深部高地应力条件下双孔爆破岩体损伤数值模拟及试验研究.pdf

第36卷第2期 2019年6月 Vol. 36 No. 2 Jun. 2019 爆破 BLASTI NG doi10.3963/j.issn. 1001 -487X. 2019.02.009 深部高地应力条件下双孔爆破 岩体损伤数值模拟及试验研究 崔正荣二汪 訐,仪海紂1杨海涛“，金科“ 1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，马鞍山243000； 2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司，马鞍山243000 摘要随着开采深度的增加，岩体开挖过程中其受力状态将发生改变，岩体爆破破坏作用将由原来的爆 破动荷载转变为爆破动荷载和地应力静荷载形成的耦合荷载。基于ANSYS/LS-DYNA模拟软件，开展了开 采深度为1000 m、1500 m和2000 m条件下岩体双孔爆破数值模拟。结果表明随着开采深度的增加，地应 力随之增大，通过布置合理的诱导工程，使得岩体X方向损伤半径由3.81 m增大至13.62 m,增加幅度达 257.48 ；F方向损伤半径由3.65 m增大至11.66 m,增加幅度达219.45；损伤深部由10.08 m增加到 22.34 m,增加幅度达到121.63。在此基础上，开展了开采深度为780m J000 m条件下现场爆破漏斗试 验，试验结果表明随着开采深度的增加，岩石爆破漏斗深度、漏斗体积等呈上升趋势，岩石炸药单耗呈降低 趋势，降低幅度达4. 79，进一步验证地应力对岩体爆破致裂起促进作用。 关键词深部开采；损伤破坏；数值模拟；促进作用；爆破效果 中图分类号TD853 文献标识码A 文章编号1001 -487X201902-0059 -06 Numerical Simul ation and Experimental Study of Rock Mass Damage caused by Doubl e-hol e Bl asting Deep I n-situ Stress Conditions CUI Zheng-rong 2, WANG Yu 2, YI Hai-bao-2, YANG Hai-t ao 2 JIN Ke -2 1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co Ltd , Maanshan 243000, China 2. Maanshan Institute of Mining Research Blasting Eng ineering Co Ltd,Manshan 243000,China Abstract With the increase of mining dep th, the stress state of rock mass will chang e in the p rocess of excava tion, and the blasting failure of rock mass will also chang e from the orig inal blasting dynamic load to the coup ling load from blasting dynamic load and g eostress static load. Based on ANSYS/LS-DYNA simulation software, numerical simulation of double-hole blasting in rock mass with mining dep th of 1000 m, 1500 m and 2000 m was carried out. Results show the in-situ stress increases with the mining dep th increasing . By arrang ing reasonable inducing eng i neering ,the damag e radius of rock mass increases from 3. 81 m to 13. 62m up to 257. 48 in X direction and in creases from 3. 65 m to 11.66 m up to 219. 45 in Y direction. In addition, the damag e dep th increases from 10. 08 m to 22. 34 m up to 121.63 . On this basis, blasting funnel tests were carried out under mining dep th 780 m and 1000 m. Results show that, with the increase of mining dep th, the dep th and volume of rock blasting fun nel show an up ward trend, and the unit consump tion of rock exp losive shows a decreasing trend, accomp anied with a reduction of 4. 79 , which further verifies that in-situ stress p lays a p romoting role in rock blasting cracking . Key Words deep mining； damag e and failure； numerical simulation； p romotion； blasting effect 60爆破2019年6月 经过近几十年持续大规模资源开采，我国浅部 矿产资源已基本趋于枯竭，深部矿产资源开采已成 为常态化⑴。岩石处于复杂的深部地应力环境下, 岩体由于受到高地应力的作用使其具有不同于浅部 岩体物理力学特征⑶，地应力对深部岩石爆破影响 也逐渐显现，致使得深部岩石破碎过程变得复杂多 变。目前，研究学者针对深部岩体爆破开展了理论 分析、数值模拟等研究工作，主要观点有不同开采 条件下,地应力对岩石爆破起到“加强”或“减弱”作 用[26] O肖思友等通过开展理论分析及数值模拟等 工作，研究了高地应力下硬岩爆破破岩特性及能量 分布特征⑵，结果表明深部高地应力储存在岩体 内的能量对岩体爆破破碎具有显著的增强效果;谢 理想等基于数值软件建立二维平面模型3⑷，模拟 了不同侧压力系数下深部岩体爆破破坏过程，结果 表明随着开采深度增加，地应力对爆破抑制作用较 为显著。 深部矿山在开采过程中将矿体划分为不同中 段、矿房，爆破开挖过程中其受力状态将由三向不等 压转变为双向或单向受压。大多数学者仅开展了全 围压下深部岩石爆破模拟研究“，未开展深部岩体 在开挖过程中其受力状态改变下岩石爆破研究工 作。为此，本文开展深部高地应力条件下岩石爆破 作用理论分析，探究爆炸动荷载和地应力静荷载耦 合作用;并基于ANSYS/LS-DYNA模拟软件,开展不 同开采深度条件下岩体受力状态改变后双孔爆破损 伤模拟。基于理论分析及数值模拟结果，开展小规 模现场试验，并对现场试验的岩石爆破效果进行分 析,为深部高地应力条件下岩石爆破开挖设计提供 一定的指导建议。 1深部高地应力下岩石爆破作用分析 深部岩体受到地应力的作用囱，当爆炸应力波 在岩体中传播时，地应力将不可避免的对爆炸应力 波产生作用，岩体损伤破坏是爆炸动荷载与地应力 静荷载共同耦合作用的结果。柱状炸药起爆 后6“,在爆炸冲击波的强烈作用下，炮孔周边岩石 被压碎成粉碎区，冲击压缩过程结束,冲击波逐渐衰 减为弹性应力波，应力波继续向前传播促使岩石产 生切向拉伸继而形成径向裂隙。在爆炸应力波和爆 收稿日期2019-03 -27 作者简介崔正荣1975 -,男，山东日照人，高级工程师、硕士生导 师，主要从事采矿及爆破技术研究,E-mailcuizr2005 126. com0 基金项目“十三五”国家重点研发计划课题深部高储能矿岩组 孔超前致裂精准爆破技术*2017YFC0602902 生气体共同作用下将继续膨胀扩大爆腔，当爆腔内 气体压力等于原岩应力时,爆腔扩展过程结束。 当爆炸动荷载逐渐衰减至原岩地应力大小时, 深部高地应力逐渐开始卸载，形成了地应力卸载波 继续剪切拉伸弹性区的岩石继而形成新的损伤破坏 区。由于爆炸冲击波血7〕、应力波及爆生气体形成 的裂隙存在，裂隙区内所储存的能量已经全部释放。 在弹性区岩石，由爆破动荷载所引起的应变能和深 部原岩初始地应力能组成的变形能将继续破坏岩 石。裂隙区外的区域,爆炸应力波只能引起岩体弹 性变形继而引起损伤破坏，单位体积内岩石的弹性 变形能为 1 仃2 ycrrer o- 1 A2 1 6 Pdra 2 6- Aar 3 式中碍、力分别为岩石质点径向、切向应力， 6、勺分别为岩石径向应变和切向应变;血为岩石 动泊松比;a为冲击波衰减系数M为侧向压力系 数，入为比例距离,r R/R0,R为计 算质点至炮孔中心线的距离，尽为炮孔半径。 假定深部岩石受到水平地应力作用⑵，其中最 大水平主应力0”,最小水平主应力cr,岩石弹性模 量为竝,岩石单位体积应变能为Uo为 IT “H “h 2aTHTh 5 -----------2----------- ⑷ 由式1和式4可得到深部弹性区内岩石单 元所储存的变性能为S △ / 篦1 屮 d 了E 5 随着爆破动荷载弹性变形能动态卸载后,地应 力静荷载弹性变形能也随之卸载，岩石破坏类型逐 渐由剪切破坏转变为拉伸破坏。爆破动荷载及地应 力静荷载弹性变形能动态卸载后形成的拉应力 为闵 式中5为变形能动态卸载后形成的拉应力； 6”为爆破动荷载弹性变形波卸载形成的径向应力； 5”为地应力静荷载弹性变形波卸载形成的径向应 力;必为深部岩体所受均布应力。根据易长平等研 究成果做9,可以得到爆破动荷载弹性变形波卸载 第36卷第2期崔正荣，汪禹，仪海豹，等深部高地应力条件下双孔爆破岩体损伤数值模拟及试验研究61 形成的径向应力分布公式为 , 2//E 为内能参数,Pa；a、4、B、双孔同时进行孔 底起爆。爆破后分别测量漏斗半径、漏斗深度等参 数,计算炸药单耗参数。试验结果参数详见表5,岩 体爆破块度效果见图6。 由表5及图6可以看出现场爆破后，形成不同 深度和直径的爆破漏斗,爆破块度适中，基本控制在 500 mm以内。在相同炮孔深度及装药量情况下，随 着开采深度的增加,爆破漏斗深度、漏斗体积、平均 直径呈现为上升趋势;岩石单耗表现出减小趋势,降 低幅度为4.79O通过两个中段的对比试验，初步 验证了高地应力对岩体爆破作用效果产生一定的 “促进”作用，然而由于两个中段髙差相对较小，高 地应力效果不够显著。 表5爆破试验结果 Tabl e 5 Test resul ts of bl asting 开采深度/m装药深度/m漏斗深度/m平均直径/m漏斗体积/m‘装药量/kg 单耗/ kg m3 7800.60.242.360.262960.82.359 10000.60.252.640.284960.82.246 a 77780 m b// 1000 m 图6岩体爆破块度效果现场图 Fig . 6 Field map of frag mentation effect of rock mass blasting 5结论 1通过对比分析开采深度1000 mJ500 m、 2000 m岩体损伤半径理论计算和数值模拟结果，发 现两者变化规律基本相同，计算结果比较接近，说明 数值模拟方法和参数选择是合理的。 2 随着开采深度的增加，地应力也随之增大, 通过布置合理的诱导工程，地应力对岩石破坏变形 起到了明显的致裂作用，促进了岩体的塑性屈服破 坏，继而扩大岩体的爆破损伤范围，地应力上对岩石 爆破损伤范围起到促进作用逐渐显现。 3 矿山现场爆破漏斗试验有效验证了深部高 地应力对岩石损伤的促进作用，然而受矿山开采深 度限制，地应力效果不够显著。今后随着矿山开采 深度的增大，将进一步开展试验验证工作。 4 深井开采高地应力条件下，由于较大的围 压约束作用一定程度上增加了岩石爆破难度，可通 过布置合理的诱导工程,以改善岩石受力状态，继而 实现地应力与炸药能协同破岩，实现岩石最佳爆破 64 爆破2019年6月 破碎效果，继而降低工程灾害发生。 参考文献References [1] 谢和平，高 峰，鞠 杨.深部岩体力学研究与探索 [J].岩石力学与工程学报,2015,34112161-2178. 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