影响不大，中部起爆方式下，下层采空区顶板两端节点振动速度较反向起爆方式有降低趋势，其主要破坏位置仍然位于下层采空区顶板中部。

图4 节点峰值振速与起爆点位置关系曲线

3.2 下层采空区顶板单元有效应力分析

由计算结果列出下层采空区顶板 10处单元最大有效应力，如表2所示，其单元最大有效应力与起爆点位置关系曲线如图5所示。

图5 单元最大有效应力与起爆点位置关系曲线

根据表2数据可知：中部起爆时，下层采空区顶板10处单元均有所减小。通过图5可以更直观地看出，选择中部起爆方式时，下层采空区顶板中部单元有效应力明显减小，上下侧单元有效应力差值较小。两种起爆方式对下层采空区顶板两端造成的应力变化并不大，两种起爆方式的爆破动荷载作用对下层采空区顶板两端影响较小，对下层采空区顶板中部影响较为明显。采用中部起爆方式时，下层采空区顶板中部最大有效应力明显减小。