于永軍 楊曉琴 高廣來 劉允秋

（1.原位改性采礦教育部重點實驗室；2.太原理工大學礦業(yè)工程學院；3.撫順市應急管理局；4.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

撫順西露天礦位于市區(qū)南部，東西方向長6.6 km，南北方向?qū)?.2 km，坑底部分區(qū)域垂深超過400 m，總面積接近15 km2，鄰近水系發(fā)達的渾河南岸。西露天礦坑內(nèi)地層含有較多的新老地層交錯區(qū)域，非規(guī)整的玄武巖、片麻巖和花崗巖相互接觸，覆蓋煤層。礦體巖石強度較低，受到強烈的風化作用和區(qū)域變質(zhì)作用，表現(xiàn)為較強的含水性和導水性［1］。露天礦體的原巖存在地下水滲流運移特性以及常規(guī)降雨引起的滲流補給，在進行露天礦臺階爆破致裂巖體時，有必要同時考慮巖體自重（應力分量）與水滲流的雙向耦合作用［2］，以獲得更客觀的計算結果。本研究通過建立基于應力—滲流耦合的壓裂模型，采用MATLAB自主編程實現(xiàn)特定算法，在與室內(nèi)壓裂試驗結果進行對比驗證后，將模型用于撫順西露天礦邊坡臺階的炮孔致裂機制與效果研究，分析多個炮孔同步致裂過程中的多裂縫相互干擾行為。

1 露天礦煤層壓裂模型與有效性驗證

露天礦爆破致裂過程是一個涉及多因素的復雜力學過程，將力學計算模型與單一鉆孔煤巖室內(nèi)壓裂試驗進行對應，是校驗力學模型所反映巖石裂縫擴展規(guī)律準確性的重要手段。建立考慮露天礦巖體中流體飽和度的流—固耦合控制方程來描述臺階致裂過程中的巖體變形響應，以及流體壓力分布的演變。其中，根據(jù)彈性力學與滲流力學的耦合理論，建立以位移、巖石孔隙壓力表示的平衡方程：

式中，G 為材料剪切彈性模量，Pa；ν 為泊松比；ui是位移向量；Sw是飽和度，在單相水滲流時取1.0；pw和Fi分別是流體壓力標量（Pa）和煤巖體力向量（Pa）；α 為流—固耦合Biot系數(shù)。通過式（1）求解出礦體平均位移分量ui?？紤]煤巖固體變形與流體流動過程的耦合作用，水滲流方程為

式中，Cw是流體壓縮系數(shù)，Pa-1；Qw為源匯項，s-1；kj為礦體平均滲透率，m2；ρw為流體密度kg·m-3。

通過式（2）解算出流體壓力pw，式（2）含有與位移ui相關聯(lián)的耦合項，即體應變εv，實現(xiàn)了流固雙向耦合。對式（1）、式（2）描述的煤巖致裂方程與文獻［5］煤巖致裂試驗結果對比（圖1）。試樣尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，中部井筒直徑為20 mm，數(shù)值試樣基本力學參數(shù)：單軸抗壓強度為125 MPa，單軸抗拉強度為9.4 MPa，彈性模量為14 GPa，泊松比為0.35；流固邊界條件：豎向地應力（σv）為46.2 MPa，橫向地應力（σh）為51.9 MPa。向井筒內(nèi)不斷注入壓裂液直至巖石致裂，其排量為4 mL/min。由數(shù)值計算結果可見，裂紋從井筒射孔處萌生，沿著層理與最大地應力方向擴展，其擴展路徑基本保持直線性（圖1（b））。當裂縫持續(xù)延伸到試樣邊界處時，裂縫的開度顯著增大，這是由于主裂縫與層理同步開裂，試樣沿著層理面完全劈裂為兩部分（圖1（c））。壓裂主裂縫基本沿著射孔方向及層理展布方向擴展，由于層理弱面（低強度、低剛度以及高導流性）的存在，使得試樣的橫向整體強度弱于豎向，且射孔與最大地應力分量保持一致，進而致裂后的煤巖體內(nèi)形成開度較大的橫向貫穿主裂縫，與實際試驗的直觀認識非常吻合（圖1（d））。數(shù)學模型可與試驗結果反映一致的巖石裂縫擴展規(guī)律，表明將所建立力學模型用于撫順西露天礦臺階多炮孔的致裂分析，具備一定科學依據(jù)。

2 西露天礦臺階的致裂作業(yè)數(shù)值計算

2.1 基本工況模型

露天礦爆破過程中采用淺、中、深孔爆破技術，其中鉆孔深度、鉆孔間隔等參數(shù)是人為可調(diào)控的工藝因素，而水文地質(zhì)條件為不可控的天然地質(zhì)因素。以撫順西露天礦北幫E1200～E3400 開采范圍為研究對象，礦體表面受到剝離、風化作用使其強度弱化，該礦體內(nèi)摩擦角僅為30°，平均滲透系數(shù)達到0.008 7 m/d。根據(jù)撫順西露天礦實際工況，北幫的平均設計坡面角為60°。建立鉆孔—臺階計算模型以模擬礦用GZ-160 型變孔深鉆機所預制φ120 mm 鉆孔的情形［2-3］。炮孔連線距離地表1.25 m。為簡化分析，設置鉆孔時，將臺階近似為理想水平臺階，最終建立如圖2 所示數(shù)值模型，并完成單元劃分，求解時需考慮礦體自重。

計算模型底部長度為30 m，高度為15 m，臺階長度為22.11 m，致裂炮孔間距為2.5 m，距離地表為1.25 m。模型左側(cè)邊界、下側(cè)邊界分別約束其橫向、豎向位移，整體礦體承受均勻分布的巖體自重。煤巖體主要物理力學參數(shù)見表1。

注：此處單軸抗壓強度為煤巖混合物的單軸抗壓強度平均數(shù)值。

礦體的均質(zhì)度系數(shù)表征礦體巖石材料參數(shù)非均勻分布，采用損傷力學思想進行破巖計算［4-6］?；竟r為假定礦體滿足疏干條件，采用脆性材料線彈性損傷力學的方法模擬煤巖裂縫擴展，根據(jù)損傷力學原理，當煤巖發(fā)生損傷破壞時，彈性模量在假設巖石彈模Weibull 隨機分布的樣本值基礎上進一步折減［6］，通過計算得到多孔致裂結果如圖3 所示，分別以彈性模量隨機分布樣本值（表征巖石非均質(zhì)性）分布的折減（圖3（a）、（b））以及對應的損傷區(qū)演化（圖3（c））表征煤巖致裂過程以及裂縫擴展。其中，折減至接近于零的彈性模量即為煤巖破裂區(qū)，對應的損傷區(qū)用損傷因子表示（數(shù)值0 表示未損傷，-1 和1 分別表示拉伸和剪切損傷）?？梢?，多孔之間相互影響，并不能同步致裂，其中2#孔最優(yōu)先起裂，之后破巖作用至3#、4#孔，而1#孔的起裂最為滯后。大范圍拉伸破壞區(qū)域集中在2#～4#鉆孔附近（圖3（c））。

2.2 承壓水對爆破的影響

若考慮該礦近水系特征以及降雨影響，臺階水平面以下的線性分布水壓力（初始靜液柱水頭）將對臺階致裂時裂縫擴展產(chǎn)生顯著影響，計算結果如圖4所示。對比圖3（b）、圖4（b），初始水壓（圖4（c））更有利于提升爆破致裂效果，增大破巖塊體體積。這是由于水壓與Biot系數(shù)共同改變了煤巖的有效應力場。

2.3 鉆孔深度影響及各工況破巖機制對比

不同的鉆孔深度會影響整體布孔長度上的抵抗線位置，進而產(chǎn)生不同的飛石結果。理論上，鉆孔位置越深，臺階經(jīng)過致裂后的有效產(chǎn)能越高［6］。在與基本工況條件一致情況下，將鉆孔向上移至距離地表50 cm 處（圖5），可見多孔仍未同步起裂，此時2#孔的致裂最為滯后。臺階破裂形態(tài)（表征飛石）與前述工況也有差別，表現(xiàn)為近地表地帶礦石的大量破壞、剝離，且最終礦石破壞區(qū)形態(tài)基本與布孔特征一致；而距離炮孔連線一定深度范圍內(nèi)礦石基本未產(chǎn)生損傷。同時，對比破壞區(qū)范圍（圖3（b）、圖5（b）），也非常符合適當增加鉆孔深度有利于提高最終產(chǎn)量的實踐規(guī)律。

對比上述3 種爆破施工工況時礦體的拉伸及剪切破壞機制與破壞時機，如圖6所示，初始階段，不產(chǎn)生損傷，拉伸與剪切損傷因子均為0，后期不論何種工況，拉伸損傷的產(chǎn)生均遠遠優(yōu)先于剪切損傷（拉伸損傷因子的絕對值首先大于0），依據(jù)傳統(tǒng)巖石力學理論，巖石抗壓強度∶抗剪強度∶抗拉強度為（8～10）∶2∶1，數(shù)值計算反映了露天礦巖體致裂破壞現(xiàn)象與完整巖石的強度特征比較接近。與基本工況（圖6（a））相比，礦體內(nèi)含有承壓水時有利于提高剪切破巖效果，因為此時剪切損傷因子接近0.8，然而基本工況時不足0.6，承壓水的存在，進一步弱化了礦體，而剪切損傷程序的增加，將使得爆破后煤巖塊體位移增加，利于改善爆破效果。采用淺孔進行致裂時，剪切破壞不顯著，剪切損傷因子不足0.3，而拉伸破壞更明顯，拉伸破壞曲線比前2 種工況更陡峭（圖6（c）），說明淺孔起裂時，可在較短時間內(nèi)實現(xiàn)以拉伸破壞為主的致裂破巖效果。當炮孔布置深度較淺時，孔上部煤巖重量較小，煤巖拉伸破壞明顯優(yōu)先于剪切破壞。本文所得到的臺階煤巖、礦體破裂效果與該礦實際現(xiàn)場得到的爆破破巖規(guī)律基本保持一致，數(shù)值計算結果有助于指導今后考慮不同布孔方案以及承壓水等地質(zhì)條件下的臺階爆破施工。

3 結 論

（1）建立考慮流—固耦合效應的露天礦鉆孔爆破模型可再現(xiàn)煤巖室內(nèi)致裂試驗裂縫的擴展規(guī)律，即表明所建立模型用于撫順西露天礦臺階致裂過程具備客觀性。該礦臺階多炮孔致裂時，裂縫擴展并不同步，多孔之間存在強烈干擾，部分鉆孔的起裂產(chǎn)生滯后效應。

（2）礦體內(nèi)承壓水分布明顯影響多炮孔致裂效果。當計入地表以下承壓水作用時，致裂、破巖體積比礦體疏干工況有所增大，所得結果對于考慮水作用時的邊坡穩(wěn)定性與臺階爆破分析有參考意義。淺埋深孔工況下多孔不同步致裂時的起裂順序發(fā)生改變，臺階破裂飛石分布規(guī)律也有不同，近地表區(qū)域礦石大量剝離，即增大孔深有利于提高煤礦最終產(chǎn)量，與生產(chǎn)實踐規(guī)律一致。

（3）臺階爆破時，對于疏干臺階、臺階地表以下含承壓水情況以及淺孔致裂工況，礦體的拉伸破壞均占絕大比重，而剪切破壞程度不明顯。拉—剪損傷機制曲線反映的規(guī)律與不同工況下的礦體破裂計算結果相一致。