鄰近爆破作業(yè)下采空區(qū)頂板振動(dòng)效應(yīng)分析

解明聰

（四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院，四川 成都 610207）

近年來(lái)，采空區(qū)穩(wěn)定性的研究已有很多專(zhuān)家、學(xué)者進(jìn)行了探討，如鄭懷昌、文興等[1,2]采用Barton“當(dāng)量尺寸”極限跨度分析法和Mathews穩(wěn)定性圖解法、能量意外轉(zhuǎn)移論定量方法分別對(duì)空區(qū)危險(xiǎn)性進(jìn)行了綜合分析。杜相會(huì)、王海軍等[3,4]采用巖石力學(xué)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬與可視化仿真、三維建模等方法,進(jìn)行了礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析并進(jìn)行治理方案篩選。不僅如此，還有許多人也采用試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的依據(jù)和技術(shù)，正如賈楠、王俊程、賈曉川等[5-7]運(yùn)用三維動(dòng)力有限差分法、巖體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，并結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方式，通過(guò)對(duì)礦山地質(zhì)調(diào)查獲得的礦區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，模擬了圍巖非線性演化特性進(jìn)而探討采動(dòng)順序?qū)Σ煽諈^(qū)圍巖的穩(wěn)定性影響，提出了采空區(qū)穩(wěn)定性安全判據(jù)和控制技術(shù)。

因此，研究采空區(qū)穩(wěn)定性的核心問(wèn)題就是要解決采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，通過(guò)研究爆破過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)效果引起的頂板危害特征，從而提出解決方法，對(duì)提高采空區(qū)的穩(wěn)定性、解決采空區(qū)安全隱患、確定空區(qū)與爆心之間的安全距離、改善爆破效果和防震設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 礦區(qū)概況及試驗(yàn)簡(jiǎn)述

1.1 礦區(qū)概況

鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)有限公司旗下的大孤山鐵礦，位于遼寧省鞍山市，爆破作業(yè)方式為露天臺(tái)階爆破，采場(chǎng)劃分的水平臺(tái)階從上往下逐層開(kāi)采，開(kāi)采臺(tái)階的高度為12m～15m，開(kāi)采至最終境界時(shí)每?jī)蓚€(gè)臺(tái)階并段為24m～30m，單段最大裝藥量500kg左右，此時(shí)恰好能為礦山帶來(lái)合理的經(jīng)濟(jì)效益，隨著開(kāi)采逐漸挖深，爆破的位置也逐漸向采空區(qū)的方向靠近，這嚴(yán)重的影響采空區(qū)的穩(wěn)定性，可能會(huì)導(dǎo)致空區(qū)頂板塌陷，引起比較大的安全事故，增大礦山的安全治理成本，所以必須保障大孤山鐵礦鄰近采空區(qū)的穩(wěn)定性。

1.2 試驗(yàn)簡(jiǎn)述

選取露天采場(chǎng)鄰近采空區(qū)的三個(gè)位置A、B、C進(jìn)行爆破監(jiān)測(cè)如圖1所示，分別為離爆源160m、180m、200m的三個(gè)點(diǎn)，三點(diǎn)采用TC4850爆破測(cè)振儀對(duì)準(zhǔn)爆心沿射線布置，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖2。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

1.3 爆心至空區(qū)的地震強(qiáng)度及安全距離計(jì)算

根據(jù)薩氏公式按照中硬巖石片麻巖選取K（200）、a（1.65）值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)到爆源的距離分別是160m、180m、200m，采用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度：

VA=1.408cm/s；

VB=1.159cm/s；

VC=0.974cm/s；

通過(guò)與Z軸的實(shí)測(cè)峰值振速進(jìn)行對(duì)比，VA實(shí)=1.94 cm/s、VB實(shí)=1.35、VC實(shí)=1.14，可以明顯看出，測(cè)出的數(shù)據(jù)大部分都大于計(jì)算所得出的數(shù)據(jù)，采空區(qū)振速不在《爆破安全規(guī)程》的安全允許振速內(nèi)，應(yīng)采取相應(yīng)降振措施。

經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，采用土窯洞的安全允許振速V=1.0cm/s 計(jì)算采空區(qū)到礦山爆心的安全允許距離，單段最大裝藥量按500kg，K取200，a取1.65，經(jīng)計(jì)算得出最小安全距離為R最小=196.825 m。

通過(guò)分析比較，采空區(qū)離爆心的距離最近為160m，而計(jì)算單段最大裝藥量得出的安全距離為196.825m，驗(yàn)證了裝藥量不合理，應(yīng)采取降振措施以保證采空區(qū)的安全。下面通過(guò)采空區(qū)離爆心的最近距離R=160m來(lái)計(jì)算總裝藥量：Q=268.589 kg。即礦山爆破應(yīng)該將總裝藥量控制在安全用藥量?jī)?nèi)

圖3 數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2 采空區(qū)頂板擾動(dòng)特征數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)大孤山鐵礦建立FLAC3D數(shù)值模型，根據(jù)礦山的實(shí)際情況和巖石的特點(diǎn)設(shè)置模型尺寸的長(zhǎng)度為160m，寬度60m，高度100m。模型的采空區(qū)由上下、左右?guī)r體的四個(gè)橫截面組成，而且只考慮采空區(qū)上方頂板受到的爆破振動(dòng)的影響，采空區(qū)的長(zhǎng)寬高X×Y×Z尺寸為40m×60m×20m，采空區(qū)頂板距離地表20m，且地表即為采空區(qū)頂板。以三維的豎直方向Z軸為模型的數(shù)值計(jì)算區(qū)域，沿采空區(qū)走向方向?yàn)閅軸，水平方向垂直采空區(qū)的方向設(shè)為X軸。模型的Z軸的正方向-70m≤Z≤30m為數(shù)值計(jì)算區(qū)域，X軸正方向的計(jì)算區(qū)域?yàn)?80m≤X≤80m，Y軸正方向的計(jì)算區(qū)域?yàn)?m≤Y≤60m。網(wǎng)格單元的劃分情況采用的是不平等劃分，根據(jù)模型的采空區(qū)部分的網(wǎng)格劃分的細(xì)一些，對(duì)模型外部較遠(yuǎn)的區(qū)域劃分相對(duì)稀疏一些。模型內(nèi)共劃分了16000個(gè)單元，18271個(gè)節(jié)點(diǎn)，三維計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。本次FLAC3D數(shù)值模擬分析中靜力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算均采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)礦山提供計(jì)算所需的巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2 數(shù)值模型計(jì)算過(guò)程

設(shè)計(jì)礦山實(shí)測(cè)的三種不同爆破振動(dòng)荷載，分析采空區(qū)頂板在爆破振動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定性和動(dòng)力響應(yīng)特征，方案如下：

（1）截取測(cè)點(diǎn)A時(shí)間為0～0.8 s的爆破地震波進(jìn)行數(shù)值模擬。

（2）截取測(cè)點(diǎn)B時(shí)間為0～0.8 s的爆破地震波進(jìn)行數(shù)值模擬。

（3）截取測(cè)點(diǎn)C時(shí)間為0～0.8 s的爆破地震波進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 爆破地震波對(duì)采空區(qū)頂板的擾動(dòng)破壞分析

根據(jù)設(shè)置的爆破地震波模擬方案（1）、（2）、（3），采用開(kāi)挖后的采空區(qū)模型進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，得出爆破地震波模擬下采空區(qū)頂板中心點(diǎn)（0，30，20）的位移圖和Z軸速率圖和模型的位移等值線云圖如圖4～圖6。

圖4 方案（1）（2）（3）模擬后的位移等值線云圖

圖5 方案（1）、（2）、（3）模擬后點(diǎn)（0,30,20）的位移

圖6 方案（1）（2）（3）模擬后點(diǎn)（0,30,20）的Z軸速率

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析表明：由于截取的爆破地震波的平均值不等于零，當(dāng)爆破地震波的持續(xù)時(shí)間0s～0.8s模擬結(jié)束后，動(dòng)力計(jì)算結(jié)束，點(diǎn)（0,30,20）關(guān)于Z軸的速率不等于零，所以模型不能計(jì)算至平衡狀態(tài)，以最終狀態(tài)為結(jié)果；對(duì)比方案（1）（2）（3）對(duì)應(yīng)點(diǎn)關(guān)于Z軸的位移最終值為5.2×10-5m、3.85×10-4m、8.8×10-4m，顯示方案（3）的中心點(diǎn)位移值最小，方案（1）中心點(diǎn)的位移值最大；對(duì)比方案（1）（2）（3）對(duì)應(yīng)點(diǎn)關(guān)于Z軸的速率最終值為-1.1×10-4m/s、-1.6×10-3m/s、-0.5×10-3m/s，顯示方案（3）的速率值最小，方案（1）的速率值最大；根據(jù)圖4分析可知，方案（1）的采空區(qū)頂板的位移最大，方案（2）頂板的位移次之，方案（3）頂板的位移最小。

結(jié)合礦山的實(shí)際開(kāi)采情況，爆破作業(yè)的具體實(shí)施方案以及鄰近空區(qū)分布情況，歸納出如下降振措施：

（1）限制一次爆破作業(yè)的最大用藥量。參考爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)薩氏公式計(jì)算單段最大用藥量。爆破設(shè)計(jì)藥量超過(guò)爆破振動(dòng)安全允許的最大用藥量時(shí)，必須采取降振措施，或采用毫秒延時(shí)爆破。

（2）爆破地震監(jiān)測(cè)和開(kāi)挖減震溝槽。減震溝槽與爆心的距離不宜過(guò)大，應(yīng)在采空區(qū)與爆心之間，不影響爆破作業(yè)的情況下，位置適中即可；主要采用導(dǎo)爆索爆破形成的減震溝槽，并輔以人工開(kāi)挖的減震溝槽；可適當(dāng)添加一些減震材料到減震溝槽之中，達(dá)到更好的減震效果，進(jìn)而保證采空區(qū)的穩(wěn)定性，保持礦山擁有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，按照薩道夫斯基公式對(duì)安全距離和單段最大裝藥量計(jì)算，得出最小安全距離為196.825 m，單段最大裝藥量為268.589 kg，實(shí)測(cè)峰值振速和裝藥量均不在安全允許范圍內(nèi)。

（2）通過(guò)實(shí)測(cè)波形導(dǎo)入進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)空區(qū)頂板振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行分析，對(duì)比分析得出不同爆破地震波對(duì)采空區(qū)頂板的擾動(dòng)破壞情況不同，爆破地震波的幅度段數(shù)越少且幅值越小時(shí)，采空區(qū)的頂板的擾動(dòng)破壞程度越小，致使的位移距離也越小，反之則越大。

（3）綜合礦山實(shí)際開(kāi)采情況，給出了相應(yīng)降振措施，限制爆破作業(yè)的單段最大裝藥量，開(kāi)挖減震溝。