首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 安全科学论文 > 中深孔爆破对采场人工假顶的影响研究

中深孔爆破对采场人工假顶的影响研究

2024-05-20 58 上传者：管理员

摘要：为探究爆破对采场人工假顶稳定性的影响，采用LS-DYNA动态分析软件，对中深孔爆破对4.75 m厚的人工假顶的扰动破坏进行了数值计算。结果表明，在应力波自孔底向孔口方向传播的过程中，爆破应力逐渐减小，且在人工假顶中的分布均匀，衰减较快。顶部留设0.5 m厚的保护层后，人工假顶绝大部分单元的最大有效应力值小于充填体的塑性破坏强度，表明爆破作用对人工假顶的破坏较小。在某铅锌矿进行了现场爆破试验，并在人工假顶关键位置布设位移监测点，结果表明，中深孔爆破后，人工假顶和采场边帮无垮塌和冒落现象，顶板沉降位移较小，爆破效果良好。

关键词：
中深孔爆破
人工假顶
支护效果
数值模拟
爆破损伤
加入收藏

对于多数破碎高价值的难采矿体而言，为克服作业空间稳固性差、暴露时间短、支护效果不佳、作业安全风险高等难题，常采用构筑人工假顶来重构井下采矿作业环境[1],作业人员在人工构建的高强度假顶下施工，作业环境的安全性得到显著提高。但随着采矿生产作业的持续进行，爆炸应力波频繁地扰动人工假顶，爆破作用对人工假顶的累计损伤也逐渐增加，人工假顶的稳固性、可靠性随爆破作业循环的增加而逐渐降低。目前，减少人工假顶受爆破作用损伤的方式多为控制单次爆破作业的单段最大药量及总药量，延长孔间、排间的起爆延期时间，选择爆力较小的炸药等方式。虽然这些方式具有操作简单，实施方便的优点，但是，在很大程度上要依据技术管理人员的经验来判断，实际应用中缺乏数据支撑，且难以分析爆破作业过程中人工假顶的损伤状况，故多应用在浅孔爆破中，对大药量深孔爆破的损伤分析及应用指导具有局限性。

有学者就爆破对采场顶板、人工构筑物稳定性的影响进行了研究。程昌明等[2]利用FLAC3D模拟分析采场爆破全过程，得出顶板临空位置破坏形式主要为拉伸破坏及拉剪复合破坏的结论，为顶板保护提供了理论依据。徐剑坤等[3]利用剪切梁理论探究爆破扰动对巷道顶板的影响，得出在多次爆破扰动后，巷道顶板会因扰动的累积效应而造成永久损伤，严重影响顶板稳定性这一重要结论。赵善坤等[4]利用数值模拟方法研究薄基软岩在爆破施工中的稳定性状态，分析重点区域的沉降位移，拟合最大峰值振动速度与上覆软岩位移的关系式，为现场开挖施工提供了安全保证。

由于爆炸应力波的扰动是一瞬时、复杂的过程，采用力学模型简化分析或布设振动监测点监测等方式难以全面地描述爆破过程中应力波损伤人工假顶的情况。为克服传统研究方法的不足，采用LS-DYNA动态分析软件模拟上向多孔爆破的全过程，分析爆破应力波对人工假顶的扰动破坏，探究人工假顶受爆破影响后的稳定性状态，并选择合理可行的保护人工假顶的方法[5,6,7,8]。

1、数值模拟

1.1 模型原型开采条件

某铅锌矿矿体倾向东，平均倾角小于45°。矿体形态复杂，多呈长条脉状、透镜状、似层状，分枝复合现象明显。矿体埋藏标高为-250～+10 m。下部矿体受主要断层影响，矿体结构发育，矿石破碎，岩体完整性差。此外，上部矿体多含泥，岩石强度低，遇水极易软化而发生冒落垮塌，生产作业的安全风险较高。主要矿体特征见表1。

表1 矿体特征

因矿岩力学性质差，矿石较为破碎，选用环境再造的方式开采该区域矿体。在顶部构筑人工假顶，人工假顶厚度为4.75 m, 在假顶内设置厚度为1.5 m的三层竹筋 - 钢筋骨架，充填料采用灰砂比为1∶4、质量浓度为75%的棒磨砂、尾砂混合料浆。为避免原岩顶板的垮塌，由上至下回采矿石。考虑采场回采过程的安全性及生产能力等因素，采用“快采快充”的方式，布置上向中深孔爆破回采矿石，孔径为42 mm, 孔底距为1.6 m, 抵抗线为1.3 m, 采场炮孔布置形式如图1所示。凿岩巷道断面尺寸为3.5 m×3 m, 共布置8个炮孔，采用分段微差爆破，竖向直孔先起爆，边帮水平孔后起爆，最后起爆一侧斜孔。

图1 采场炮孔布置

1.2 模型建立及分析判据

由上述爆破方式可知，爆破后人工假顶及矿石的应力波主要来源于首先起爆的2个竖向直孔爆破。考虑到建立三维的整个炮孔布置较为复杂，模型计算量较大，建立模型时只考虑这2个竖向直孔。图2为计算模型简图，模型的尺寸为4 m×2.3 m×9.75 m, 其中矿体厚度为5 m, 顶部预留了0.5 m的保护层矿体，人工假顶的厚度为4.75 m, 炮孔直径为0.042 m, 装药长度均为3.5 m, 孔口留1 m的抵抗线。

图2 计算模型简图

数值模拟模型采用1/2模型，其中主要部分为三维实体单元SOLID164。采用共节点ALE算法，其中，人工假顶与矿石采用Lagrange网格，炸药与填塞岩体采用ALE网格。为确保计算结果的准确性，采用质量较好的扫掠方式划分模型网格，将模型的正面、底面设置为自由面，其余边界为无反射边界，不反射爆破应力波。矿石采用塑性随动材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC),并假设炮泥堵塞质量良好，与矿石采用相同材料参数。人工假顶采用弹塑性材料模型(MAT_ELASTIC),炸药为高能材料(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)。具体的数值模拟模型如图3所示。

图3 划分网格后有限元模型

为较真实地模拟炸药爆炸后应力波对矿石及人工假顶的影响，采用Von Mises有效应力准则进行判别分析，其主要原理为：压应力波到达自由面后，反射成为拉应力波，当拉应力波的有效强度大于岩石的动态抗拉强度时，岩石即发生拉伸破坏，并产生裂隙，从而导致岩石剥落。在模型关键位置建立监测点，监测爆破过程中有效应力的变化，若绝大部分监测单元的有效应力均大于其动态抗拉强度，则表明该处岩石发生破坏，并以此为依据，判断爆破作用下，人工假顶的损伤及破坏情况。参考类似矿山岩体力学参数，此类矿岩的动态抗拉强度为34 MPa[9,10,11]。

2、模拟结果分析

2.1 不同时刻有效应力分析

2.1.1 矿岩中有效应力分布

不同时刻矿岩中有效应力分布如图4所示。由图4可知，药包起爆后，应力波从孔底传向孔口(见图4(a)),且药包中心处的应力最强，然后矿岩中高应力区域逐渐向孔口转移。当应力波到达自由面后，部分或全部反射到岩体，与应力入射波相叠加[12,13],并慢慢减小(见图4(e))。

图4 不同时刻矿岩中有效应力分布

2.1.2 人工假顶中有效应力分布

不同时刻人工假顶中有效应力分布如图5所示。人工假顶中的应力波强度远小于矿岩中的应力波强度。人工假顶中的应力波主要来源于条形药包爆炸后端部半球形波阵面的传播。人工假顶中的应力波首先集中在2个炮孔孔底在顶板充填体投影的位置，随后向四周扩散传播。在6.199 ms时，应力波快速布满整个人工假顶，同时应力云图显示，人工假顶中的应力分布较为均匀，高应力区域较少。随着时间推移，应力波逐渐衰减[14],20 ms时，应力基本衰减完毕，绝大多数区域的应力为0。

2.2 关键位置有效应力分析

2.2.1 矿岩中有效应力分析

判断矿岩的爆破效果，只需监测矿岩中应力最弱区域的单元应力大小即可，从图4中可以看出，矿岩中应力最低的区域为顶部自由面处的单元，在该处建立监测点，比较Von Mises有效应力与岩石的动态抗拉强度的大小[14,15],判断矿岩的破坏情况，评价相应的爆破效果及人工假顶破坏情况。

图5 不同时刻人工假顶中有效应力分布

图6为顶部自由面区域监测单元的布置及其有效应力曲线。由图6可以看出，5个监测单元中，保护层矿体附近的3个单元的有效应力均大于35 MPa, 达到了屈服条件，而离人工假顶较近区域的两个单元没有屈服。这表明条形药包的爆破不仅能够有效爆破采场矿石，同时留设的0.5 m保护层矿体也对人工假顶也起到了一定的保护作用，避免人工假顶遇到破坏而失稳[16]。

图6 矿岩中监测单元有效应力曲线

2.2.2 人工假顶中有效应力分析

图7为人工假顶关键区域监测点的布置及有效应力曲线。6个监测点位于人工假顶模型自由面的对面，距离下部保护矿体层顶板0.2 m, 为无反射边界面。从图7中可以看出，6个监测单元的最大有效应力值较为接近，即在人工假顶中有效应力分布较为均匀，无应力集中现象。其中，有一个单元应力较大，大于充填体塑性破坏强度，产生了屈服；其余单元的最大有效应力值均小于充填体的塑性破坏强度，说明在0.5 m厚的预留层保护下，条形药包爆破对顶板充填体的扰动破坏较小，人工假顶受爆破影响小。对于矿岩破碎的采场而言，人工假顶不仅能承受顶板上部破碎矿体或低强度充填层，还能在频繁的爆破下，保持稳定，具有较高的可靠性，对生产安全和高效回采都具有十分重要的意义[17]。

图7 人工假顶中监测单元及单元有效应力曲线

3、工程实例

以该矿山-200 m东采场为工程试验对象，该采场矿体上下盘为软弱岩层，受主断层影响严重，岩石极不稳固，遇水易泥化。矿体上盘围岩为炭质板岩，地下水侵蚀弱化情况严重，局部区域可能存在溶洞。为保证安全高效回采，在采场顶部构筑人工假顶，于假顶下采用中深孔爆破回采矿石。

爆破区域分为拉槽区与主爆区。拉槽区爆破完毕后，形成充足的补充空间，进行主爆区的爆破，主爆区一排布置5个炮孔，孔间距1.4 m, 排间距1.6 m, 炮孔均向拉槽区方向倾斜80°～85°。采用混装乳化炸药爆破，起爆方式为反向起爆，炮孔底部及中间分别放置2个起爆具，最大填塞长度为1.2 m, 采用数码电子雷管微差起爆网络起爆。

本次试验采场的回采爆破使用炸药2800 kg, 总崩矿量为7100 t。在人工假顶关键位置布置了8个沉降位移监测点，监测的沉降位移量为1.9～6.7 mm。综合人工假顶顶板沉降数值及试验采场爆后的现场观测结果可知，人工假顶无明显破坏情况，按模拟结果留设的保护层有效避免了人工假顶的损坏，人工假顶稳定支撑了上部破碎岩体，为高效安全采矿提供了保障。

4、结论

(1) 炮孔反向起爆后，应力波由孔底向孔口传播，药包中心区域的应力最强。随着应力波向孔口自由面传播，应力波反射到岩体，应力逐渐减少。人工假顶中的应力波主要来源于药包爆炸后端部半球形波阵面，首先集中在炮孔底投影区域，随后向四周扩散传播直至整个人工假顶。整体上，爆炸应力衰减快，作用时间短，人工假顶中的应力分布较为均匀，高应力区域较少。

(2) 在人工假顶及预留保护层矿体关键位置建立模型监测点，采用Von Mises判据判定关键点单元的屈服破坏情况。结果表明，留设0.5 m厚的保护层后，中深孔爆破对人工假顶产生的破坏作用很小，且能够有效回采人工假顶下的矿石。

(3) 将研究结果应用于现场试验，并在人工假顶关键位置布设位移监测点。试验过程中顶板、边帮无垮塌、冒落现象，人工假顶顶板沉降位移值在安全范围内。预留保护层有效避免了人工假顶的损坏。人工假顶具有较高的稳定性，为安全高效回采作业提供了保障。研究成果为破碎高价值难采矿体的开采提供了借鉴。

参考文献:

[1]刘鹏金,姜培根.下向充填采矿进路回采凿岩爆破技术优化应用[J].世界有色金属,2017(9):199-200.

[2]程昌明,陶铁军,舒乔生.爆破开采扰动对巷道围岩稳定性影响的模拟研究[J].工程爆破,2015,21(3):36-40.

[3]徐剑坤,朱亚飞,宋大钊.基于剪切梁理论的爆破扰动对巷道顶板稳定性影响研究[J].中国安全生产科学技术,2013,9(7):25-31.

[4]赵善坤,王永仁,吴宝杨,等.超前深孔顶板爆破防冲数值模拟及应用研究[J].地下空间与工程学报,2015,11(1):89-97.

[5]况丹阳.破碎矿体下向进路胶结充填人工假顶强度需求研究[J].有色金属(矿山部分),2021,73(5):24-28.

[6]刘嘉伟,黄明清,陈霖,等.缓倾斜破碎矿体集群式液压支柱护顶空场嗣后充填采矿法研究[J].矿业研究与开发,2022,42(8):1-6.

[7]安龙,张家华,李元辉,等.急倾斜薄矿脉夹制作用下中深孔爆破模拟与参数优化[J].东北大学学报(自然科学版),2022,43(4):567-574.

[8]李夕兵,范文录,胡国宏.急倾斜破碎矿体采矿方法改进与顶板再造设计[J].科技导报,2012,30(13):44-48.

[9]雷振,张智宇,黄永辉,等.岩石爆破破碎能耗随抵抗线的变化规律[J].爆炸与冲击,2021,41(7):151-160.

[10]杨小林.岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2000(5):665.

[11]赵安平,冯春,郭汝坤,等.节理特性对应力波传播及爆破效果的影响规律研究[J].岩石力学与工程学报,2018,37(9):2027-2036.

[12]杨仁树,丁晨曦,杨立云.高应力状态下穿过层理爆破致裂的动态行为研究[J].岩石力学与工程学报,2018,37(4):801-808.

基金资助:煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金项目(E21833);

文章来源:刘超,王亮,张帅,等.中深孔爆破对采场人工假顶的影响研究[J].矿业研究与开发,2024,44(05):19-24.

网友评论

加载更多

我要评论

期刊名称：国际安全研究

期刊人气：1820

期刊详情

主管单位：国际关系学院

主办单位：国际关系学院

出版地方：北京

专业分类：政治

国际刊号：2095-574X

国内刊号：10-1132/D

邮发代号：82-146

创刊时间：1983年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

论文导航

中深孔爆破对采场人工假顶的影响研究

相关论文

矿井通风安全监控系统优化研究

关键词

贺西矿3413综采面回风隅角综合瓦斯治理技术研究

关键词

常村煤矿采空区储水可行性分析

关键词

岩巷综掘工作面通风除尘系统的数值模拟

关键词

RVVB导线过电流诱发短路起火及迸溅熔珠特征试验研究

关键词

基于FDS的管廊电缆火灾动态风险评估研究

关键词

地面钻井抽采对采空区自燃危险区域影响研究

关键词