胶结充填体动力试验及其爆破响应模拟研究_吴振坤.pdf

收稿日期2019-11-12 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51804018） 。 作者简介吴振坤 （1963） ， 男， 高级工程师。通讯作者金爱兵 （1974） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE 胶结充填体动力试验及其爆破响应模拟研究 吴振坤 1 金爱兵 2， 3 陈帅军 2， 31 （1. 山东金鼎矿业有限责任公司， 山东 淄博 255000； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 3. 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京 100083） 摘要空场嗣后充填采矿方法被越来越多地应用到地下金属矿床开采中， 胶结充填体不仅要承受上部静荷 载， 还要面临二步骤采矿爆破冲击， 因此研究胶结充填体动力学特性及其爆破响应对于保证采矿安全具有重要意 义。通过单轴抗压强度 （UCS） 以及霍普金森压杆 （Split Hopkinson Pressure Bars， SHPB） 对胶结充填体进行动静载试 验， 在此基础上， 应用ANSYS/LS-DYNA 软件对二步回采过程中的胶结充填体爆破响应特征进行了模拟研究。结 果表明 ①胶结充填体动抗压强度随着应变速率增加而增加， 近似为线性关系， 高应变条件下， 其动抗压强度约为 静抗压强度的2倍； ②二步骤采矿爆破时充填体保护层厚度对振动响应速度和有效应力有明显影响， 因而有必要 为充填体预留设足够厚度的保护层， 否则会导致充填体振动响应速度和有效应力过大； ③起爆方式对胶结充填体 爆破响应也有明显影响， 孔口起爆时， 保护层厚度要大于1.5 m才能满足充填体安全要求， 而孔底起爆时， 保护层厚 度需达到1.8 m。上述分析对于充填采矿中胶结充填体强度以及二步回采中保护层厚度、 起爆方式设计具有一定 的参考意义。 关键词充填开采胶结充填体霍普金森压杆试验爆破响应LS-DYNA数值模拟 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-025-08 DOI10.19614/ki.jsks.202007004 Study on Cemented Tailing Backfill Dynamic Characteristics and Its Blasting Response Simulation Wu Zhenkun1Jin Aibing2， 3Chen Shuaijun2， 3 （1. Shandong Jinding Mining Co.， Ltd.， Zibo 255000， China； 2. School of Civil and Resource Engineering， University of Sci⁃ ence and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 3. Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safe⁃ ty of Metal Mines， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractOpen-stope backfilling mining is widely used in underground metal mining.The cemented tailing backfill not only bears the static load pressure， but also faces the blasting impact in the second-step mining process.There⁃ fore， it is of great significance to investigate the dynamic characteristics and blasting response of cemented tailing backfill to ensure mining safety.Static and dynamic load tests were carried out through uniaxial compressive strength（UCS）and Split Hopkinson Pressure Bars（SHPB） .And ANSYS/LS-DYNA software was used to simulate the blasting response law of ce⁃ mented tailing backfill in the second-step mining process.The study results show that① dynamic compressive strength of consolidated backfill increases with the increase of strain rate， and they are approximately linear， the dynamic compressive strength is about twice of the static compressive strength under high strain conditions； ② the thickness of the protective lay⁃ er of backfill has a significant impact on the vibration speed and effective stress when blasting during second-step mining， the protective layer should be remained enough in the second-step mining progress， otherwise， the vibration speed of backfill and the effective stress of the backfill will be too large； ③the initiation mode also has obvious influence on the blasting re⁃ sponse of cemented tailing backfilling， as using hole-top initiation， the protective layer thickness should be 1.5 m， which can satisfy the cemented tailing backfill safety demand， however， for hole-bottom initiation，the protective layer thickness should be 1.8 m.The above study results is of certain reference significance to the design of the strength of cemented tailing backfill and the thickness of protective layer and initiation mode in second-step mining process. KeywordsFilling mining，Cemented tailing backfill，Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）test，Blasting response， Series No. 529 July2020 25 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 LS-DYNA， Numerical simulation 金属、 非金属矿床地下开采会产生大量采空区， 采空区的存在会引起地表沉降、 建 （构） 物变形以及 地下采场失稳， 严重时甚至会引起矿山生产停滞甚 至人员、 设备损害 ［1-2］。为了降低地下采空区带来的 不利影响， 空场嗣后充填采矿方法被广泛应用到金 属矿床开采中。目前采用该方法的矿山普遍应用较 大的阶段高度以提高采矿效率， 二步采过程中胶结 充填体不仅受到上覆矿岩静载荷作用， 还会受到相 邻矿房开采时的爆破振动影响 ［3-5］， 二步采矿房两侧 充填体稳定与否对于采场稳定以及采矿效率都具有 重要影响。因此， 针对胶结充填体静、 动力学特性及 爆破响应进行研究， 提出合理的二步采充填体保护 层厚度， 对于保证矿山安全生产及提高资源回收率 具有重要意义。 目前， 针对胶结充填体力学特性的研究方法主 要有试验、 理论分析、 数值模拟、 物理模拟等 ［2-6］。在 胶结充填体配比试验及静力学特性研究方面， 付自 国等 ［7］利用 Design- Expert 软件研究了料浆质量分 数、 水泥用量和骨料配比对不同龄期充填体无侧限 抗压强度的影响规律， 并建立了相应的模型。杨志 强等 ［8］以金川水淬镍渣尾砂为主要材料， 通过掺入不 同量的脱硫石膏、 电石渣、 硫酸钠和水泥熟料， 配制 了新型充填材料， 并进行了强度试验， 分析了该新型 充填材料的强度特性。魏晓明等 ［9］通过强度检测、 扫 描电镜 （SEM） 以及现场测试等手段， 对李楼铁矿井下 与地表条件下胶结充填体的强度差异进行了分析， 获得了采场充填体强度增值的变化规律， 同时揭示 了自重应力以及充填挡墙对胶结充填体固结强度的 作用机理。徐淼斐等 ［10］利用单轴抗压强度以及超声 波测试对3种形状的充填体试件进行了强度和波速 测试， 建立了充填体强度与波速的指数函数预测模 型和BP神经网络预测模型， 为胶结充填体强度预测 提供了新方法。曹帅等 ［11］对不同充填间歇以及不同 浓度条件下的充填体强度进行了研究， 并建立了相 应的函数关系。王瑞鹏等 ［12］根据胶结充填体、 围岩 和非胶结充填体三者之间的力学作用关系， 利用理 论分析手段， 研究了嗣后充填采矿中单侧揭露状态 下胶结充填体的稳定性， 建立了胶结充填体受压状 态下的三维力学模型。为了研究胶结充填体在荷载 作用下的破裂演化规律， 程爱平等 ［13］通过单轴压缩 和声发射监测， 对胶结充填试样在单轴压缩过程中 的应力、 应变和声发射活动进行了研究， 并以此为基 础构建了胶结充填体破裂预测模型， 为胶结充填体 矿柱稳定监测和破裂预测提供了依据。 对于胶结充填体动力特性研究， 主要集中在室 内试验和模拟方面， 霍普金森压杆试验 （SHPB） 成为 应用较多且比较有效的研究手段。Cao 等 ［14］通过 SHPB对尾砂胶结充填体的动力学规律进行了研究。 朱鹏瑞等 ［15］利用SHPB试验， 对高应变率下的分级尾 砂胶结充填体进行了单轴冲击试验， 得到胶结充填 体在不同应变率下的应力应变曲线， 并分析了破 坏过程及破坏机理。杨伟等 ［16］通过单轴抗压强度 （UCS） 和SHPB对直径长度为50 mm25 mm的试 件进行了试验， 比较了试件在动静荷载下的力学性 质， 研究了试件动抗压强度、 动应变、 强度增强因子、 比能量吸收与平均应变率之间的关系。谭玉叶等 ［17］ 采用SHPB对胶结充填体进行了循环冲击试验， 研究 了充填体在循环冲击荷载作用下的应力应变关 系、 动载强度以及变形破坏特征。 关于爆破对胶结充填体影响的研究， 主要集中在 利用数值模拟和现场监测方法研究爆破对充填体强 度及稳定性的影响。朱鹏瑞等 ［18］通过理论分析和数 值模拟方法研究了嗣后充填采场爆破振动下的胶结 充填体张拉力学响应机制。Muhammad等 ［19］通过现场 测试方法， 对爆破振动作用下的胶结充填体动力响应 模式进行了研究。何文等 ［20］利用FLAC3D软件， 分析了 爆破振动下采场充填体的动力响应规律及其稳定性。 上述分析表明， 现阶段众多学者针对胶结充填 体进行了广泛研究， 其中， 胶结充填体配比及静力学 特性研究比较充分， 动力学特性研究近年来也被广 泛关注， 主要集中在SHPB试验方面， 而爆破对胶结 充填体影响的研究， 尤其是保护层厚度和起爆方式 对充填体影响的研究较为薄弱。本研究以山东金鼎 铁矿胶结充填体为例， 通过单轴压缩试验及SHPB试 验， 研究胶结充填体的单轴抗压强度和在动载荷作 用下的力学特性， 并以此为基础， 利用LS-DYNA 软 件模拟嗣后充填二步回采过程中， 胶结充填体爆破 响应特征以及不同保护层厚度、 起爆方式对充填体 的影响， 提出二步采过程中不同起爆方式下的充填 体合理保护层厚度。研究成果对于二步采过程中的 采场稳定分析以及矿石充分回收具有一定的参考价 值， 也可为该类矿山二步回采充填体设计以及稳定 性分析提供借鉴。 1金鼎铁矿工程概况 金鼎铁矿主矿体赋存于-340～-530 m标高， 地面 标高约29 m， 矿体埋藏深度为370～550 m， 上覆130～ 26 ChaoXing 2020年第7期吴振坤等 胶结充填体动力试验及其爆破响应模拟研究 200 m厚的第四系土层。该矿山采用分段凿岩阶段 矿房法 （嗣后充填） 进行回采， 矿房长60 m、 宽20 m、 段高60 m， 分一步房、 二步房间隔开采。一步矿房回 采完成后， 对一步回采形成的采空区进行全尾砂胶 结充填， 充填完成并具有足够强度后再回采其余矿 房， 即在充填体中间回采矿石， 回采顺序如图1所示。 现阶段矿山一步回采正在逐步进行， 部分矿块已经 进入二步回采阶段， 二步采矿房两侧60 m高的充填 体稳定性对于矿山安全和高效生产具有重要影响。 因此， 有必要对二步回采过程中胶结充填体在爆破 振动下的稳定性进行研究。 2胶结充填体试验 本研究通过单轴压缩试验和SHPB试验研究金 鼎铁矿胶结充填体的强度特性， 并为后续数值模拟 分析提供力学参数。单轴抗压强度及SHPB试件材 料组成为胶固料、 全尾砂和水， 其中胶固料产自莱 芜， 全尾砂来自金岭矿业公司， 胶固料和全尾砂具体 参数取值见表 1和表 2， 胶固料∶全尾砂＝1 ∶4 （质量 比） ， 浓度分别为54％、 52％和50％。 2. 1单轴抗压强度试验 本研究试样在恒温恒湿条件下养护28 d后， 开 展不同龄期的单轴压缩试验， 试验设备为 YES-300 型数显液压式压力试验机， 试验结果如表3所示。 根据设计要求， 充填体强度应达到3 MPa， 才能 够满足采矿设计中关于充填体强度的要求。试验结 果表明 料砂比为1 ∶4、 浓度为54的充填体能够满 足要求， 且当浓度为54时， 料浆制作正常， 输送通 畅， 因此该料砂比和浓度取值较为合适。 2. 2SHPB试验 爆炸载荷作用下， 充填体应变率较高， 传统的准 静态试验已经不能满足其测试需要。为了研究胶结 充填体的爆破响应特征， 应进行高应变率试验， 获得 充填体的动力学参数。分离式霍普金森压杆 （SHPB） 试验技术是研究中高应变率 （102～104s-1） 下材料力学 性能最主要的试验方法， 通过该方法可以测试高应变 率下试样的单轴拉伸、 压缩、 剪切加载。SHPB装置如 图2所示， 其试验原理主要是通过使用应变片对入射 杆中的入射波、 反射波以及透射杆中的透射脉冲进行 测量， 而后根据应力波理论推导试样的应力应变关 系。 本研究充填体动力学试验采用 ALT-1500型霍 普金森拉压杆一体测试系统。该系统一般采用钢杆 作为入射杆和透射杆， 由于钢材与充填体的波阻抗 差别过大， 为了尽量降低波阻抗差带来的测试误差， 将钢杆替换为铝合金杆。 假设入射波速为C， 则应变率ε ˉ t 、 应变ε t 以 及应力σ t 可进行如下计算 ［21］ ε ˉ t C L εi- εr- εt，（1） ε t C L ∫0 t εi- εr- εtdt，（2） σ t AE 2A0 εi εr εt，（3） 式中，A为压杆横截面积， m2；E为压杆弹性模量， MPa；C为入射波速， m/s；A0为试样横截面面积， m2；L 为试样高度， m；εi，εr和εt分别为入射信号、 反射信号 及透射信号。 试样料砂比为 1∶4， 浓度为 54， 恒温恒湿养 27 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 护 28 d， 共进行了 36 组试验， 结果如表 4 所示。由 表 4 可知 试验应变率为 118.14～175.19 s-1， 均超过 100 s-1， 动抗压强度均值为6.19 MPa。 图3为SHPB试验中充填试件动态抗压强度随应 变率的变化散点图。从图3可以看出， 试样动抗压强 度与应变率的关系虽然比较分散， 但经过回归分析 后总体呈线性关系。 由单轴压缩及SHPB试验得到了胶结充填体静 动荷载下的强度特性， 动载荷下的抗压强度明显大 于静载荷下的抗压强度， 且高应变率条件下应变率 和单轴强度基本呈线性关系。强度数据可为后续数 值模拟分析提供参考。 3爆破响应数值模拟 本研究应用LS-DYNA软件建立数值模型， 对金 鼎铁矿二步采过程中两侧胶结充填体的爆破响应特 征进行模拟分析， 并在进行爆破影响下充填体稳定 性研究的基础上， 提出合理的充填体保护层厚度。 3. 1模型构建及参数取值 模型中炸药单元和被爆单元具有相同的单元节 点， 通过共用这些单元节点来建立炸药和矿体的联 系， 矿体和充填体之间的接触面定义为接触面关系。 考虑到爆炸过程中炸药和空气单元的大变形， 爆破 过程采用流固耦合算法， 炸药和空气单元采用中心 单点积分， 矿岩和充填体采用SOLID164三维实体单 元。模型的上、 下表面设置无反射边界， 在模型的左 边、 后边设置对称条件， 单位为cm-g-μs。爆破模拟 过程中矿岩和充填体等实体材料均采用弹塑性材 料， 主要参数取值如表5所示， 表中参数值为压杆试 验中接近平均应变率147.2 s-1条件下测得的动载荷 参数。 本研究直接采用 LS-DYNA 软件中的 JWL 状态 方程和爆轰过程模拟功能进行爆破模拟分析。炸药 被引爆后， 爆炸压力和爆轰波向四周传递， 模型中任 意时刻和位置的压力可进行如下计算 ［22-25］ P A 1 - ω R1V e-R 1V B 1 - ω R2V e-R 2V ωE0 V ， （4） 式中，P为爆轰压力， Pa；V为体积变量；A，B为炸药的 性质常数， GPa； ω， R1， R2， E0是非线性无量纲系数， 根 据金鼎公司所使用的炸药类型， 该类参数取值如表6 所示。 28 ChaoXing 2020年第7期吴振坤等 胶结充填体动力试验及其爆破响应模拟研究 3. 2孔口起爆保护层厚度对爆破响应的影响 金鼎铁矿二步骤采矿采用分段凿岩阶段矿房法 回采， 嗣后胶结充填， 每阶段矿房分为3个分段， 分段 高度为20 m， 凿岩巷是3 m3 m的正方形巷道， 布置 在矿体底部， 下分段炮孔会超出分段高度约1.5 m， 矿 房分段布置如图4所示。二步采炮孔为上向扇形孔， 孔径 100 mm， 排距 2.0 m， 孔底距 3.0～3.5 m， 单排起 爆， 8段毫秒延时， 孔口起爆。以金鼎公司矿房结构 参数为依据建立了数值模型， 模型整体高度为23 m， 较矿房实际顶部的炮孔高1.5 m。模型厚度根据炮孔 排距选择 2 m， 由于矿房在宽度和走向方向是对称 的， 因此本研究建模采用1/4模型， 模型顶部、 底部、 左部、 背部都采用无反射边界， 右部和前部采用对称 边界。为了防止二步采爆破造成充填体垮塌， 在二 步采爆破时扇形孔孔底与充填体边界留有一定厚度 的保护层， 分别对0.5 m、 0.7 m、 1.0 m、 1.2 m和1.5 m 5 种保护层厚度下充填体的爆破响应特征进行模拟， 并在充填体与矿体接触部位设置监测点， 对爆破冲 击作用下测点振动速度以及有效应力进行监测， 分 析不同保护层厚度对充填体爆破响应的影响。本研 究构建的爆破模型如图5所示。 图6为保护层厚度为0.5 m时， 二步采爆破过程 中炮孔周围的有效应力分布状态， 最大应力为 158 MPa。图7和图8分别为0.5 m保护层时， 监测点爆破 振动速度和有效应力， 最大振动速度达到63 cm/s， 最 大有效应力为4.05 MPa。 图9为0.5～1.5 m 5种保护层厚度下胶结充填体 的爆破响应特征。由图 9可知 随着保护层厚度增 29 ChaoXing 加， 质点振动速度以及充填体内的有效应力都明显 降低。当保护层厚度达到1.5 m以上时， 质点最大振 动速度为11.85 cm/s， 小于 爆破安全规程 （GB 6722 2014） 规定值12 cm/s， 有效应力也小于静抗压强度 规定值3.4 MPa。可见， 孔口起爆时， 保护层厚度达到 1.5 m， 可以保证充填体稳定。 3. 3孔底起爆保护层厚度对爆破响应的影响 上述试验分析了孔口起爆条件下不同保护层厚 度对充填体爆破响应的影响， 当保护层厚度大于1.5 m时， 二步采爆破充填体的质点振动速度以及有效应 力均可满足安全要求。由于在实际生产中， 孔底起 爆的矿石爆破效果优于孔口起爆而被矿山广泛采 用， 两种起爆方式可能会对充填体稳定性产生不同 影响， 因此有必要讨论二步采中， 孔底起爆方式对充 填体的影响。 保护层厚度为0.5 m时， 孔口起爆时监测点的振 动速度为63.10 cm/s， 有效应力为4.05 MPa； 孔底起爆 时监测点的振动速度为 118.42 cm/s， 有效应力为 5.33 MPa。可见， 采用孔底起爆方式时质点振动速度 和有效应力均比采用孔口起爆方式要大。由于本研 究已对孔口起爆保护层厚度为 0.5 m、 0.7 m、 1.0 m、 1.2 m、 1.5 m时5种工况下的有效应力、 振动速度进行 了分析， 故采用孔底起爆方式时， 不再赘述保护层厚 度为0.7 m、 1.0 m、 1.2 m时的结果。保护层厚度为1.5 m 时， 胶结充填体监测点的质点最大振动速度为 15.06 cm/s， 最大有效应力为1.32 MPa， 不满足安全要 求。继续增大保护层厚度至1.8 m， 胶结充填体监测 点的质点最大振动速度为10.11 cm/s， 小于安全标准 12 cm/s， 最大有效应力为1.29 MPa， 低于静态和动态 抗压强度， 满足安全要求。因此， 孔底起爆的安全保 护层厚度为1.8 m。 3. 4起爆方式对爆破响应的影响 图10为孔口起爆与孔底起爆条件下， 不同保护 层厚度的充填体爆破响应特征。孔底起爆相对于孔 口起爆而言， 其对充填体的影响更大。保护层厚度 为1.5 m时， 孔口起爆充填体振动速度和有效应力满 足安全要求； 采用孔底起爆时， 则达不到安全要求， 需要进一步加大保护层厚度到1.8 m才能满足要求， 但保护层厚度增加可能会导致二步回采矿石回收率 降低。 综上所述 随着保护层厚度的增加， 充填体的安 全性增大， 但矿石回收率有所降低。孔口起爆保护 层厚度1.5 m时和孔底起爆保护层厚度1.8 m时， 充填 体监测点的爆破振动速度均小于 爆破安全规程 （GB 67222014） 规定的12 cm/s， 有效应力也小于充 填体单轴抗压强度规定值3.4 MPa和动态抗压强度 规定值6.19 MPa， 充填体整体上处于安全状态。 4结论 通过UCS和SHPB试验进行了胶结充填体动静 力学参数测试， 并应用ANSYS/LS-DYNA软件对二步 采过程中充填体爆破响应特征进行了数值模拟， 得 到如下结论 （1） 充填体动抗压强度远大于静抗压强度， 且随 着应变率增加而增大， 在本研究试验应变率范围内， 当应变率为150 s-1时， 动抗压强度约为静抗压强度的 2倍。 （2） 二步回采时， 保护层厚度对于爆破响应具有 很大的影响。对于金鼎铁矿， 采用孔口起爆时， 保护 层厚度大于1.5 m可以满足充填体安全要求。 （3） 相对于孔口起爆， 孔底起爆对于充填体影响 更大， 当保护层厚度达到1.8 m时才能保证充填体安 全。 （4） 孔底起爆相对于孔口起爆而言， 一般具有较 好的爆破效果， 但由于需要更大的保护层， 可能会导 金属矿山2020年第7期总第529期 30 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ 致矿石回收率降低， 因此在二步回采中， 应该充分考 虑这一因素的影响。 参 考 文 献 Chen Q S，Zhang Q L，Fourie A，et al. 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