卸壓爆破下巖體損傷模擬研究

汪 禹 張西良 俞海云 崔正榮 楊海濤

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

在采礦工程、地下空間工程、交通工程、水利工程中，爆破法仍然是最主要的破巖方法。爆破過程中既要使開挖巖體能夠高效破碎，又要減少爆破開挖對周邊巖體造成損傷或破壞。由于淺部資源已開采多年，資源量相對匱乏、枯竭，礦產(chǎn)資源開發(fā)向深部發(fā)展已成必然趨勢。原始地應力場的分布對巖體破碎過程有著重要的影響，使得巖體破碎過程變得更加復雜。何滿潮等[1]基于“三高一擾動”的復雜環(huán)境指出，深部巖石力學行為及深部災害特征與淺部巖石有著明顯不同，基于淺部巖體建立傳統(tǒng)的爆破理論、方法已經(jīng)不再適合于深部巖體爆破開挖，需要建立新的深部礦巖破碎理論及方法。

巖爆是由于高地應力區(qū)域的巖體在進行爆破開挖時，圍巖應力得到突然釋放，巖體發(fā)生剝落、破裂并彈射出去，同時發(fā)出巨大聲響，對礦山安全生產(chǎn)威脅極大。在深部礦床開采過程中，由于特殊開采條件，巖爆是最為頻繁的地質(zhì)災害之一，是地下工程中危害性較大的地質(zhì)災害。巖爆嚴重影響地下采礦工程的效率，對井下施工人員、機械設(shè)備和構(gòu)筑物的安全造成嚴重的威脅。根據(jù)巷道周邊圍巖應力分布狀態(tài)可以看出，在巖爆發(fā)生最頻繁的部位，應力分布梯度較大，圍巖應力集中較為明顯，巷道埋深大、圍巖地質(zhì)構(gòu)造條件相對復雜，具備巖爆發(fā)生的應力條件。防止井下巖爆發(fā)生最有效的方法是改變巖爆產(chǎn)生的條件，破壞巖爆危險區(qū)域圍巖結(jié)構(gòu)，降低巖爆發(fā)生的可能性。目前針對巖爆主要采用的措施有向圍巖高壓注水、斷頂爆破、斷底爆破、卸壓爆破等方法[2]，其中最有效的方法是卸壓爆破法。

考慮到爆破載荷與地應力動態(tài)荷載作用復雜性，初始地應力狀態(tài)、巖性、開采深度等因素對卸壓爆破效果都產(chǎn)生不同的影響。為研究不同開采深度條件下巖體卸壓爆破效果，采用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值軟件模擬深部巖體卸壓爆破過程，重點研究開采深度對巖體卸壓爆破損傷范圍的影響，對深部礦床安全、高效開采具有積極的指導意義。

1 地應力與卸壓爆破研究現(xiàn)狀

初始地應力的形成是一個相當復雜的動態(tài)過程，地應力是由多種應力聯(lián)合作用而逐漸形成。在不同的深度條件下，初始地應力包括多種類別的應力，如構(gòu)造應力、溫度應力和自重應力等。大多數(shù)學者認為，巖體的重力與地殼運動產(chǎn)生的應力對初始地應力場的分布起到主導作用。在絕大部分地區(qū)，地應力是以水平應力為主的三向不等壓應力場。三向地應力的大小和方向隨著空間和時間發(fā)生變化。煤礦中頂板大面積來壓與冒頂、瓦斯突出、沖擊地壓等均與地應力分布有密切關(guān)系。了解深部開采區(qū)地應力分布，據(jù)此進行合理地礦產(chǎn)資源開采，能顯著地提高礦產(chǎn)資源回收率，避免地質(zhì)災害的發(fā)生，提高礦井的經(jīng)濟效益[2]。

起初，國內(nèi)外學者對地應力的研究很難用數(shù)學形式來確定其分布情況，尤其考慮到時間、空間等因素后地應力場分布存在復雜性、多變性。基于地下采礦、硐室開挖等工程需要，學者進行了大量的地應力測量工作，獲得了地應力實測資料，利用統(tǒng)計分析法得到深部地應力場的分布規(guī)律及特性。E. Hoek和E.T.Brown等[3]統(tǒng)計了世界各地地應力測量結(jié)果并進行了分析，總結(jié)了垂直應力、水平平均應力與垂直應力之比隨開采深度變化規(guī)律。Oliver Heidbach等[4]基于北美洲地應力測量結(jié)果，系統(tǒng)地總結(jié)了最大水平主應力、最小水平主應力、垂直應力分布規(guī)律。國外學者研究地應力分布規(guī)律見表1[3-4]。

表1 國外學者研究地應力分布規(guī)律

注：σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；σv為垂直應力，MPa；H為開采深度，m。

國內(nèi)學者李新平等[5]收集全國各地628組地應力測量結(jié)果，系統(tǒng)地總結(jié)了我國深部垂直應力、最大水平主應力、最小水平主應力的分布情況，利用數(shù)學統(tǒng)計法得到地應力、側(cè)壓系數(shù)隨開采深度分布的規(guī)律。景鋒等[6]通過收集我國大陸地區(qū)大量的實測地應力資料，建立了巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖地應力隨埋深分布的散點圖，根據(jù)巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖地應力分布進行了數(shù)學回歸分析，提出三大類巖石的地應力分布規(guī)律。國內(nèi)學者研究地應力分布規(guī)律見表2。

為實現(xiàn)安全、高效地回采深部礦產(chǎn)資源，降低巖爆等地質(zhì)災害發(fā)生，國內(nèi)外學者提出卸壓爆破法，并針對卸壓爆破的方法、工藝做了大量的研究工作，完善了卸壓爆破的理論體系。歐陽振華[2]針對井下復雜的地質(zhì)構(gòu)造條件及開采技術(shù)條件，提出多級爆破卸壓技術(shù)，以防止井下沖擊地壓產(chǎn)生。根據(jù)數(shù)值模擬研究及現(xiàn)場試驗結(jié)果，得出多級爆破卸壓技術(shù)能夠使應力集中區(qū)域的能量得到有效釋放，煤層中的應力向深部轉(zhuǎn)移，遠離采掘工作面，有效地降低沖擊地壓的產(chǎn)生頻次。李俊平等[7]針對深部資源開采中高應力集中區(qū)易誘導巷道、采場圍巖發(fā)生大變形及失穩(wěn)而誘發(fā)沖擊地壓等工程災害，提出了卸壓開采法，目的是使部分高地應力得到轉(zhuǎn)移或釋放，對卸壓施工工藝進行了簡單分類，概述了卸壓開采的研究方法。陸菜平等[8]利用卸壓爆破法使深部巖體中多余的彈性應變能得到有效釋放，煤巖的能量體系達到動態(tài)平衡(卸壓爆破的效果)，從而減少巖爆發(fā)生的頻率，并利用電磁輻射法檢驗卸壓爆破效果。劉元春[9]借助FLAC3D數(shù)值軟件模擬了卸壓爆破下巖體應力分布規(guī)律，得出卸壓爆破后各個方向工作面的應力均得到大幅度的降低，深部高應力下的巖石與礦體得到有效分離，應力集中區(qū)逐漸向深部巖體轉(zhuǎn)移，為深部礦體安全回采提供了保障。

表2 國內(nèi)學者研究地應力分布規(guī)律

注：σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；σv為垂直應力，MPa；H為開采深度，m；k為側(cè)壓系數(shù)。

卸壓爆破法使圍巖應力能夠重新分布，圍巖中積聚的彈性變形能得以釋放，降低應力集中程度，整個能量體系達到動態(tài)平衡，圍巖處于較低的應力狀態(tài)，應力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，對控制圍巖變形具有較好的效果[10]。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

考慮到卸壓爆破炮孔相對于井下工作面的圍巖較小，為了方便模型網(wǎng)格劃分，使模擬結(jié)果更加接近于現(xiàn)場實際布置情況，設(shè)計模型尺寸為2 m×2 m×3 m，卸壓炮孔位于模型幾何中心，孔徑為10 cm，炮孔長度為2.5 m，采用孔底起爆方式。通過對模型施加應力來模擬初始應力場，在模型X方向施加地應力σH，Y方向施加地應力σh，Z方向施加地應力σv?？紤]到模型是地下巖體中的一部分，為了消除人為邊界處應力反射波對巖體結(jié)構(gòu)影響，在模型周邊分別設(shè)置無反射邊界條件，以達到模擬地下無限巖體的效果。幾何模型見圖1。

圖1 模型建立

建立的數(shù)值模型由炸藥、巖體和炮泥三部分組成，采用Lagrange-ALE算法，將炸藥單元與巖體、炮泥結(jié)構(gòu)單元之間通過共用節(jié)點方式建立聯(lián)系[11]。采用三維實體方式建模，巖體、炮泥采用彈塑性本構(gòu)模型，炸藥采用HIGH_EXPLPSIVE_BURN模型，并采用JWL狀態(tài)方程予以描述：

(1)

式中,P為爆轟壓力，GPa；V為相對體積；E為單位體積內(nèi)能,GPa；ω、A、B、R1、R2為炸藥材料參數(shù)，模擬炸藥參數(shù)與現(xiàn)場采用2#巖石炸藥一致，具體參數(shù)見表3。

表3 炸藥材料參數(shù)

為了確保模擬過程與現(xiàn)場實際相符合，炮孔中填塞炮泥，炮泥具體參數(shù)見表4。

表4 炮泥材料參數(shù)

礦體圍巖主要為石英砂巖，巖石呈塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性相對較好，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較堅硬。為了使模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相吻合，設(shè)定巷道圍巖為石英砂巖，參考巖石力學參數(shù)測試數(shù)據(jù)，具體材料參數(shù)見表5。

表5 巖體材料參數(shù)

為研究不同開采深度條件對卸壓爆破損傷區(qū)擴展及爆破效果的影響，設(shè)定3種工況條件，即開采深度H=1 000，2 000，3 000 m。考慮到地應力測量相對比較復雜，參考Oliver Heidbach等[4]研究結(jié)果，3種工況條件下地應力分布見表6。

表6 3種工況地應力分布

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

開采深度為1 000,2 000,3 000 m下巖體卸壓爆破模擬結(jié)果見圖2。可以看出，在開采深度相同條件下Y-Z方向較X-Z方向損傷區(qū)范圍大，其中Y-Z方向損傷區(qū)分布形狀近似圓形，X-Z方向損傷區(qū)分布形狀近似三角形；X方向地應力σ1較Y方向地應力σ2大，X-Z方向較Y-Z方向損傷區(qū)范圍小，說明地應力對卸壓爆破起到抑制作用。圖2(a)顯示，開采深度H=1 000 m時，裝藥區(qū)巖體損傷類型為拉伸破壞、剪切破壞，拉伸區(qū)體積占總體積45%，剪切區(qū)體積占總體積55%；炮泥填塞區(qū)圍巖損傷類型為剪切破壞，剪切區(qū)占填塞區(qū)體積15%。圖2(c)顯示，開采深度H=2 000 m時，裝藥區(qū)巖體損傷類型為拉伸破壞、剪切破壞，拉伸區(qū)體積占總體積30%，剪切區(qū)體積占總體積70%；炮泥填塞區(qū)圍巖損傷類型為剪切破壞，剪切區(qū)占填塞區(qū)體積45%。圖4顯示，開采深度H=3 000 m時，裝藥區(qū)巖體損傷類型為拉伸破壞、剪切破壞，拉伸區(qū)體積占總體積10%，剪切區(qū)體積占總體積90%；炮泥填塞區(qū)圍巖損傷類型為剪切破壞，剪切區(qū)占填塞區(qū)體積85%。隨著開采深度逐漸增加，炸藥近區(qū)更易于產(chǎn)生剪切破壞，稍遠區(qū)域更易產(chǎn)生拉伸破壞，卸壓爆破巖體損傷主要類型由拉伸破壞逐漸轉(zhuǎn)向為剪切破壞，初始地應力的存在對卸壓爆破損傷區(qū)的產(chǎn)生、發(fā)展具有抑制和促進作用，地應力對拉伸破壞起進一步抑制作用，對剪切破壞起促進作用。隨著開采深度增加，3個方向的地應力也隨之增加，導致填塞處炮孔受到三向不等壓作用力而發(fā)生剪切破壞，填塞處炮孔圍巖剪切破壞范圍隨之增大。

圖2 巖體卸壓爆破損傷分布

開采深度H=1 000 m時，卸壓爆破損傷區(qū)體積為1.85 m3；開采深度H=2 000 m時，卸壓爆破損傷區(qū)體積為0.9 m3；開采深度H=3 000 m時，卸壓爆破損傷區(qū)體積為0.46 m3。根據(jù)模擬結(jié)果，繪制損傷區(qū)體積隨開采深度變化的規(guī)律曲線(圖3)，損傷區(qū)體積變化過程相對比較復雜。隨著開采深度逐漸增加，3個方向地應力也隨之增加，地應力對卸壓爆破抑制作用加劇，分布損傷區(qū)體積逐漸減小，呈非單調(diào)變化。

圖3 損傷區(qū)體積隨開采深度變化曲線

3 結(jié) 論

(1)隨著開采深度逐漸增加，地應力使卸壓爆破損傷區(qū)分布更加集中，該區(qū)域巖

體得到充分破碎，損傷區(qū)外巖體能夠保持較好的完整性；卸壓爆破損傷區(qū)范圍逐漸減少，地應力對卸壓爆破損傷抑制作用進一步加強。同時，建立了卸壓爆破下巖體損傷區(qū)體積與開采深度之間的關(guān)系，為深部礦巖卸壓爆破提供參考。

(2)開采深度較低時，巖體損傷區(qū)破壞的主要類型為拉伸破壞、剪切破壞；開采深度較高時，巖體損傷區(qū)破壞的主要類型為剪切破壞。卸壓爆破巖體損傷主要類型由拉伸破壞逐漸轉(zhuǎn)向為剪切破壞，初始地應力對卸壓爆破損傷區(qū)產(chǎn)生、發(fā)展具有抑制和促進作用，地應力對拉伸破壞起進一步抑制作用，對剪切破壞起促進作用。

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