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[摘要] 近年来，随着我国经济的飞速发展，金属矿山开采日益增多，然而，在爆破回采工艺中，金属矿深部采场围岩的稳定性越来越受到人们的关注。因为，深部岩体处于高温、高地应力、高孔隙压力的环境，对于井下作业人员的生命安全和矿山开采工作的进展息息相关。本文主要是对爆破回采工艺对金属矿深部采场围岩稳定性的影响情况进行探讨分析，希望有助于促进我国金属矿山开采技术的提高。
[关键字]爆破回采工艺 金属矿 深部采场 围岩稳定性
[中图分类号] TD853 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-84-2
工程爆破具有效率高、功率大、破坏威力大以及作用时间短等特点，从而使之在金属矿山深部开采中得到广泛的应用。因此，实施爆破后在短时间内会产生高温高压的爆炸气体和冲击波，并迅速由爆源向岩石传播，从而造成金属矿山井下巷道的局部破坏如冒顶、冒水坍塌、开裂、底鼓等，使得开采现场周围岩石会产生裂隙发生应变，甚至还会引起矿井的整体坍塌和地质灾害，最终影响到整个金属矿山的围岩稳定性。所以，根据爆破回采工艺特点，对爆破波作用下硐室围岩稳定性进行分析，为金属矿山深部围岩稳定性理论的研究等提高可靠的依据。
1 金属矿山深部采场围岩的失稳分析
在采用爆破回采工艺的金属深部采场中，对于其围岩稳定性的分析方法比较多，主要是根据失稳判据来表明深部采场岩体是否处于极限平衡状态。本文主要通过以下方面对金属矿山深部采场围岩的失稳分析进行相关阐述：
1.1 围岩变形率或变形量的判据
调查显示，目前国内外金属矿山深部采场围岩的失稳分析的规范都是以变形速率或变形值为主，其依据是只要围岩变形速率或变形量超过一个极限值，岩体即发生破坏。同时，对于不同的金属矿山深部采场，其围岩极限还要根据围岩向内收敛位移、围岩极限应变判据以及收敛比判据等进行分析。然而，根据牛顿运动定律分析可知，将变形速率或变形值直接用于软弱围岩的判断往往效果不佳，因为，加速度由负值渐趋为零是物体从运动转变为静止状态的必要条件是。由此可见，有关金属矿山深部采场围岩稳定性的判据，应该以加速度为主，同时，还应辅以变形速率或变形值，最终提出变形速率比值判据，才能更准确地判断出金属矿山深部采场围岩的失稳情况。
1.2 围岩强度判据
围岩强度判据在金属矿深部采场围岩稳定性数值分析中的应用较为常见，围岩强度判据的理论基础是如莫尔库仑准则或德鲁克-普拉格准则等的强度破坏理论。主要是指在约束压力较低的情况下，如果金属矿深部岩体内某斜截面的剪应力超过破坏理论规定的滑动界限范围时，岩体就发生剪切极限破坏，从而影响到其附近围岩的稳定性。从物理角度分析，金屬矿山深部采场围岩丧失稳定就是其中应力达到或超过岩体强度的范围比较大，超出其该围岩能够承受的极限值，最后形成一个连续贯通的滑裂面和塑性区，此时，这部分岩体将会产生很大形变量。所以，隧道围岩稳定性评价实质上说就是岩体应力和变形的分析。
2 计算模型的建立
2.1 金属矿山地质概况
本研究所涉及的矿区为地势东高西低，低山丘陵， 矿体底柱黄龙灰岩中发育有溶洞，规模比较小，中间谷地开阔；矿区水文地质条件属中等类型；矿区内的控矿构造主要有断裂、褶皱、古岩溶。目前，该矿区已经完工了一条主竖井的开挖工作， 从主巷道开挖有若干穿脉巷道，在从地表以下约300m竖井处横向开挖主巷道，每条主巷道之间中段的竖向间距为70m。本研究计算的模型取-450 m-550 m中段进行分析。
2.2 计算原理分析
静力荷载和动力荷载是围岩稳定性分析计算模型中必须考虑的因素，而这两种分析方法在计算上的主要差别在于是否考虑惯性力的影响。其中，结构动力分析金属矿深部采场围岩稳定性最终目的在于确定动力荷载作用下结构的内力、位移等量随时间的变化规律，并从中找出一个极限值作为设计或验算的依据。在金属矿山回采过程中，爆破工程荷载属于瞬态荷载，需要应用瞬态动力学模型对其进行分析，要根据瞬时动态的特征，分析计算结构在随时间任意变化的荷载作用下的力学响应，进而得到瞬态荷载作用下随时间变化的应变、位移、应力。一般情况，都是采用达朗贝尔原理和有限元的集合方法，以下为有限元动力平衡方程为：
2.3 爆破荷载取值
对于爆破荷载的应力峰值Pmax，应该采用如下公式进行求解：
在爆破回采工艺中，对于一个装药炮孔，冲击波的初始峰值压力就是爆轰波作用在岩石上的最初压力，炮孔上受到的初始波峰压力由上式计算而得。其中，Cer为金属矿深部采场岩体中纵波波速；Pr为岩体冲击波的初始波峰压力；ρr为岩体冲击波的初始波峰压力；ρ0为炸药密度； 为炸药的爆轰压力。
根据计算实际情况，如果爆破荷载以压力的形式均匀地作用于爆源节点，爆破微差时间间隔为15ms，将爆破荷载曲线简化为与之相一致的三角形荷载曲线。冲击荷载曲线典型的卸载时间为90 毫秒左右，升压时间为10 毫毫秒左右，本次计算卸载时间取为80毫秒，升压时间为8ms，为了与实际爆破作用效果相符，本文在数值模拟中取4 秒的计算时间。
2.4 计算结果分析
（1）应力场分析
采场的稳定性与围岩的稳定性息息相关，并直接取决于顶板以及间柱所承受的压力，从竖向和水平两个方面对爆破前后应力场的变化进行分析，得到各个采场顶板和间柱水平及竖向的应力分布变化。可知，大多数数值都没有超过岩体的抗压强度，水平应力还是竖直应力在数值上增幅均较大， 增加的应力可能导致局部区域应力状况的改变，但从绝对值上来看，可认为此时顶板和间柱正常工作，最终从而导致岩石的崩落，使得围岩周围的稳定性得不到保障。因此，在爆破回采过程时，必须时刻关注爆破前后围岩的松动情况，根据反馈的数据做出相应的调整，以便即时采取预防措施防止安全事故的发生。此外，由于经过爆破后，竖直和水平方向的应力区域特征比较平稳，只在数值上有所增加，这也是导致塑性区贯通的原因。
（2）塑性区分析
顶板及间柱的塑性变形的大小和分布情况时矿体爆破回采过程中深部采场岩体稳定性评判的重要指标之一，并是塑性区分析的重要指标。经过分析可知，在爆破回采工艺中，爆破振动对金属矿区深部采场的主要影响区域集中在受爆破振动采场的顶板，而其上中下段则由塑性区贯通。所以，在回采到最后几分层时应加强顶板的支护，确保开采工作区的围岩稳定性，尤其是顶板与间柱的连接处，由于该处受力不均匀，容易产生应力集中效应，更应该在原有锚索支护基础上补充，才能保障塑性区的稳定性。
3 结语
综上所述，随着金属矿山开采的不断深入，采场经过爆破回采作业后，受到各方向应力，并且应力变化呈现出动态变化。然而，矿山深部位移场的区域和水平及竖直向应力区的区域并没有发生明显改变，通常只在数值上有所增加，但塑性区发生明显变化。这就需要相关人员必须重视对该区域的保护工作，并采取各种有效措施，确保经过回采工艺后金属矿深部采场围岩的稳定，为金属矿山开采工作的安全、高效、顺利进行提供可靠保障。
[关键字]爆破回采工艺 金属矿 深部采场 围岩稳定性
[中图分类号] TD853 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-84-2
工程爆破具有效率高、功率大、破坏威力大以及作用时间短等特点，从而使之在金属矿山深部开采中得到广泛的应用。因此，实施爆破后在短时间内会产生高温高压的爆炸气体和冲击波，并迅速由爆源向岩石传播，从而造成金属矿山井下巷道的局部破坏如冒顶、冒水坍塌、开裂、底鼓等，使得开采现场周围岩石会产生裂隙发生应变，甚至还会引起矿井的整体坍塌和地质灾害，最终影响到整个金属矿山的围岩稳定性。所以，根据爆破回采工艺特点，对爆破波作用下硐室围岩稳定性进行分析，为金属矿山深部围岩稳定性理论的研究等提高可靠的依据。
1 金属矿山深部采场围岩的失稳分析
在采用爆破回采工艺的金属深部采场中，对于其围岩稳定性的分析方法比较多，主要是根据失稳判据来表明深部采场岩体是否处于极限平衡状态。本文主要通过以下方面对金属矿山深部采场围岩的失稳分析进行相关阐述：
1.1 围岩变形率或变形量的判据
调查显示，目前国内外金属矿山深部采场围岩的失稳分析的规范都是以变形速率或变形值为主，其依据是只要围岩变形速率或变形量超过一个极限值，岩体即发生破坏。同时，对于不同的金属矿山深部采场，其围岩极限还要根据围岩向内收敛位移、围岩极限应变判据以及收敛比判据等进行分析。然而，根据牛顿运动定律分析可知，将变形速率或变形值直接用于软弱围岩的判断往往效果不佳，因为，加速度由负值渐趋为零是物体从运动转变为静止状态的必要条件是。由此可见，有关金属矿山深部采场围岩稳定性的判据，应该以加速度为主，同时，还应辅以变形速率或变形值，最终提出变形速率比值判据，才能更准确地判断出金属矿山深部采场围岩的失稳情况。
1.2 围岩强度判据
围岩强度判据在金属矿深部采场围岩稳定性数值分析中的应用较为常见，围岩强度判据的理论基础是如莫尔库仑准则或德鲁克-普拉格准则等的强度破坏理论。主要是指在约束压力较低的情况下，如果金属矿深部岩体内某斜截面的剪应力超过破坏理论规定的滑动界限范围时，岩体就发生剪切极限破坏，从而影响到其附近围岩的稳定性。从物理角度分析，金屬矿山深部采场围岩丧失稳定就是其中应力达到或超过岩体强度的范围比较大，超出其该围岩能够承受的极限值，最后形成一个连续贯通的滑裂面和塑性区，此时，这部分岩体将会产生很大形变量。所以，隧道围岩稳定性评价实质上说就是岩体应力和变形的分析。
2 计算模型的建立
2.1 金属矿山地质概况
本研究所涉及的矿区为地势东高西低，低山丘陵， 矿体底柱黄龙灰岩中发育有溶洞，规模比较小，中间谷地开阔；矿区水文地质条件属中等类型；矿区内的控矿构造主要有断裂、褶皱、古岩溶。目前，该矿区已经完工了一条主竖井的开挖工作， 从主巷道开挖有若干穿脉巷道，在从地表以下约300m竖井处横向开挖主巷道，每条主巷道之间中段的竖向间距为70m。本研究计算的模型取-450 m-550 m中段进行分析。
2.2 计算原理分析
静力荷载和动力荷载是围岩稳定性分析计算模型中必须考虑的因素，而这两种分析方法在计算上的主要差别在于是否考虑惯性力的影响。其中，结构动力分析金属矿深部采场围岩稳定性最终目的在于确定动力荷载作用下结构的内力、位移等量随时间的变化规律，并从中找出一个极限值作为设计或验算的依据。在金属矿山回采过程中，爆破工程荷载属于瞬态荷载，需要应用瞬态动力学模型对其进行分析，要根据瞬时动态的特征，分析计算结构在随时间任意变化的荷载作用下的力学响应，进而得到瞬态荷载作用下随时间变化的应变、位移、应力。一般情况，都是采用达朗贝尔原理和有限元的集合方法，以下为有限元动力平衡方程为：
2.3 爆破荷载取值
对于爆破荷载的应力峰值Pmax，应该采用如下公式进行求解：
在爆破回采工艺中，对于一个装药炮孔，冲击波的初始峰值压力就是爆轰波作用在岩石上的最初压力，炮孔上受到的初始波峰压力由上式计算而得。其中，Cer为金属矿深部采场岩体中纵波波速；Pr为岩体冲击波的初始波峰压力；ρr为岩体冲击波的初始波峰压力；ρ0为炸药密度； 为炸药的爆轰压力。
根据计算实际情况，如果爆破荷载以压力的形式均匀地作用于爆源节点，爆破微差时间间隔为15ms，将爆破荷载曲线简化为与之相一致的三角形荷载曲线。冲击荷载曲线典型的卸载时间为90 毫秒左右，升压时间为10 毫毫秒左右，本次计算卸载时间取为80毫秒，升压时间为8ms，为了与实际爆破作用效果相符，本文在数值模拟中取4 秒的计算时间。
2.4 计算结果分析
（1）应力场分析
采场的稳定性与围岩的稳定性息息相关，并直接取决于顶板以及间柱所承受的压力，从竖向和水平两个方面对爆破前后应力场的变化进行分析，得到各个采场顶板和间柱水平及竖向的应力分布变化。可知，大多数数值都没有超过岩体的抗压强度，水平应力还是竖直应力在数值上增幅均较大， 增加的应力可能导致局部区域应力状况的改变，但从绝对值上来看，可认为此时顶板和间柱正常工作，最终从而导致岩石的崩落，使得围岩周围的稳定性得不到保障。因此，在爆破回采过程时，必须时刻关注爆破前后围岩的松动情况，根据反馈的数据做出相应的调整，以便即时采取预防措施防止安全事故的发生。此外，由于经过爆破后，竖直和水平方向的应力区域特征比较平稳，只在数值上有所增加，这也是导致塑性区贯通的原因。
（2）塑性区分析
顶板及间柱的塑性变形的大小和分布情况时矿体爆破回采过程中深部采场岩体稳定性评判的重要指标之一，并是塑性区分析的重要指标。经过分析可知，在爆破回采工艺中，爆破振动对金属矿区深部采场的主要影响区域集中在受爆破振动采场的顶板，而其上中下段则由塑性区贯通。所以，在回采到最后几分层时应加强顶板的支护，确保开采工作区的围岩稳定性，尤其是顶板与间柱的连接处，由于该处受力不均匀，容易产生应力集中效应，更应该在原有锚索支护基础上补充，才能保障塑性区的稳定性。
3 结语
综上所述，随着金属矿山开采的不断深入，采场经过爆破回采作业后，受到各方向应力，并且应力变化呈现出动态变化。然而，矿山深部位移场的区域和水平及竖直向应力区的区域并没有发生明显改变，通常只在数值上有所增加，但塑性区发生明显变化。这就需要相关人员必须重视对该区域的保护工作，并采取各种有效措施，确保经过回采工艺后金属矿深部采场围岩的稳定，为金属矿山开采工作的安全、高效、顺利进行提供可靠保障。