吳莊鐵礦二步回采深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究

劉愛(ài)興 張?jiān)迄i 朱曉璽 張亞賓 姚旭龍

(1.徐州鐵礦集團(tuán)有限公司， 江蘇 徐州221000； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063000；3.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063000； 4.唐山三友礦山有限公司,河北 唐山 063000)

分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行二步回采時(shí)，爆破作業(yè)容易對(duì)充填體產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致充填體的破壞和垮塌，從而影響充填體和采場(chǎng)的穩(wěn)定。研究合理的爆破參數(shù)一方面使得礦石破碎均勻、大塊率低，另一方面保持充填體的穩(wěn)定，減少充填體的冒落，有效地控制爆破危害效應(yīng)，是充填采礦法研究的重要內(nèi)容[1-4]。

研究爆破對(duì)充填體穩(wěn)定性影響的方法主要有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受到成本、現(xiàn)場(chǎng)條件以及爆破后測(cè)試手段局限性的限制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)值模擬研究爆破成為一種趨勢(shì)，采用數(shù)值模擬方法可以經(jīng)濟(jì)方便地研究和優(yōu)化爆破參數(shù)，ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件是研究爆破作用的常用軟件[5-6]。

本研究針對(duì)吳莊鐵礦二步回采礦房采場(chǎng)，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)不同孔底抵抗線條件下的扇形深孔爆破模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究爆破作用對(duì)充填體的損傷特性，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，確定合理的深孔爆破參數(shù)，以指導(dǎo)今后井下爆破設(shè)計(jì)施工。

1 工程概況

吳莊鐵礦位于徐州市利國(guó)鎮(zhèn)，為徐州鐵礦集團(tuán)有限公司下轄生產(chǎn)礦山，年產(chǎn)鐵礦石50萬(wàn)t。采場(chǎng)自西北向東南，主要由4個(gè)礦體組成，賦存深度為-300～ -500 m，礦石儲(chǔ)量約為1 500萬(wàn)t，平均品位48%，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。

礦塊垂直礦體走向布置，每個(gè)礦塊由礦房采場(chǎng)和礦柱采場(chǎng)構(gòu)成。采場(chǎng)凈長(zhǎng)度為50 m，階段高度50 m，分段高度10 m，礦柱和礦房跨度分別為8 m、12 m。先回采礦柱，隔一采一，充填體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再回采礦房。扇形炮孔孔徑57 mm，排距為1.4 m，孔底距1.5 m，后退式回采，回采時(shí)上分段超前下分段3～4排炮孔，現(xiàn)場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 炮孔設(shè)計(jì)

炮孔傾角參數(shù)如表1所示。

表1 炮孔參數(shù)

2 二步回采深孔爆破參數(shù)數(shù)值模擬分析

依據(jù)吳莊鐵礦現(xiàn)場(chǎng)二步回采爆破參數(shù)，基于ANSYS/LS-DYNA有限元數(shù)值模擬的方法，分別對(duì)孔底抵抗線0.3 m、0.5 m、0.7 m和1 m的扇形深孔爆破模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬得出的初步結(jié)論確定邊孔距充填體的合理距離及邊孔裝藥結(jié)構(gòu)。

2.1 數(shù)值模擬模型

模型中扇形炮孔孔徑為57 mm，最小抵抗線1.4 m，炮孔的長(zhǎng)度為裝藥長(zhǎng)度，在炮孔長(zhǎng)度方向上均勻裝藥?？紤]模型的左右對(duì)稱性，取二分之一模型進(jìn)行計(jì)算，在LS-DYNA軟件中進(jìn)行鏡像處理，以縮短數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間。模型取高度20 m，礦體寬度6 m，充填體寬度為8 m，模型厚度為2.8 m。假設(shè)礦巖和充填體為均質(zhì)的彈塑性體，為消除人為邊界影響，除自由面外，其他邊界均設(shè)置為透射邊界，模型示意圖、模型邊界條件如圖2、圖3所示。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

圖3 模型邊界

2.2 材料模型及參數(shù)

(1)本次采用流固耦合算法進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，即炸藥選用Euler算法，充填體和礦石選用Lagrange算法，單元之間采用流固耦合定義連接。

(2)礦石和充填體參數(shù)。巖石材料模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該材料為彈塑性動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)添加*MAT_ADD_EROSION來(lái)定義巖石的應(yīng)力和應(yīng)變損傷破壞，選取的礦石及充填材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 礦石及充填體材料參數(shù)

(3)炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)。炸藥材料采用高能炸藥材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態(tài)方程描述，爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行爆轟壓力計(jì)算[7]：

(1)

式中，P為爆轟壓力；E為炸藥爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；A，B，R1，R2，ω均為所選炸藥的性質(zhì)常數(shù)。

表3 炸藥材料參數(shù)

2.3 爆破參數(shù)數(shù)值模擬分析

(1)有效應(yīng)力場(chǎng)分析。以孔底抵抗線0.3 m的扇形孔爆破模型為例，以柱狀藥包形式起爆，網(wǎng)格劃分圖和起爆后不同時(shí)刻爆炸應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 爆炸應(yīng)力云圖

由爆破有效應(yīng)力云圖可知，不同炮孔柱狀藥包同時(shí)從孔口起爆，炸藥由起爆點(diǎn)逐漸向炮孔孔底炸藥末端延伸爆破，相鄰炮孔藥包的應(yīng)力場(chǎng)相互疊加。

(2)模擬結(jié)果分析。振動(dòng)速度峰值和有效應(yīng)力峰值反映了不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破對(duì)充填體的最大破壞效應(yīng)，對(duì)孔底抵抗線為0.3 m、0.5 m、0.7 m和1.0 m 4種方案的振動(dòng)速度峰值和有效應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)據(jù)提取和分析，通過(guò)LS-DYNA軟件的LSPOST程序?qū)Y(jié)果文件進(jìn)行后處理，提取充填體和礦體交界面上4個(gè)記錄點(diǎn)(各記錄點(diǎn)如圖1所示)的有效應(yīng)力和垂直充填體振動(dòng)速度，如圖6所示。

為對(duì)比4種方案爆破作用對(duì)充填體的損傷程度，對(duì)孔底抵抗線0.3 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m的扇形深孔爆破模型的各記錄點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值和振動(dòng)速度峰值進(jìn)行匯總表，結(jié)果見(jiàn)4和表5。

當(dāng)孔底抵抗線大于0.5 m時(shí)單元的有效應(yīng)力峰值小于充填體的單軸抗壓強(qiáng)度，表明沒(méi)有達(dá)到充填體的屈服強(qiáng)度，沒(méi)有發(fā)生片落的現(xiàn)象，由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和爆破安全規(guī)程可知，振動(dòng)速度滿足充填體不發(fā)生垮塌和片落的要求，充填體基本保持穩(wěn)定。隨著孔底抵抗線的增大，振動(dòng)速度峰值與有效應(yīng)力強(qiáng)度逐漸減小，爆炸載荷對(duì)充填體的損傷也逐漸減小，選取孔底抵抗線為0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)進(jìn)行爆破施工時(shí)，充填體保持穩(wěn)定，能夠滿足工程要求。

3 吳莊鐵礦深孔爆破工程實(shí)踐

3.1 深孔爆破回采實(shí)施方案

對(duì)430 m水平4號(hào)礦體4349礦房采場(chǎng)進(jìn)行深孔爆破回采，4348采場(chǎng)和43410采場(chǎng)已充填結(jié)束，達(dá)到3個(gè)月齡期以上，滿足施工要求。

圖6 有效應(yīng)力與振速曲線

記錄點(diǎn)不同抵抗線的最大有效應(yīng)力/MPa03m05m07m10m124215610706022651761360793320203147129435325202146最大值35325202146

表5 振動(dòng)速度峰值

鉆孔設(shè)備采用YGN-90鑿巖機(jī)，上向式鑿巖施工方式，炮孔直徑為57 mm，每排13個(gè)炮孔，孔底距1.5 m，炮孔排距為1.4 m。

采用塑料導(dǎo)爆管雷管半秒微差起爆技術(shù)，每次回采3排炮孔，最大一段起爆藥量為149 kg。炸藥選用粉狀乳化炸藥，裝藥器裝藥，孔內(nèi)延期，每個(gè)炮孔由導(dǎo)爆索引至孔底，再用半秒差導(dǎo)爆管雷管，正向用膠布綁在距導(dǎo)爆索尾部0.2 m至0.3 m導(dǎo)爆索上，雷管布置在孔口0.5～0.6 m處，裝藥完成之后采用紅泥對(duì)炮孔進(jìn)行填塞，填塞長(zhǎng)度0.5 m，通過(guò)將三排炮孔內(nèi)的導(dǎo)爆管成一束，用2～3個(gè)一段毫秒導(dǎo)爆管雷管與導(dǎo)爆管反向連接，形成一束四通，主導(dǎo)爆管長(zhǎng)度為100 m，起爆導(dǎo)線長(zhǎng)度不小于150 m，采用起爆器起爆，起爆器設(shè)在斜坡道硐室安全處。

3.2 充填體損傷評(píng)價(jià)

利用探桿式掃描儀VS150對(duì)充填體表面進(jìn)行三維掃描，將掃描的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，計(jì)算充填體結(jié)構(gòu)面不平整度，判斷充填體的破壞損傷情況。

表6 炮孔參數(shù)

(1)VS150三維探測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介。探桿式掃描儀VS150是一種基于高速激光精密掃描測(cè)量方法，大面積高分辨率地獲取被測(cè)對(duì)象表面的空間點(diǎn)位信息的系統(tǒng)，用于測(cè)量空區(qū)、巖石表面等[8]。VS150的基本構(gòu)成包括激光掃描頭、電源、數(shù)據(jù)接收器、計(jì)算機(jī)控制器、傳輸數(shù)據(jù)電纜及其它配件。利用VS150對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二步回采形成的采空區(qū)進(jìn)行掃描，將激光探頭設(shè)備深入到采空區(qū)內(nèi)部，用電腦操作旋轉(zhuǎn)掃描探頭，進(jìn)行三維垂直掃描，生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用VoidScan軟件原始探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后導(dǎo)出為*.dxf格的點(diǎn)云，將導(dǎo)出的*.dxf文件用VS150自帶軟件Geomagic Studio打開(kāi)，進(jìn)行封裝處理后可得到空區(qū)的三維圖形，并通過(guò)3D網(wǎng)格獲得精準(zhǔn)的充填體掃描圖像[8]，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置和充填體掃描圖像如圖7、圖8所示。

圖7 VS150設(shè)備布置

圖8 二步回采充填體表面圖像

(2)充填體損傷度分析。通過(guò)將VS150測(cè)得的充填體掃描圖像導(dǎo)入3Dmine進(jìn)行分析，得出二步回采爆破充填體表面的不平整度如圖9所示。

圖9 充填體不平整度

通過(guò)對(duì)采場(chǎng)出礦進(jìn)行觀察，礦石塊度適中，礦石中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大塊充填體。由圖9可知，不平整度40～60 cm約占4%，不平整度20～40 cm占比35%，不平整度0～20 cm占比61%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析得知，不平整度為40～60 cm時(shí)，可能屬于扇形炮孔鉆孔超深，或此處充填體強(qiáng)度較小，由充填體不平整度得出，充填體結(jié)構(gòu)面較為完整，說(shuō)明采用孔底抵抗線0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)進(jìn)行回采時(shí)，較好地緩沖了炸藥爆炸對(duì)兩側(cè)充填體側(cè)壁的損傷。

4 結(jié) 論

(1)以吳莊鐵礦二步回采深孔爆破為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦巖力學(xué)和爆破參數(shù)，建立了孔底抵抗線0.3 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m的扇形孔爆破模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，隨孔底抵抗線的增大，有效應(yīng)力和振動(dòng)速度逐漸減小，充填體的損傷也逐漸減小，當(dāng)采用孔徑57 mm扇形孔布孔方式爆破時(shí)，孔底抵抗線大于0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)滿足充填體穩(wěn)定性的要求。

(2)通過(guò)對(duì)吳莊鐵礦采礦方法的分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，制定了詳細(xì)的深孔爆破回采方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和觀測(cè)。采用孔底抵抗線0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)進(jìn)行爆破施工，工程應(yīng)用效果表明，爆破塊度適中，爆破對(duì)充填體擾動(dòng)較小。采用VS150三維激光掃描探測(cè)系統(tǒng)對(duì)爆破后充填體表面進(jìn)行了測(cè)量，充填體不平整度不超過(guò)60 cm，20～40 cm占35%，0～20 cm占61%，說(shuō)明爆破施工后充填體結(jié)構(gòu)面較為平整，沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力集中造成的大量掉塊現(xiàn)象和垮塌的情況。

(3)充填體不平整度一方面受爆破作用影響，更主要的是一步回采時(shí)所形成的巖石壁面的控制，從測(cè)量的結(jié)果也可以說(shuō)明這一點(diǎn)，今后應(yīng)對(duì)一步回采后的巖石壁面進(jìn)行三維掃描測(cè)量，以便為充填體破壞程度進(jìn)行更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

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