采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)回采爆破塊度優(yōu)化

張文平 胡建華 楊 春

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)回采爆破塊度優(yōu)化

張文平1胡建華2楊 春2

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

通過對(duì)某地下金屬礦山采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)回采爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡化，采用控制變量法，運(yùn)用顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明：①炮孔直徑71 mm，排距2.0 m可改善該礦礦石塊度分布；②僅通過增加炮孔直徑無法改善礦石崩落塊度。

數(shù)值模擬 參數(shù)優(yōu)化 塊度分布

在礦石溜放、運(yùn)搬過程中不僅要確保礦石塊度尺寸合理，礦石塊度分布也應(yīng)均勻。狹長形礦石在放礦過程中若橫跨于溜井內(nèi)，勢(shì)必造成堵塞，礦石形狀愈接近球體對(duì)放礦愈有利。當(dāng)?shù)V石塊度大于溜礦井凈斷面直徑1/3時(shí)被稱為大塊，且易產(chǎn)生堵塞。國內(nèi)某地下金屬礦山采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)回采過程中礦石崩落塊度較大，對(duì)礦石搬運(yùn)極為不利。據(jù)此，以國內(nèi)某地下金屬礦山為例，運(yùn)用顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA[1]對(duì)現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，改善礦石崩落塊度分布，實(shí)現(xiàn)礦石高效搬運(yùn)。

1 數(shù)值模型

1.1 模型簡化

某地下金屬礦山主要采用分段崩落法進(jìn)行生產(chǎn)，部分采區(qū)預(yù)留了大量的底部結(jié)構(gòu)，存有殘余礦體，很大程度上造成了資源浪費(fèi)。現(xiàn)針對(duì)殘余礦體中的二步資源進(jìn)行回采，傳統(tǒng)采場(chǎng)爆破方案大多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性較低，崩落礦石塊度難以控制。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，結(jié)合顯式動(dòng)力分析軟件LS-DYNA對(duì)扇形孔孔徑、排距進(jìn)行優(yōu)化，以改善崩落礦石塊度分布。通過底部鑿巖巷道鉆鑿上向扇形孔進(jìn)行底部結(jié)構(gòu)回采，扇形孔爆破由于孔底距較大、裝藥不均勻等原因，孔底區(qū)域易產(chǎn)生大塊。因此，參數(shù)優(yōu)化主要針對(duì)孔底區(qū)域。將最大孔底距確定為2.5 m，研究平面內(nèi)2排炮孔間的塊度分布情況。該礦山鑿巖設(shè)備主要采用阿特拉斯·科普柯Boomer K41掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車，根據(jù)該礦現(xiàn)有的鑿巖設(shè)備，設(shè)置2組模型，如表1所示。計(jì)算采用流固耦合算法，通過控制變量法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 材料參數(shù)

采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料模型[2]進(jìn)行分析，參數(shù)見表2。

表1 模型分組

表2 礦石物理力學(xué)參數(shù)

采用乳化炸藥進(jìn)行爆破，參數(shù)見表3。

表3 乳化炸藥材料參數(shù)[3]

1.3 強(qiáng)度準(zhǔn)則

礦石抗拉能力遠(yuǎn)低于抗壓能力，故采用動(dòng)抗拉強(qiáng)度作為其破壞準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)V石單元拉應(yīng)力大于其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)礦石單元被刪除，形成裂隙并擴(kuò)展。

2 結(jié)果分析

裂隙擴(kuò)展模擬結(jié)果見圖1。由圖1可知：應(yīng)力波對(duì)礦石塊度分布影響較大，起爆后炮孔周圍形成了直徑約35 cm的壓碎區(qū)，緊接著壓碎區(qū)外圍徑向裂隙擴(kuò)展，最長徑向裂隙約70 cm，此后應(yīng)力波繼續(xù)傳播，強(qiáng)度衰減，炮孔近區(qū)已有的裂隙無明顯變化；起爆后約209.708 μs，上下2排炮孔傳遞的應(yīng)力波在上下2排炮孔連心線中點(diǎn)處相遇并疊加，亦無明顯裂隙產(chǎn)生；314.970 μs之后，相鄰4個(gè)炮孔應(yīng)力波在4個(gè)炮孔幾何中心處相遇并疊加，4個(gè)炮孔應(yīng)力波疊加后其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于相鄰2個(gè)炮孔在其連心線中點(diǎn)的疊加強(qiáng)度。559.435 μs之后，左4個(gè)炮孔幾何中心近區(qū)開始出現(xiàn)大量拉伸裂隙并持續(xù)擴(kuò)展，疊加后的應(yīng)力波繼續(xù)傳播，當(dāng)炮孔近區(qū)徑向裂隙在此遇到相鄰炮孔應(yīng)力波二次擾動(dòng)后，原先已停止擴(kuò)展的裂隙開始再次延伸，并與幾何中心的拉伸裂隙互相誘導(dǎo)擴(kuò)展，最終貫通；約3 009.900 μs時(shí)，裂隙擴(kuò)展基本停止，由于受到應(yīng)力波疊加作用的影響，幾何中心近區(qū)礦石較為破碎，因此幾何中心較難產(chǎn)生大塊。炮孔近區(qū)受自身應(yīng)力波的作用形成了一定范圍的壓碎區(qū)及壓碎區(qū)周圍的徑向裂隙，此后礦石破壞狀態(tài)無明顯變化，當(dāng)4個(gè)炮孔應(yīng)力波疊加、炮孔近區(qū)的徑向裂隙受到應(yīng)力波二次干擾時(shí)，應(yīng)力波所攜帶能量已大幅度衰減，因此壓碎區(qū)外圍的徑向裂隙未能大范圍二次擴(kuò)展，此處形成了大塊。

3 參數(shù)優(yōu)化

對(duì)A、B兩組模型采用控制變量法，運(yùn)用動(dòng)力分析軟件LS-DYNA對(duì)不同孔徑的炮孔排距進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖2、圖3。

圖1 裂隙擴(kuò)展有效應(yīng)力云圖

圖2 A組模型塊度分布(單位：cm)

圖3 B組模型塊度分布(單位：cm)

由圖2可知：炮孔直徑保持不變，隨著排距逐漸增大，礦石塊度也隨之增大，在相鄰4個(gè)炮孔幾何中心區(qū)域內(nèi)變化較顯著。排距1.8 m時(shí)炸藥能量釋放較集中，塊度較小，易出現(xiàn)粉礦。礦石過度破碎對(duì)放礦、運(yùn)輸都極為不利，且炸藥使用過量經(jīng)濟(jì)上也不合理。當(dāng)排距為2.0 m時(shí)，塊度大部分為30～50 cm，分布較均勻，滿足放礦、運(yùn)輸需要。排距為2.2 m時(shí)，礦石塊度最大，出現(xiàn)了長70～80 cm的長條形礦石，且塊度分布尺寸差異較大，不利于放礦。

由圖3可知：當(dāng)炮孔直徑為71～90 mm時(shí)，壓碎區(qū)范圍明顯增加。在A組模型確定了排距2.0 m為最優(yōu)參數(shù)后，B組模型中排距1.8 m的模擬結(jié)果僅具有參照作用。2組模型排距均為2.0 m時(shí)，90 mm孔徑的爆破塊度大于71 mm孔徑。爆破碎巖是多場(chǎng)耦合作用的結(jié)果，該工況下僅通過增加炮孔直徑不改變其他參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)改善崩落礦石塊度的目的。原因是，加大裝藥量雖然提供了更多的能量用于巖石破碎，但爆破后沖擊波能量約占炸藥爆炸總能量的40%，且能量主要消耗在爆腔擴(kuò)張、裂隙擴(kuò)展方面，爆腔擴(kuò)張即形成了更大的壓碎區(qū)[4]。大量能量用于壓碎區(qū)的形成，后期隨著應(yīng)力波傳播，能量衰減較快，塊度均勻度降低。

4 結(jié) 語

以國內(nèi)某地下金屬礦山為例，運(yùn)用顯示動(dòng)力分析軟件LS-DYNA對(duì)初始爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行參數(shù)模擬優(yōu)化，認(rèn)為該礦山底部結(jié)構(gòu)回采時(shí)，炮孔直徑71 mm，排距2.0 m可改善塊度尺寸及分布均勻度，有利于放礦。

[1] 朱兆文，徐 敏，黃治成,等.采場(chǎng)輪廓預(yù)裂爆破成縫數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].礦冶工程，2012，32(4)：20-23.

[2] 胡建華，雷 濤，周科平，等.充填環(huán)境下預(yù)裂縫的爆破動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，42(6)：1704-1709.

[3] 趙 錚，陶 鋼，杜長星.爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程應(yīng)用研究[J].高壓物理學(xué)報(bào)，2009，23(4)：277-282.

[4] 賈光輝.爆炸過程中有關(guān)應(yīng)力波傳播問題探討[J].爆破，2001，18(1)：5-7.

2015-09-21)

張文平(1973—)，男，工程師，034207 山西省代縣。