基于巖粉分段裝藥的爆破技術(shù)研究

樓曉明，陳鵬輝，周文海

（1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福州350116；2.福州大學(xué)爆炸技術(shù)研究所，福州350116）

基于巖粉分段裝藥的爆破技術(shù)研究

樓曉明1，2，陳鵬輝1，周文海1

（1.福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福州350116；2.福州大學(xué)爆炸技術(shù)研究所，福州350116）

采用LS-DYNA動力有限元分析程序，模擬計算了深孔臺階爆破條件下炮孔連續(xù)裝藥和采用巖粉作為間隔介質(zhì)的分段裝藥爆破效果。對比分析了連續(xù)裝藥和三種不同分段比例的裝藥結(jié)構(gòu)爆炸后孔壁的壓力極值和壓力衰減程度，以及通過Von Mises有效應(yīng)力極值判別自由面單元是否發(fā)生破壞。計算表明，炮孔上部裝藥40%，下部裝藥60%，中間采用巖粉作為間隔介質(zhì)的分段裝藥結(jié)構(gòu)能夠提高炸藥能量的利用率，更有利于中上部巖石的破碎。通過對青海威斯特銅礦的爆破試驗，進一步驗證采用巖粉作為間隔介質(zhì)的分段裝藥結(jié)構(gòu)不僅可以降低大塊率和爆破振動強度，同時還能夠減少爆破綜合成本。

分段裝藥；連續(xù)裝藥；數(shù)值模擬；LS-DYNA

在露天礦山爆破開挖過程中，傳統(tǒng)的連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)存在爆轟壓力過高、作用時間短等問題，容易導(dǎo)致炮孔近區(qū)巖石的過度粉碎以及炮孔上部巖石大塊的形成。為此，工程中常采用分段裝藥結(jié)構(gòu)來改善爆破效果。分段裝藥是采用巖粉、空氣、水等作為間隔介質(zhì)將深孔藥柱分為若干段，使炸藥的能量在炮孔中分布更為均勻的一種裝藥方式。其本質(zhì)是通過這些柔性間隔介質(zhì)改變藥柱與孔壁之間的接觸關(guān)系，以降低爆轟氣體產(chǎn)物和應(yīng)力波作用于孔壁的初始壓力，延長作用時間，從而減小粉碎區(qū)的半徑或者不產(chǎn)生粉碎區(qū)，提高炸藥能量的利用率，改善礦巖破碎效果［1］。

目前，對于分段裝藥的破巖機理和爆破效果，許多學(xué)者都進行了一定的研究。吳亮等［2］采用數(shù)值模擬方法分析了采用空氣間隔時，不同空氣比例以及起爆方式對爆破效果的影響；吳從師、楊國梁等［3-4］通過理論分析，推導(dǎo)出分段裝藥爆破初期炮孔壓力隨時間的變化規(guī)律；梁為民等［5］采用水泥砂漿實驗?zāi)Ｐ万炞C不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可以提高能量的利用率和改善爆破塊度分布；劉優(yōu)平等［6］采用數(shù)值模擬方法，對比分析了采用空氣間隔作用下，不同裝藥量和耦合系數(shù)下的爆破效果。

分段裝藥結(jié)構(gòu)在間隔介質(zhì)不同時會產(chǎn)生不同的爆破效果。相較于空氣間隔器，采用巖粉作為間隔介質(zhì)成本低廉、取材方便，在合適的間隔位置和間隔長度下，同樣可以取得良好的爆破效果。本文利用數(shù)值模擬的方法研究采用巖粉作為間隔介質(zhì)時，不同間隔位置和不同裝藥比例下的爆破效果。優(yōu)選炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于現(xiàn)場爆破作業(yè)。

1 計算模型與參數(shù)

采用動力有限元軟件LS-DYNA對單孔臺階連續(xù)裝藥和分段裝藥爆破效果進行數(shù)值模擬［7］。模擬時分別建立炸藥、巖石、填塞（間隔）介質(zhì)的數(shù)值模型，單元采用SOLID164實體單元，炸藥采用ALE算法，填塞（間隔）介質(zhì)和巖石采用Lagrange算法。炮孔直徑150mm，孔深14.5m，傾角70°，上部填塞4.5m，中間采用巖粉間隔1.5m，模型尺寸如圖1所示。分別建立單個臺階傾斜深孔連續(xù)裝藥和上下裝藥量比例分別為2︰8、3︰7、4︰6的分段裝藥模型。分段裝藥時，上下兩段炸藥同時起爆。模型左右邊界、下邊界均設(shè)置為透射邊界，求解過程中加載重力。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Model of the numerical calculation

1.1 巖石模型與材料參數(shù)

巖石模型采用包含應(yīng)變率的塑性隨動模型（MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC），巖石材料參數(shù)見表1。

表1 巖石材料參數(shù)Table 1 Parameters of rock material

1.2 炸藥模型和狀態(tài)方程

炸藥采用LS-DYNA中的高能炸藥材料（MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN），其爆炸過程中的爆轟壓力和比容的關(guān)系采用式（1）EOS＿JWL狀態(tài)方程來描述：

式中：P—壓力；V—相對體積；A、B、R1、R2、w—描述JWL方程獨立的5個物理常數(shù)；E0—初始比內(nèi)能。炸藥密度1.2g/cm3，爆速4 000m/s，爆壓7.4 GPa，其JWL控制方程參數(shù)取值如表2所示。

表2 炸藥及其狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 State equation parameters of explosives

1.3 填塞（間隔）材料及參數(shù)

填塞和間隔介質(zhì)（巖粉）采用土壤和泡沫模型（MAT＿SOIL＿AND＿FORM），該模型的力學(xué)性質(zhì)具有一定的流體行為，可以模擬土體在大變形下的失效行為［8］，模型的屈服準則為：

式中：J2—應(yīng)力偏張量第二不變量，表達式為：

式中：a0、a1、a2—常量；p—壓力；Sij—偏應(yīng)力張量，巖粉材料參數(shù)見表3。

表3 巖粉材料主要參數(shù)Table 3 Main parameters of rock powder material

2 數(shù)值計算對比分析

2.1 爆破破巖過程分析

在臺階爆破過程中，裝藥爆炸后，首先形成的沖擊波在炮孔周圍形成一定范圍的粉碎圈，并伴隨著能量的急劇衰減。根據(jù)巖石和炸藥性質(zhì)的不同，粉碎圈的半徑一般為裝藥半徑的1.2～5.0倍［9-10］。當(dāng)采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)孔底起爆時，炸藥沖擊波沿著炮孔往上快速傳播，應(yīng)力波最先到達孔底，遇到孔底介質(zhì)的反射作用，孔底及附近單元發(fā)生嚴重粉碎，粉碎范圍約為裝藥半徑的2倍（如圖2，t＝0.6ms）。當(dāng)應(yīng)力波到達邊坡面時，在坡腳處發(fā)生反射作用，坡腳單元不斷受到爆炸應(yīng)力波的擠壓和拉伸作用（如圖2，t＝1.2ms）。

圖2 連續(xù)裝藥爆破過程有效應(yīng)力云圖Fig.2 Effective stress nephogram in blasting process of continuous charge

當(dāng)采用分段裝藥，上下段裝藥同時起爆時，上下兩段爆炸沖擊波同時往兩個方向傳播（如圖3，t＝0.6ms）。上下兩段沖擊波傳到間隔介質(zhì)時，兩段沖擊波一部分發(fā)生反射，反射部分繼續(xù)作用于各自爆轟區(qū)域，剩余部分則用于對巖粉的壓縮。當(dāng)上下兩段壓縮波在間隔介質(zhì)中相遇時，沖擊波發(fā)生疊加作用，巖粉壓縮停止，巖粉介質(zhì)被粉碎（如圖3，t＝1.2 ms）。隨后上下兩段爆轟區(qū)域貫通，炮孔內(nèi)沖擊波發(fā)生混合疊加作用，炮孔壓力又經(jīng)歷了一個變動過程，特別表現(xiàn)在炮孔中上部區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的上升現(xiàn)象。同時，分段裝藥起爆后產(chǎn)生的沖擊波峰值比連續(xù)裝藥小，但其作用在中上部，特別是在臺階坡頂邊緣區(qū)域的應(yīng)力和時間均大于連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

圖3 分段裝藥爆破過程有效應(yīng)力云圖Fig.3 Effective stress nephogram in blasting process of deck charge

2.2 爆破能量衰減分析

分別在連續(xù)裝藥和另外三種不同間隔比例的分段裝藥結(jié)構(gòu)的炮孔周圍相同位置，選取一個典型孔壁單元的壓力時程曲線進行分析和對比。從圖4模擬結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)起爆后，孔壁壓力迅速上升，在0.5ms時達到極值814MPa，而后因為粉碎巖石消耗大量能量，在0.7ms時下降到0MPa。對比2︰8比例、3︰7比例、4︰6比例裝藥結(jié)構(gòu)孔壁壓力變化，孔壁的峰值壓力明顯減少，分別為連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)的38.8%、44.7%、55.7%。

同時，在爆轟作用時間上，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)只經(jīng)歷了0.7ms，而2︰8比例、3︰7比例、4︰6比例的作用時間分別為1.9、2.2、2.3ms。通過理論及實踐分析可知，分段裝藥時，爆炸沖擊波在傳播過程中遇到間隔介質(zhì)發(fā)生壓縮，反射過程延長了爆轟氣體在孔內(nèi)的作用時間，使炸藥能量得到更充分的利用。

圖4 不同裝藥結(jié)構(gòu)孔壁壓力時程圖Fig.4 The time-history curves of bore wall pressure with different charge structures

為更直觀地比較炸藥爆炸后4種不同裝藥結(jié)構(gòu)孔內(nèi)壓力的變化情況，以臺階面為起始點，沿著炮孔方向，間隔1m選取一個單元作為監(jiān)測點，分別提取在10ms內(nèi)質(zhì)點受到的壓力極值，見圖5。數(shù)值模擬結(jié)果可知，在孔口填塞段和孔底部分，4種裝藥結(jié)構(gòu)的孔壁壓力極值相差不明顯，但4︰6比例裝藥結(jié)構(gòu)在孔口段的壓力略大于其他裝藥結(jié)構(gòu)。主要差別在于中間部分，沒有間隔介質(zhì)時，孔壁壓力基本在500MPa上下，中部壓力明顯低于孔底位置，容易導(dǎo)致中上部大塊的形成。而分段裝藥結(jié)構(gòu)的中上部炮孔壓力明顯高于連續(xù)裝藥，其中4︰6比例結(jié)構(gòu)最為突出，其壓力峰值接近孔底壓力，達到810.4 MPa，能夠有效防止上部“傘巖”的形成。

圖5 不同裝藥結(jié)構(gòu)孔壁壓力峰值Fig.5 Peak bore wall pressure curves with different charge structures

2.3 自由面單元破壞情況分析

在利用LS-DYNA進行爆炸模擬中，眾多學(xué)者利用Von Mises有效應(yīng)力來作為巖石是否發(fā)生屈服的判別依據(jù)，又稱第四強度理論，分析結(jié)果得到了工程人員的認可和應(yīng)用［11-12］。在深孔臺階爆破時，自由面巖石的“片落”主要是爆炸應(yīng)力波的反射拉伸作用造成的，因此，利用Von Mises有效應(yīng)力峰值來判斷巖石是否發(fā)生破壞是合理的。根據(jù)模擬結(jié)果，以臺階坡腳為零點，從坡腳往坡頂方向等間隔提取自由面單元在爆炸過程中的有效應(yīng)力峰值。同時，在坡腳附近也等間隔選取3個質(zhì)點（圖6中x＝-2～0）作為比較。如圖6所示，本文數(shù)值模擬巖石材料的屈服強度是75MPa，四種裝藥結(jié)構(gòu)中，在坡面上只有2︰8比例、3︰7比例裝藥結(jié)構(gòu)在距離坡腳2m的地方?jīng)]有發(fā)生屈服，可能造成根底和大塊的形成。

在坡頂處，四種裝藥結(jié)構(gòu)均沒有使巖石單元達到屈服強度，特別是2︰8比例裝藥結(jié)構(gòu)，在距離坡腳11m左右的地方就已經(jīng)低于屈服強度，主要原因是其上部藥量過少。而4︰6比例裝藥結(jié)構(gòu)在臺階坡頂附近的峰值應(yīng)力雖然沒有達到屈服強度，但明顯大于連續(xù)裝藥和其他兩種分段裝藥結(jié)構(gòu)，有利于上部巖石的破碎。在坡面的大部分區(qū)域，雖然分段裝藥結(jié)構(gòu)的裝藥量較連續(xù)裝藥少，但是分段裝藥結(jié)構(gòu)爆炸后對自由面的破壞程度并沒有減少，而且分段裝藥在自由面上的能量分布更為均勻。在同等分段裝藥條件下，4︰6比例分段裝藥比例總體上優(yōu)于其他兩種分段裝藥結(jié)構(gòu)。

圖6 自由面單元有效應(yīng)力峰值Fig.6 Effective stress peak curves of free surface elements

3 現(xiàn)場爆破試驗

根據(jù)對連續(xù)裝藥和三種不同比例分段裝藥的數(shù)值模擬結(jié)果，4︰6比例裝藥結(jié)構(gòu)在孔壁壓力衰減、孔壁壓力極值、自由面單元破壞等幾個方面優(yōu)于2︰8比例、3︰7比例裝藥結(jié)構(gòu)。因此，為驗證4︰6比例裝藥結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用效果，選取青海威斯特銅礦4254平臺進行爆破試驗。該區(qū)域巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石堅固性系數(shù)f＝6～8，巖石質(zhì)量指標（RQD）為42.2%～50.8%，邊坡穩(wěn)定性差，極易發(fā)生滑塌。傳統(tǒng)的爆破參數(shù)在該區(qū)域爆破時，大塊率較高、爆破振動大、爆破后沖作用明顯，經(jīng)常出現(xiàn)直徑1m以上的根底。為改善爆破效果，設(shè)計采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，臺階高度12～13.5m，炮孔直徑150mm，孔深13～14.5m，孔距7m，排距6m。單孔裝藥125kg（連續(xù)裝藥時每孔裝藥150kg）。炮孔底部裝藥60%，中間用巖粉間隔1.5m，上部裝藥40%，填塞4.5m，孔內(nèi)、孔外采用澳瑞凱雷管實現(xiàn)逐孔起爆。

爆破后，如圖7所示，大塊數(shù)量減少30%以上，爆破后基本沒有遺留根底，而且臺階坡面光滑，沒有產(chǎn)生明顯的拉裂作用，爆破效果良好。同時，根據(jù)對該區(qū)域不同爆區(qū)的爆破振動監(jiān)測顯示，采用分段裝藥＋逐孔起爆方案比原來采用普通導(dǎo)爆管排間起爆方案的爆破振動降低35%～50%，對邊坡的穩(wěn)定性控制具有重要意義。另外，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)雖然增加了雷管數(shù)量，但每孔較連續(xù)裝藥減少了25kg炸藥，綜合成本節(jié)約0.32元/m3，具有可觀的經(jīng)濟效益。

圖7 爆破優(yōu)化前后效果對比圖Fig.7 The comparison chart of the traditional blasting and the optimized blasting

4 結(jié)論

1）利用LS-DYNA軟件對4種不同裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，對比分析了四種裝藥結(jié)構(gòu)爆炸后孔壁內(nèi)壓力變化和自由面破壞情況，得出分段裝藥時上部裝藥40%、下部裝藥60%，中間采用巖粉間隔的裝藥結(jié)構(gòu)能夠提高炸藥的能量利用率，有效防止炮孔中上部大塊的形成。

2）通過現(xiàn)場爆破試驗，在礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，巖性較軟時，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)不僅能夠降低炸藥單耗，而且可以降低爆破振動、提高鏟裝效率、節(jié)約穿爆成本，可為類似礦山爆破參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

3）采用巖粉作為間隔介質(zhì)，取材方便，操作簡單，無需額外成本。但裝藥施工程序比較繁瑣、耗時，一定程度上會影響工作效率。

［1］吳 亮，盧文波，宗 琦.巖石中柱狀裝藥爆炸能量分布［J］.巖土力學(xué)，2006，27（5）：735-739.

［2］吳 亮，鐘冬望，盧文波.空氣間隔裝藥爆炸沖擊荷載作用下混凝土損傷分析［J］.巖土力學(xué)，2009，30（10）：3109-3114.

［3］吳從師，齊寶軍，劉宇峰.邊坡分段裝藥炮孔的壓力變化與爆破效果［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2001，20（4）：414-416.

［4］楊國梁，楊仁樹，姜琳琳.軸向間隔裝藥爆破沿炮孔的壓力分布［J］.爆炸與沖擊，2012，32（6）：653-657.

［5］梁為民，LIU Hong-yuan，周豐峻.不耦合裝藥結(jié)構(gòu)對巖石爆破的影響［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2012，32（12）：1215-1218.

［6］劉優(yōu)平，龔 敏，黃剛海.深孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)選數(shù)值分析方法及其應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2012，33（6）：1883-1888.

［7］LSTC.LS-DYNA keyword user’s manual［M］.California：Livermore Software Technology Corporation，2003.

［8］WANG J.Simulation of landmine explosion using LS-dyna3d software：Benchmark work of simulation of explosion in soil and air［R］.Australia：Weapons Systems Division Aeronautical and Maritime Research Laboratory，2001.

［9］冷振東，盧文波，陳 明，等.巖石鉆孔爆破粉碎區(qū)計算模型的改進［J］.爆炸與沖擊，2015，35（1）：101-107.

［10］夏 祥，李海波，李俊如，等.巖體爆生裂紋的數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2006，27（11）：1987-1991.

［11］胡 濤，李祥龍，關(guān) 思，等.分段裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果的數(shù)值模擬研究［J］.中國工程科學(xué)，2014，16（11）：36-41.

［12］張志呈，熊 文，吝曼卿.不同位置空氣間隔裝藥的爆破試驗及應(yīng)用效果［J］.化工礦物與加工，2011（6）：27-30.

Study on blasting technique based on rock powder deck charge

LOU Xiaoming1，2，CHEN Penghui1，ZHOU Wenhai1
（1.College of Zijin Mining，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China；2.Research Institute of Explosion Technology，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China）

The simulations are performed to analyze the effect of continuous charge and deck charge structure in bench blasting by using LS-DYNA program.There are four types of charge structures in this paper including one kind of continuous charge structure and three kinds of deck charge structures with different charge ratios.The results obtained from the simulation are used to make comparison including the peak pressure and pressure attenuation against the borehole.At the meantime，the Von Mises yield criterion is used to judge whether the damage have occurred or not in the free surface elements.It is shown that the method which charged with 40%upper，60% lower and the rock powder in the middle can improve the utilization of explosive energy efficiently.Besides，the result shows that it is also benefit for upper rock crushing.In addition，the blasting test in West Copper Mine shows that this kind of deck charge structure can not only decrease the boulder yield and blasting vibration sharply but also reduce the overall cost of blasting effectively.

deck charge；continuous charge；numerical simulation；LS-DYNA

TD235.4

Α

1671-4172（2015）06-0065-05

福建省自然科學(xué)基金資助項目（2011J01310）

樓曉明（1972-），男，副教授，博士，采礦工程專業(yè)，主要從事采礦與爆破方面科研工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.014