基于數(shù)值模擬的礦柱扇形中深孔爆破參數(shù)研究與應(yīng)用

王正英，張紀(jì)堂，張海云，李 強(qiáng)，徐新海，毛思雨

基于數(shù)值模擬的礦柱扇形中深孔爆破參數(shù)研究與應(yīng)用

王正英1，張紀(jì)堂1，張海云2，李 強(qiáng)1，徐新海1，毛思雨3

(1.山東能源臨礦集團(tuán)會寶嶺鐵礦，山東 蘭陵市 277712；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；3.中南大學(xué)，湖南 長沙 410012)

會寶嶺鐵礦一直采用分段空場嗣后充填法開采，當(dāng)前主采水平礦房底部結(jié)構(gòu)均為塹溝式，每個(gè)礦房底部結(jié)構(gòu)約占礦房可采儲量的3.5%，礦石損失率較高。為了實(shí)現(xiàn)礦山高效回采，運(yùn)用LS-DYNA軟件對三角礦柱進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，通過對比不同模擬方案，確定了三角礦柱回采最佳孔網(wǎng)爆破參數(shù)：孔底距與排距分別為2.0 m與1.8 m，現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用證實(shí)爆破效果良好，可推廣應(yīng)用到整個(gè)水平和類似礦山。

礦柱回收;中深孔;爆破參數(shù);LS-DYNA

0 引 言

會寶嶺鐵礦是一座大型地下礦山，生產(chǎn)規(guī)模為300萬t/a，采用分段空場嗣后充填采礦方法。礦體為急傾斜礦體，傾角76°~85°，中段高度70 m，采場沿走向布置，礦房長54 m，礦柱為6 m，寬為礦體厚度。在礦房底部集中出礦，底部結(jié)構(gòu)布置為無軌自行設(shè)備出礦的型式，包括出礦巷道、出礦進(jìn)路、鑿巖兼受礦巷道，底部塹溝由中深孔炮孔形成。根據(jù)測算底部塹溝礦柱體積占采場礦石量的3.5%，為最大程度地回采礦石資源，對底部結(jié)構(gòu)礦柱回采技術(shù)方案進(jìn)行了研究。

當(dāng)前殘礦回采往往采用淺孔爆破落礦的上向分層充填方式[1-2]，而會寶嶺鐵礦底部結(jié)構(gòu)礦柱體積大，且工程條件復(fù)雜，該方法難以實(shí)現(xiàn)安全高效回采收目的。故結(jié)合礦區(qū)工程條件，提出中深孔落礦方案進(jìn)行礦柱回采。而目前爆破參數(shù)選取多采用經(jīng)驗(yàn)公式或工程類比[3-4]，具有較大的模糊性，需要在工程實(shí)踐中不斷調(diào)整優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)良好的爆破效果。故為了減少現(xiàn)場工作量，探索在不同工況條件下的爆破新參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量爆破，本文利用LS-DYNA軟件進(jìn)行三角礦柱中深孔爆破數(shù)值模擬，探討不同孔底距與排距下的爆破效果，最終確定最優(yōu)爆破參數(shù)[5-8]。

1 礦巖力學(xué)性質(zhì)與模型參數(shù)

會寶嶺鐵礦分為南北兩個(gè)礦帶，共4個(gè)礦體：北礦帶為N1、N2兩個(gè)礦體，南礦帶為S1、S2兩個(gè)礦體。礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致。礦體橫貫全區(qū)，賦存標(biāo)高為+60～?970 m。礦體平均總厚度41.16 m，礦床平均品位TFe 31.34%，mFe 18.81%。目前主要回采中段為?130 m中段、?340 m中段和?410 m中段，采空區(qū)主要采用廢石尾砂膠結(jié)充填和尾砂膠結(jié)充填兩種方式。礦體為磁鐵角閃石英巖、磁鐵石英角閃巖等，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造，巖體較完整，穩(wěn)定性較好，礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)會寶嶺鐵礦前期室內(nèi)試驗(yàn)得出的巖石力學(xué)參數(shù)利用ROCLUB軟件進(jìn)行參數(shù)折減得出礦體巖石參數(shù)，見表2。

表2 礦體巖石力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬時(shí)，礦巖按彈性體處理，忽略節(jié)理裂隙以及前期工程損傷的影響，材料模型選用*MAT_ PLASTIC_KINEMATIC。炸藥選用巖石乳化炸藥為爆源（見表3），采用JWL方程描述爆破過程的膨

脹驅(qū)動關(guān)系[3-4]。

式中，為爆炸壓力，Pa；為格林艾森參數(shù)，即定容條件下壓力相對于內(nèi)能的變化率；，為材料常數(shù)，GPa；1，2為無量綱常數(shù)；為爆轟產(chǎn)物的相對體積；0為初始比內(nèi)能，GPa。

表3 巖石乳化炸藥參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算

為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合會寶嶺鐵礦底部三角礦柱情況，建立扇形中深孔爆破模型，分析爆破沖擊波壓力變化值，確定單孔爆破的作用范圍；設(shè)計(jì)不同的孔距與排距進(jìn)行多孔微差爆破數(shù)值模型，分析其對礦柱回采的最佳爆破效果。

2.1 孔底距的確定

依據(jù)會寶嶺鐵礦實(shí)際情況，擬由出礦進(jìn)路鉆鑿中深孔炮孔進(jìn)行采場底部三角礦柱回采，結(jié)合礦巖力學(xué)參數(shù)以及炮孔布置情況，建立不同孔底距的單排炮孔進(jìn)行數(shù)值模擬，且綜合考慮會寶嶺鐵礦中深孔機(jī)械性能，選用炮孔直徑為76 mm。由經(jīng)驗(yàn)公式初步計(jì)算得出：礦體最小抵抗線為1.9 m，孔底距為2.09 m[9-10]。通過數(shù)值模擬對會寶嶺中深孔爆破參數(shù)進(jìn)行確定，孔底距分別取2.0，2.1，2.2 m。其計(jì)算模型和3種孔底距下同時(shí)刻的應(yīng)力結(jié)果如圖1所示。

圖1 孔底距計(jì)算模型與結(jié)果

根據(jù)不同孔底距的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在炮孔壁附近的應(yīng)力狀態(tài)相近，這是由于圓形炮孔的均勻爆轟作用效果；而在炮孔之間的礦巖區(qū)域不同孔底距下作用效果相差較大，孔底距越小，作用力越大。從應(yīng)力分布上看，孔底距為2.0 m時(shí)，炮孔之間應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值在51.45~102.9 MPa之間，模型頂板存在高應(yīng)力區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)炮孔頂板的充分破碎；孔底距為2.1 m時(shí)，炮孔底部之間存在低應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力值在26.48~52.96 MPa之間，小于礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度，且延伸至模型頂板，爆破后易形成大塊；孔底距為2.2 m時(shí)，炮孔底部之間的低應(yīng)力區(qū)域范圍更大，應(yīng)力值在25.39~50.78 MPa之間，不利于礦巖的破碎，極易形成大塊。故會寶嶺鐵礦的中深孔爆破最佳孔底距為2.0 m。

2.2 排距的確定

根據(jù)會寶嶺鐵礦三角礦柱實(shí)際形狀比例截取區(qū)段建立數(shù)值模型，模擬不同排距下的雙排炮孔的爆破效果。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的礦體最小抵抗線為1.9 m[9-10]與最佳孔底距模擬結(jié)果2.0 m，排距分別取1.8，1.9，2.0 m進(jìn)行數(shù)值模擬對比。

為減少計(jì)算機(jī)計(jì)算單元數(shù)量，建立的模型去除了巷道拱頂以下部分，主要研究雙排炮孔之間的爆破效應(yīng)，且為方便分析取巷道中心線剖面作為研究區(qū)域。由于三角礦柱呈坡面狀，異排炮孔存在高差，故存在爆轟作用較小區(qū)域，其對爆破效果影響較大，同時(shí)為減小爆破拋擲作用，采用孔口爆破，雙排炮孔同時(shí)爆破，其計(jì)算模型和3種孔底距下同時(shí)刻的應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。

圖2 排距計(jì)算模型與結(jié)果

根據(jù)不同排距的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：雙排炮孔之間的夾制作用相同，由孔口至孔底逐漸同時(shí)段疊加，作用于礦巖；而在不同排距下作用效果相差較大，排距越小，作用力越大；從應(yīng)力分布上看，排距為1.8 m時(shí)，炮孔之間礦巖應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力值在51.03~102.1 MPa之間，礦巖應(yīng)力分布差異小，能夠?qū)崿F(xiàn)礦巖的充分破碎；排距為1.9 m時(shí)，炮孔之間礦巖分布不均勻，應(yīng)力值在39.44~98.61 MPa之間，其中39.44~78.88 MPa應(yīng)力區(qū)域較多，小于礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度，爆破后易形成大塊；排距為2.0 m時(shí)，炮孔之間礦巖應(yīng)力分布不均勻更為明顯，低應(yīng)力區(qū)域范圍更大，應(yīng)力值在45.75~91.50 MPa之間，不利于礦巖的破碎，極易形成大塊。故綜上，會寶嶺鐵礦的中深孔爆破最佳排距為1.8 m。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，會寶嶺鐵礦回采三角礦柱最佳孔底距與排距分別為2.0與1.8 m，為驗(yàn)證深孔爆破參數(shù)進(jìn)行了爆破現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選在41103礦房。

為充分利用現(xiàn)有設(shè)備，保證施工效率，在出礦進(jìn)路中采用上向扇形布孔方式，排線平行于鑿巖巷中線。上向扇形孔排距取1.8 m，孔底距為2.0 m，采用Simba1254臺車施工Φ76 mm扇形孔，設(shè)計(jì)孔深1.2~6 m。為防止兩相鄰進(jìn)路內(nèi)中深孔穿孔，孔底留1 m保護(hù)層（見圖3）。

圖3 礦柱中深孔排線與正排中深孔布置

以試驗(yàn)礦房41103礦房為例，東二進(jìn)路為切割槽位置，拉槽過程中已爆破三角礦柱區(qū)域，其他各進(jìn)路三角礦柱區(qū)域均布置了中深孔，以其中一排為例，其裝藥參數(shù)如表4所示。

采用復(fù)式微差起爆方式，起爆藥包為兩卷Φ32 mm乳化藥卷（0.2 kg/卷）與塑料導(dǎo)爆管雷管加工而成。起爆時(shí)，3條進(jìn)路同時(shí)起爆，進(jìn)路內(nèi)各排按雷管段數(shù)依次起爆。礦房正排爆破完成，出空礦房后進(jìn)行進(jìn)路三角區(qū)域爆破。

表4 西一第2排中深孔裝藥參數(shù)

通過現(xiàn)場觀測，三角礦柱爆破效果良好，大塊率極低，不需進(jìn)行二次破碎作業(yè)。試驗(yàn)礦房設(shè)計(jì)回采量3356 t，爆破后采用LH410鏟運(yùn)機(jī)出礦，實(shí)際出礦615鏟斗，以平均每鏟6 t計(jì)算，實(shí)際回采礦量為3690 t，達(dá)到了預(yù)期效果。

41103礦房，在無掘進(jìn)成本的情況下，回收礦量3690 t，礦房回采率提高2.46%，可磨選鐵精粉738 t，去除爆破、提運(yùn)和選礦等成本，按2018年670元/t鐵精粉平均售價(jià)計(jì)算，為礦山創(chuàng)造效益21.4萬元。

首個(gè)礦房取得成功后，在41305和41311礦房推廣應(yīng)用了本成果，分別回采資源4038 t和4026 t。主采?410 m水平有近40個(gè)礦房可以利用該法回采三角礦柱，預(yù)期可創(chuàng)效850余萬元，資源回采率可提高約1.5~2.5個(gè)百分點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 顯著。

4 結(jié) 論

（1）采用理論計(jì)算得出初步參數(shù)，再通過數(shù)值模擬探索最優(yōu)爆破孔網(wǎng)參數(shù)，通過軟件LS- DYNA直觀表現(xiàn)中深孔爆破效應(yīng)，減少了現(xiàn)場試驗(yàn)次數(shù)，方便可靠。

（2）針對會寶嶺鐵礦三角礦柱的工程條件，分別進(jìn)行了孔底距與排距的多孔多參數(shù)爆破數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明：三角礦柱的最佳孔底距為2.0 m，最佳排距為1.8 m。

（3）會寶嶺鐵礦的現(xiàn)場試驗(yàn)以及推廣應(yīng)用情況表明，礦柱回采爆破效果良好，塊度均勻，幾乎不需進(jìn)行二次破碎工作。模擬確定的孔網(wǎng)參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中取得了極為顯著的效益，以?410中段為例，預(yù)期可創(chuàng)效850余萬元，資源回采率可提高約1.5~2.5個(gè)百分點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

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(2019-07-11)

王正英(1984—)，男，山西汾陽人，碩士，高級工程師，主要從事金屬礦采礦工程研究，Email: 51021377@ qq.com。