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高原露天台阶上部冻层破断规律数值分析

2024-05-20 57 上传者：管理员

摘要：上部冻层是影响高原露天台阶爆破效果的主要因素之一，为明确高原露天台阶上部冻层在爆破荷载作用下的破断规律，利用颗粒流数值方法模拟了天然单冻层和人工复合双冻层分别在单、双排炮孔作用下的破断过程，分析了冻层破断过程的速度、冲击压力和破断后的块度特征。结果表明：冻层在爆破荷载作用下经历了产生裂隙-局部隆起-宏观断裂的破坏过程，对于人工复合冻层，由于上部增加了碎石土层，冻层厚度增大，削弱了冻层整体的隆起趋势，导致破碎块度增大。双排炮孔之间冻层受到的冲击压力率先达到峰值，但靠近自由面的冻层受到的冲击压力峰值更高。单、双冻层在爆破荷载作用下的破断问题可简化为冲击压力作用下的结构断裂问题。双冻层台阶爆破大块率比单冻层大块率高4%～6%,建议在高原露天矿山爆破中，优先通过冻土层厚度确定需要进行特殊处理的区域，并通过调整延期时间达到降低大块率，提高铲转挖运效率的目的。

关键词：
冻层
块度特征
爆破荷载
颗粒流
高原寒区
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高原寒区露天矿表层冻层是影响爆破效果的主要因素之一，当采取常规爆破方案时，极易产生冻层大块，给后续的铲装和挖运作业带来了极大困难，同时增加了经济成本。因此，探讨爆破荷载作用下高原寒区表层冻层破断规律对矿山安全高效生产具有重要意义。

关于冻结岩土层的物理力学特性已有较多研究，如李顺群等[1]发现影响冻土力学性质最显著的是温度，各因素之间有交互作用影响。刘添华等[2]基于Boltzmann函数建立季节性冻土数学模型，发现季节性冻土中温度与电容呈正比关系。夏锦红等[3]建立了冻土导热系数的几何及计算模型。对于冻土发育变化的研究，孙哲等[4]基于多重分形理论，发现多年冻土区草甸退化程度与颗粒粗粒化程度成正比。CHANG等[5]展现出应变软硬化、高膨胀和压力熔化特征。WANG等[6]推导了冻土的多尺度增量弹塑性构成模型。HE等[7]确定了冻土在p-q面和π面的强度函数，提出了冻土的三维非线性统一强度判据。ZHOU[8]建立了相似性理论和土壤冻结特性曲线预测土壤解冻特性实用模型，探究了冻土中未冻水的滞后行为。王兵强[9]通过研究孔隙水对低温条件下饱水岩石力学性质的影响，发现并总结了孔隙水对岩石低温强化机理的影响规律。张致龙等[10]基于Hagen-Poiseuille方程建立了冻土的渗透系数模型。孙洪伟[11]通过补充冻土剖面建立的冻结分区解释了冻土的微观冻结层次，讨论了冻土的发育变化。

综上，目前关于冻土层的研究更多是从不同角度探讨冻土的宏微观特性。在高原露天台阶爆破过程中，全铭等[12]通过室内力学试验分析冻土的抗拉强度和抗压强度与温度间的动态关系，提出深、浅孔组合爆破技术。许登伟等[13]基于利文斯顿爆破漏斗理论，针对青海露天采场三种不同岩性的矿岩开展试验。总结得到合理的爆破参数组、孔距、排距和单孔装药量。陈化南等[14]提出了在两排主炮孔之间穿插浅孔的辅助爆破技术，采用复式微差起爆网路，结合精细化爆破理念，在西藏玉龙矿取得了良好的爆破效果。陈啸林等[15]在孔距和不耦合系数等爆破参数对岩石双孔爆破裂纹扩展规律的研究中，得到在预裂爆破时不耦合系数以及孔距的最佳预裂爆破的爆破参数。但少有研究探讨爆破荷载作用下冻层的破断规律。基于此，本文主要通过数值模拟开展了天然冻层和人工复合冻层在不同工况下的破断过程研究，旨在为高原寒区露天矿爆破作业提供参考。

1、数值模型

1.1 几何模型

在工程实践中，高原露天台阶上部冻层主要包含两种类型：天然单冻层和人工复合冻层。天然单冻层主要由天然冻土组成，平均厚度为1.5～2 m, 而人工复合冻层主要分布于矿山行车道，由人工铺设的碎石土(0.5～1 m厚)与天然冻土在路面晒水降尘后冻结形成(图1)。根据工程实际(局部台阶高度为10 m, 坡角65°,前排炮孔距离自由面的水平距离为2.5～3 m, 炮孔直径为200 mm),建立了两种露天台阶爆破模型，几何模型如图2所示，天然冻土层和人工碎石土层的厚度分别设置为2 m和1 m, 台阶局部坡角均为65°,设置了单孔和双孔两种爆破方式，每个炮孔的装药长度均为5 m, 具体参数详见表1。数值模型的建立过程未考虑岩土的空间变异性。

图1 高原矿山台阶冻层类型

图2 露天台阶爆破模型尺寸示意图(单位：m)

表1 露天台阶爆破模型参数统计表

根据台阶爆破的几何模型，利用PFC2D建立对应的数值模型，图3所示为单冻层双炮孔的数值模型，共包含30 409个颗粒，最大和最小颗粒半径分别为35 mm和25 mm。模型左侧、右侧以及底部均通过墙来约束，并设置为无反射边界。

图3 单冻层双炮孔数值模型图

1.2 模型参数标定

岩体力学参数在前期通过室内试验获取了高原寒区某露天矿现场冻土的基本力学参数，结合马毓婷等[16]在岩体力学参数对露天矿终了边坡稳定性影响的敏感性中的研究方法，其中人工复合冻层的抗压强度为29.5 MPa, 抗拉强度为11.1 MPa, 天然冻层抗压强度为5.3 MPa, 抗拉强度为2 MPa, 下覆岩石的抗压强度为58.1 MPa, 抗拉强度为21.0 MPa。结合陈鹏宇等[17]利用PFC2D建立模型对岩石单轴压缩的研究方法，采用“试错法”对模型的细观参数进行了标定，反复调整细观参数使模拟值与试验值接近，图4为冻土单轴压缩试验和数值模拟的应力-应变曲线，最终确定的碎石、冻土和岩石细观参数列于表2。

图4 单轴压缩应力-应变曲线

1.3 爆破荷载施加

对爆破荷载的模拟中，本文使用常规的爆破荷载曲线的方式，总结李萍丰等[18]的研究，数值模拟中模拟爆炸应力波的施加具体如图5所示，其表达式如式(1)所示。在实际爆破作业中，爆破荷载作用时间小于10 ms, 因此在本文模拟中ΔT取10 ms。以炸点膨胀加载法结合爆炸荷载曲线模拟炸药爆轰波，并开展不同工况下的系列数值试验。

表2 细观力学参数表

图5 爆轰波示意图

2、结果分析

2.1 冻层破断特征

图6为4种不用工况对应的冻层破坏过程。由图6(a)可知，露天台阶炮孔起爆瞬间，炮孔内壁受到爆轰波压力冲击，随后将冲击压力传向自由面，自由面出现大量破断裂隙，表层冻层靠近坡面一侧与台阶坡面向外隆起。随着柱状药包的单元颗粒膨胀及爆轰波压力的加载，冲击压力传入天然冻土层中，台阶坡面产生的碎块朝坡面垂直方向抛掷，表层冻层破断裂隙增多，靠左侧边界部分冻层向上抛出，靠近台阶坡面部分向右上方向上抛掷。

图6 露天台阶冻层破断过程

图6(b)为单冻层双炮孔(同时起爆)的冻层破断过程。冻层尤其是靠近右排炮孔的位置产生明显隆起，位于两排炮孔间的冻层由于受到前后爆破冲击压力的共同作用，产生的碎块块度较小。与单冻层不同，双冻层由于表层冻层厚度的增加，没有明显的隆起(图6c),并且碎块块度较大。随着时间推移，大块逐渐破碎，块度减小，但仍比单冻层产生碎块块度大，且向上抛掷，位移较小，台阶坡面非冻层岩块同样向坡面垂直方向抛掷。在模拟人工碎石土冻层加天然冻土层的双冻层双炮孔露天台阶破断过程中(图6d),与单排炮孔爆破后碎块向台阶坡面垂直方向抛掷不同，双排爆破炮孔中间上部的冻层大块向右上方抛掷，整体而言，双冻层爆破后形成的碎块块度较大。

2.2 冻层破断过程的速度及冲击压力

在不同冻层类型露天台阶模型建立时，以其左下角顶点为原点(向右、向上为正),在数值模型内设置了速度与压力的监测点，如图7(a)所示。其中，单冻层单炮孔露天台阶内x向速度监测点位于填塞段右侧，在天然冻土层中横向排列；单冻层双炮孔露天台阶内x向速度监测点分别位于两排填塞段右侧。根据上述监测点位对获得的数据进行整理并绘图，得到露天台阶爆破过程x向速度-时间变化曲线如图7(b)所示。

对于单层单孔而言，在同一水平高度上越靠近炮孔的颗粒速度越大，且监测点的速度随着爆轰波压力的传递，整体先波动上升后下降收敛，且距离自由面越近速度曲线上升段的波动特征越明显。位于两排炮孔中间的颗粒速度远大于右侧(单层双孔),且靠近自由面的颗粒速度呈正负波动，这是由岩块抛掷过程的相互碰撞作用引起的。而对于双冻层，各测点的速度差异较大，当采用单炮孔时，下部冻层靠近自由面的颗粒速度最大，而双炮孔则是2号测点速度最大，即炮孔中间位置的上部冻层的水平运动速度最大，因此，单冻层与双冻层表现出了不同的运动特征。

图8所示为冲击压力测点位置及对应的演化过程。整体而言，不论露天台阶表层为单冻层还是双冻层，随着装药段炸药产生的爆轰波冲击压力自炮孔壁传向冻层，越接近爆炸中心受到的冲击压力越大，但随距离增大，到达双冻层上部碎石土层时受到的冲击压力远小于其下伏天然冻土层，且双冻层的冲击压力曲线的“单峰”特征更明显。在双排炮孔爆破中，处于前后炮孔中间的监测点受到的冲击压力率先达到峰值，但靠近自由面的测点冲击压力峰值更高。

图7 x向速度测点位置及变化过程

图8 冲击压力测点位置及演化曲线

2.3 冻层块度特征分析

采用像素面积法计算冻层破断后的大块率，如图9所示，大块率为大块面积对应的像素与露天台阶整体像素的比值，用百分比形式表示。像素值的大小利用图像软件处理破坏后的图片获得。单层单孔、单层双孔、双层单孔和双层双孔对应的大块率分别为10.9%、8.5%、16.5%和12.4%,即双冻层大块率比单冻层大块率高，即上覆的人工碎石土冻层增大了大块率。且单冻层对应的大块最大长度为0.32 m, 与现场实测的断裂长度(单层多排炮孔0.4 m)接近，而双冻层的断裂长度为0.51 m, 因此在双冻层台阶爆破设计时应设计针对性的大块率降低措施。

图9 大块率统计过程

2.4 讨论

从数值模拟结果来看，天然冻土层与人工复合冻层在爆破荷载作用下的破断过程基本一致，均由爆轰波产生的冲击压力作用而导致断裂，单、双冻层的断裂差异仅表现在传递到相应冻层底部的冲击压力大小不同。结合李建雄等[19]的研究结果和王利军等[20]在通过杏山铁矿生产实际和地质条件的研究中降低大块率的研究方法，双冻层底部冲击压力较小是导致其大块率偏高的主要原因。从现场应用角度而言，通过合理的设计爆破参数能够有效降低大块率，如增加炸药单耗、缩短填塞高度、减小炮孔排距都是降低大块率的有效措施，但在高原区域爆破设计参数的调整会使施工难度陡增，不易实施，因此较为方便可行的措施是通过控制炮孔的延期时间来达到控制爆堆大块率的问题。对含冻层的区域，并非所有区域都需要进行特殊的处理，本文的结果表明冻层的破断问题可通过估算相应的冲击压力，并进行冻层的静态力学分析推断其临界断裂长度，确定需要进行特殊处理的临界冻土层厚度，并结合具体的地层条件，通过理论、现场测试等手段确定合理的延期时间。

3、结论

本文总结李其在等[21]在抗滑桩加固后的顺倾节理岩质边坡抗震性能研究中所利用颗粒流离散元程序的研究方法，分别模拟了高原露天台阶天然冻土层和人工复合冻层在爆破荷载作用下的破断过程，对冻层在爆破荷载作用下的横向速度、冲击压力和大块率进行了分析，主要结论如下：

1)冻层在爆破荷载作用下首先在上部台阶坡面产生裂隙，随后隆起，最终断裂；复合冻层由于上部人工碎石土层的增加，冻层厚度增大，削弱了冻层整体的隆起趋势，导致最终破碎块度增大。

2)越接近爆炸中心受到的冲击压力越大，双排炮孔中间冻层受到的冲击压力率先达到峰值，但靠近自由面冻层受到的冲击压力峰值更高。单、双冻层在爆破荷载作用下的破断问题可简化为冲击压力作用下的结构断裂问题。

3)双冻层台阶爆破大块率比单冻层大块率高4%～6%,在高原露天矿山爆破中建议通过冻土层厚度初步确定需要进行特殊处理的区域，并通过调整延期时间达到降低大块率、提高铲转挖运效率的目的。

参考文献:

[1]李顺群,高凌霞,柴寿喜.冻土力学性质影响因素的显著性和交互作用研究[J].岩土力学,2012,33(4):1173-1177.

[2]刘添华,王淼,许亚男.基于平行板电容传感器的季节性冻土冰锋面识别方法[J].工业建筑,2021,51(2):146-152.

[3]夏锦红,陈之祥,夏元友,等.不同负温条件下冻土导热系数的理论模型和试验验证[J].工程力学,2018,35(5):109-117.

[4]孙哲,王一博,刘国华,等.基于多重分形理论的多年冻土区高寒草甸退化过程中土壤粒径分析[J].冰川冻土,2015,37(4):980-990.

[9]王兵强.低温条件下含水率对岩石力学特性的影响分析[J].有色金属(矿山部分),2023,75(2):149-155.

[10]张致龙,关陈晨.基于未冻水含量曲线的冻土渗透系数模型研究[J].新疆大学学报(自然科学版),2022,39(4):484-491.