地下礦山頂?shù)字V體回采掏槽方式優(yōu)化研究①

張世安，史秀志，霍曉鋒，邱賢陽

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

礦產(chǎn)資源正在日益枯竭，殘礦資源的安全高效回收日益受到重視［1］，頂?shù)字蛯儆谶@類資源。掏槽爆破在頂?shù)字夭芍惺株P(guān)鍵，然而掏槽爆破由于自由面少、巖石夾制性大［2］，進(jìn)而具有爆破困難和振動(dòng)大的特點(diǎn)，加之頂?shù)字夭墒窃谏喜砍涮铙w下作業(yè)，既要保證爆破效果又要保護(hù)充填體穩(wěn)定，這些特征都加大了回釆難度。因此，對頂?shù)字筒郾七M(jìn)行研究很有必要。

目前國內(nèi)外對于掏槽爆破的研究大多集中于探討空孔作用［3－4］和布孔方式對成槽效果的影響［5－6］，也有學(xué)者研究了爆破載荷對充填體的影響［7－9］，但對于中深孔掏槽爆破對充填體的影響研究鮮有報(bào)道。本文運(yùn)用數(shù)值模擬分析了九孔掏槽和中心單空孔掏槽2種掏槽方式的掏槽效果和對頂板充填體爆破振動(dòng)控制效果，對高度分別為3.5 m和5.5 m的頂?shù)字鞑蹍^(qū)炮孔布置方式進(jìn)行了對比優(yōu)選，最終將優(yōu)選方案應(yīng)用于現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 工程概況

經(jīng)過50多年的開采，凡口鉛鋅礦主要礦體逐漸被采完。受過去技術(shù)條件限制，相當(dāng)一部分品位很高的頂?shù)字V體并未得到回收。因該部分礦體總量較大，對其進(jìn)行安全高效回收意義重大［10］。

依據(jù)不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，目前凡口礦頂?shù)字懈叨?.5 m和5.5 m兩種類型?，F(xiàn)根據(jù)空孔直徑大小及個(gè)數(shù)將主槽區(qū)掏槽炮孔布置方案分為兩種：方案1為九孔掏槽布置方式，槽區(qū)有多個(gè)較小直徑的空孔；方案2為中心單空孔掏槽布置方式，僅一個(gè)大直徑的空孔。兩種掏槽方式的空孔補(bǔ)償系數(shù)均為1.3。兩種方案炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)相同，均為孔內(nèi)連續(xù)裝藥，孔口填塞長1.0 m的炮泥，孔底留0.5 m不裝藥以保護(hù)頂板充填體。起爆方式均為5個(gè)炮孔同段起爆，具體布孔參數(shù)如圖1所示。

圖1 炮孔布置圖

2 數(shù)值模型建立

2.1 幾何模型建立

分別對上述2個(gè)方案進(jìn)行建模，接下來以3.5 m頂?shù)字Ｐ蜑槔龑φw模型進(jìn)行說明。計(jì)算模型為1／4模型，其中礦體和充填體尺寸均為3.0 m×3.0 m×3.5 m，礦體和充填體通過面面接觸方式聯(lián)系在一起。模型中僅礦體底部為自由面，模型左側(cè)和前側(cè)設(shè)置為對稱邊界條件，為了削弱爆炸沖擊波對研究區(qū)域的影響，其余面均設(shè)置無反射邊界條件，具體模型設(shè)置如圖2所示，采用kg-m-s國際單位制。

圖2 頂?shù)字蓤鎏筒蹟?shù)值模型

在巖體中，通過RHT損傷云圖觀察掏槽爆破效果。為了研究掏槽爆破成腔效果，分別在孔口、炮孔中心、孔底3個(gè)位置建立剖面來分析不同位置的損傷分布。對于3.5 m頂?shù)字?，對?yīng)坐標(biāo)分別為Z＝0.5 m、2 m和3.3 m；對于5.5 m頂?shù)字?，對?yīng)坐標(biāo)分別為Z＝0.5 m、3 m和5.3 m。

在充填體中，在炮孔中心線上方連續(xù)布置5個(gè)振動(dòng)速度監(jiān)測點(diǎn)來評判爆破對充填體的影響，各測點(diǎn)布置也在圖2中標(biāo)出，5個(gè)測點(diǎn)A、B、C、D、E到巖充交界面的距離分別為0.15 m、0.4 m、0.75 m、1.3 m和2.2 m。

2.2 材料參數(shù)選取

本模擬中涉及的主要材料有礦體、充填體和炸藥，需要對這些材料一一進(jìn)行設(shè)置。

RHT本構(gòu)模型對脆性材料動(dòng)力學(xué)有突出優(yōu)勢［11］。本文礦體材料選用RHT本構(gòu)模型，其具體參數(shù)見表1。充填體采用?MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC材料來模擬爆破振動(dòng)，其力學(xué)參數(shù)見表2。LS-DYNA中一般用?MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN配合JWL狀態(tài)方程來表征炸藥材料及其狀態(tài)方程［12］，其具體參數(shù)見表3。

表1 礦體模型材料參數(shù)

表2 充填體模型力學(xué)參數(shù)

表3 二號(hào)巖石乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 巖體掏槽效爆破果分析

首先分析3.5 m頂?shù)字谋魄闆r。為便于觀察掏槽爆破過程巖體的損傷發(fā)展規(guī)律，以YZ平面作為對稱平面，將原來的1／4模型生成了1／2模型，4個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的損傷云圖如圖3所示。由圖3可以看出，2種方案的掏槽爆破過程類似，t＝0.12 ms時(shí)刻，爆炸應(yīng)力波造成的巖體損傷首先在掏槽炮孔間形成疊加，相鄰的掏槽炮孔得到貫通；t＝0.33 ms時(shí)刻，損傷慢慢擴(kuò)大至貫通空孔，且爆炸應(yīng)力波到達(dá)巖體頂板并發(fā)生反射，造成了頂板巖體破壞；t＝0.42 ms時(shí)刻，爆炸應(yīng)力波到達(dá)下部自由面并造成反射破壞，此時(shí)九孔掏槽炮孔中間部分巖體的損傷破壞擴(kuò)展較慢，而中心單空孔掏槽炮孔中間部分巖體損傷破壞仍有較大程度發(fā)育，這表明中心大空孔的應(yīng)力集中作用明顯加強(qiáng)；t＝0.8 ms時(shí)刻，研究區(qū)域內(nèi)槽腔基本形成，可以明顯看出，槽腔具有兩頭大中間小的特點(diǎn)。

圖3 3.5 m頂?shù)字筒郾茡p傷云圖

為進(jìn)一步觀察各剖面槽腔成形情況，以XZ平面和YZ平面作為對稱平面，將原來的1／4模型生成整體模型，t＝1.0 ms的最終時(shí)刻剖面損傷分布如圖4所示。從圖4看出，九孔掏槽3個(gè)剖面的槽腔直徑分別為0.71 m、0.42 m和0.92 m，而中心單空孔掏槽的槽腔直徑分別為0.89 m、0.53 m和1.16 m，爆腔大小均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。觀察發(fā)現(xiàn)，1＃剖面和3＃剖面槽腔面積明顯較大，這是由于1＃剖面和3＃剖面靠近自由面，應(yīng)力波反射破巖。2＃剖面中，九孔掏槽的掏槽孔孔間損傷明顯大于與空孔間的損傷，說明直徑64 mm空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)并不明顯，易影響掏槽效果；而中心單空孔掏槽的損傷范圍分布更均勻，說明孔徑128 mm能夠更好地發(fā)揮空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)和自由面效應(yīng)，使得中心槽區(qū)礦巖破碎更充分、均勻，更容易獲得良好的掏槽爆破效果。

圖4 3.5 m頂?shù)字筒郾破拭鎿p傷分布

頂?shù)字叨仍黾拥?.5 m時(shí)，雖然炮孔深度增加，但2種布孔形式下的損傷發(fā)育過程基本與3.5 m頂?shù)字哪M結(jié)果相似，因此僅繪制了損傷發(fā)育截止時(shí)刻的損傷云圖，如圖5所示。不難看出，t＝0.8 ms時(shí)刻，2種方案均能較好形成槽腔，且同樣具有兩頭大中間小的特點(diǎn)。各剖面的損傷分布特點(diǎn)與3.5 m頂?shù)字闆r基本一致，在此不再贅述?？偟膩碚f，即使是爆高增加，2種掏槽方式依舊能夠達(dá)到預(yù)期爆破效果。

圖5 5.5 m頂?shù)字筒郾茡p傷云圖

綜上所述，在巖體掏槽爆破效果方面，雖然九孔掏槽布置方式和中心單空孔掏槽布置方式具有相同的補(bǔ)償空間，但由于中心單空孔掏槽布置方式中空孔具有更大的直徑，這極大加強(qiáng)了空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)和自由面效應(yīng)，因此后者爆破形成的槽腔斷面更大，掏槽爆破效果更好。但需要指出的是，九孔掏槽布置方式和中心單空孔掏槽布置方式均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 頂板充填體振動(dòng)速度分析

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）［13］以質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度為判據(jù)來判別被保護(hù)物體是否安全。充填體性質(zhì)與混凝土性質(zhì)類似，因此這里采用混凝土的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，由于爆破近區(qū)爆破振動(dòng)主頻較高，故采用f＞50 Hz的振速判別標(biāo)準(zhǔn)，即安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度應(yīng)小于等于12.0 cm／s。

為了分析爆破振動(dòng)對充填體的破壞作用，繪制了不同高度頂?shù)字?種掏槽方式的振動(dòng)時(shí)程曲線，如圖6所示。各曲線峰值振動(dòng)速度見表4。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線

表4 監(jiān)測點(diǎn)峰值振動(dòng)速度

頂?shù)字叨?.5 m時(shí)，2種掏槽方式A～C監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度均超過國家爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，D點(diǎn)和E點(diǎn)振動(dòng)峰值在國家爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，這意味著2種方案均能保證1.3 m范圍外的充填體保持較好的穩(wěn)定性。此外，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然具有相同的裝藥量，但中心單空孔掏槽各測點(diǎn)的爆破振動(dòng)速度都小于九孔掏槽，尤其前3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，這表明采用中心單空孔掏槽更有利于保護(hù)充填體穩(wěn)定。這是由于大直徑空孔可提高爆炸能量作用于掏槽的比例，進(jìn)而減少彈性振動(dòng)波能量比重，降低了爆破對近區(qū)充填體的振動(dòng)擾動(dòng)。

頂?shù)字叨?.5 m時(shí)，九孔掏槽所有測點(diǎn)振動(dòng)峰值速度均超出國家爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，即頂板充填體的破壞范圍至少為2.2 m。而采用中心單空孔掏槽時(shí)，D點(diǎn)和E點(diǎn)振動(dòng)峰值速度依舊在國家爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，證明其對頂板充填體的破壞范圍不大于1.3 m。由此可以看出，隨著采場回采高度增加以及掏槽單段藥量增加，大直徑空孔降振效果更為顯著，從而大大降低了爆破對頂板充填體的動(dòng)力擾動(dòng)。

3.3 方案優(yōu)選

頂?shù)字叨?.5 m時(shí)，在礦巖掏槽爆破效果方面，2種掏槽方式均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，獲得預(yù)期的掏槽效果；在充填體振動(dòng)控制方面，中心單空孔掏槽布置方式在近區(qū)具有較為明顯的降振效果，但與九孔掏槽的安全距離范圍基本一致，依然較難滿足國家振動(dòng)速度安全標(biāo)準(zhǔn)要求?？紤]到中心大直徑空孔的鑿巖需要多次擴(kuò)孔完成，鑿巖效率低、成本高、工序復(fù)雜，最終選擇九孔掏槽方式作為3.5 m回采高度采場的掏槽炮孔布置方式。

頂?shù)字叨?.5 m時(shí)，2種掏槽方式的掏槽效果均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而由于炮孔深度增加導(dǎo)致單段藥量增加，采用九孔掏槽布置時(shí)，爆破振動(dòng)明顯增強(qiáng)，頂板充填體破壞范圍增至2.2 m以上；而采用中心單空孔掏槽布置，頂板充填體振動(dòng)速度上升并不明顯，頂板充填體破壞范圍沒有發(fā)生明顯改變，非常有利于保護(hù)頂板充填體穩(wěn)定性，因此，選擇中心單空孔掏槽方式作為5.5 m回采高度采場的掏槽炮孔布置方式。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)在凡口礦Shd-80m頂3-10＃底柱采場和Shd-80m頂9-10＃底柱采場進(jìn)行，其中前者高度為3.5 m，采用九孔掏槽方式，后者高度為5.5 m，采用中心單空孔掏槽方式。Shd-80m水平頂9-10＃底柱采場均取得了良好的爆破效果，爆后斷面大，槽腔壁壁面光滑，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?yàn)楹罄m(xù)爆破提供足夠的自由面和補(bǔ)償空間。從爆堆來看，塊度均勻，未見明顯的充填體崩落，說明對充填體的破壞得到了很好的控制。

5 結(jié) 論

1）無論頂?shù)字夭筛叨?.5 m還是5.5 m，九孔掏槽和中心單空孔掏槽爆破形成的槽腔斷面均較大，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，獲得良好的掏槽效果。

2）中心單空孔掏槽對爆破振動(dòng)控制上具有優(yōu)勢，尤其是隨著回采高度增加，單段藥量增加，中心大直徑空孔在提高爆炸破巖能量比例和減少彈性振動(dòng)波能量比重方面的優(yōu)勢越來越突出。

3）綜合考慮掏槽效果、振動(dòng)控制和鑿巖效率，回采低高度頂?shù)字鶗r(shí)應(yīng)選用九孔掏槽布孔形式，回采較高高度頂?shù)字鶗r(shí)應(yīng)選用中心單空孔掏槽方式。