層狀巖體爆破裝藥結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究?

陳輝，史秀志，管偉明

(1．新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2．中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083)

0 引言

煤炭資源是我國能源的重要組成部分，新疆預(yù)測儲量達(dá)到1.82～2.19萬億t，占全國比重40.5%[1]．目前，新疆各大露天煤礦多采用爆破剝離的方式進(jìn)行開采，采剝工程量巨大．巖體中各層巖性有較大差異時，會對爆破能量分布產(chǎn)生影響，如爆炸能量分布不勻、泄漏等問題，并出現(xiàn)大塊、根底、側(cè)拉、后拉、飛石及爆堆不規(guī)整等現(xiàn)象，進(jìn)而造成挖運(yùn)作業(yè)效率低，二次處理成本高、安全風(fēng)險大等不利后果[2,3]．

國內(nèi)針對層狀巖體的爆破技術(shù)研究較多，歐陽吉[4]通過物理模擬發(fā)現(xiàn)軟巖夾層在爆破過程中會發(fā)生較明顯的層裂，上覆巖層會因此滑動失穩(wěn)，產(chǎn)生危害；林大澤[5]分析了夾層厚度與間隔裝藥段長度間的匹配關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最佳間隔段長度是一常數(shù)；戚金[6]提出在堵塞段長度范圍內(nèi)增加輔助孔來減少上部巖層因缺少炸藥而產(chǎn)生大塊的幾率；郝亞飛[7]進(jìn)行順層軟巖夾層的爆破研究，發(fā)現(xiàn)炸藥段在遠(yuǎn)離軟巖夾層時，層裂范圍較??；張繼春[8]使用高速攝像技術(shù)驗(yàn)證了軟巖夾層在爆破過程中存在明顯的推移現(xiàn)象；單仁亮[9]對巷道掘進(jìn)過程中遇到的軟巖夾層進(jìn)行了研究，認(rèn)為弱層對掏槽有較大影響；王玉杰[10]利用巖石波阻抗的相關(guān)原理分析了硬夾層和軟夾層對爆破應(yīng)力波傳遞的影響，并給出了軟硬夾層處理的建議方案；韓新平[11]以油頁巖為研究對象，分析了順層弱夾層在不同爆破參數(shù)下對爆破效果的影響，提出了分段裝藥提高炸藥中心的解決思路．烏魯木齊市黑山煤礦在開采過程中，存在復(fù)雜層狀巖體的問題，隨著開采強(qiáng)度不斷加大，急需在層狀巖體爆破裝藥結(jié)構(gòu)上進(jìn)行研究．

1 裝藥結(jié)構(gòu)理論分析

1.1 波阻抗間隔裝藥作用分析

根據(jù)分離沖擊波及氣體膨脹作用的破碎理論研究[12]，炸藥爆炸時，爆破能量沖擊波占10～20%，爆生氣體膨脹占50～60%，其余則損失．假設(shè)炸藥爆轟產(chǎn)物與巖石在界面處保持一致，ρbCb，ρvCv為炸藥爆轟產(chǎn)物及巖石阻抗，式中：ρb為炸藥密度、Cb為爆轟波波速、ρv為巖石密度、Cv為縱波波速．定義阻抗比n=ρbCb/ρvCv，透射系數(shù)T=2/(1+n)，反射系數(shù)F=(1?n)/(1+n)，反透射系數(shù)與介質(zhì)波阻抗有關(guān)，當(dāng)n=1時兩者阻抗相等，反射系數(shù)為0，透射系數(shù)為1，可認(rèn)為爆轟產(chǎn)物透射到巖石中的能量最多．

由于炮孔空氣間隔的存在，間隔裝藥爆轟波傳播至空氣界面，爆轟產(chǎn)物向空氣中飛散，再作用于孔壁，其反透射更加復(fù)雜．設(shè)炸藥爆炸后炮孔中等熵絕熱膨脹，爆轟產(chǎn)物充滿整個炮孔，忽略空氣質(zhì)量，爆轟產(chǎn)物質(zhì)量與炸藥質(zhì)量相等，則：

式中：ρk為空氣密度、l0為炮孔內(nèi)裝藥長度、lz為炮孔長度、kl為空氣間隔裝藥系數(shù)，Ck為爆轟產(chǎn)物充滿整個炮孔沖擊波波速、γ為爆生氣體絕熱指數(shù)、Pk為爆轟產(chǎn)物充滿炮孔壓力，Pb為炸藥起爆瞬間爆轟產(chǎn)物初始壓力，ρz為炸藥初始密度、Dz為炸藥初始爆速．

聯(lián)立式(1)～(4)，得空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)中作用于巖石的爆轟產(chǎn)物阻抗ρkCk：

與連續(xù)裝藥不同，間隔裝藥存在與間隔裝藥系數(shù)kl、爆生氣體絕熱指數(shù)γ相關(guān)的系數(shù)．設(shè)絕熱指數(shù)γ相同，因間隔裝藥系數(shù)kl<1，隨間隔裝藥系數(shù)kl的增大ρkCk減?。畯淖杩蛊ヅ浣嵌确治觯魧?shí)現(xiàn)爆破能量更有效的傳遞，須綜合考慮爆破區(qū)域巖石阻抗、炸藥種類及空氣間隔裝藥系數(shù)三者的關(guān)系．當(dāng)巖石、炸藥屬性均確定時，空氣間隔裝藥系數(shù)與炸藥種類、巖石阻抗?jié)M足式(5)，則爆破能量傳遞效果最好．

1.2 間隔裝藥炮孔內(nèi)壓力分布計(jì)算的激波管理論

利用沖擊波波理論來分析空氣間隔裝藥炮孔內(nèi)的壓力波傳播過程，將其分為幾個階段[13]．第一階段：炸藥起爆及起爆后，爆轟波在炸藥層中一維傳播；第二階段：爆轟波傳播至空氣界面，爆轟產(chǎn)物向空氣中飛散，向空氣中傳入沖擊波，向爆轟產(chǎn)物內(nèi)傳入稀疏波；第三階段：稀疏波在孔底反射，沖擊波在堵塞端反射；第四階段：反射后的沖擊波和稀疏波先后到達(dá)接觸界面并在接觸面再次反射與透射，透射波與反射波在炮孔內(nèi)互相作用，這些過程隨著時間的推移而越來越復(fù)雜，經(jīng)過多次反復(fù)作用后，炮孔內(nèi)最終達(dá)到一個比較穩(wěn)定的壓力：

式中：p為最終平均壓力、Pk為爆轟產(chǎn)物充滿炮孔壓力、l0為炮孔內(nèi)裝藥長度、La為炮孔內(nèi)空氣柱長度、γ為爆生氣體絕熱指數(shù)．

由式（6）可以看出，空氣間隔裝藥技術(shù)在爆破作用過程中降低了爆壓的峰值，降低或避免了對圍巖的破碎作用．由于空氣間隔的作用，延長了爆壓作用時間，可以獲得更大的爆破沖量，最終提高了爆破的有效能量利用率[13]．

2 黑山露天礦巖石力學(xué)試驗(yàn)

2.1 黑山露天煤礦簡述

黑山露天煤礦2009年建礦，位于新疆托克遜縣黑山礦區(qū)．礦田范圍出露的地層有侏羅系、古近系及第四系全新統(tǒng)沖洪積，主要含煤9層，從上到下依次為6、7、8、9、10、11、12-1、12-2、13-2號，煤層平均總厚度37.4 m，其中可采煤層3層，分別為9、12-1、13-2號．煤層頂?shù)装宥喟l(fā)育為直接頂板及直接底板，巖性為粉、細(xì)砂巖，僅個別地段為粉、細(xì)砂巖層狀；老頂和老底次之，巖性多為中、粗砂巖，偶爾為砂礫巖；偽頂及偽底只限于局部地段，巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖．粉、細(xì)砂巖為粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層—中厚層狀構(gòu)造，常見有水平層理、緩波狀層理，多為泥鈣質(zhì)膠結(jié)，裂隙節(jié)理較發(fā)育，巖石較軟．

目前，黑山露天煤礦東幫已經(jīng)停止作業(yè)，北幫為火燒滑坡區(qū)，南幫已到邊界，開采作業(yè)集中在北幫和西幫．采用單斗卡車開采工藝，煤與巖石均需要松動爆破后進(jìn)行開采．

通過地質(zhì)資料分析和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)礦區(qū)層狀巖體主要集中在西幫和南幫區(qū)域，與西幫XB1-1剖面線勘探結(jié)果相符（圖1）．層狀巖體主要集中在2 300～2 450 m標(biāo)高區(qū)段內(nèi)，走向?yàn)闁|西方向、傾向?yàn)槟媳狈较?，夾層多為軟弱的煤層．

圖1 黑山礦西幫剖面線Fig 1 Western band profile of Heishan mine

2.2 層狀巖體巖石力學(xué)特性

在黑山礦區(qū)選擇具有代表性的巖體取樣，進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得了測試巖石的密度、彈性模量、泊松比、切線模量和屈服應(yīng)力，測試結(jié)果見表1．

表1 黑山露天礦巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab 1 Rock mechanics property parameters of Heishan open-pit mine

3 數(shù)值計(jì)算與分析

數(shù)值模擬選擇ANSYS（有限元分析軟件）的LS-DYNA3D（高度非線性瞬態(tài)動力分析模塊），為了避免大變形引起的數(shù)值計(jì)算困難并提高計(jì)算的效率，采用ALE（任意拉格朗日―歐拉方法）網(wǎng)格劃分炸藥實(shí)體、巖體材料采用Lagrange（拉格朗日方法）劃分網(wǎng)格，采用流固耦合算法與準(zhǔn)二維的模型對本研究的爆破過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算．

3.1 數(shù)值模型的幾何特征

為了提高數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，貼近實(shí)際工程，模型簡化了層狀巖體，采用單層結(jié)構(gòu)巖體．模型采用準(zhǔn)三維建模，設(shè)計(jì)2個炮孔，1號炮孔先起爆，2號炮孔延遲25 ms起爆．為了減少模型邊界條件的影響，模型尺寸X方向（臺階長度）為60 m，Y方向（臺階高度）為30 m，Z方向（模型厚度）為0.2 m，邊界條件設(shè)置為無反射邊界條件，等效于模擬無限大礦巖邊界，模擬露天臺階爆破參數(shù)見表2．

表2 露天礦爆破參數(shù)Tab 2 Blasting parameters of open-pit mine

3.2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

爆炸過程中，巖石的加載應(yīng)變率通常較大，巖石的動態(tài)強(qiáng)度隨加載應(yīng)變率的提高而增大，結(jié)合黑山礦實(shí)際情況，炸藥爆炸時近區(qū)巖體發(fā)生屈服以致破碎，爆破模擬過程采用包含應(yīng)變率的Mat Plastic Kinematic模型（非線性塑性材料模型）．

選用LS-DYNA3D內(nèi)部的Mat High Explosive Burn本構(gòu)模型（內(nèi)部高能材料本構(gòu)模型）對爆破過程進(jìn)行模擬，采用JWL（Jones Wilkins Lee）狀態(tài)方程模擬的炸藥爆轟過程中壓力和比容的關(guān)系：

式中：Pcj為初始壓力，A、B為炸藥JWL狀態(tài)方程的直線系數(shù)，R1、R2、ω為炸藥JWL狀態(tài)方程的非直線系數(shù)，V為相對體積，E0為初始比內(nèi)能，具體參數(shù)見表3[14]．炸藥的密度和爆速由葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司技術(shù)人員提供．由于巖石失效現(xiàn)象的復(fù)雜性，對爆炸荷載作用下的巖石，采用有效應(yīng)力分析爆破過程中爆破破碎特性．

表3 乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab 3 Material parameters and JWL equation of state parameters of emulsion explosives

3.3 層狀巖體裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬研究中設(shè)計(jì)了間隔裝藥結(jié)構(gòu)和連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)模型（圖2），圖2（a）在煤層中采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，圖2（b）在煤層中采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)．

圖2 層狀巖體爆破裝藥結(jié)構(gòu)對比模型Fig 2 Contrast model of blasting charge structure in layered rock mass

圖3為兩種裝藥結(jié)構(gòu)在10 ms和50 ms時巖石破裂的狀態(tài)．爆破初始，圖3（a）可見臺階頂部巖石較圖3（b）更為破碎，圖3（a）煤層有了明顯的開裂，能量開始從此處泄漏；圖3（a）在煤層自由面一側(cè)對比圖3（b）有了明顯破裂，爆破過程中有較多能量從此泄漏，使得兩個炮孔間的巖體沒有得到充分破碎；由于能量的分布不勻，圖3（c）中的大塊較多、根底不平整；觀察圖3（b）與圖3（a）自由坡面處的巖塊傾角及拋出距離，圖3（c）傾倒角度更大，外推距離略大，是由于連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)使得煤層受到破壞、產(chǎn)生滑移面，在炸藥推力的作用下一部分能量轉(zhuǎn)化為巖體整體移動的動能，而減少了破裂作用的能量．爆破開始時（10 ms）連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)已經(jīng)把煤層破壞，間隔裝藥結(jié)構(gòu)也明顯有從夾層處流失能量的趨勢；間隔裝藥結(jié)構(gòu)較連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)的臺階坡頂炸藥布置更加均勻，抵抗線發(fā)生變化，炸藥作用基本完畢時（50 ms），圖3（d）可見間隔裝藥的自由面和兩個炮孔間的巖體上半部分破碎更加充分．由于間隔裝藥結(jié)構(gòu)較連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，其下半部分的藥心下降，增大對坡底的爆破作用，圖3（d）根底部分更加平整．

圖3 不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果對比圖Fig 3 Comparison of blasting effect of different charge structures

依據(jù)數(shù)值分析，煤層（軟巖夾層）是影響爆破效果的主要因素及能量泄露的主要途徑，爆破時孔底分段藥包從軟巖夾層處泄能，是根底、大塊產(chǎn)生的主要原因．為了消除這種影響，實(shí)驗(yàn)采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，直接避開了煤層，減少了能量的泄漏，相對提高了上段藥包和降低下端藥包的重心位置，有利于坡頂巖體破碎和減少根底產(chǎn)生．

4 分區(qū)段層狀巖體爆破試驗(yàn)

4.1 工業(yè)試驗(yàn)方案

通過數(shù)值分析及層狀巖體爆破的理論分析可知，臺階中煤層泄能是造成能量分布不均的主要原因．因此，層狀巖體的爆破設(shè)計(jì)應(yīng)使炮孔內(nèi)的炸藥能量盡可能的均勻分布，同時兼顧臺階上下不同巖性的分布情況調(diào)整工藝方法和參數(shù)，減少煤層對爆破效果的影響．根據(jù)上述基本設(shè)計(jì)思路結(jié)合數(shù)值模擬研究，本文提出采用間隔裝藥的方法，在煤層處不裝藥或減少裝藥，進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)．

2017年7月至11月，在黑山礦區(qū)進(jìn)行了多次間隔裝藥結(jié)構(gòu)爆破工業(yè)試驗(yàn)．選取2350平臺為試驗(yàn)爆破區(qū)域，其為典型的“硬巖—軟巖夾層—硬巖”類層狀巖體臺階．鉆孔采用梅花形垂直孔，每個炮孔深度為11.5 m，其中超深為1.5 m．共布置5排炮孔，第一排至第四排為主爆孔，第五排為光爆孔，主爆孔孔徑為138 mm，孔間距為8 m，排間距為5 m；光爆孔孔徑為90 mm，孔間距為4 m，排間距為4.5 m（圖4）．第一排布置15個炮孔，第二排布置16個炮孔，第三排布置15個炮孔，第四排布置15個炮孔，第五排布置28個炮孔，共89個炮孔．選取2350平臺的中間偏左處為試驗(yàn)區(qū)，現(xiàn)場測量此處軟巖夾層厚度為1.5 m，傾角為15o，按照數(shù)值模擬及分析結(jié)果在軟巖夾層范圍內(nèi)進(jìn)行空氣間隔裝藥，間隔裝藥長度為1.9 m，在靠近炮孔口附近的軟巖夾層進(jìn)行連續(xù)裝藥（圖5）．試驗(yàn)區(qū)域炮孔數(shù)為30個，第一排炮孔裝藥方式與區(qū)域內(nèi)的第二、第三和第四排一致，光爆孔裝藥方式與炮孔5-13一致，具體炮孔布置參數(shù)見表4．2350平臺非試驗(yàn)區(qū)域炮孔采用連續(xù)裝藥，裝藥長度為8.0 m，堵孔長度為3.5 m．采用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，逐孔、逐排延期起爆，炸藥使用葛洲壩易普力新疆爆破工程有限公司現(xiàn)場混制的乳化炸藥．2350平臺試驗(yàn)區(qū)炸藥的單耗為0.26 kg·m?3，非試驗(yàn)區(qū)炸藥的單耗為0.30 kg·m?3．

圖4 2350平臺部分炮孔布置及試驗(yàn)區(qū)位置圖Fig 4 Part of the 2350 platform blasthole layout and test area location

圖5 2350平臺局部炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Local blasthole arrangement and charge of the 2350 platform

表4 2350平臺爆破試驗(yàn)區(qū)爆破參數(shù)Tab 4 Blasting parameters of the 2350 platform blasting test zone

4.2 間隔裝藥結(jié)構(gòu)爆破試驗(yàn)分析

2350平臺爆破試驗(yàn)后，從爆破過程、巖體破碎情況、根底殘留和后拉范圍方面，對間隔裝藥和連續(xù)裝藥爆破效果進(jìn)行分析．

（1）爆破過程分析

2350平臺爆破瞬間，中間間隔裝藥試驗(yàn)爆破區(qū)域少有沖孔現(xiàn)象（圖6紅框內(nèi)），但在其兩側(cè)采用連續(xù)裝藥區(qū)域沖孔現(xiàn)象較為明顯．爆破沖孔損耗了炸藥能量，減少了能量做功，而間隔裝藥結(jié)構(gòu)可使相對更多的炸藥能量作用于巖體破碎[12]．

圖6 間隔裝藥爆破過程Fig 6 Blasting process of airdeck charge

（2）巖體破碎效果對比分析

采用連續(xù)裝藥，爆破后有較多的大塊存在且礦石過粉現(xiàn)象嚴(yán)重，大塊主要集中在前排頂部，增加了二次破碎的成本．采用間隔裝藥，提高了上段藥心高度[11]，改善了最小抵抗線的作用方向，對前排頂部破碎效果有了一定的改善（圖7），大塊率保持在每萬方3塊以下，符合技術(shù)要求．

圖7 間隔裝藥巖體破碎效果Fig 7 Fragmentation effect of airdeck charge

圖8 連續(xù)裝藥爆破根底情況Fig 8 Root residue conditions of continuous charging blasting

（3）根底殘留情況

采用連續(xù)裝藥，明顯可見根底殘留，現(xiàn)場測量高度約為2.5 m（圖8紅線內(nèi)）．而采用間隔裝藥，根底平整，現(xiàn)場測量高度在0.2～0.5 m左右，長度4 m左右，符合技術(shù)要求．

（4）后拉范圍比較

光爆孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，由于后排孔內(nèi)炸藥能量過度集中，爆破后造成臺階后拉坍塌破壞（圖9）．光爆孔采用間隔裝藥，降低了爆破作用，后排孔形成與臺階坡面平行的裂隙（圖10），對后續(xù)作業(yè)影響較小．

圖9 連續(xù)裝藥爆破后拉圖Fig 9 Back-tension range after blasting with column charge

圖10 間隔裝藥爆破后拉圖Fig 10 Back-tension range after blasting with airdeck charge

5 結(jié)論

針對黑山煤礦層狀巖體條件，進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn)研究，為新疆類似條件下的層狀巖體露天爆破的設(shè)計(jì)、施工等提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)．主要取得了以下幾點(diǎn)成效：

（1）利用波阻抗間隔裝藥作用和炮孔內(nèi)壓力分布激波管理論對空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)通過空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)延長了爆壓作用時間并可提高層狀巖體爆破的有效能量利用率．

（2）結(jié)合數(shù)值模擬研究，對比了連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)和空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的爆破破碎情況，闡明了炸藥能量破碎層狀巖體的過程及特征，表明煤層是影響層狀巖體爆破效果的重要因素．

（3）層狀巖體爆破工業(yè)試驗(yàn)表明，相比連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，主爆孔及光爆孔采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，降低了炸藥單耗，并在爆破過程、巖體破碎效果、根底殘留情況以及后拉范圍方面取得了較好的效果，提高了挖運(yùn)作業(yè)效率，降低了采礦成本．