巴潤礦臺階爆破底盤抵抗線數(shù)值研究與應用

常建平，張鵬飛，王夢瑤，段 軍，郭建新

(1.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包鋼集團巴潤礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014080)

近年來，在露天礦山臺階爆破當中，底盤抵抗線是一個重要的技術參數(shù)，底盤抵抗線設計太大往往會造成爆區(qū)前部產(chǎn)生根底，同時影響后排巖石的爆破拋擲，最終造成爆破整體效果差、增加礦山生產(chǎn)成本的后果。實際生產(chǎn)當中，在保證鉆機安全施工的條件下，為保證爆破效果，采用最小底盤抵抗線作為保守的設計參數(shù)情況居多。但是底盤抵抗線的大小受到臺階高度、巖體強度、臺階坡面角、炸藥威力等一系列復雜因素的影響，至今尚未有準確的理論計算公式。由于現(xiàn)代礦山設備的大型化趨勢和露天礦山高效生產(chǎn)的內(nèi)在要求，露天礦山的臺階高度會隨之增大，確定一定工況條件下炸藥能夠克服的最大底盤抵抗線更顯得尤為重要。露天爆破效果分析方面現(xiàn)有的研究主要是針對露天礦爆破在爆炸沖擊波作用下的動力響應進行的研究。蘭盾等運用ANSYS/LS-DYNA分析連續(xù)裝藥結(jié)構和孔底起爆方式的24m和12m臺階爆破過程中的應力變化規(guī)律[1]；周楠等通過數(shù)值模擬方法對比現(xiàn)行普通臺階爆破與高臺階爆破過程中臺階難爆部位應力場變化趨勢，得出采用高臺階爆破可以得到與普通臺階爆破相當或更好的爆破效果[2]；黃永輝等通過模擬高臺階爆破，研究高臺階拋擲爆破速度規(guī)律取得顯著成果[3]。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)理論研究及現(xiàn)場試驗確定爆破參數(shù)，不能體現(xiàn)最大底盤抵抗線的工程適用性對爆炸應力波[4-6]的影響。在露天爆破中，合理的炮孔底盤抵抗線能夠有效地運用炸藥的能量對底部巖體做功得到符合生產(chǎn)要求的破碎效果，確保采場底板不留根底，多次試驗不合理的爆破方案必然引起爆破成本的增加和采礦生產(chǎn)效率的降低。因此借助仿真模擬軟件[7-9]對不同底盤抵抗線下的爆破作數(shù)值模擬分析，根據(jù)臺階坡底線巖體應力分布規(guī)律，得出在模型條件下的理論最大的底盤抵抗線，再把得到的理論結(jié)果進行現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證分析，以指導生產(chǎn)實踐。

1 工程概況

巴潤礦是包鋼集團的子公司，也稱為白云鄂博西礦，主體開采設備為KY-310型牙輪鉆機、采掘設備主要有ER9350大型液壓鏟利勃海爾、4400大型電動輪礦車等，是一座超大型現(xiàn)代化露天礦山，原設計礦石生產(chǎn)能力1500萬t/a，剝巖總量為9850萬t/a，采剝總量11350萬t/a，采場東西長近5km，南北寬1km左右的范圍內(nèi)，其中鐵礦體有數(shù)十個主礦體，有一百多個附屬礦體。采場內(nèi)巖性主要為白云巖、板巖、第四系等，巖性變化大，采場上部臺階巖性風化較為嚴重，強度低，隨著開采水平的下降，巖性強度變大。經(jīng)調(diào)整，目前采場形成由先前上部12m過渡到下部14m高度臺階的形式。

2 確定爆破參數(shù)及模型建立

根據(jù)炮區(qū)的巖石性質(zhì)，炮孔填塞長度取值為6m；國內(nèi)礦山的炮孔超深值[10-15]一般為0.5～3.6m，考慮爆區(qū)的巖石性質(zhì)和巴潤礦的實際經(jīng)驗值，確定本次模型炮孔的超深值為2.5m。受鉆機功能限制，鉆孔方式為垂直鉆孔，其孔徑310mm，孔深L為16.5m。巴潤礦目前臺階高度H為14m，坡面角α=75°，按照公式Wd≥Hcotα+B(B≥3m)計算得出巴潤礦最小底盤抵抗線Wd≥6.751才能保證鉆機的施工安全。在露天爆破中，受臺階坡面限制，隨著臺階高度加大，臺階底盤抵抗線變大，爆破過程中，臺階底部巖石不易破碎。在本次模型分析當中，在其他爆破參數(shù)不變的情況下，設計底盤抵抗線分別為1200cm、1150cm、1100cm、1050cm。

臺階爆破模擬，假設模型介質(zhì)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性材料，以z軸為對稱面建立1/2的模型，現(xiàn)設計臺階高度1400cm、寬度2000cm、縱向深度1500cm，設計的坡角75°，采用cm-g-μs單位制。巖石選擇雙線性隨動硬化模型，該材料模型適用于包含應變率效應的各向同性、隨動硬化或各向同性和塑性隨動強化材料，是用來模擬巖石較為常用的一種材料模型。堵塞與巖石材料采用*MAT-003材料，實體單元為*sect-lag，具體參數(shù)設置見表1、表2。

表1 堵塞材料參數(shù)

表2 白云巖材料參數(shù)

空氣采用*MAT-009材料；空氣密度設為1.29g/L，其他參數(shù)使用默認，狀態(tài)方程*EOS-Air(*EOS-001)，該狀態(tài)方程為線性多項式和熱力學的初始狀態(tài)材料定義參數(shù)。乳化炸藥采用*MAT-008材料，具體參數(shù)見表3，乳化炸藥和空氣的實體單元都是*sect-ale，乳化炸藥采用ELFORM為11的多物質(zhì)單元算法；狀態(tài)方程*EOS-Jwl(*EOS-002)，該方程用于定義功能炸藥，這是一種不限含化學反應，能夠精確地描述炮轟產(chǎn)物做功過程，JWL表現(xiàn)形式：

式中，P為壓力值；E為爆轟產(chǎn)物內(nèi)能；V為爆轟產(chǎn)物的體積大小，即爆轟產(chǎn)物的體積與初始體積之比；A、B、R1、R2及w為待定系數(shù)。

定義網(wǎng)格邊界條件中，把模型的剖面(炮孔面)作為對稱邊界，其余面均為無投射邊界，臺階上頂、坡面和坡腳面設為臨空面；采用Hypermesh14.0將模型劃成六面體實體單元網(wǎng)格，為了便于觀察爆破效果過程的應力分布，炸藥和填充材料處網(wǎng)格精細劃分，如圖1所示。

表3 乳化炸藥參數(shù)

圖1 整體模型及精細網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果與實際爆破效果分析

3.1 模擬結(jié)果分析

露天臺階爆破參數(shù)及條件均調(diào)試完成，由圖2分析可看出起爆后，爆轟波由孔口向孔底處呈近似水滴的形狀傳播，隨著時間的推移，應力波波陣面與炮孔間形成一定角度并保持基本不變向外傳播，應力波到達自由面壓力反射形成反向拉伸，巖石內(nèi)的應力場主要由來自自由面的反射波產(chǎn)生，這種反射波便是導致巖石破壞的主要原因。

圖2 底盤抵抗線為10.5m時不同時刻應力變化圖

結(jié)合巴潤礦爆區(qū)巖性以及參考文獻，根據(jù)《爆破工程地質(zhì)》，拉應力破壞準則：σθ>σtd≈3σt，σi≥σtb，其中，σθ為切向峰值應力，σtd為巖石單軸動態(tài)抗拉強度，σt為巖石單軸靜抗拉強度，σi為Mises 應力。

模型巖石單軸靜抗拉強度為4.3MPa，則σi需大于12.9MPa，巖石才會被破壞。炮孔堵塞長度為6m，孔徑310mm，超深2.5m，其他參數(shù)不變，坡底位置出現(xiàn)峰值時刻有效應力如圖3所示，底盤抵抗線分別為1050cm、1100cm、1150cm時，等效應力云圖顯示應力均超過了巖石的單軸動抗拉強度；底盤抵抗線為1200cm時，坡底位置處有效應力最大介于9.571～12.76MPa，未超過巖石單軸動抗拉強度。從模型破碎范圍大小分析臺階底部與頂部，發(fā)現(xiàn)底盤抵抗線分別為1050cm、1100cm、1150cm時，應力波到達自由面壓力反射形成反向拉伸情況，臺階頂部破碎程度大，巖石破壞，臺階底部破碎程度隨著底盤抵抗線數(shù)值增大呈下降趨勢；底盤抵抗線為1200cm臺階頂部與底部未達到巖石動態(tài)抗拉強度，底部易產(chǎn)生根底。為保證前排炮孔爆破效果不留根底，最大底盤抵抗線為1150cm時合理。

圖3 坡底位置出現(xiàn)峰值時刻等效應力圖

從LS-PREPOST后處理得出模型任何時刻應力分布情況，進一步分析爆破效果，取坡底面從左向右連續(xù)四點作為應力分析監(jiān)測點如圖4所示，此部位是臺階爆破阻力最大之所在，容易發(fā)生根底。不同底盤抵抗線考察點應力隨時間變化情況如圖5所示，由圖5可知，在相同裝藥量的情況下，底盤抵抗線1050cm，距離坡底面近，考察點應力值大于其他3模型的應力峰值。從峰值上分析，底盤抵抗線為1050cm、1100cm、1150cm各監(jiān)測點應力峰值在30MPa以上，超過了巖石屈服強度。從圖5四種情況可以看出，隨著底盤抵抗線數(shù)值的增大，模型中對應的監(jiān)測點應力峰值降低。從圖5(c)底盤抵抗線為1100cm分析，點A先達到最高值，然后快速下降，最后因為爆轟波傳到臨空面反射導致應力值又增大。圖5(b)底盤抵抗線1150cm，與1100cm相差50cm，應力峰值相差不明顯，點A達到峰值之后，應力開始下降，由于時程布距設置，沒顯示應力增大的現(xiàn)象。從爆破破壞準則角度及應力時程分析，最大底盤抵抗線為1150cm時合理。

圖4 監(jiān)測點位置

圖5 不同底盤抵抗線考察點應力時程圖

3.2 實際爆破效果分析

爆區(qū)位于采場1548水平北幫，爆區(qū)臺階巖性主要為強度中等的螢石化白云巖，孔徑310mm，超深2.5m，采用大孔距小排距方式布孔，孔網(wǎng)參數(shù)為5.5m×15m，底盤抵抗線按照前述模擬結(jié)果11.5m設計行現(xiàn)場工業(yè)試驗。布孔方式為三角形布孔，裝藥方式為連續(xù)裝藥，填塞高度6m。起爆方式為逐孔起爆，采用孔內(nèi)和地表延期組合管，共有炮孔115個，巖石爆破量272788.19t，使用乳化炸藥86t，炸藥單耗234g/t。爆破參數(shù)如下：巖石孔115個，段高16.5m，超深2.5m，底盤線11.5m，孔距15m，排距5.5m，填塞高度6m；爆破技術經(jīng)濟指標如下：爆破米道1459m，爆破量272788.19t，爆破量73864m3，延米爆量187t/m，單耗619g/m3，單耗234g/t，間隔孔40個，爆破費用145471元。

由現(xiàn)場試驗結(jié)果可知，底盤抵抗線為11.5m的情況下，爆破后底板平整，無明顯根底，爆堆整體塊度破碎效果較好，滿足采裝設備的采掘要求，電鏟采掘如圖6所示。

圖6 底盤抵抗線為11.5m爆破后現(xiàn)場圖

4 結(jié) 論

1)通過數(shù)值仿真計算和現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證，得出巴潤礦在310mm大孔徑垂直鉆孔方式條件下，中硬巖石白云巖臺階爆破最大底盤抵抗線為11.5m，為巴潤礦臺階爆破提供了明確的數(shù)據(jù)指標。

2)證明了數(shù)值模擬結(jié)合實際工程驗證是一種低成本高效率解決礦山實際問題的方式，為巴潤礦今后爆破工作的開展提供了有利的技術支撐。

3)由于礦山爆破的復雜性，沒有進一步分析驗證巖性和炸藥的變化對底盤抵抗線的影響，應在后續(xù)的工作當中進一步探索和積累經(jīng)驗。