全尾砂胶结充填体的爆破振动破坏机制和振动速度阈值研究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.001 全尾砂胶结充填体的爆破振动 破坏机制和振动速度阈值研究* 黄欣成“,卢文科b,张立新2,严IT■，石磊 1.武汉大学a.水资源与水电工程科学国家重点实验室;b.水工岩石力学教育部重点实验室，武汉430072； 2.五矿矿业控股有限公司，合肥230091 ；3,安徽开发矿业有限公司，六安237426 摘 要结合五矿矿业安徽李楼铁矿-425 m中段矿柱爆破回采工程实例，利用应力波理论，分析了爆炸 应力波在全尾砂胶结充填体中的传播及其与介质界面的相互作用，基于充填体的冲击压剪、剪切和反射拉伸 等不同破坏机制和破坏准则，研究了充填体的质点振动速度阈值。研究表明在爆炸应力波作用下，矿柱与 18充填体的胶结面易发生剪切破坏，而胶结充填体易发生压剪破坏;在透、反射应力波作用下，18和120 配比充填体的胶结面易发生拉裂破坏，而与120充填体相邻侧的18充填体则可能发生层裂破坏。具体的 充填体质点振动速度阈值为矿柱与18充填体胶结面的剪切破坏质点振速阈值为27.6 cm/s,紧邻矿柱18 充填体的冲击压剪破坏质点振速阈值为172 cm/s；l8和120配比充填体胶结面的拉裂破坏质点振速阈值 为12.6 cm/s,而与120充填体相邻侧18充填体的层裂破坏质点振速阈值为52.6 cm/so 关键词爆破振动；应力波理论；胶结充填体；破坏机制；质点振速 中图分类号TD235 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0001 -07 Study on Blasting Vibration Failure Mechanism and Vibration Velocity Threshold of Total Tailing Cemented Backfill HUANG Xin-c heng ,LU Wen-b o lb ,ZHANG Li-xin , YAN Pen gl al b ,SHI Lei3 1. a . St a t e Key La bo r a t o r y o f Wa t er Reso u r c es a n d Hy d r o po wer En gin eer in g Sc ien c e ； b. Key La bo r a t o r y o f Ro c k Mec ha n ic s in Hy d r a u l ic St r u c t u r a l En gin eer in g, Min ist r y o f Ed u c a t io n, Wu ha n Un iver sit y, Wu ha n 430072, Chin a ；2. Min met a l s Min in g Ho l d in gs Co . ,Lt d ., Hef ei 230091,Chin a；3. An hu i Devel o pmen t Min in g Co . ,Lt d . ,Lu a n 237426,Chin a Abstract The pillar blasting stope project of 425 m medium stage in Lilou Iron Mine of Minmetals Mining was presented. Based on the stress wave theory, the propagation of blasting stress wave in total tailing cemented backfill and its interaction with medium interface were analyzed. According to the different failure criteria and mechanism of backfill,such as impact-compression-shear, shear and reflective tension, the particle vibration velocity threshold of backfill were studied. The research shows that the cementing surface between the pillar and the 18 ratio backfill is prone to shear failure due to blast stress wave, and the cemented backfill is prone to compression-shear failure. Under the action of refracted and reflected stress wave, the cementing surface between the 1*8 ratio and l20 ratio backfill is prone to tensile failure, and the spall fracture of the 18 ratio backfill adjacent to the l20 ratio backfill may occur. The specific particle vibration velocity threshold of the backfill is summarized below The particle vibration velocity threshold of shear failure on the cemented surface between the pillar and the 18 ratio backfill is 27. 6 cm/s；the par ticle vibration velocity threshold of compression-shear failure of 18 ratio backfill adjacent to pillar is 172 cm/s； the particle vibration velocity threshold of tensile failure on the cementing surface between the 18 ratio and 120 ratio backfill is 12. 6 cm/s. the particle vibration velocity threshold of spall fracture of the 18 ratio backfill adjacent to the 2爆破2021年3月 120 ratio backfill is 52. 6 cm/s. Key words blast vibration ； stress wave theory ； cementing backfill ； failure mechanism ； particle vibration ve locity 空场嗣后充填法成为国内外缓解采矿工程地质 灾害的一种普遍方法九刀，在空场嗣后充填法中胶 结充填体起重要承载作用,而矿柱爆破回采可能对 邻近充填体产生冲击和振动破坏⑶4 ,因此分析充 填体破坏机制并确定对应质点振速阈值成为采矿工 程建设过程中的重要技术问题之一。 目前胶结充填体的爆破振动破坏及其控制研究 取得了一些成果。数值模拟方面，主要利用 flac3\ansys/ls-dyna等专业软件模拟充填体 破坏过程⑸6］。试验研究方面，多借助分离式霍布 金森压杆技术，对胶结充填体的动态力学参数与破 坏规律进行试验研究79］。理论研究方面，姜立春等 采用弹性力学半逆解法，建立边界力耦合作用下胶 结充填体的临界爆破振速理论模型⑷；刘志祥、李 夕兵等建立了爆破动载下高阶段矿柱不同开采高度 处充填体动静应力理论模型［⑹；朱瑞鹏等通过分析 爆炸应力波在胶结充填体内部空隙中的透反射规 律,建立了充填体张拉破坏理论模型⑹，但目前研 究较少结合矿柱分段回采、炮孔布置特征等实际工 况，并且鲜有全尾砂胶结充填体的爆破振动破坏机 制及对应振动速度阈值的系统分析。 李楼铁矿-425 m中段回采采用25 m分段上 向扇形孔阶段空场嗣后充填法，如图1, 一步骤开采 I、皿、V及VI号矿房后，用灰砂比18的全尾砂胶 结充填体进行充填，二步骤回采n、VI号矿柱后,用 灰砂比120的全尾砂胶结充填体进行充填。结合 此实例，针对W号关键矿柱回采可能导致的相邻胶 结充填体爆破振动破坏问题，分析了胶结充填体的 爆破振动破坏机制,并求解出不同破坏机制下胶结 充填体的爆破振动速度阈值。由于结构对称，仅分 析IV号矿柱- 325 -300 m分段回采对一侧充填 体的爆破振动影响，如图2所示,a表示炮孔与水平 方向夹角，工程实际中炮孔与水平方向夹角分布在 40。86。之间。 120 a 步骤开采 a The first step mining b二步骤回采 b The second step stoping 图1阶段空场嗣后充填法单位m Fig. 1 Stage delayed cemented filling unitm 1应力波与胶结充填体相互作用分析 IV号矿柱爆破回采，炮孔采用柱状装药，在其近 收稿日期2020-12-06 作者简介黄欣成1995 -，男，湖北随州人，硕士研究生，主要从事 岩石动力学及工程爆破的相关研究工作，E-mail 2018202060056 whu. edu. cno 通讯作者卢文波1968 -，男，教授、博士生导师，主要从事岩石动力学 及工程爆破的相关研究,E-mail wblu whu. edu. cn0 基金项目国家自然科学基金项目51779190;中央高校基本科研 业务费专项资金资助2042018W211;湖北省自然科学 基金杰出青年基金项目2019CFA060 区产生柱面波,但在离爆心一定距离外，可近似视为 平面波，就弹性平面波通过皿〜W胶结面时的情况 进行研究。入射P波在皿 W胶结面的透反射情 况如图3所示。 利用波的位移场分析此问题，平面简谐应力波 位移场［⑴ Un An ex讥认 k裁 p -详 p - wQ} 1 式中汽二0、1、2、3、4分别表示入射P波、反射P波、 反射SV波、透射P波、透射SV波几为波的位移幅 第38卷 第1期 黄欣成，卢文波,张立新，等 全尾砂胶结充填体的爆破振动破坏机制和振动速度阈值研究3 值;沪为波的位移单位矢量讥为虚数单位;饥为波 数;戸为波传播方向上的单位矢量;叫为圆频率;对 于P波，沪二於,对于SV波，岛二0。 n m iv 120充填体 18充填体 矿柱 \ \ 1 1 / / \\\\ * 4 1As * , 4 ■ 八’f,加■ d /// 广珂 d .. （2）沿胶结面发生剪切破坏。爆炸应力波在胶结面 上产生的切向应力，可能导致矿柱与充填体相互错 动，从而造成胶结面发生剪切破坏。U〜皿胶结面 在爆炸应力波作用下的破坏机制同皿〜IV胶结面。 2.2 in IV胶结面附近1 8充填体破坏机制 m〜w胶结面附近充填体在爆炸应力波作用下 可能出现的破坏包括（i）冲压破坏。爆炸应力波 法向应力分量对充填体造成冲击压缩作用，法向应 力过大时，皿〜W胶结面附近充填体将产生冲压破 坏;⑵ 压剪破坏。取皿〜W胶结面附近18充填体任 一单元，如图4所示，透射应力波对此单元侧面产生 法向和切向应力作用，应力大小如式⑷,单元顶面同 样受到法向压应力和切向应力作用，法向压应力为 丁兀,其中如为动泊松比,单元顶面切向应力同 2d 侧面切向应力，在爆炸应力及侧向应力共同作用下, 可能诱发皿〜W胶结面附近18充填体压剪破坏。 ratio backfill near the HI IV cemented surface z ■- - ■ ■ ■ ■ - - 4 I n入Jhf nt/力勺討 .* 4. .. * 6 「S咅一二-□ 八力丿J vK ,* .* 4 ** r\ 18充填体 x 矿柱 图4 miv胶结面附近1咯充填体压剪破坏 Fig. 4 Compression shear failure of 1-8 2.3 u m胶结面附近1 8充填体破坏机制 由于透过I E〜W胶结面的应力波折射角较小, 其传播至U〜I D胶结面时可近似按照垂直入射考 虑。入射压应力波经过U 皿胶结面反射为拉应力 波，考虑三角形爆炸荷载曲线，如图5,久表示入射 波荷载峰值，当反射拉应力波荷载峰值与入射压应 4爆破2021年3月 力波荷载值叠加恰好达到充填体抗拉强度时，发生 第一次拉裂破坏，形成竖向裂纹;此时入射压应力波 继续传播,经过裂纹自由面反射形成拉应力波，当第 二次反射的拉应力波荷载峰值与压应力波荷载叠加 再次达到充填体抗拉强度时,发生第二次拉裂破坏, 直至在新自由面反射的拉应力波峰值荷载与入射压 应力波荷载叠加小于充填体抗拉强度,开裂过程停 止，即充填体可能发生层裂破坏。 a The ation of the first layer crack b第二层裂纹产生 b The ation of the second layer crack 图5 U〜HI胶结面附近18充填体层裂破坏 Fig. 5 Spall fracture of 18 ratio backfill near the II 〜HI cemented surface 3强度准则与计算参数 3.1强度准则 根据上述胶结充填体破坏机制分析可知,胶结 充填体同一位置处在爆炸应力波作用下可能对应多 个破坏模式,针对不同破坏模式，采用对应的强度准 则计算该破坏模式下的安全质点振速,取各不同破 坏模式所对应安全质点振速的最小值作为该位置处 充填体不发生破坏的质点振速阈值。 剪切破坏对应莫尔一库伦强度准则，可由法向、 切向应力或最大、最小主应力分别表示⑶ c rzx az t an c p c 5 a3 6 t a n245 -号-2c t a n45 -号6 式中c为胶结面内聚力;。为胶结面有效内摩 擦角。 拉裂破坏对应极限拉应力强度准则，可表示为 6 f i ⑺ 式中，力为容许拉应力。 冲压破坏对应极限压应力强度准则，可表示为 6 f c ⑻ 式中，尤为容许压应力。 爆炸应力波是由多频率成分叠加而成的复杂组 合，选取统计意义上、贡献最大的频率成分作为研究 对象,可将爆炸应力波视为简谐波,近似得对应的安 全质点振速I⑴ ［刃wf［A0\ 9 式中，兮为圆频率，其值可近似取为主振频率。 3.2计算参数 根据试验和经验公式确定矿柱、18充填体和 120充填体力学参数［3J214］，如表1〜3。矿柱、充填 体动弹性模量可由动弹模与纵、横波波速及密度关 系式求得［⑷；I D W、U 皿胶结面抗拉强度分别 取为18配比与120配比充填体抗拉强度的 60［11］；充填体动抗拉强度缺乏试验和理论研究, 近似参照岩石动强度与应变率及静强度关系得到， 因此矿柱、胶结充填体的动强度分别近似取为静强 度的2和3倍［⑸⑹；胶结面有效内摩擦角近似取为 10。，皿“胶结面内聚力取为0.05 MPa , f l 皿胶 结面内聚力取为0.01 MPa⑶；动泊松比取为静泊松 比的0.8倍⑹。 表1矿柱力学参数 Ta bl e 1 Mec ha n ic a l pa r a met er s o f pil l a r 弹性模量/ GPa 泊松比 密度/ g cm-3 纵波波速/ km ■ s 1 横波波速/ km ■ s 1 25.1190.2023.4875.213.10 4全尾砂胶结充填体爆破振动速度阈值 4.1 in iv胶结面爆破振动速度阈值 扇形炮孔起爆可产生多个不同入射角度平面应 力波,而入射角与图2中炮孔水平夹角a具有对应 关系，因此得到入射角分布范围为4〜50,为分析 方便，选取典型入射角进行考虑，其余角度入射时分 第38卷 第1期 黄欣成，卢文波,张立新，等 全尾砂胶结充填体的爆破振动破坏机制和振动速度阈值研究5 析方法类似;忽略延时起爆与应力波传播影响，认为 各入射应力波同时与胶结面作用，结合透射应力波 振幅系数、应力表达式、破坏准则及质点振速表 达式，代入材料参数,可得各入射角应力波作用下 m iv胶结面发生破坏时的安全质点振速，如表4 所示。 表2 120配比充填体力学参数 Ta bl e 2 Phy sic a l pa r a met er s o f t he l20 r a t io ba c k f il l 弹性模量/ GPa 泊松比 密度/ g cm-3 纵波波速/ km s 1 抗拉强度/ MPa 横波波速/ km s 1 0.060.281.810.600.020.35 表3 1恣配比充填体力学参数 Ta bl e 3 Phy sic a l pa r a met er s o f t he 18 r a t io ba c k f il l 弹性模量/ GPa 泊松比C密度2 g cm 纵波波速/ km s 1 横波波速/ km s 1 抗拉强度/ MPa 内摩擦角/ 抗压强度/ MPa 内聚力/ MPa 0.380.25 1.741.500.900.16391.950.30 表4 n i-iv胶结面的安全质点振速 Ta bl e 4 Sa f e pa r t ic l e vibr a t io n vel o c it y o f in ** I V c emen t in g su r f a c e 入射角/4122028364450 安全质点振速/cm s-140.0 41.143.547.540.331.327.6 拉裂破坏质点振速/cm ■S-140.041.143.547.553.461.570.5 剪切破坏质点振速/cm S-1--111.064.840.331.327.6 由计算结果可知，爆炸应力波作用下，小入射角 易诱发胶结面拉裂破坏，大入射角易诱发胶结面剪 切破坏，胶结面破坏类型随入射角的增大，由拉裂破 坏转变为剪切破坏,安全质点振速随入射角的增大 呈先增后减的变化规律，由于最大入射角应力波诱 发剪切破坏时对应最小安全质点振速，即胶结面更 易发生剪切破坏,对应质点振速阈值为27. 6 c m/s。 需要说明的是，矿柱回采过程,需要通过爆破方法使 矿体破碎崩落、并与充填体分离，以实现爆破回采 目的。 4.2 in IV胶结面附近充填体爆破振动速度阈值 采用上述计算方法，可得不同入射角应力波作 用下in W胶结面附近18充填体发生冲压破坏或 压剪破坏时的安全质点振速，如表5所示。 表5 m IV胶结面附近18充填体的安全质点振速 Ta bl e 5 Sa f e pa r t ic l e vibr a t io n vel o c it y o f 18 r a t io ba c k f il l n ea r t he in * I V c emen t in g su r f a c e 入射角/4122028364450 安全质点振速/cm s■* 541557590432272203172 冲压破坏质点振速/cm S-1541557590644724832955 压剪破坏质点振速/cm ■S-1--966432272203172 由计算结果可知，爆炸应力波作用下，小入射角 易诱发充填体冲压破坏，大入射角易诱发充填体压 剪破坏，充填体破坏类型随入射角的增大，由冲压破 坏转变为压剪破坏,安全质点振速随入射角的增大 呈现先增后减的变化规律，由于最大入射角应力波 诱发压剪破坏时对应最小安全质点振速，即皿 IV 胶结面附近18胶结充填体更易发生压剪破坏，对 应的质点振速阈值为172 c m/s0 4.3 H 皿胶结面爆破振动速度阈值 入射P波透射过皿 IV胶结面将产生折射角 为爲血的P波、SV波，如图3所示，随后P波、SV 波以角度爲仇、仇爲入射至H 皿胶结面，如图 6所示。 根据异质界面应力波入射角与折射角爲、血 关系，可求得P波、SV波传播至U HI胶结面时入 射角0。、筑大小u,结合前述计算方法，得n m 胶结面发生拉裂或剪切破坏时的安全质点振速，如 表6、表7所示。 s v波入射到n 皿胶结面时，由于入射角较小 且引起的质点振动方向与波阵面传播方向垂宜，因 6爆破2021年3月 此较难导致胶结面拉裂,仅可能发生剪切破坏，由计 算结果可得安全质点振速随入射角增大而增大;P 波入射到U HI胶结面时，由于入射角较小即沿胶结 面切向应力分量较小，因此较难导致胶结面两侧充填 体发生相互错动,仅可能发生拉裂破坏,安全质点振 速随入射角增大而增大。对比不同破坏模式下的安 全质点振速可知』〜皿胶结面更易在入射P波作用 下发生拉裂破坏,对应质点振速阈值为12.6 c m/so 4.4 n in胶结面附近1 8充填体爆破振动速度 阈值 传播至U〜皿胶结面入射应力波近似按照垂直 入射考虑，为防止层裂破坏,根本需防止第一层裂纹 的产生。考虑三角形爆炸荷载曲线，当第一次反射 拉应力波荷载峰值与入射压应力波谷值叠加时,作 用在充填体上的拉应力最大，若此时叠加拉应力恰 好达不到充填体抗拉强度,充填体将不会发生开裂, 对应安全质点振速最小即为防止层裂破坏出现的质 点振速阈值,结合前述计算方法,得质点振速阈值为 52. 6 c m/so U〜I D胶结面 图6 U〜皿胶结面P、SV波的透反射规律 Fig. 6 Law of refraction and reflection of P and SV wave through the II HI cemented surface 表6 s v波入射的n in胶结面的安全质点振速 Ta bl e 6 Sa f e pa r t ic l e vibr a t io n vel o c it y o f I I in c emen t in g su r f a c e u n d er SV wa ve 入射角/。0.72.13.4 4.7 5.86.97.6 剪切破坏质点振速/cm s 1 20.821.121.4 21.6 21.922.222.4 表7p波入射的n皿胶结面的安全质点振速 Ta bl e 7 Sa f e pa r t ic l e vibr a t io n vel o c it y o f H〜in c emen t in g su r f a c e u n d er P wa ve 入射角/。1.23.45.7 7.8 9.711.512.7 拉裂破坏质点振速/cm - s 1 12.612.612.7 12.8 12.913.013.1 4.5分析与讨论 结合上述计算结果可知,工程上，HI〜W胶结面 需发生破坏以达到矿柱崩落回采的目的，对应最小 质点振速为27. 6 c m/s；m -I V胶结面附近18充填 体在应力波作用下的压剪破坏需防止,对应质点振 速阈值为172 c m/s；n〜皿胶结面在应力波作用下 的拉裂破坏需防止，对应质点振速阈值为 12.6 c m/s；为防止U〜皿胶结面附近18充填体发 生层裂破坏,对应质点振速阈值为52. 6 c m/so 为保证矿柱回采过程的工程安全，实际中可采 取合理确定扇形孔底部与胶结充填体的距离、适当 增大一步采矿房厚度和提高胶结充填体强度等工程 控制措施。 55结论 结合上述分析与计算结果,可得以下结论 1爆炸应力波作用下,矿柱与18充填体胶 结面可能发生剪切或拉裂破坏,小入射角度易诱发 胶结面拉裂破坏,大入射角度易诱发胶结面剪切破 坏。此胶结面更易在大角度入射应力波作用下发生 剪切破坏，对应爆破振动质点峰值振动速度为 27.6 c m/s ,I程上此胶结面需破坏以达到矿柱崩落 回采的目的。 2 爆炸应力波作用下,18充填体可能发生冲 压破坏或压剪破坏,小角度入射易诱发胶结充填体 冲压破坏,大角度入射易诱发胶结充填体压剪破坏。 18充填体更易在大角度入射应力波作用下发生压 剪破坏，对应质点振速阈值为172 c m/so 3 爆炸应力波传播至18与120充填体之间 胶结面，由于应力波入射角较小，仅可能在P波作 用下发生拉裂破坏或在SV波作用下发生剪切破 坏，此胶结面更易在P波作用下发生拉裂破坏，对 应质点振速阈值为12.6 c m/so 4 在反射拉应力波与入射压应力波叠加作用 下,120充填体相邻侧的18充填体可能发生层裂 破坏,对应质点振速阈值为52.6 c m/so 第38卷 第1期 黄欣成，卢文波,张立新，等 全尾砂胶结充填体的爆破振动破坏机制和振动速度阈值研究7 参考文献References [1 ] HOU Chen, ZHU Wan-cheng, YAN Bao-xu, et al. 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