矿柱爆破回采对胶结充填体损伤影响试验研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.180

矿柱爆破回采对胶结充填体损伤影响试验研究

宋春辉^,¹, 李祥龙^,¹^,², 王建国¹, 宋飞³

1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093

2.云南省中—德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室，云南昆明 650093

3.四川路航建设有限责任公司，四川成都 610000

Experimental Study on the Effect of Pillar Blasting Mining on the Damage of Cemented Filling Body

SONG Chunhui^,¹, LI Xianglong^,¹^,², WANG Jianguo¹, SONG Fei³

1.Faculty of Land Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China

2.Yunnan Key Laboratory of Sino-German Blue Mining and Utilization of Special Underground Space，Kunming 650093，Yunnan，China

3.Sichuan Luhang Construction Co. ，Ltd. ，Chengdu 610000，Sichuan，China

通讯作者: 李祥龙（1981-），男，安徽淮北人，教授，博士生导师，从事岩石破碎及工程爆破方面的科研和教学工作。lxl00014002@163.com

收稿日期: 2019-11-08 修回日期: 2020-04-29 网络出版日期: 2020-08-27

基金资助:

国家自然科学基金项目“精确延时数（单）孔一响预裂爆破成缝（微破碎带）机理研究”. 51564027
北京理工大学爆炸重点实验室开放基金项目“高台阶抛掷爆破岩石破碎及抛掷机理研究”. KFJJ15-14M

Received: 2019-11-08 Revised: 2020-04-29 Online: 2020-08-27

作者简介 About authors

宋春辉（1994-），男，辽宁朝阳人，硕士研究生，从事工程爆破和岩土工程研究工作songch1994@163.com , E-mail：songch1994@163.com

摘要

为确定井下矿柱爆破回采对胶结充填体的破坏范围，选用大红山铜矿现场胶结充填体及同等强度的矿柱模拟材料，在井下废弃但安全的巷道内开展矿柱爆破回采模型试验，并采用超声波测试及爆后表观裂纹观测的方法，分别从损伤度变化和裂纹扩展2个方面探究爆破荷载下胶结充填体的损伤规律。研究结果表明：爆破荷载下胶结充填体在爆心距为45~125 cm的损伤度明显高于爆心距为145~205 cm的损伤度；胶结充填体处裂纹最长可扩展至71.5 cm；根据试验模型中胶结充填体损伤情况，将其划分为稳定区、损伤区和破坏区，该配比下胶结充填体损伤度0≤D<0.07为稳定区，0.07≤D≤0.22为损伤区，0.22<D≤1为破坏区。

关键词： 爆破回采 ; 胶结充填体 ; 声波测试 ; 模型试验 ; 损伤范围 ; 爆心距

Abstract

Based on the panel mining of Dahongshan Copper Mine，this paper attempts to solve the damage problem of adjacent cemented pillars.In order to determine the damage range of cement piles in the blasting and recovery of underground mines，the on-site cemented backfill of Dahongshan Copper Mine and the same strength of the pillar simulation materials were used to carry out the mine column blasting simulation test in the underground abandoned but safe roadway.Ultrasonic testing and post-explosion apparent crack observation method were used to investigate the damage law of cemented backfill under blasting load from two aspects of damage degree and crack propagation.The results show that the damage degree of the cemented backfill at the blasting distance R is 45~125 cm that is higher than that of the blasting core R is 145~205 cm；The crack at the cemented backing can be extended to 71.5 cm；In the model，the damage of cemented backfill is divided into stable zone，damage zone and failure zone.The damage degree of cemented backfill is 0≤D<0.07 in the stable zone，0.07≤D≤0.22 in the damaged zone，and 0.22<D≤1 in the failure zone.

Keywords： blasting mining ; cemented filling body ; acoustic wave test ; model test ; damage range ; blasting center distance

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本文引用格式

宋春辉, 李祥龙, 王建国, 宋飞. 矿柱爆破回采对胶结充填体损伤影响试验研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(4): 558-564 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.180

SONG Chunhui, LI Xianglong, WANG Jianguo, SONG Fei. Experimental Study on the Effect of Pillar Blasting Mining on the Damage of Cemented Filling Body[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(4): 558-564 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.180

两步骤高阶段空场嗣后充填采矿法是地下开采中常用的采矿方法。该采矿法的核心问题在于胶结充填体自身的稳定性，但过于追求充填体的稳定性，会使充填成本大大提高，且在回采过程中可能还会出现矿石部分未被崩落的情况，导致矿石损失率上升。因此，开展爆破回采对充填体的损伤特性研究，已成为解决矿山安全高效开采的关键。

本文以大红山铜矿385中段B13-15I盘区回采为背景，试图解决邻近385中段B13-16II胶结矿柱的损伤问题。为此，系统查阅了近年学者们对胶结充填体损伤问题的研究成果。严鹏等^[1]运用振动和声波的监测手段对现场边坡爆破进行研究，得到不同爆心距处质点峰值振动速度与损伤深度之间的关系；贾虎等^[2]通过对岩体开挖爆破应力损伤范围进行分析，并结合爆破应力波衰减规律，推导出爆破应力波损伤范围计算公式；宋卫东等^[3]采用TAW-2000试验系统对不同分层胶结充填体进行三轴循环加荷载试验，推导出充填体三维损伤值D；徐文彬等^[4]热处理胶结充填体试件并进行三点弯曲试验，采用MATLAB对高速摄影机—加载系统捕捉到的裂纹进行量化分析；朱鹏瑞等^[5]采用ANSYS/LS-DYNA研究边孔爆破累计效应对胶结充填体的损伤效果；刘志祥等^[6]分析了爆炸应力波在充填体界面的传播规律，得到爆破荷载下高阶矿柱不同开采高度充填体动静应力；费鸿禄等^[7]将FLAC-3D与超声波测试相结合分析了围岩累计损伤特性；Hu等^[8]从断裂力学的角度分析了爆破震动对胶结充填体的影响；Liu等^[9]根据回填试验结果，分析了4种水泥尾砂比的变形破坏特征，并提出胶结回填强度设计公式；Yu等^[10]基于胶结尾矿单轴压缩试验，利用应力等效原理推导出损伤演化本构方程；还有部分学者^[11-15]就爆破荷载下充填体抗压强度力学特性方面进行了研究。

然而，理论计算及数值模拟均过于理想化，所得结果存在很大误差；静态力学试验只是对充填体试件进行测试，试件的尺寸会直接影响测试结果的准确性。因此，在现场模拟爆破试验的基础上，对模型材料、尺寸进行优化，以损伤力学作为判定标准，运用声波测试手段分析爆破荷载下胶结充填体损伤规律。

1 材料及模型制备

1.1 模具制作

为模拟矿山采场爆破，设计了模型试验。设计模型为长方体，其规格为3.0 m×1.5 m×1.0 m(长×宽×高），用于盛放充填体。内部小模具也是长方体，用于盛放模拟矿体，其规格为0.5 m×0.5 m×1.0 m(长×宽×高），放置于模具短边中心位置。考虑到后期对比验证，针对性浇筑4个大型模型。模具设计图和模具实物分别如图1和图2所示。

图1

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图1 模具设计图

Fig.1 Drawing of mould design

图2

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图2 加工后模具实物图

Fig.2 Physical drawing of mould after processing

1.2 砂浆材料配比选取

模型试验所用的材料与大红山铜矿385中段B13-16II盘区的胶结充填材料一致。根据385中段B13-15I盘区及参考相关文献^[16]的模型试验效果，在模型试验中模拟矿体选择普通砂浆进行浇筑，另添加减水剂和超细掺合料，以提高其强度。试验采场配比与模拟充填体配比一致，具体参数如表1所示。盘区矿体具体参数和模拟矿体参数如表2和表3所示。

表1 试验盘区充填体配比情况

Table 1 Situation of filling body ratio in test area

配比					强度参数				变形参数
水泥添加量/（kg·m^-3）	浓度/%	尾砂添加/（kg·m^-3）	水添加量/（kg·m^-3）		内聚力/MPa	抗压强度/MPa	抗拉强度/MPa		体积模量/MPa	剪切模量/MPa
150	72	1 217	532		0.2	1.02	0.15		218.44	92.48

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表2 435中段矿体力学参数

Table 2 Mechanical parameters of orebody in the 435 middle section

岩石类型	抗压强度/MPa		湿抗拉强度/MPa	湿剪切强度		弹性模量/GPa	泊松比
岩石类型	自然含水状态	湿抗压强度	湿抗拉强度/MPa	内聚力/MPa	内摩擦角	弹性模量/GPa	泊松比
20线I2矿体	72.7	51.6	5.1	8.4	45°47′	86.8	0.26

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表3 模型中模拟矿体配比

Table 3 Simulation of orebody match ratio in the model

材料	比例	质量/kg	材料	比例	质量/kg
水泥	1	100.00	粉煤灰	0.51	51.00
河沙	2.79	278.86	硅粉	0.176	17.58
水	0.36	36.00	减水剂	1.5%	1.50

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为判断该配比下料浆强度，选取400 t材料试验机进行静态力学测试，将测得结果取平均值，得到单轴抗压强度约为80 MPa，单轴抗拉强度约为5.3 MPa，泊松比约为0.25，对比盘区矿体力学参数，该材料的力学参数完全满足试验要求。

1.3 模型浇筑

为确保充填体密度足够均匀，该试验选择罐装车搅拌注入的方式进行浇筑，使胶结充填体与模拟矿体胶结接触，另外在浇筑模拟矿体时先将直径12 mm、表面涂满润滑剂的钢筋插入模拟矿体模型中心（距离模拟充填体边界250 mm）作为预留炮孔，其深度为500 mm。标准养护28 d后，在模型表面打上5 cm×5 cm的网格线，以便观察爆破后模型表面破坏情况。浇筑后模型如图3所示。

图3

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图3 浇筑后模型

Fig.3 Post-pouring model

2 基于声波测试法的损伤规律分析

2.1 破坏损伤判定标准

为研究爆破损伤影响范围，本文选用我国水利水电行业中爆破前后建基面岩石的纵波波速变化率作为理论依据^[17]。基于声波测试方法，《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（DL/T5389-2007）^[18]也明确给出了岩体损伤度（D）、岩体完整性系数（K）和声波变化率（η）之间的对应关系式^[19]，采用相同部位的波速变化值与爆前波速的比值表示声波变化率，即：

D = 1 - {(\frac{{v_{L}}^{'}}{v_{L}})}^{2} = 1 - K = 1 - {(1 - η)}^{2}

（1）

式中： ${v_{L}}^{'}$ 为爆后所测波速； $v_{L}$ 为爆前所测波速。

由于矿山没有明确给出胶结充填体损伤阈值，故本文参考行业标准《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》^[18]，采用声波变化率（η）的数值大小来评定矿山胶结充填体的损伤。

2.2 声波检测仪布置

本试验采用1.5 m长的工业导爆索和一枚雷管进行耦合装药。导爆索装药量为12.5 g/m，爆速不小于6 000 m/s；雷管选用25 ms等间隔导爆管雷管，直径为6.2 mm，长度为8 cm，药量为1 g/枚。根据爆力值推算得出药量为17.54 g。

模型试验前对4个模型及对应炮孔进行编号，由于浇筑时每个模型设置2个炮孔，按照二者的对应关系进行标号，以模型1为例，左边炮孔编号为炮孔1-1，右边炮孔编号为1-2，依此类推。

本试验采用RSM-SY5声波检测和表观裂纹观测的研究手段，对爆破前后声波数值进行分析并结合充填体表面破坏情况，对充填体破坏区、损伤区和稳定区进行划分。为尽可能监测到详细试件声速值，设置以充填体试件为起点，20 cm为间隔，分别布置测点为1^#~9^#，沿模型长度方向进行声波测试，其中发射探头与接收探头分别布置于胶结充填体两侧中心处，一侧发射一侧接收，且一一对应。声波测点布置如图4所示。

图4

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图4 声波测点布置图

Fig.4 Layout diagram of acoustic wave measuring points

2.3 损伤计算结果与分析

考虑到试验中可能存在累计损伤^[20-22]，故只起爆炮孔1-1、2-1、3-1和4-1中的炸药。根据爆破前后胶结充填体声波测试结果，结合式（1），对声波仪测试所得的爆破前后数据进行损伤度计算，结果如表5所示。

表5 爆破前后模型不同位置的声波值

Table 5 Sound velocity values at different positions of the model before and after blasting（cm/s）

测点	模型1		模型2		模型3		模型4
测点	爆破前声波值	爆破后声波值	爆破前声波值	爆破后声波值	爆破前声波值	爆破后声波值	爆破前声波值	爆破后声波值
1^#	1 742	1 286	1 560	1 210	1 800	1 437	1 767	1 445
2^#	1 590	1 345	1 670	1 462	1 555	1 306	1 807	1 597
3^#	1 801	1 652	1 790	1 666	1 637	1 472	1 744	1 576
4^#	1 720	1 616	1 590	1 485	1 756	1 625	1 625	1 487
5^#	1 736	1 638	1 760	1 666	1 786	1 683	1 667	1 568
6^#	1 745	1 660	1 700	1 623	1 756	1 701	1 613	1 596
7^#	1 689	1 621	1 570	1 510	1 646	1 596	1 742	1 697
8^#	1 714	1 679	1 640	1 589	1 727	1 667	1 596	1 526
9^#	1 572	1 531	1 770	1 688	1 600	1 563	1 796	1 758

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根据式（1）对该配比下胶结充填体不同测点的损伤度进行计算，统计后进行平均值运算，结果如表6所示。运用Origin软件中Allometricl模型进行拟合，损伤度与爆心距之间的关系如图5所示。拟合公式如下：

表6 模型不同位置损伤度

Table 6 Damage degree at different positions of model

测点	损伤值				平均值
测点	模型1	模型2	模型3	模型4	平均值
1^#	0.455	0.398	0.363	0.331	0.387
2^#	0.284	0.234	0.295	0.219	0.258
3^#	0.159	0.134	0.191	0.183	0.167
4^#	0.117	0.128	0.144	0.163	0.138
5^#	0.110	0.104	0.112	0.115	0.110
6^#	0.095	0.089	0.062	0.021	0.067
7^#	0.079	0.075	0.060	0.051	0.066
8^#	0.040	0.061	0.068	0.086	0.064
9^#	0.051	0.091	0.046	0.042	0.058

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图5

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图5 损伤度与爆心距的关系

Fig.5 Relationship between damage degree and distance to explosive’s center

D = 55.142 \pm 10.865 x^{(- 1.299 \pm 0.048)}

（2）

式中：D为胶结充填体的损伤度；x为爆心距。

由图5可知，拟合后决定系数R²=0.99，拟合程度很高。结合表6不难发现测点6^#~9^#模型的损伤度变化非常小，每相邻2个测点之间损伤度变化分别为0.001、0.002和0.006，比较之下测点1^#~5^#这段范围内胶结充填体相邻2个测点的损伤度变化明显高于测点6^#~9^#，其中测点1^#与测点2^#之间相差最大，为0.129，本文为保守估计该配比下胶结充填体的损伤区与稳定区的临界点，选择忽略测点5^#~6^#这段距离内损伤度变化，故将损伤度为0.07（测点6^#对应的损伤度）定义为该配比下胶结充填体损伤区与稳定区的临界阈值。

为研究充填体爆破后破坏区域，本文选取模型2、模型3爆破后充填体表观裂纹情况展开详细分析。充填体裂纹扩展情况如图6所示。

图6

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图6 裂纹扩展图

Fig.6 Crack propagation diagram

由图6可知，模型2在爆破过后出现3条裂纹，其中最长横向裂纹尖端距爆源的距离为70 cm；最长纵向裂纹尖端距爆源的距离为70 cm；模型3在爆破过后出现2条裂纹，最远横向裂纹尖端距爆源的距离为72.5 cm，通过该裂纹尖端图片进行放大不难看出裂纹并未贯通，模型仍为无限介质。最长纵向裂纹尖端距爆源的距离为61 cm。由于2个模型最长裂纹尖端距爆源分别为70 cm和72.5 cm，故通过取二者平均值的方式得出充填体试件在该爆破中破坏区为爆心距R<71.25 cm。而爆心距R=71.25 cm为破坏与损伤的临界点，并通过式（2）进行计算，将与之对应的损伤度为0.22定义为该配比下胶结充填体的破坏区与损伤区的临界阈值。

3 结论

本次井下模拟的矿柱回采爆破试验测试结果表明：

（1）在爆破荷载作用下，随着爆心距R从45 cm增加至205 cm，相应位置胶结充填体的损伤度从0.387减少至0.058。

（2）借助爆破后表观裂纹观测，将爆心距R=71.25 cm作为胶结充填体裂纹扩展的最远距离。

（3）爆破荷载对相邻胶结充填体的影响范围分为破坏区、损伤区和稳定区，其中该配比下胶结充填体损伤度0≤D<0.07为稳定区，0.07≤D≤0.22为损伤区，0.22<D≤1为破坏区。

（4）本文试验存在的不足是由于试验只针对一种配比的充填体材料，而矿山井下实际是分层、分区域充填不同配比的胶结材料，需调整充填材料强度进行多组试验，从而研究破坏规律；限于井下试验条件，暂未考虑围压效应，试验结果若指导应用，应考虑修正系数。今后条件允许时需考虑围压效应，深入研究分层、分区域不同配比的胶结充填体材料在爆破荷载作用下的破坏规律，以此为矿山生产提供相应指导意见。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-4-558.shtml

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

严鹏，邹玉君，卢文波，等.

基于爆破振动监测的岩石边坡开挖损伤区预测

[J].岩石力学与工程学报，2016，35（3）：538-548.