大孤山鐵礦預(yù)裂爆破研究與應(yīng)用

王和平 郭連軍 張大寧 王 樂 高 原 祁永東

(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

大孤山鐵礦預(yù)裂爆破研究與應(yīng)用

王和平 郭連軍 張大寧 王 樂 高 原 祁永東

(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

大孤山露天鐵礦靠幫爆破采用預(yù)裂爆破技術(shù)。為了尋求最優(yōu)的預(yù)裂爆破參數(shù)，利用LS-DYNA軟件對不同爆破參數(shù)條件下的預(yù)裂爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模擬結(jié)果得出大孤山鐵礦靠幫預(yù)裂爆破的最優(yōu)炮孔間距和不耦合系數(shù)等預(yù)裂爆破參數(shù)。根據(jù)所模擬的最優(yōu)預(yù)裂爆破參數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場耦合預(yù)裂爆破和不耦合預(yù)裂爆破對比試驗。不耦合預(yù)裂成縫效果顯著且爆破施工對保留邊坡震動小，有利于維護(hù)邊幫穩(wěn)定，得到良好的預(yù)裂爆破效果。數(shù)值模擬所確定的爆破參數(shù)可應(yīng)用于大孤山鐵礦靠幫爆破中，對現(xiàn)場爆破施工具有實際指導(dǎo)意義。

預(yù)裂爆破 爆破震動 數(shù)值模擬 預(yù)裂爆破參數(shù) 不耦合系數(shù)

大孤山鐵礦是鞍鋼大型露天礦山之一，自設(shè)計開采以來已由山坡露天開采轉(zhuǎn)入深凹露天開采。按原設(shè)計該礦山開采已接近邊界，巖體邊坡開挖無疑使用爆破施工，但爆破施工所產(chǎn)生的地震效應(yīng)對最終邊幫的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響,尤其位于大孤山鐵礦東部巖體裂隙發(fā)達(dá)邊幫不穩(wěn)，普通靠幫爆破對其邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生極大威脅。為減小爆破震動對邊坡的損害，大孤山鐵礦采用預(yù)裂爆破處理邊坡靠幫問題。預(yù)裂爆破是沿預(yù)定的爆破邊界按較小間距布置炮孔，在主爆孔起爆之前起爆形成預(yù)裂縫，使主爆孔沖擊波到達(dá)預(yù)裂面時被折射、擴(kuò)散和吸收，從而降低主爆孔爆破對保留巖體的破壞，提高邊坡穩(wěn)定性[1-3]。

預(yù)裂爆破在礦山、水電、軍事和建筑等露天邊坡工程爆破領(lǐng)域[4-7]得到廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。運(yùn)用預(yù)裂爆破對降低爆破地震波強(qiáng)度、減輕爆破對邊坡或周圍建筑物的振動破壞以及對減輕炮孔壁周圍的過度粉碎[8-9]，提高炸藥能耗利用率等方面起到十分重要的作用。預(yù)裂爆破的預(yù)裂效果好壞取決于預(yù)裂爆破工藝、爆破參數(shù)以及炸藥特性，對于具體工程尤其像大孤山鐵礦這樣的大型工程，爆破工藝和炸藥特性都是較為固定的，唯有爆破參數(shù)會隨地質(zhì)狀況和生產(chǎn)需要而變動。然而，預(yù)裂爆破的成縫過程及如何設(shè)置有效的預(yù)裂爆破參數(shù)，起到減輕爆破震動與提高炸藥能耗的有效利用很難通過現(xiàn)場試驗定量取得。為此，利用LS-DYNA軟件建立預(yù)裂爆破模型[10-12]，對不同爆破參數(shù)條件下的預(yù)裂縫形成過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模擬結(jié)果，得出較好的預(yù)裂爆破參數(shù)作為大孤山鐵礦爆破參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 爆破模擬

1.1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司提供的大孤山鐵礦地質(zhì)資料以及結(jié)合工程實際施工位置，本次模擬分析的巖體為大孤山特有的巖種片麻巖，具體巖石物理力學(xué)參數(shù)如表1。本模型巖石選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC各向同性彈塑性材料模型[13]。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

1.2 炸藥狀態(tài)方程

對高性能炸藥采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述，JWL狀態(tài)方程的定義是壓力為相對體積V和單位體積的初始能量E的函數(shù)[14]，JWL狀態(tài)方程表達(dá)為

(1)

式中，P為爆炸產(chǎn)生的壓力；V為壓力為P時的體積與初始體積的比值；E為炸藥的比內(nèi)能；A、B、ω、R1和R2為表征炸藥的常數(shù)，具體炸藥參數(shù)如表2。

表2 炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)

1.3 預(yù)裂爆破參數(shù)

袁康[15]認(rèn)為，預(yù)裂爆破參數(shù)的合理選取是影響爆破成功的關(guān)鍵。鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司大孤山鐵礦根據(jù)生產(chǎn)需要采用臺階高度H=12 m，爆破炮孔直徑D=250 mm，用經(jīng)驗公式[16]L=(6～16)D初選孔距，即孔距在1.5～4.0 m 范圍內(nèi)。

1.4 預(yù)裂爆破模擬模型

(1)本模型的建立考慮如下假設(shè)條件：巖石不考慮內(nèi)部初始損傷及裂隙，按彈塑性體處理；預(yù)裂孔不考慮傾斜孔影響，采用垂直布孔；預(yù)裂炮孔考慮空氣介質(zhì)的影響，采用徑向不耦合裝藥技術(shù)；炸藥為圓柱體均勻分布，即作用在包括孔壁上的爆炸應(yīng)力是均勻分布。

(2)預(yù)裂爆破模型建立。根據(jù)大孤山鐵礦實際工程條件，模型尺寸為800 cm×200 cm×1 200 cm的矩形；預(yù)裂炮孔直徑D=250 mm,采用雙炮孔同時起爆，孔距分別選2.8、3.1、3.4、3.8 m。為降低爆破沖擊力和對保留巖體的沖擊破壞，采用空氣不耦合間隔，不耦合系數(shù)K分別取1、1.67、2.27、3.33、4.17、5.0；炸藥、空氣和巖石采用3D-SOLID164三維實體單元；為避免Lagrange算法可能因網(wǎng)格畸形而終止計算，炸藥、空氣和巖石都采用ALE算法計算；因模型的對稱性，出于節(jié)省計算量和簡化模型，本研究建立1/2對稱模型；模型中分別對OXZ對稱面施加法向約束UY，為避免模型底面和其余3個側(cè)面的求解域受反射波的影響，故將此3個側(cè)面和底面施加無反射邊界；采用cm-g-μs單位。巖體預(yù)裂爆破有限元模型如圖1。

圖1 預(yù)裂爆破有限元模型

2 模擬結(jié)果及分析

從爆破破碎理論看，粉碎區(qū)巖石過度粉碎并不是爆破本身期望的，其過度消耗的爆炸能一大部分是浪費(fèi)，破裂區(qū)炸藥能量消耗是有效能耗。因此為降低爆炸對炮孔壁及炮孔壁周圍巖體的直接沖擊壓力峰值，減小粉碎區(qū)過度破壞而提高裂隙區(qū)的能量，采用徑向空氣不耦合裝藥控制爆轟波對孔壁及孔壁周圍巖體的沖擊作用。對初步選取的大孤山鐵礦預(yù)裂爆破參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，以求取得最佳的爆破參數(shù)組合。圖2是大孤山鐵礦預(yù)裂爆破孔距為2.8 m時,耦合及不耦合裝藥的模擬應(yīng)力云圖。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，片麻巖的爆破應(yīng)力響應(yīng)在耦合裝藥結(jié)構(gòu)下最強(qiáng)，隨著不耦合系數(shù)的加大，應(yīng)力響應(yīng)逐漸衰減，充分說明空氣介質(zhì)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可起到很好的儲能和緩沖爆炸沖擊力的作用,能降低爆轟波對炮孔壁及炮孔壁周圍巖體的沖擊破壞。

相關(guān)資料及數(shù)值模擬均表明，預(yù)裂爆破成縫是先從孔壁邊緣產(chǎn)生裂隙開始，在爆生氣體作用下逐漸向2孔連線方向發(fā)展貫通。故選擇2個炮孔壁單元以及2炮孔連線方向的中點(diǎn)單元作為主要破壞分析對象，同時起爆2個預(yù)裂炮孔，根據(jù)炮孔壁單元以及連線中點(diǎn)單元所受應(yīng)力大小來刻畫該單元的屈服破壞程度。提取單元點(diǎn)a～e如圖3，應(yīng)力響應(yīng)值如表3所示。

圖2 孔距L=2.8 m，t=379.35 μs時的應(yīng)力云圖

圖3 不同單元模擬提取位置

根據(jù)爆破破碎機(jī)理，粉碎區(qū)內(nèi)即炮孔壁和炮孔壁周圍巖體受壓縮破壞，裂隙區(qū)在爆生氣體和應(yīng)力波共同作用產(chǎn)生拉伸破壞，故表3中a、b、c、d處單元取壓應(yīng)力峰值，e位置取拉應(yīng)力峰值。從圖3單元位置及表3可以發(fā)現(xiàn)，耦合裝藥條件下爆孔壁周圍應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體抗壓強(qiáng)度，繼而粉碎區(qū)過度破壞產(chǎn)生極大的爆破震動，對保留巖體的損害大，不利于邊坡完整性和穩(wěn)定性；將表3兩孔中點(diǎn)e單元拉應(yīng)力隨孔距的變化關(guān)系整理為圖4折線關(guān)系圖。

炸藥在炮孔中爆破時，炮孔周圍單元受到壓縮和拉伸破壞。裂隙區(qū)由于自由面的存在，拉伸破壞對預(yù)裂縫的貫通起更為重要的主導(dǎo)作用，所以，在裂隙區(qū)即炮孔連線中垂線附近，單元材料失效主要由最大拉應(yīng)力理論來判斷。由圖4知不耦合系數(shù)K=4.17和K=5.0時，拉應(yīng)力響應(yīng)峰值與大孤山片麻巖靜載極限抗拉強(qiáng)度5.6 MPa較較近，且在孔距大于3.4 m后出現(xiàn)相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力小于5.6 MPa，基

圖4 不同耦合系數(shù)下炮孔中點(diǎn)單元應(yīng)力與孔距變化折線圖

本可以認(rèn)為不能形成預(yù)裂縫，即此裝藥結(jié)構(gòu)為不利預(yù)裂裝藥結(jié)構(gòu)；除此之外，其他裝藥結(jié)構(gòu)下，炸藥爆炸后相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力響應(yīng)峰值均在大孤山片麻巖極限抗拉強(qiáng)度5.6 MPa之上，即可以認(rèn)為能順利拉斷裂隙區(qū)巖體，形成貫通的預(yù)裂縫。但由表3可知，耦合裝藥和不耦合系數(shù)K=1.67時，炮孔壁周圍應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體抗壓強(qiáng)度，繼而炮孔壁周圍巖石受到過度沖擊破壞，易引起后沖等爆破危害，這對保留巖體的損害大，不利于邊坡的完整性和穩(wěn)定性；不耦合系數(shù)在K=2.27和K=3.33時，應(yīng)力相應(yīng)值較理想，能順利拉裂巖體，又不至于使巖體過度損害。

但考慮巖體實際爆破受動載荷作用，破壞情況可能較復(fù)雜，且動載荷抗拉破壞較靜載破壞強(qiáng)度大[17]，故取相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元較大應(yīng)力值，選取不耦合系數(shù)K=2.27較理想。綜上所述，從大孤山巖體極限抗拉、抗壓強(qiáng)度和能耗有效利用的角度綜合分析，即既要保證2炮孔間單元均被拉斷，又要力求爆炸產(chǎn)生較小的次生破壞，優(yōu)選大孤山鐵礦預(yù)裂爆破結(jié)構(gòu)參數(shù)為孔距L=3.1 m和不耦合系數(shù)K=2.27，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場試驗檢驗爆破效果。

當(dāng)炮孔孔徑D=250 mm時，將表3模擬數(shù)據(jù)中不耦合系數(shù)K與2相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力進(jìn)行回歸分析，關(guān)系曲線如圖5。

從圖5可以看到，炮孔中點(diǎn)拉應(yīng)力與不耦合系數(shù)K之間為多項式關(guān)系。不耦合系數(shù)K在1～2.27之間時，隨不耦合系數(shù)的增大，相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力峰值由小變大再變小。耦合裝藥時，炸藥爆炸能直接作用于炮孔壁及孔壁邊緣，使粉碎區(qū)過度消耗能量，使得相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉伸破壞能量少，不利于預(yù)裂縫貫通。隨不耦合度增加，炸藥爆炸能減小，但炸藥爆炸時粉碎區(qū)消耗少，粉碎區(qū)以外的巖體吸收爆炸能相對提高，故相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力峰值有增大走勢；隨不耦合度繼續(xù)增加，爆炸能繼續(xù)減少，隨即相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力峰值有下將走勢；不耦合系數(shù)K在2.27～3.33之間，隨不耦合系數(shù)的增大，相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力峰值逐漸平滑下降，是因為裝藥量減少，故爆炸釋放能量減少，且空氣介質(zhì)的存在有助于控制沖擊波對孔壁的沖擊作用，使得爆炸能量均勻地向巖體釋放；不耦合系數(shù)K在3.33～5.0之間，相鄰炮孔連線中點(diǎn)單元拉應(yīng)力與不耦合系數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜。

3 預(yù)裂爆破現(xiàn)場試驗及效果分析

3.1 現(xiàn)場試驗

為檢驗?zāi)M預(yù)裂爆破參數(shù)的合理性，將上述最佳的預(yù)裂爆破參數(shù)(孔距L=3.1 m、不耦合系數(shù)K=2.27)應(yīng)用于大孤山鐵礦現(xiàn)場試驗。試驗過程采用耦合預(yù)裂爆破和不耦合預(yù)裂爆破對比。根據(jù)現(xiàn)場爆破情況，進(jìn)行多次爆破試驗，探求耦合爆破與不耦合預(yù)裂爆破爆破效果。現(xiàn)場爆破試驗一覽如表4。

表4 現(xiàn)場爆破試驗情況一覽

從表4可以看出爆破震動頻率隨爆破點(diǎn)距離增大而增大，且達(dá)到極大值后又下降。靠近自由面臺階爆破振速較預(yù)裂爆破振速小，是因為臺階爆破較預(yù)裂爆破自由面多爆破受擠壓作用小，爆破震動能量隨波傳播在自由面處很快消耗，故自由面處爆破振動速度小。距爆點(diǎn)相同距離，正常預(yù)裂爆破較不耦合預(yù)裂爆破垂直振動速度大，是出于耦合裝藥爆炸沖擊波沒有空氣介質(zhì)阻抗，直接作用于巖體產(chǎn)生極強(qiáng)的主應(yīng)力，而不耦合裝藥結(jié)構(gòu)由于有空氣介質(zhì)存在，爆炸沖擊波經(jīng)空氣傳遞至巖石過程中嚴(yán)重衰減，所以，相同距離正常預(yù)裂爆破比不耦合預(yù)裂振動速度峰值大。

3.2 爆破效果分析

在邊坡靠幫爆破中，要想對巖石進(jìn)行適度破碎，必要條件是炸藥在炮孔中爆炸產(chǎn)生的最大主應(yīng)力和相鄰炮孔連線上產(chǎn)生的合成拉應(yīng)力既不超過巖石的動態(tài)抗壓強(qiáng)度，又大于巖石的動態(tài)極限抗拉強(qiáng)度，這樣對孔壁不會過度破壞，又能在預(yù)定方向形成預(yù)裂縫。為對比大孔徑耦合預(yù)裂爆破和不耦合預(yù)裂爆破成縫效果，在大孤山進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗，結(jié)果如圖6、圖7。

從圖6可以看出，耦合裝藥預(yù)裂起到了一定預(yù)裂作用，但耦合裝藥爆破炸藥爆炸瞬間釋放能量大，對炮孔沖擊作用大，破壞嚴(yán)重，形成嚴(yán)重后沖，對保留巖體造成嚴(yán)重破壞，達(dá)不到預(yù)期預(yù)裂效果。圖7采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)爆破，炸藥爆炸經(jīng)空氣耦合介質(zhì)作用后，爆炸應(yīng)力均勻地分布在炮孔壁，合成拉應(yīng)力能有效拉斷巖石使預(yù)裂縫貫通，形成理想的預(yù)裂面，對提高保留巖體的穩(wěn)定性起到重要作用。

圖6 耦合預(yù)裂爆破

圖7 不耦合預(yù)裂爆破

4 結(jié) 論

針對大孤山鐵礦靠幫爆破工藝，通過現(xiàn)場試驗，證明采用徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)裂靠幫爆破是可行和有效的?？諝獠获詈涎b藥結(jié)構(gòu)使爆炸作用力更加均勻地分布爆孔中，既避免了對炮孔的過度粉碎，提高了炸藥的能耗利用率，又減低了爆破震動，提高了邊坡的穩(wěn)定性。利用LS-DYNA軟件對預(yù)裂爆破進(jìn)行模擬可以了解應(yīng)力分布情況，對具體工程爆破確定合理的孔網(wǎng)參數(shù)具有實際指導(dǎo)意義，可有效提高試驗研究的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，避免盲目試驗。關(guān)于不耦合裝藥后對礦石微損傷影響的定量分析以及炮孔中存在水介質(zhì)耦合對預(yù)裂效果的影響還有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Application and Research of Pre-splitting Blasting In Dagushan Iron Mine

Wang Heping Guo Lianjun Zhang Daning Wang Le Gao Yuan Qi Yongdong

(SchoolofMiningEngineering，UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China)

The blasting near slope of Dagushan open-pit iron usually adopts pre-split blasting technology.In order to seek for the optimal pre-splitting blasting parameters，LS-dyna software was used to make numerical simulations of pre-splitting blasting process under different blasting parameters.From analysis on the numerical simulation，the pre-splitting blasting parameters of Dagushan iron mine were achieved，such as the optimal pre-splitting blast hole spacing and the decoupling coefficient.According to the simulated optimal pre-splitting blasting parameters，contrast tests between field coupling pre-splitting blasting and decoupling blasting were made.The retention effect of the decoupling pre-split blasting is notable and the small slope vibration from blasting construction was conducive to maintaining the slope stability，and getting a good pre-splitting blasting effect.The blasting parameters determined by numerical simulation can be applied in Dagushan Iron Mine end-slope blasting，which has practical guiding significance for the on-site construction blasting.

Pre-split blasting，Blasting vibration，Numerical simulation，Pre-splitting blasting parameters，Decoupling coefficient

2015-06-07

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51474123)，遼寧省高校優(yōu)秀人才支持計劃項目(編號：LR2011006)。

王和平(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 郭連軍(1963—)，男，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD854.2

A

1001-1250(2015)-10-018-06