采空區(qū)爆破振動響應(yīng)特征分析

周建忠

(陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中市 045400)

0 引言

井工煤礦盜采亂挖情況較為普遍，形成了大跨度、縱橫交錯、厚度不均的采空區(qū)[1]。結(jié)合相關(guān)調(diào)查，大跨度的采空區(qū)塌落，誘導(dǎo)了地面下沉、建筑物地基不穩(wěn)，影響了井下工人的安全，已被視為礦山首要解決的問題[1-3]。隨著安全意識的提高，采空區(qū)的安全性預(yù)測、評價及處理的研究工作越來越重要。采用先進的數(shù)字化可視技術(shù)監(jiān)測了復(fù)雜環(huán)境采空區(qū)的分布結(jié)構(gòu)以及空區(qū)周圍巖石條件，采用數(shù)值模擬方法建立了與監(jiān)測采空區(qū)狀態(tài)較為類似的三維簡化計算模型，計算了采空區(qū)安全性評價指標(biāo)數(shù)值參數(shù)[3-7]。明確不同動荷載下復(fù)雜采空區(qū)的安全性情況，對空區(qū)防護與治理方案的制定具有一定的意義[8-10]。

1 采空區(qū)賦存狀況

開元煤礦3908工作面位于閆莊村北東部約264 m，中莊村北部約351 m，北燕竹村北西部約253 m的范圍內(nèi)。地面標(biāo)高為1109 m～1172 m。經(jīng)探測，空區(qū)規(guī)模大小不一，分布結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并沒有制定支護方案。礦山生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)一處采空區(qū)部分頂板坍塌致使地面下沉，經(jīng)初步探測，該采空區(qū)頂板高度約8 m，跨度約25 m，并且采空區(qū)下方已探明存在另一采空區(qū)，獲得了其規(guī)模、位置、跨度以及分布結(jié)構(gòu)等信息，采空區(qū)的存在對礦山正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響。爆破施工時增大了下層采空區(qū)失穩(wěn)垮落的概率，可能誘導(dǎo)上下層采空區(qū)貫通，進而威脅到地面人員的安全。

2 構(gòu)建采空區(qū)計算模型

設(shè)計兩組僅起爆點位置不同的模擬試驗，上層采空區(qū)高度為8 m，跨度為25 m，下層采空區(qū)高度為6 m，兩個采空區(qū)相差12 m，炮孔位于采空區(qū)中部正上側(cè)。考慮到不同起爆方式的下層采空區(qū)頂板的動態(tài)響應(yīng)變化，以下層采空區(qū)頂板上下側(cè)選取10處節(jié)點1～5及單元A～E作為主要分析對象，所建立模型及其位置分布如圖1所示。

圖1 不同起爆方式的采空區(qū)幾何模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 下層采空區(qū)頂板節(jié)點峰值振速分析

圖2～圖3反映了不同起爆方式爆炸應(yīng)力波傳播情況，根據(jù)計算數(shù)據(jù)列出節(jié)點峰值振速如表1所示，根據(jù)表1繪制節(jié)點峰值振速與起爆點位置的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖2 模型A爆破過程應(yīng)力云圖

圖3 模型B爆破過程應(yīng)力云圖

表1 節(jié)點峰值振速/(cm·s-1)

根據(jù)爆破振動安全規(guī)程，質(zhì)點峰值振動速度變化是受到動荷載的作用，故頂板的質(zhì)點峰值振動速度可視為評價空區(qū)安全性的量化指標(biāo)。當(dāng)爆破施工時，監(jiān)測頂板特征部位的峰值振動速度，參照安全規(guī)程以此評價空區(qū)的安全性。由表1可知：當(dāng)中部起爆時，下層采空區(qū)頂板各節(jié)點峰值振速變化范圍處于5.01 cm/s～7.29 cm/s，近似于反向起爆各點峰值振速0.31～0.92倍，其中下層采空區(qū)頂板下側(cè)中部水平及豎直振速分別由11.80 cm/s、15.96 cm/s減小到7.29 cm/s、5.21 cm/s。從圖4可以看出，中部起爆與反向起爆對下層采空區(qū)頂板兩端節(jié)點振動速度影響不大，中部起爆方式下，下層采空區(qū)頂板兩端節(jié)點振動速度較反向起爆方式有降低趨勢，其主要破壞位置仍然位于下層采空區(qū)頂板中部。

圖4 節(jié)點峰值振速與起爆點位置關(guān)系曲線

3.2 下層采空區(qū)頂板單元有效應(yīng)力分析

由計算結(jié)果列出下層采空區(qū)頂板 10處單元最大有效應(yīng)力，如表2所示，其單元最大有效應(yīng)力與起爆點位置關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 單元最大有效應(yīng)力與起爆點位置關(guān)系曲線

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知：中部起爆時，下層采空區(qū)頂板10處單元均有所減小。通過圖5可以更直觀地看出，選擇中部起爆方式時，下層采空區(qū)頂板中部單元有效應(yīng)力明顯減小，上下側(cè)單元有效應(yīng)力差值較小。兩種起爆方式對下層采空區(qū)頂板兩端造成的應(yīng)力變化并不大，兩種起爆方式的爆破動荷載作用對下層采空區(qū)頂板兩端影響較小，對下層采空區(qū)頂板中部影響較為明顯。采用中部起爆方式時，下層采空區(qū)頂板中部最大有效應(yīng)力明顯減小。

表2 單元最大有效應(yīng)力/MPa

4 結(jié)論

（1）下層采空區(qū)頂板左側(cè)應(yīng)力波傳播將優(yōu)先于右側(cè)應(yīng)力波向中部交匯，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域向下層采空區(qū)頂板右側(cè)偏移，由于下層空區(qū)頂板受到的應(yīng)力較大，增大了下層空區(qū)失穩(wěn)的可能性，存在上下采空區(qū)貫通的隱患。

（2）當(dāng)中部起爆時，下層采空區(qū)頂板各節(jié)點峰值振速變化范圍處于5.01 cm/s～7.29 cm/s，近似于反向起爆各點峰值振速的0.31～0.92倍，下層采空區(qū)頂板兩端節(jié)點振動速度受起爆方式影響不大。

（3）采用中部起爆方式較反向起爆方式更能保障下層采空區(qū)的穩(wěn)定。