起爆點(diǎn)位置對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響研究

王永增，穆曉紅

（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000）

在金屬礦山中，存在著大量采空區(qū)影響正常生產(chǎn)工作，由于采空區(qū)不利于深部礦石資源開采利用，且時(shí)有發(fā)生由失穩(wěn)導(dǎo)致的安全事故，給礦山生產(chǎn)作業(yè)帶來了極大的安全挑戰(zhàn)。為了降低采空區(qū)在礦山安全生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)，采空區(qū)穩(wěn)定性的研究最近得到廣泛關(guān)注。

通過現(xiàn)場的監(jiān)測得到較為可靠的數(shù)據(jù)，但是耗時(shí)長，運(yùn)用理論分析的結(jié)論與實(shí)際偏差較大。隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是利用數(shù)值模擬手段研究采空區(qū)的穩(wěn)定性受到普遍重視[1-3]。通過數(shù)值模擬降低成本，模擬采空區(qū)整體的動(dòng)態(tài)變化情況，以及分析影響采空區(qū)穩(wěn)定性因素。此外，在分析采空區(qū)穩(wěn)定性時(shí)可依據(jù)理論基礎(chǔ)和實(shí)際情況改變模擬方案，效率高且能夠彌補(bǔ)試驗(yàn)方案的不足之處。國內(nèi)外專家、學(xué)者在采空區(qū)穩(wěn)定性領(lǐng)域取得了一定的研究成果[4-7]。2018年高鵬翔[8]等通過確定的尖點(diǎn)突變理論模型，分析出在采空區(qū)失穩(wěn)狀態(tài)下其能量的釋放原因不在于外界附加作用，而是在于其巖土系統(tǒng)自身的性質(zhì)。2018年胡洪旺[9]通過研究驗(yàn)證了厚板理論在分析層狀頂板的采空區(qū)穩(wěn)定性時(shí)的可行性，推進(jìn)了Ressiner厚板理論在采空區(qū)頂板穩(wěn)定性研究中的使用。

1 工程背景

齊大山鐵礦床主要分為南、北采區(qū)，多層采空區(qū)位于齊大山鐵礦采場內(nèi)部，是礦山安全生產(chǎn)的巨大隱患。探測出淺部及中深部采空區(qū)異常位置點(diǎn)近400處，組成空區(qū)77處，空區(qū)規(guī)模大小不一，特殊井狀物區(qū)域23處，空區(qū)在空間上重疊、壓覆甚至形成空區(qū)群，這便給空區(qū)規(guī)模和位置上的確定帶來的困難。隨著生產(chǎn)爆破作業(yè)的循環(huán)進(jìn)行，一旦誘發(fā)空區(qū)群上部巖體失穩(wěn)垮落，將直接影響下層采空區(qū)探測及后續(xù)處理，甚至直接形成暴露面更大的采空區(qū)。圖1為齊大山鐵礦-180m水平臺(tái)階處發(fā)現(xiàn)一處采空區(qū)，部分頂板已經(jīng)垮落現(xiàn)象，采空區(qū)暴露在外，本研究以雙層空區(qū)為例進(jìn)行模擬。

圖1 雙層采空區(qū)參數(shù)示意圖

2 不同起爆點(diǎn)位置雙層采空區(qū)計(jì)算模型

2.1 模型建立

設(shè)計(jì)兩組僅起爆點(diǎn)位置不同的模擬試驗(yàn)，雙層采空區(qū)厚度為5m，跨度為20m，下層采空區(qū)頂板厚度為5m，炮孔填塞4m，炮孔位于采空區(qū)中部正上側(cè)。模型1與模型2起爆點(diǎn)位置分別位于炮孔底部與頂部，起爆點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 不同起爆點(diǎn)位置的雙層采空區(qū)幾何模型

在下層采空區(qū)頂板上側(cè)及下側(cè)選取十處節(jié)點(diǎn)及單元作為主要分析對(duì)象，其位置分布如圖3及圖4所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)位置分布圖

圖4 單元位置分布圖

2.2 數(shù)值模型建立

（1）劃分網(wǎng)格。采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐植煽諈^(qū)模型，建立上層采空區(qū)跨度由20m～30m，步長為2m的六個(gè)雙層采空區(qū)模型。

（2）模型邊界處理。本組六個(gè)模型均為1/2對(duì)稱模型，對(duì)模型邊界條件進(jìn)行如下設(shè)定：

對(duì)稱邊界：正面；無反射邊界：左面，右面，下面，后面；反射邊界：邊坡坡面，臺(tái)階頂面；共節(jié)點(diǎn)邊界：巖石與炸藥接觸面。

3 雙層采空區(qū)在不同起爆點(diǎn)位置爆破作用下穩(wěn)定性分析

3.1 爆破過程應(yīng)力云圖及分析

圖5 模型1爆破過程應(yīng)力云圖

圖6 模型2爆破過程應(yīng)力云圖

圖5（a）～（c）為模型1孔底單點(diǎn)起爆爆破過程應(yīng)力云圖，圖6（a）～（c）為模型2孔頂單點(diǎn)起爆爆破過程應(yīng)力云圖。從圖中可以看出：模型2孔頂起爆初期，爆炸應(yīng)力波更早地與上側(cè)自由界面接觸，大量能量由坡頂自由面消耗，相對(duì)于模型1孔底起爆較晚向上層采空區(qū)兩端傳播；模型2在t=13000μs時(shí)，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，孔頂起爆方式爆破效果較差。

3.2 下層采空區(qū)頂板單元有效應(yīng)力分析

由計(jì)算結(jié)果列出下層采空區(qū)頂板十處單元最大有效應(yīng)力表，如表1所示，通過表1繪制單元最大有效應(yīng)力與起爆點(diǎn)位置關(guān)系曲線如圖7所示。

表1 單元最大有效應(yīng)力表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知：孔頂起爆時(shí)，下層采空區(qū)頂板十處單元均有所減小。通過圖7可以更直觀地看出，選擇孔頂起爆方式時(shí)，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。

圖7 單元最大有效應(yīng)力與起爆點(diǎn)位置關(guān)系曲線

兩種起爆方式對(duì)下層采空區(qū)頂板兩端造成的應(yīng)力變化并不大，兩端節(jié)點(diǎn)有效應(yīng)力有較小幅度的減小現(xiàn)象；兩種起爆方式的爆破動(dòng)荷載作用對(duì)下層采空區(qū)頂板兩端影響較小，對(duì)下層采空區(qū)頂板中部影響較為明顯。采用炮孔頂部起爆方式時(shí)，下層采空區(qū)頂板中部最大有效應(yīng)力明顯減小。

4 結(jié)論

選用孔頂起爆方式時(shí)，大量爆生氣體在孔頂處逸出，爆炸應(yīng)力在更大自由面的作用下于雙層采空區(qū)圍巖的分布較為分散，作用在下層采空區(qū)頂板的應(yīng)力較小，下層采空區(qū)頂板振動(dòng)效果也有所減弱，其安全系數(shù)提高，雙層采空區(qū)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。