缓倾斜薄——中厚矿床浅孔落矿对围岩爆破损伤的数值模拟研究.pdf

第3 4 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 1 7 年3 月B L A S T D 呵GM a r ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 7 ．0 1 ．0 1 6 缓倾斜薄中厚矿床浅孔落矿对围岩 爆破损伤的数值模拟研究米 李江华，叶义成，姚囝，罗斌玉，岳哲，王 龙 武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 8 1 摘要浅孔落矿爆破损伤直接影响到回采的损失贫化率和采场安全。采用A N S Y S ／L S D Y N A 三维非线 性动力有限元软件，研究矿山回采浅孔爆破落矿时炮眼沿矿体走向和垂直矿体走向布置的2 种爆破方案。 模拟研究浅孔落矿不同时刻围岩的有效应力云图和矿柱、顶板不同位置监测点的有效应力时程曲线，并引入 爆破荷载下岩石V o nM i s e s 屈服准则，分析了顶板、矿柱的损伤范围和破坏范围。研究结果表明在控制装 药量和炮孔数量一定的情况下，当炮孔沿矿体走向方向布置时，爆炸动荷载对矿柱的损伤范围在距离矿房侧 帮 5m ，爆炸动荷载对矿柱的破坏范围在距离矿房侧帮2 ～3m 。当炮孔垂直矿体走向方向布置时，爆炸动 荷载对矿柱的损伤范围在距离矿房侧帮4 ～5m ，爆炸动荷载不会对矿柱产生破坏作用；两种爆破方式对顶 板的损伤范围在1 1 ．5m ，对顶板不会产生破坏作用。爆破数值模拟能在时间和空间上反映爆炸应力特 征，为寻求最优的爆破施工方案提供了可靠的依据。 关键词 薄一中厚矿床；爆破损伤；浅孔爆破；数值模拟 中图分类号T D 2 3 5 ．3 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 7 0 1 0 0 8 5 0 9 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nS t u d yo fB l a s t i n gD a m a g ec a u s e db yS h o r t H o l eM i n i n gi nG e n t l yI n c l i n e dT h i n - m e d i u mT h i c kO r eD e p o s i t L ／J i a n g h u a ，Y EY i c h e n g ，Y A ON a n ，L U OB i n - y u ，Y U EZ h e ，W A N G 肠，2 9 S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c eA n dT e c h n o l o g yW u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb l a s t i n gd a m a g eb ys h o r th o l em i n i n gd i r e c t l yi n f l u e n c e st h em i n i n gl o s sa n dd i l u t i o nr a t ea n d s t o p es a f e t y ．T h e3Dn o n l i n e a rd y n a m i cf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ／L S D Y N Ai se m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h e b l a s t i n gs c h e m ew i t hs h o r th o l ew h e nt h eh o l ed i r e c t i o na r r a n g e m e n ti sa l o n gt h ed i r e c t i o no fo r eb o d ya n dv e r t i c a lt o o r eb o d y ．T h er o c ks t r e s sn e p h o g r a ma n dt h ee f f e c t i v es t r e s st i m eh i s t o r yc u n r e so fd i f f e r e n tm o n i t o r i n gp o i n t so ft h e p i l l a ra n dt h er o o fa r es t u d i e d ．M e a n w h i l e ，t h ed a m a g es c o p ea n dd e s t r u c t i o ns c o p eo ft h ep i l l a ra n dt h er o o fi s d i s c u s s e dt h r o u g hi n t r o d u c i n gt h er o c kV o nM i s e sy i e l dc r i t e r i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ，u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n so fc o n t r o l l i n gt h ec h a r g ea m o u n ta n db l a s t i n gh o l en u m b e r ，w h e nt h eh o l e 7 Sa r r a n g e m e n td i r e c t i o ni sa l o n gt h ed i r e c t i o no f o r eb o d y ，t h er o c kd a m a g es c o p eo ft h ep i l l a rp r o p a g a t e sm o r et h a n5m e t e r sa n dt h ed e s t r u c t i o ns c o p er a n g e sf r o m2 t o3m e t e r s ；W h e nt h eh o l e ’Sa r r a n g e m e n td i r e c t i o ni sv e r t i c a lt ot h ed i r e c t i o no fo r eb o d y ，t h er o c kd a m a g es c o p eo f t h ep i l l a rr a n g e sf r o m4t o5m e t e r sa n dc a u s e sn od e s t r u c t i o n ．I nt h e s et w ob l a s t i n gs c h e m e s ，t h er o c kd a m a g es c o p e o ft h er o o fr a n g e sf r o m1t o1 ．5m e t e r sa n dc a u s e sn od a m a g e ，w h i c hp r o v i d e sar e l i a b l eb a s i sf o ro p t i m i z i n gb l a s t i n g s c h e m ef o rm i n i n g ． K e yw o r d s g e n t l yi n c l i n e dt h i n m e d i u mt h i c ko r ed e p o s i t ；b l a s t i n gd a m a g e ；s h o r th o l eb l a s t i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 万方数据 8 6爆破 2 0 1 7 年3 月 我国中小型矿床一般赋存条件均较复杂，多以中 小型规模进行开采。对于薄一中厚缓倾斜中小型矿 床采用浅孔落矿的方式回采是最常用的生产工艺。 但是，浅孔落矿在顶板暴露面下作业，爆破作业产生 的动荷载会对顶板岩层产生损伤危害，从而诱发顶板 失稳破坏；此外爆破动荷载也可能对两侧的矿柱或充 填体产生损伤危害，从而诱发两侧矿柱片帮，工作安 全陡较差。因而，研究采场浅孔落矿时矿柱和顶板的 爆破损伤对于安全作业具有十分重要的意义。 对岩体工程的开挖，无论采用何种爆破方式，都 不可避免地对预留岩体造成一定程度的损伤和破 坏。爆破引起的围岩损伤一直是爆破工程和岩石力 学界关心的中心问题之一J 。爆破对岩体的损伤， 国内许多学者做了大量的研究如杨小林等对爆破 损伤岩石力学特性进行了试验研究，得到了在不同 爆点距离和爆破条件下，爆破对岩石损伤作用的部 分规律’2 1 ；朱传云等建立了声波的波降率、岩体的 完整性系数、弹性模量损失系数三者之间的关系，由 此提出了关于工程破坏损伤判据及可以接受的工程 损伤判据概念∞1 ；闫长斌等对多次爆破作用下，岩 体损伤累积特性及失稳破坏规律进行了研究‘4o ；夏 红兵等采用C T 成像技术，研究岩体内微量炸药爆 破后围岩内裂隙扩展及损伤范围，为工程爆破设计 提供了可靠的依据∞1 ；李新平等对地下厂房爆破损 伤范围及判据进行了研究，得到了损伤深度与炮孔 深度之间的关系，并且得到了临界损伤振动速度可 作为爆破损伤安全判据的结论‘6J 。这些研究对在 理论上对爆破损伤的力学过程作出了深入探讨；在 技术上提出了应用声波测速仪、电法C T 成像技术 以及计算机数值模拟等探究爆破损伤的影响范围。 前人在岩石爆破损伤大多着重于理论和试验分 析，而直接用于生产实践的较少，而且爆破试验成本 也相对较高，由于研究手段和测试手段的局限性，其 结果也不太明确。采用给定炸药和岩石物理力学参 数的计算机数值模拟的研究方法，却可以方便、经济 地模拟不同条件下的爆破结果，从而优化比较出最 优的爆破方案。鉴于此，研究中针对具体矿山生产 条件一J ，采用国内外运用较多的爆破模拟程序A N ． S Y S ／L S D Y N A 建立三维数值模拟模型，对回采落矿 收稿日期2 0 1 6 1 2 0 3 作者简介李江华 1 9 9 0 一 ，男，武汉科技大学资源与环境工程学院 硕士研究生，主要从事采矿工程的研究， E m a i l 5 6 9 0 6 1 6 7 0 q q ．0 0 m 。 通讯作者叶义成 1 9 6 0 一 ，男，武汉科技大学资源与环境工程学 院，教授、博士生导师，主要从事矿床开采、矿山安全技术 的教学与研究， E m a i l y y c 6 0 1 2 6 ．c o m 。 基金项目湖北省科技支撑计划 2 0 1 4 B C B 0 3 3 设计的爆破方案进行数值模拟研究以此指导生产实 践。同时模拟在不同的浅孔落矿爆破方案中，多孔 分段起爆，爆破动荷载对顶板和矿柱的损伤范围，从 而寻求安全爆破方式和降低损失贫化率的途径。 1 数值模拟力学模型 以上横山典型含钒页岩矿床为研究对象，矿床 呈多层排列薄一中厚缓倾斜产出，矿区内主矿体呈 层状产出，倾角5 。～2 5 。，产状缓而稳定。矿体沿走 向长度为2 2 4 6 7 0m ，厚度约0 ．7 5 ～7 ．2 7m 。根据 矿床赋存条件，设计采用分层条带协同开采嗣后充 填采矿方法呻J 。回采时采用浅孔落矿，炮孔布置方 向可分两种形式 1 炮孔布置沿矿体走向方向，即 以矿房采空区为自由面钻进浅孔，向凿岩巷道崩矿； 2 炮孑L 布置垂直矿体走向方向，即凿岩巷道提供 自由面钻进浅孔，向矿房采空区崩矿。不同的落矿 爆破方式，对于顶板和侧帮的损伤和破坏都不同，直 接影响回采的损失贫化指标和采场安全，采场布置 示意图如图1 所示。 1 ．1 岩体力学模型 根据上横山含钒页岩矿床的岩石物理力学特 性，将岩体本构模型简化为连续介质模型。岩石的 应力一应变关系呈现的是复杂的非线性特征，在爆炸 动载荷的作用下岩石达到屈服极限之前将介质视为 弹性体，达到屈服极限后视为塑性体。在数值模拟 中，矿体和围岩材料模型采用H ．J ．C 模型，该模型主 要用于高速应变、大变形下岩石模拟，在L S D Y N A 中H J C 模型的定义方式为术M A T J O H N S O N H O L M G U I S T C O N C R E T E 。 H - J _ c 模型综合考虑了大应变、高应变率、高压 效应，其等效屈服强度是压力、应变率及损伤的函 数，而压力是体积应变的函数，损伤累计塑性体积应 变、等效塑性应变及压力的函数，符合上横山矿床条 带充填开采条件。H ．J ．c 模型的强度以规范化等效 应力描述为 盯 [ A 1 一D 曰P Ⅳ] 1 c I ns 1 式中盯 盯缓，为实际等效应力与静态屈服 强度之比；P 彤；，为无量纲压力；善 善／玩，为 无量纲应变率。 损伤因子D O ≤D ≤1 由等效塑性应变和塑性 体积应变累加得到 D V 垒 坐r “ 一 厶 g P 七也 V 。 式中△占，为等效塑性应变增量；△p ，为等效体 积应变增量。f P 为常压| P 下材料断裂时的塑性 万方数据 第3 4 卷第1 期李江华，叶义成，姚囝，等缓倾斜薄中厚矿床浅孔落矿对围岩爆破损伤的数值模拟研究 应变；P4 与r 为规范化压力与材料所能承受的规 范化最大拉伸静水压力；D ，与D 为损伤常数‘9 I 。 在A N S Y S ／L S D Y N A 中嵌入各向同性一弹塑性 ＼＼广尸 材料模型进行分析，所取采场的岩石物理力学参数 见表1 ‘8 | 。 锄 懋糕懋瞧粼烨聪渊黼燃燃 翻。0 。0d。＼＼迫 1 ．斜坡道联巷；2 ．盘区溜井；3 ．溜井联巷；4 ．上山；5 ．凿岩巷；6 ．充填通风孔；7 ．充填体；8 ．采空区；9 ．矿石； 1 0 ．矿房；1 1 ．上山矿柱；1 2 ．充填挡墙；1 3 ．矿柱；1 4 ．斜坡道 1 ．r a m pr o a dr o a d w a y ；2 ．p a n e lo r e p a s s ；3 ．o r e p a s sr o a d w a y ；4 ．r i s e ；5 ．d r i l ld r i f t ；6 ．b a c k f i l lv e n t ；7 ．b a c k f i l l ；8 ．g o a f ； 9 ．m i n e r a l ；1 0 ．r o o m ；1 1 ．r i s ep i l l a r ；1 2 ．b a c k f i l lp a r a p e t ；1 3 ．p i l l a r ；1 4 ．r a m pr o a d 图1 采场布置示意图 F i g ．1 S c h e m a t i co fs t o p el a y o u t 表1 岩石物理力学参数 T a b l e1T h er o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s 1 ．2 爆炸荷载下岩石的屈服准则 岩石在爆炸荷载下所受到的应力一应变非常复 杂，被破坏的岩石失效形式既包含断裂失效也包含 屈服失效。目前许多学者采用V o nM i s e s 有效应力 来描述岩石介质在动载荷下的应力特征0 ‘1 2 1 。同 样，研究中亦采用V o nM i s e s 有效应力分析爆破过 程中应力场的分布规律及爆破特性。 由于采场爆源不直接接触矿柱和顶板，所以其 破坏主要是受到爆炸应力的拉伸破坏，岩石爆破损 伤也主要是爆炸应力波的拉伸作用下产生。故当有 效应力大于矿柱和顶板的动拉伸强度时，岩石破 坏3 | ，当效应力大于矿柱和顶板的静态拉伸强度 时，岩石裂纹扩展，以此作为岩石损伤的依据4 | 。 岩石对动荷载的反应与对静载荷的反应是完全不同 的，这就是说岩石抵抗动荷载的动强度与静强度是 完全不同的，岩石动抗拉强度一般为静抗拉强度的 6 ～8 倍5 【。研究中岩石动抗拉强度取静抗拉强度 的6 倍，则围岩动抗拉强度矿体1 0 3 ．4 4M P a ，矿岩 的动抗拉强度矿体为3 5 ．4 6M P a 。 1 ．3炸药参数及爆破荷载状态方程 炸药选用水M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N 材 料模型6 。17 | ，采用2 岩石炸药的相关参数密度P 1 0 0 0k g ／m 3 ，爆D 3 6 0 0m ／s ，爆轰压力P c 。 3 ．2 4G P a 。 炸药的状态方程用J W L J o n e s ．W i l k e n s ．L e e 状 态方程见式 3 ，其参数见表2 。 匕， 4 一南 e 啦” B 一南 e 啦y 字 3 式中J P 。为爆轰产物压力，G P a ；A 、B 常数， 闷闷闷霾闷闷闷闷阏 蕊蕊蕊蕊蕊蒸 M、Ⅵ 万方数据 8 8爆破 2 0 1 7 年3 月 G P a ；R 。、R 、∞为常数；E 。炸药的单位体积内能， G P a ；V 为相对体积。 表2 炸药状态方程参数 T a b l e2 E q u a t i o np a r a m e t e r so fe x p l o s i v es t a t e A ／G P a B ／G P a ∞R lR 2E 0 ／ J m 。3 V 2 1 40 ．1 8 20 ．34 ．1 50 ．9 57 ．0 1 0 91 ．0 2 浅孔落矿爆破数值模拟模型 2 ．1 爆破数值模拟模型的建立 上横山含钒页岩矿床采用分层条带协同开采嗣 后充填法，数值模拟中矿房矿柱宽度分别设计为 1 0m ；数值模拟矿房高度取矿体平均厚度为3m 。 炮孔的布置分别为沿矿体走向方向如图2 所示，和 垂直矿体走向方向如图3 所示。上下实体为围岩， 中间为凿岩巷道和矿柱。模型中岩石及炸药均采用 显示动力分析中的8 节点S o l i d l 6 4 实体单元类型。 设计炮孔直径为4 0m m ，炮孔深2 ．41 3 3 ，堵塞长 5 0c m ，装药长度为1 9 0c m ，排间距0 ．9m 。分别在 凿岩巷道两边各布置4 排平行排列的平行炮孔共 3 2 1 6 2 个，分段起爆，靠近自由面的先起爆，每 段雷管起爆一排炮孔。数值模拟中每段炮孑L 起爆问 隔2 0 肛s ，实际设计起爆间隔时间为2m s ，比例关系 为1 1 0 0 。 划分网格时爆孔附近网格密集，其他部位相对 较稀疏，如图4 和图4 所示。图4 中模型的节点数 为1 1 5 3 5 0 ，单元数为9 8 5 5 1 ；图5 中模型的节点数为 1 7 3 2 0 7 ，单元数为1 5 4 0 6 3 。两种网格模型中地面边 界、顶面边界以及除上山位置处的3 个竖直边界为 无反射边界，以减小边界应力波反射的影响和模拟 无限岩体，上山处和凿岩巷道处的面为自由边界。 由于模型的对称型，在实际建模时可建立1 ／2 的模 型，并在对称面设置对称边界约束，以缩短数值模拟 运算时间一建模采用c m 卜s g 单位体系 图2 炮孔布置沿矿体走向三维模型 F i g ．2 T h e3 Dm o d e lo ft h eb l a s th o l e s l a y o u ta l o n gt h eo r eb o d y 图3 炮孔布置垂直矿体走向三维模型 F i g ．．3 T h e3 Dm o d e lo ft h eb l a s th o l e sv e r t i c a lt h eo r eb o d y 图4 炮孔布置沿矿体走向网格模型 F i g ．4T h e 刚dm o d e lo ft h eb l a s th o l e sl a y o u t a l o n gt h eo r eb o d y 图5 炮孔布置垂直矿体走向网格模型 F i g ．5 T h eg r , dm o d e lo ft h eb l a s th o l e sv e r t i c a lt h eo r eb o d y 2 ．2 爆破数值模拟终止时间及结果输出设定 一般认为炸药爆炸时的冲击波作用持续时间约 为1 ．0 1 0 ～一0 ．1S ，爆生气体压力作用时间约为 1 ．0 1 0 ～一0 ．1S ；张建华的计算显示炮腔压力持 续时间在数百微妙内衰减‘1 8 - 2 03 。 考虑到爆炸在其周围介质中形成的有效应力 场，根据有效应力场的分布及大小判断岩石在爆炸 作用下的损伤破坏情况。爆破数值模拟研究过程中 炸药爆炸后持续时间取为1 5 0 0I ．L S ，该持续时间可得 到较为可靠的爆破结果。爆破数值模拟过程中每 1 s 输出一个计算结果。 3 数值模拟结果分析 3 ．1 有效应力场分析 模拟得到了不同爆破方案起爆的不同区域有效 应力分布云图和监测点的有效应力时程曲线。有效 应力反映的是岩体内单位面积上固体颗粒承受的平 均法向应力旧1 | ，用V o nM i s e s 有效应力来表征介质 万方数据 第3 4 卷第1 期李江华，叶义成，姚囝，等缓倾斜薄中厚矿床浅孔落矿对围岩爆破损伤的数值模拟研究 8 9 应力特征是一个重要手段。图6 ～图9 为炮孔沿矿 体走向布置爆破，炸药爆炸后不同时刻，炸药周围介 质的有效应力云图 ．L 图69 1I x s 时有效应力分布云图 F i g ．6 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 91 s 撼】 翔 图72 0 0p , s 时有效应力分布云图 F i g ．7 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 2 0 0 “s 图88 6 7I x s 时有效应力分布云图 F i g ．8 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 8 6 7I x s 图91 3 5 0 ] x s 时有效应力分布厶图 F i g ．9 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 1 3 5 0I x s 从图6 ～图9 可见在炸药起爆后，有效应力从 炸药中心传出，以球面应力形式向四周传播，起初各 个炮孔内炸药形成的有效应力相互独立，各段炮眼 内的炸药起爆时间有间隔，靠近凿岩巷道的炸药先 起爆。在t 2 0 0I x s 后各个药包有效应力开始相互 叠加，并逐渐融合在一起；之后应力波到达自由面并 发生反射叠加，并且应力波向周围扩展；在t 1 3 5 0I x s 之后爆炸应力波开始衰减，从有效应力场最 大灰度值即可看出。 图1 0 一图1 3 为炮孔垂直矿体走向布置爆破，炸药 爆炸后不同时刻，炸药周围介质的有效应力云图。 纛1 ；蓁i 图1 01 7 0t x s 时有效应力分布云图 F i g ．1 0 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 1 7 0 s 图1 11 9 0 s 时有效应力分布云图 F i g ．11 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 19 0 “s 图1 24 2 7I x s 时有效应力分布云图 F i g ．1 2 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 4 2 7 斗s 由于布孔方式的不同，从图1 0 和图1 1 可以直 观看出炸药由孑L 底起爆，应力波逐渐向自由面传播 的特征。 3 ．2 有效应力时程曲线分析 分别在距离矿房侧帮不同位置处的矿柱和顶板 上布置监测点，并输出各个监测点的有效应力时程 o，一11{1， 瓣麓罴藏 -111111卷篆塞罴 h，一11111嚣签舞淼 l-】一1111， 懑鬻罴篡 万方数据 爆破2 0 1 7 年3 月 曲线。 1 炮孔沿矿体走向布置的情况下，在矿柱上 距离矿房侧帮每1m 位置处布置监测点，在顶板距 离矿房边界每0 ．5m 位置处布置监测点。可得到不 同位置处的应力时程曲线，如图1 4 和图1 5 所示， 萝0 直 言O 喜 l o 岛 耋0 慕】 翔 图1 39 8 0 s 时有效应力分布云图 F i g ．13 E f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o n t 9 8 0I x s 图1 4 矿房侧帮监点的有效应力时程曲线 F i g ．1 4 T h ee f f e c t i v es t r e s st i m eh i s t o r yc u r v e so f t h em o n i t o r i n gp o i n t so nr o o l n ’ss i d e ∞3 4 0 1 ￡8 3 4 3 7 ∞3 4 6 l 立8 3 5 4 5 图1 5 顶板监测点的有效应力时程曲线 F i g ．1 5 T i l ee f f e c t i v es t r e s st i m eh i s t o r yc u l w e so f t h em o n i t o r i n gp o i n t so nt h er o o f 图1 4 中单元A 、B 、C 、D 、E 、F 分别是矿柱上距 离矿房侧帮0I l l 、1I n 、21 1 1 、3i n 、4 i n ，5i n 处的监测 点。由曲线可见矿柱上的有效应力值随距离矿房 边界的增加而减小。单元c 的有效应力时程曲线 峰值为4 4 ．5 6M P a ，单元D 的有效应力时程曲线峰 值为3 0 ．8 6M P a ，大于岩石动抗拉强度。故爆炸应 力波对矿柱的破坏范围在距离矿房侧帮2 3I T I 。 图1 5 中单元A 、曰、c 、D 、E 、F 、G 分别是矿柱上 距离矿房侧帮0I n 、0 ．5I n 、1i n 、1 ．5n l 、21 T I 、2 ．5I n 、 3I n 处的监测点。由曲线可见，顶板上的有效应力 值随距离矿房边界的增加而减小。单元A 的有效 应力时程曲线最大值为8 4 ．6 3M P a ，单元B 的有效 应力时程曲线最大值为7 0 ．1 9M P a ，即顶板的最大 有效应力值小于岩石动抗拉强度。 2 在炮孔垂直矿体走向布置的情况下，在矿 柱距离矿房侧帮每1I T I 位置处布置监测点，在顶板 距离矿房边界每0 ．5I n 位置处布置监测点。可得到 不同位置处的应力时程曲线，如图1 6 和图1 7 所示， 1 曼0 } 音0 麦0 ∞ 专0 正1 9 5 7 9 9 c 1 9 5 8 1 9 卫1 9 5 8 3 5 正1 9 5 8 5 5 图1 6 矿房侧帮监测点的有效应力时程曲线 F i g ．16 T h ee f f e c t i v es t r e s st i m eh i s t o r yc u r v e so f t h em o n i t o r i n gp o i n t so nr o o l n ’ss i d e 上1 6 6 1 9 1 正1 6 6 1 9 3 _ ￡1 6 6 1 9 6 正1 6 6 2 0 I ￡1 6 6 2 0 3 立1 6 6 2 0 8 圈1 7顶板监测点的有效应力时程曲线 F i g ．1 7 T h ee f f e c t i v es t r e s st i m eh i s t o r yc u r v e so f t h em o n i t o r i n gp o i n t so nt h er o o f 由图1 6 中曲线可见在距离矿房侧帮0i n 处单 元的有效应力时程曲线，最大有效应力值为 2 9 ．4 8M P a ，小于矿岩动抗拉强度。即矿柱的最大 有效应力值小于小于矿岩动抗拉强度。 由图1 7 中曲线可见顶板距离矿房边界0i n 处 单元的有效应力时程曲线的最大有效应力值为 9 5 ．8 3M P a ，小于围岩动抗拉强度；在顶板距离矿房 边界0 ．5m 处单元的有效应力时程曲线的最大有效 应力值为6 5 ．2 8M P a ，小于围岩动抗拉强度。即顶 板的最大有效应力值小于岩石动抗拉强度。 根据图1 4 ～图1 7 中数据曲线，采场监测点的 有效应力峰值汇总及岩石损伤、破坏情况见表3 和 表4 。 万方数据 第3 4 卷第1 期李江华，叶义成，姚囝，等缓倾斜薄中厚矿床浅孔落矿对围岩爆破损伤的数值模拟研究 9 1 表3 矿柱监测点有效应力峰值及损伤、破坏情况 T a b l e3T h ee f f e c t i v es t r e s sp e a ko ft h em o n i t o r i n gp o i n t sa n dd a m a g e ，d e s t r u c t i o no nt h ep i l l a r 表4 顶板监测点有效应力峰值及损伤、破坏情况 T a b l e4T h ee f f e c t i v es t r e s sp e a ko ft h em o n i t o r i n gp o i n t sa n dd a m a g e ，d e s t r u c t i o no nt h er o o f 由表3 和表4 可见，在浅孔落矿中控制药量和 炮孔数量不变的情况下，当炮孔沿矿体走向方向布 置时，爆炸动荷载对矿柱的损伤范围在距离矿房侧 帮大于5I l l ，爆炸动荷载对矿柱的破坏范围在距离 矿房侧帮2 3m ，破坏范围较大；其对顶板的损伤 范围在1 ～1 ．5I l l ，对顶板不会产生破坏作用。当炮 孔垂直矿体走向方向布置时，爆炸动荷载对矿柱的 损伤范围在距离矿房侧帮4 ～5m ，爆炸动荷载对不 会对矿柱产生破坏作用；其对顶板的损伤范围在1 1 ．5m ，对顶板不会产生破坏作用。 4 结论 1 利用A N S Y S ／L S D Y N A 有限元软件，以上 横山缓倾斜薄一中厚含钒页岩矿床为研究对象，对 浅孔落矿多孔爆破炮孔沿矿体走向布置和炮孔垂直 矿体走向布置的两种爆破方案进行数值模拟。研究 采用爆破荷载下岩石V o nM i s e s 屈服准则，得到了 浅孔爆破落矿不同时刻围岩的有效应力云图和在矿 柱、顶板不同位置监测点的有效应力的时程曲线等 爆破时效信息，是分析浅孔落矿对矿柱和顶板的爆 破损伤范围和对岩石的破坏范围的有效途径。 2 两种爆破布孔方案对顶板围岩都有一定的 损伤，但不会直接造成破坏，对回采矿石贫化影响较 小。研究矿山的层状矿体采用孔径4 0m m ，孔深 2 ．4i n 的浅孔落矿方式时，当炮孔沿矿体走向布置 时，爆破荷载对矿柱损伤范围较大，距离侧帮大于 5I l l ；破坏范围较大，距离侧帮2 3m ，矿柱稳定性 较差；当炮孔沿矿体走向布置时，爆破荷载对矿柱损 伤范围较大，距离侧帮4 5I l l ，但不会对矿柱造成 破坏；炮孔沿矿体走向布置的浅孔落矿方案较优。 爆破数值模拟结果为实际现场的爆破施工方案的最 优选择提供了可靠的依据。 万方数据 爆破2 0 1 7 年3 月 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 闫长斌，王贵军，王良伟，等，著．岩体爆破累积损伤效 应与动力失稳机制研究[ M ] ．郑州黄河水利出版社， 2 0 1 1 1 9 ． 杨小林，员小有，吴忠，等．爆破损伤岩石力学特性 的试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 1 ，2 0 4 4 3 6 4 3 9 ． Y A N GX i a o l i n ，Y U A NX i a o y o u ，W UZ h o n g ，e ta 1 ．T h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb l a s td a m a g e dr o c k 『J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，2 0 4 4 3 6 4 3 9 ． i nC h i n e s e 朱传云，喻胜春．爆破引起岩体损伤的判别方法研究 [ J ] ．工程爆破，2 0 0 1 ，7 1 1 2 1 6 ． Z H UC h u a n y u n ．Y US h e n g c h u n ．S t u d yo nt h ec r i t e r i o n o fr o c k m a s sd a m a g ec a u s e db yb l a s t i n g [ J ] 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