巴潤(rùn)礦24 m高臺(tái)階孔內(nèi)微差爆破數(shù)值模擬研究

常建平，王夢(mèng)瑤，張鵬飛，寶音吉雅

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

目前國(guó)內(nèi)冶金露天礦山礦體傾角大、巖石硬度高，深孔臺(tái)階爆破臺(tái)階高度以8～16 m居多，按照國(guó)內(nèi)大型露天礦鏟裝的機(jī)械電鏟對(duì)爆堆的最大挖掘高度計(jì)算，臺(tái)階高度大于18 m為高臺(tái)階爆破[1]。高臺(tái)階爆破和普通臺(tái)階爆破相比，不但可以減少臺(tái)階爆破的有效超深、填塞段長(zhǎng)度，而且還可以延長(zhǎng)爆轟氣體在巖體中的作用時(shí)間，從而達(dá)到改善爆破效果的目的。毫秒微差爆破目前在我國(guó)爆破工程中得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，在礦山爆破領(lǐng)域，微差爆破不僅可以改善巖石爆破破碎效果，而且還可以降低爆破振動(dòng)[2-4]。樓曉明等[5]通過不同角度分析微差時(shí)間對(duì)爆破振動(dòng)方面的影響；曾慶偉[6]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和分析計(jì)算得出一定爆破參數(shù)條件下最佳的爆破微差時(shí)間。以上研究大多都圍繞不同微差時(shí)間對(duì)爆破振動(dòng)的影響，關(guān)于爆破破碎巖石也大多是對(duì)孔間微差時(shí)間的作用機(jī)理和試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，而關(guān)于高臺(tái)階柱狀藥包孔內(nèi)微差起爆的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律和破巖機(jī)理研究分析較少?？變?nèi)毫秒微差起爆技術(shù)可以減少單段起爆炸藥量，從而減小振動(dòng)[7-10]，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)疊加效應(yīng)改善巖石破碎效果。以往由于雷管精度誤差大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微差時(shí)間的精細(xì)化控制，近年來數(shù)碼電子雷管的應(yīng)用普及為孔內(nèi)微差爆破技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了條件，國(guó)內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)碼電子雷管[11-13]已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了延期精度為0～150 ms，誤差≤1.5 ms，毫秒間隔151～1 600 ms，相對(duì)誤差≤1%，以及延期時(shí)間0～1 600 ms范圍內(nèi)以最小間隔時(shí)間為1 ms任意設(shè)置。本文以巴潤(rùn)礦24 m高臺(tái)階擴(kuò)幫高臺(tái)階爆破實(shí)際工況為模型，從爆破破巖機(jī)理角度出發(fā)，借助數(shù)值仿真模擬軟件對(duì)孔內(nèi)中部間隔裝藥炮孔、上下部分藥包不同起爆點(diǎn)的先后起爆順序組合進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了巴潤(rùn)礦高臺(tái)階孔內(nèi)微差爆破巖石中的爆破應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。

1 工程概況

巴潤(rùn)礦是包頭鋼鐵集團(tuán)下屬子公司，也稱為白云鄂博西礦，巴潤(rùn)礦主體開采設(shè)備為KY-310型牙輪鉆機(jī)、采掘設(shè)備主要有ER9350大型液壓鏟利勃海爾、4410大型電動(dòng)輪礦車等，是一座超大型現(xiàn)代化露天礦山。采場(chǎng)內(nèi)巖性主要為白云巖、板巖、第四系等，巖性變化大，采場(chǎng)上部臺(tái)階巖性風(fēng)化較為嚴(yán)重，強(qiáng)度低，隨著開采水平的下降，巖性強(qiáng)度變大。由于采場(chǎng)境界優(yōu)化的需要，采場(chǎng)需向北部擴(kuò)幫。為提高擴(kuò)幫效率，巴潤(rùn)礦決定利用上部12 m高臺(tái)階現(xiàn)有條件，通過改造鉆機(jī)和調(diào)整生產(chǎn)工藝，在不改變?cè)械V山設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，將上部巖石12 m臺(tái)階合二為一成24 m高臺(tái)階，變成一次性穿孔兩個(gè)臺(tái)階，大大提高了穿爆生產(chǎn)效率。因巴潤(rùn)礦臺(tái)階高度大，考慮提高炮孔的起爆可靠性等因素，一般采用炮孔上部和下部都設(shè)置起爆點(diǎn)的方式起爆。但由于臺(tái)階高度加大，隨之炮孔內(nèi)藥柱長(zhǎng)度增加，炮孔上下分段藥柱起爆點(diǎn)位置的設(shè)置還需進(jìn)一步確定。

2 孔內(nèi)微差模型建立

因臺(tái)階高度大、炮孔深，在單孔裝藥量不變的情況下，為得到更好的爆破效果，避免藥柱在臺(tái)階下部太過集中，保證上部巖體填塞段的破碎，根據(jù)礦山實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，本模型采用炮孔軸向中間間隔裝藥結(jié)構(gòu)，這樣炸藥能量在臺(tái)階巖體當(dāng)中的分布趨于均勻，炸藥能量利用率得到提高?？紤]到炮孔底部巖石受夾制作用大，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，考慮根底問題，因此模型下部的藥量增加。為更好地研究分析不同起爆位置組合方式爆破效果，模型建立統(tǒng)一的裝藥結(jié)構(gòu)和其他爆破參數(shù)，借此比較在其他條件相同的情況下不同起爆位置組合方式的炮孔應(yīng)力場(chǎng)。本模型采用的裝藥結(jié)構(gòu)為炮孔填塞7 m，上部裝藥長(zhǎng)度6 m，中間空氣間隔5 m，下部8 m裝藥，炮孔超深2 m，總長(zhǎng)度26 m，孔徑310 mm。結(jié)合巴潤(rùn)礦實(shí)際情況及孔內(nèi)微差爆破工程經(jīng)驗(yàn)，孔內(nèi)上下裝藥部分起爆微差時(shí)間取3 ms短時(shí)差間隔，且因下部巖體夾制作用大，采用下部先起爆的順序?？變?nèi)微差爆破模型由上至下設(shè)四個(gè)起爆位置(1、2、3、4)(圖1)，通過改變微差起爆參數(shù)來模擬4種位置起爆工況。為了便于模擬計(jì)算，假設(shè)模型介質(zhì)為均質(zhì)、連續(xù)、無初始應(yīng)力、各向同性的彈塑性材料，建立模型以z軸為對(duì)稱面建立1/2的模型，設(shè)計(jì)臺(tái)階高度2 400 cm、寬度1 200 cm、縱向深度1 500 cm，設(shè)計(jì)的坡角75°，采用cm-g-us單位制。運(yùn)用Hypermesh14.0劃分六面體實(shí)體單元網(wǎng)格，為了便于觀察爆破效果過程的應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律，炸藥和填充處網(wǎng)格劃分較細(xì)。定義邊界條件時(shí)，把模型的剖面(炮孔面)作為對(duì)稱邊界，除剖面外其余面均為無投射邊界，臺(tái)階上頂、坡面和坡腳面設(shè)為臨空面。

圖1 模型裝藥結(jié)構(gòu)及藥柱起爆位置Fig.1 Model charge structure and colum nitiation position

許多材料的動(dòng)力實(shí)驗(yàn)表明，動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力比靜態(tài)屈服應(yīng)力有了明顯的提高。Cowper-Symonds關(guān)系式是基于大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的關(guān)于動(dòng)態(tài)極限屈服應(yīng)力和應(yīng)變率之間的簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)公式，本文的巖石材料采用基于Cowper-Symonds關(guān)系式建立起來雙線性的隨動(dòng)硬化模型(Plastic Kinematic本構(gòu)模型)，該模型是用來模擬巖土較為常用的一種材料模型[14]。表達(dá)式見式(1)。

(1)

(2)

巖石和炮孔填充的實(shí)體單元為*sect-lag，巖石和堵塞材料采用常應(yīng)力實(shí)體單元算法，堵塞物與臺(tái)階巖體采用同一種材料模型，具體參數(shù)設(shè)置見表1和表2。

炮孔內(nèi)間隔氣體的空氣實(shí)體單元是*sect-ale，空氣采用ELFORM為11的多物質(zhì)單元算法(ALE)；空氣密度設(shè)為1.29 g/L，其他參數(shù)使用默認(rèn)，狀態(tài)方程*EOS-Air(*EOS-001)，該狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式和熱力學(xué)的初始狀態(tài)材料定義參數(shù)，表達(dá)形式見式(3)。

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ2+C6μ3)E

(3)

當(dāng)μ<0時(shí)，C2μ2和C6μ3為0；C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=γ-1；γ為兩種壓強(qiáng)和體積比熱之比。

乳化炸藥采用JWL狀態(tài)方程，狀態(tài)方程能夠比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動(dòng)過程，因此應(yīng)用最為廣泛[15]。 具體參數(shù)見表3，JWL方程形式見式(4)。

(4)

式中：P為所要求的壓力值；E為爆轟產(chǎn)物的內(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)，通過炸藥的密度、爆速和絕熱系數(shù)三個(gè)參數(shù)求得。

表1 堵塞材料參數(shù)Table 1 Blocking material parameters

表2 白云巖體材料參數(shù)Table 2 Dolomite material parameters

表3 乳化炸藥材料參數(shù)Table 3 Parameters of emulsion explosive materials

3 孔內(nèi)微差爆破模擬分析

通過對(duì)巴潤(rùn)礦主要礦巖的巖石抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究，本模型白云巖體的靜態(tài)抗拉強(qiáng)度為4 MPa，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度取σ=12 MPa，以該值作為臨界值作為巖體破壞的判據(jù)，即對(duì)應(yīng)顏色的應(yīng)力區(qū)域的巖體處于臨界或塑性應(yīng)變狀態(tài)。圖2為高臺(tái)階爆破在不同時(shí)刻的Mises應(yīng)力云圖的變化情況，本模型中，炮孔下部藥柱先起爆，爆轟波由下而上傳播，應(yīng)力波在巖體中擴(kuò)散，當(dāng)t=2 000 μs時(shí)，底部8 m藥柱已起爆完成，底部藥柱的應(yīng)力波開始在5 m空氣間隔中傳播。同時(shí)，上部藥柱頂部起爆，爆轟波由上部藥柱頂部向下開始傳播，在t=3 800 μs時(shí)刻上藥柱和下藥柱應(yīng)力波發(fā)生疊加碰撞，下半部分原本呈衰減趨勢(shì)的應(yīng)力區(qū)域又得到增強(qiáng)并擴(kuò)大，一直到5 500 μs時(shí)，應(yīng)力區(qū)域衰減小于巖體屈服強(qiáng)度。

因?yàn)楦吲_(tái)階爆破采用中間氣體間隔裝藥結(jié)構(gòu)，空氣間隔部位沒有炸藥，能量分布相對(duì)較少出現(xiàn)大塊。為方便比較4種起爆方式應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)，取臺(tái)階中間部位巖體考查點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比研究。在臺(tái)階空氣間隔部位距離炮孔每隔1.5 m各取一個(gè)監(jiān)測(cè)單元，見圖3中黑色的單元體。通過LS-PREPOST后處理器計(jì)算得到不同監(jiān)測(cè)單元的History應(yīng)力時(shí)程曲線，得到各單元應(yīng)力峰值，從而得到模型爆破過程中臺(tái)階空氣間隔位置監(jiān)測(cè)單元的Mises應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)。

分析各點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線圖，如圖4所示。4種起爆方式隨著時(shí)間推移，整體波形峰值均為先出現(xiàn)上升，隨后降低的趨勢(shì)，但各時(shí)程曲線的考察點(diǎn)應(yīng)力極值點(diǎn)和大于巖體強(qiáng)度應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間不盡相同。隨著考察點(diǎn)距空氣柱的距離增大，所有考察點(diǎn)應(yīng)力先達(dá)到最高點(diǎn)，然后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

各單元有效應(yīng)力峰值四種不同起爆方式如圖5所示，自上而下分別為4-1起爆方式、4-2起爆方式、3-1起爆方式、3-2起爆方式的起爆參數(shù)。高臺(tái)階空氣間隔位置距炮孔1.5～4.5 m的監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力峰值急速下降，5～7 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值發(fā)展比較平緩，4-1起爆方式的最大應(yīng)力峰值為27.998 MPa，3-2起爆方式的最小應(yīng)力峰值為17.18 MPa，4種起爆方式的應(yīng)力峰值相差在15 MPa之內(nèi)，最小峰值為13.04 MPa，均大于白云巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，4種起爆方式均可以破碎巖石。結(jié)合不同監(jiān)測(cè)單元Mises應(yīng)力云圖分析效果，4-1起爆方式破巖效果較好。

圖2 不同時(shí)刻等效應(yīng)力云圖Fig.2 Equivalent stress cloud at different times

圖3 考察點(diǎn)位置Fig.3 Examines the location of the point

為進(jìn)一步驗(yàn)證，將各監(jiān)測(cè)單元持續(xù)達(dá)到巖石動(dòng)抗拉強(qiáng)度時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表4。由表4可知，3-1起爆方式的起爆位置距離考察點(diǎn)近，有效應(yīng)力平均持續(xù)時(shí)間1 060 μs；3-2起爆方式的有效應(yīng)力平均持續(xù)時(shí)間838 μs，在四種參數(shù)起爆中，持續(xù)時(shí)間最短；4-1起爆方式、4-2起爆方式起爆后考察單元出現(xiàn)有效應(yīng)力平均持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，4-1起爆方式長(zhǎng)達(dá)2 018 μs，各單元有效應(yīng)力平均持續(xù)時(shí)間比4-2起爆持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)358 μs， 在所有起爆方式中大于巖石屈服強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。結(jié)合隔空氣藥柱周圍各考察點(diǎn)有效應(yīng)力峰值的大小變化、全應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間綜合考慮，最終得出高臺(tái)階炮孔孔內(nèi)微差起爆順序的組合為4-1起爆方式合理。

表4 孔內(nèi)微差爆破考察點(diǎn)有效應(yīng)力持續(xù)時(shí)間Table 4 Equivalent stress duration of in-hol illisecond blasting inspection point

圖4 間隔空氣柱等距5點(diǎn)有效應(yīng)力時(shí)程圖Fig.4 Equidistant air column equidistant 5-point effective stress time history diagram

圖5 藥包距炮孔間隔監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力峰值Fig.5 Effective stress peak value of interval monitorin nit between charge and blasthole

4 結(jié) 論

1) 在巴潤(rùn)礦24 m高臺(tái)階爆破當(dāng)中，經(jīng)考查中間間隔部位的應(yīng)力場(chǎng)情況，采用下部藥柱底端先起爆，上部藥柱頂端再起爆即4-1起爆方式起爆更為有利。

2) 數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)際工程分析問題，得出有效應(yīng)力持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，起爆方式應(yīng)采用下部藥柱低端先起爆，上部藥柱頂端再起爆的方式合理，可以將巖石充分破毀，為巴潤(rùn)礦孔內(nèi)微差起爆工作的開展提供了有利的技術(shù)分析支撐。

3) 高精度數(shù)碼電子雷管的出現(xiàn)，為高臺(tái)階孔內(nèi)微差爆破提供客觀條件，以后應(yīng)根據(jù)具體工況條件進(jìn)一步利用電子雷管的優(yōu)勢(shì)開發(fā)出相匹配的技術(shù)參數(shù)。