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摘 要： 高地应力、高温和高孔隙压力的环境特点使深部岩体的组织结构和工程响应均发生明显变化，也导致深部开采中事故的频繁出现。为了控制某金属矿深部采场的稳定性，结合实际利用ANSYS有限元程序对深部长方体矿柱进行数值计算，分析承受高静应力矿柱在不同爆破扰动峰值下的稳定性。研究表明，该矿柱在爆破扰动峰值为30MPa～40MPa时进入塑性阶段，矿柱出现失稳现象。
关键词： 岩石力学；爆破扰动；高地应力矿柱；塑性阶段
0 引言
目前，国内外在高应力岩石的力学性质、动力特性、岩爆的机制和预测等方面进行了大量研究，并取得了不错的成绩。但是人们在研究高应力岩石力学性质的过程中，主要研究的是岩石在承受高静载应力下的特征，而没有考虑动荷载对高应力岩石性质的影响；在研究岩石动力特性时，又主要是研究岩石在只有动载作用下的性质，而未考虑岩石在承受初始高应力时的动力特征。近年来，中南大学李夕兵教授及其团队对高地应力区岩体动静结合加载模式做了较深入的试验和理论分析。其成果表明进行动静组合加载研究以及对受高静载应力的岩体进行动力扰动分析是十分必要且具有实际应用意义的[3～4]。
某矿位于长江南岸，属于我国典型的复杂多金属矿石。矿床埋藏深度在600m以下，属于深部开采矿山。
1 高应力矿柱动力扰动的三维数值分析
1.1 高应力矿柱数值计算方案
本文选取深部预留竖直长方体矿柱进行分析，矿柱长、宽均为10m，高为40m，模型下部边界施加法向固支约束（x，y，z三个方向位移均为0），上部边界约束x，z方向的位移，并施加竖直方向静载P，为考察外界动力扰动对矿柱的影响，静载计算完后在模型上边界施加动载P（t）。数值计算中，矿柱岩体采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Drucker-Prager强度准则[5～6]。
在本次模拟中爆破荷载与时间的关系为正弦波。爆破荷载持续作用时间为4.0ms。计算中，爆破荷载Pmax分别取20，30和40MPa[7]。
该金属矿山深部矿柱岩体的力学参数。
1.2 高应力矿柱数值计算结果
1.2.1 静荷载计算结果
根据岩石力学理论分析，矿柱主要支撑来自上部岩石重力产生的压力。所以本次数值计算模型荷载只考虑岩石自身重力，经计算，静荷载数值取20MPa。所得到的Y方向位移和应力云图如下所示：
从图1可知，矿柱在只承受岩石自身重力时，Y向位移变化不明显，位移最大出现在矿柱顶部，数值很小，可忽略不计。从图2可知，矿柱在只承受岩石自身重力时，矿柱顶部的Y向压应力数值约为20.0MPa，矿柱底部的压应力数值约为23.7MPa。远小于矿柱岩体的抗压强度，所以此时矿柱是稳定的。
1.2.2 加载动荷载后的应力时程曲线
计算中对矿柱从顶部中心单元向底部每隔20m监测一个单元的竖向应力随动力计算时间的变化情况，从而研究矿柱在不同动力扰动作用过程中的动力响应效果。监测单元坐标如表2：
从计算结果可知，当爆破扰动应力峰值从20MPa向30MPa增大时，矿柱各监测点应力在达到峰值后都能恢复到初始的静载状态，说明这种情况下矿柱没有发生破坏，矿柱呈弹性状态。另外，随着应力波峰值的增大，矿柱中各监测点的竖向应力峰值也相应增大。在矿柱低部其应力峰值逐渐减小，这是由于矿柱本身的阻尼作用。当扰动应力峰值为40MPa时，矿柱2号和3号监测点竖向应力峰值都不再随扰动峰值的增加而增加，扰动之后应力不能恢复到初始承受静载状态，说明矿柱已经发生破坏，矿柱进入塑性破坏阶段。
2 结论
1）深部开采矿柱本身已承受高静应力，与浅部开采矿柱的组织结构和工程响应相比，产生了根本的变化。因此，采用动静荷载结合的方法研究深部矿柱更加符合工程实际。
2）模拟和分析了该金属矿山深部矿柱受爆破扰动时的力学特性。研究表明，该矿柱在爆破扰动峰值为30MPa～40MPa时进入塑性阶段。因此，矿山开采时应尽可能使用小药量微差爆破，从而减小爆破扰动的幅值。为该矿山开采的每次爆破装药用量提供了一些理论依据与参考。
参考文獻：
[1]徐林生、唐伯明、慕长春等，高地应力与岩爆有关问题的研究现状[J].公路交通技术，2002，（4）：48-51.
[2]古德生、李夕兵，金属矿山深部开采中的科学问题[C].香山科学会议第175次学术讨论会，北京：[s.n.]，2001.
[3]左宇军、李夕兵、赵国彦，受静载作用的岩石动态断裂的突变模型[J].煤炭学报，2004，29（6）：654-658.
[4]左宇军、李夕兵、马春德等，动静组合载荷作用下岩石失稳破坏的突变理论模型与试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（5）：741-746.
[5]杨桂通、熊祝华，塑性动力学[M].北京：清华大学出版社，1984.
[6]周小平、钱七虎、杨海清，深部岩体强度准则[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：122-128.
[7]李夕兵、李地元、郭雷、叶洲元，动力扰动下深部高应力矿柱力学响应研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（5）0922-0928.
关键词： 岩石力学；爆破扰动；高地应力矿柱；塑性阶段
0 引言
目前，国内外在高应力岩石的力学性质、动力特性、岩爆的机制和预测等方面进行了大量研究，并取得了不错的成绩。但是人们在研究高应力岩石力学性质的过程中，主要研究的是岩石在承受高静载应力下的特征，而没有考虑动荷载对高应力岩石性质的影响；在研究岩石动力特性时，又主要是研究岩石在只有动载作用下的性质，而未考虑岩石在承受初始高应力时的动力特征。近年来，中南大学李夕兵教授及其团队对高地应力区岩体动静结合加载模式做了较深入的试验和理论分析。其成果表明进行动静组合加载研究以及对受高静载应力的岩体进行动力扰动分析是十分必要且具有实际应用意义的[3～4]。
某矿位于长江南岸，属于我国典型的复杂多金属矿石。矿床埋藏深度在600m以下，属于深部开采矿山。
1 高应力矿柱动力扰动的三维数值分析
1.1 高应力矿柱数值计算方案
本文选取深部预留竖直长方体矿柱进行分析，矿柱长、宽均为10m，高为40m，模型下部边界施加法向固支约束（x，y，z三个方向位移均为0），上部边界约束x，z方向的位移，并施加竖直方向静载P，为考察外界动力扰动对矿柱的影响，静载计算完后在模型上边界施加动载P（t）。数值计算中，矿柱岩体采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Drucker-Prager强度准则[5～6]。
在本次模拟中爆破荷载与时间的关系为正弦波。爆破荷载持续作用时间为4.0ms。计算中，爆破荷载Pmax分别取20，30和40MPa[7]。
该金属矿山深部矿柱岩体的力学参数。
1.2 高应力矿柱数值计算结果
1.2.1 静荷载计算结果
根据岩石力学理论分析，矿柱主要支撑来自上部岩石重力产生的压力。所以本次数值计算模型荷载只考虑岩石自身重力，经计算，静荷载数值取20MPa。所得到的Y方向位移和应力云图如下所示：
从图1可知，矿柱在只承受岩石自身重力时，Y向位移变化不明显，位移最大出现在矿柱顶部，数值很小，可忽略不计。从图2可知，矿柱在只承受岩石自身重力时，矿柱顶部的Y向压应力数值约为20.0MPa，矿柱底部的压应力数值约为23.7MPa。远小于矿柱岩体的抗压强度，所以此时矿柱是稳定的。
1.2.2 加载动荷载后的应力时程曲线
计算中对矿柱从顶部中心单元向底部每隔20m监测一个单元的竖向应力随动力计算时间的变化情况，从而研究矿柱在不同动力扰动作用过程中的动力响应效果。监测单元坐标如表2：
从计算结果可知，当爆破扰动应力峰值从20MPa向30MPa增大时，矿柱各监测点应力在达到峰值后都能恢复到初始的静载状态，说明这种情况下矿柱没有发生破坏，矿柱呈弹性状态。另外，随着应力波峰值的增大，矿柱中各监测点的竖向应力峰值也相应增大。在矿柱低部其应力峰值逐渐减小，这是由于矿柱本身的阻尼作用。当扰动应力峰值为40MPa时，矿柱2号和3号监测点竖向应力峰值都不再随扰动峰值的增加而增加，扰动之后应力不能恢复到初始承受静载状态，说明矿柱已经发生破坏，矿柱进入塑性破坏阶段。
2 结论
1）深部开采矿柱本身已承受高静应力，与浅部开采矿柱的组织结构和工程响应相比，产生了根本的变化。因此，采用动静荷载结合的方法研究深部矿柱更加符合工程实际。
2）模拟和分析了该金属矿山深部矿柱受爆破扰动时的力学特性。研究表明，该矿柱在爆破扰动峰值为30MPa～40MPa时进入塑性阶段。因此，矿山开采时应尽可能使用小药量微差爆破，从而减小爆破扰动的幅值。为该矿山开采的每次爆破装药用量提供了一些理论依据与参考。
参考文獻：
[1]徐林生、唐伯明、慕长春等，高地应力与岩爆有关问题的研究现状[J].公路交通技术，2002，（4）：48-51.
[2]古德生、李夕兵，金属矿山深部开采中的科学问题[C].香山科学会议第175次学术讨论会，北京：[s.n.]，2001.
[3]左宇军、李夕兵、赵国彦，受静载作用的岩石动态断裂的突变模型[J].煤炭学报，2004，29（6）：654-658.
[4]左宇军、李夕兵、马春德等，动静组合载荷作用下岩石失稳破坏的突变理论模型与试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（5）：741-746.
[5]杨桂通、熊祝华，塑性动力学[M].北京：清华大学出版社，1984.
[6]周小平、钱七虎、杨海清，深部岩体强度准则[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：122-128.
[7]李夕兵、李地元、郭雷、叶洲元，动力扰动下深部高应力矿柱力学响应研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（5）0922-0928.