炸藥爆速對(duì)中深孔爆破效果的影響研究

羅黎明，謝經(jīng)鵬

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224；2.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司技術(shù)中心，安徽 銅陵 244000）

1 引言

爆破是礦床開(kāi)采的主要工藝之一，其效果好壞直接影響礦山的回采效率和經(jīng)濟(jì)效益［1-2］。近年來(lái)，中深孔爆破技術(shù)因其可減少輔助作業(yè)時(shí)間，提高單循環(huán)進(jìn)尺等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是加快破巖速度最為有效的技術(shù)手段之一，也是目前礦山爆破的發(fā)展方向，特別是在大型金屬礦山開(kāi)采中，中深孔爆破更是顯現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)越性［3］。

隨著中深孔爆破技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于中深孔爆破技術(shù)領(lǐng)域的研究在不斷的深入。程真富［4］在總結(jié)分析巖巷掘進(jìn)過(guò)程中中深孔爆破效果影響因素的基礎(chǔ)上，以淮北礦業(yè)集團(tuán)為例，提出了適合巖巷掘進(jìn)中的深孔爆破技術(shù)參數(shù)，并經(jīng)工程實(shí)踐證明，在該參數(shù)下具有較好的爆破效果；趙國(guó)彥［5］綜合運(yùn)用層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法構(gòu)建了中深孔爆破效果的評(píng)價(jià)模型，并運(yùn)用該評(píng)價(jià)模型對(duì)黃沙坪礦中深孔爆破效果進(jìn)行了定性和定量的綜合評(píng)價(jià)，找出了中深孔爆破效果的主要影響因素；耿貴剛［6］深入探究了中深孔爆破過(guò)程中大塊產(chǎn)生的原因，并根據(jù)原因有針對(duì)性的提出了降低大塊率的技術(shù)措施；鄧飛［7］以千家坪釩礦為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破漏斗實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該礦的中深孔爆破技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)工程實(shí)踐證明，優(yōu)化后的技術(shù)參數(shù)具有良好的爆破效果。雖然中深孔爆破領(lǐng)域的研究眾多，然而，對(duì)不同炸藥爆速作用下中深孔爆破效果的研究較少。隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高，數(shù)值模擬軟件功能越來(lái)越完善，結(jié)果也越來(lái)越可靠，可以很好的認(rèn)識(shí)爆破過(guò)程中應(yīng)力和裂隙的變化情況。因此，本文采用ANSYS/LS-DYNA 爆破分析軟件對(duì)不同炸藥爆速作用下中深孔爆破效果進(jìn)行分析研究，以期為中深孔爆破效果的提升提供方法借鑒。

2 數(shù)值計(jì)算模型

ANSYS/LS-DYNA 是世界上最著名的通用顯式非線(xiàn)性動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性和接觸非線(xiàn)性問(wèn)題，特別適合求解爆炸沖擊荷載作用下巖體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

為了探索炸藥爆速對(duì)中深孔爆破的影響，采用控制變量法進(jìn)行研究，即將炸藥爆速作為單一變量，其他炸藥參數(shù)保持一致。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，粒狀乳環(huán)銨油炸藥的爆速基本保持在3000m/s，而加入導(dǎo)爆索后，其爆速能夠達(dá)到6000m/s，故分別對(duì)炸藥爆速在3000m/s 和6000m/s 兩種情況下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，得到不同炸藥爆速對(duì)中深孔爆破的影響規(guī)律。

為了直觀(guān)的分析對(duì)比，本文通過(guò)爆破后的裂隙生成效果來(lái)判別炸藥爆速對(duì)爆破的影響。模型尺寸為5m×5m×5m 的立方體， 模型共312867 個(gè)單元，炮孔的直徑為70mm，炮孔長(zhǎng)度為5m，炮孔貫穿模型，模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

坐標(biāo)定義為沿炮孔方向?yàn)閦 方向，-250～250cm，起爆方式為孔底起爆，即-250cm 處首先起爆，爆破完后，觀(guān)測(cè)z 水平的斷面圖，看其裂隙的變化和炮孔的損壞情況。

由于炸藥爆破時(shí)，應(yīng)變率效應(yīng)比較顯著，所以在數(shù)值模擬中，采用Cowper-Symonds 模型來(lái)分析，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 中：R0為炸藥的質(zhì)量密度；D0為炸藥的爆速；PCJ 為炸藥的爆轟壓力；A、B、R1、R2、ω為炸藥的相關(guān)參數(shù)或者常系數(shù)；V0為初始相對(duì)體積；E0為楊氏模量。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 巖石裂隙分析

在數(shù)值模擬完成后，取Z 方向的某些斷面圖進(jìn)行對(duì)比，來(lái)分析爆速對(duì)爆破質(zhì)量的影響，如圖1和圖2 為模擬所得的不同斷面的裂隙效果圖。

圖2 爆速6000m/s 時(shí)不同斷面裂隙斷面圖

表2 粒狀乳化銨油炸藥參數(shù)表

圖3 爆速3000m/s 時(shí)不同斷面裂隙斷面圖

從圖1、圖2 中可以看出，孔底起爆初始時(shí)，爆速在6000m/s 和3000m/s 時(shí)，由于爆速增加，炮轟壓力增大，炮孔形成的壓碎區(qū)的范圍爆速大的要稍微大于爆速低的，但總體相差不大，且裂隙發(fā)育程度都較小，其爆破過(guò)程對(duì)應(yīng)的柱狀藥包的兩端炮轟波以球面波的形式的傳播的過(guò)程，影響范圍較小。隨著炸藥的傳播，當(dāng)傳播到炮孔中部區(qū)域時(shí)，爆速高的壓碎區(qū)和裂隙區(qū)范圍明顯的增大，其對(duì)應(yīng)的柱狀藥包柱部的炮轟波以柱面波的形式傳播，在周?chē)纬闪舜笮〔灰坏牧严丁谋平Y(jié)果來(lái)看，炸藥爆速6000m/s 時(shí)爆破對(duì)巖體的影響范圍更大，且破壞更嚴(yán)重，有利于巖石的破碎。當(dāng)炸藥爆破過(guò)程至孔口時(shí)，炮轟形成的壓碎區(qū)的范圍相差不大，但是爆速高的，形成的裂隙的規(guī)模要大于爆速低，由于柱狀藥包的炮轟方向是沿著孔底到孔口的，炮孔會(huì)受到沿炮轟方向斜方向的沖擊壓力的作用，進(jìn)而形成裂隙。又由于爆速高，炮轟壓力大，就會(huì)擴(kuò)大裂隙生成的范圍?？傮w來(lái)說(shuō)提高炸藥的爆速對(duì)孔口的礦巖的破壞也相對(duì)的嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致眉線(xiàn)破壞嚴(yán)重，因此在提高炸藥爆速時(shí)要相應(yīng)的增大炮孔的堵塞長(zhǎng)度。

圖4 X=250cm 巖石裂隙側(cè)面剖視效果圖

3.2 整體破壞分析

選取單元位置為模型側(cè)面（250，0，0）位置，得出爆破后巖體模型整體的破壞圖，如圖4 所示，從整體的破壞圖來(lái)看，高爆速炸藥破壞的范圍明顯的大于爆速低的炸藥；從模型-150cm 到150cm 的斷面裂隙生成效果圖可知，柱部破壞明顯要比兩端的嚴(yán)重，當(dāng)爆速增加時(shí)，更趨向于柱狀藥包的爆破，炮孔兩端破壞較輕，柱部破壞比較嚴(yán)重，遵循柱狀藥包的特征。在低爆速作用下，中深孔爆破整體破碎效果較為一致，即由孔底至孔口，破碎的范圍比較接近。但是在高爆速作用下，孔底至孔口的破碎效果差別較大，其爆破破碎特征類(lèi)似于柱狀藥包。

3.3 炮孔應(yīng)力分析

為了更好的了解在不同爆速條件下，對(duì)巖石裂隙生成的影響，在接近于模型的邊緣處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)不同爆速對(duì)巖石的應(yīng)力變化規(guī)律，經(jīng)后處理得到圖5應(yīng)力歷程曲線(xiàn)圖和圖6剪應(yīng)力歷程曲線(xiàn)圖。

圖5 不同爆速的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線(xiàn)

從圖5 不同爆速的應(yīng)力歷程曲線(xiàn)可知，爆速6000m/s 時(shí)炸藥最大應(yīng)力值達(dá)到0.68×10-3MPa， 爆速3000m/s 時(shí)炸藥最大應(yīng)力值達(dá)到0.36×10-3MPa，且高爆速炸藥首先達(dá)到應(yīng)力峰值。高爆速炸藥形成的應(yīng)力峰值接近于低爆速炸藥應(yīng)力峰值的2 倍，即爆速提高2 倍后，最大應(yīng)力值相應(yīng)的提高2 倍。達(dá)到峰值后，由于拉應(yīng)力的作用，高爆速炸藥所形成較大的拉伸應(yīng)力，使應(yīng)力值迅速的下降，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，總體來(lái)說(shuō)仍然受到炮轟壓力的作用。在監(jiān)測(cè)的時(shí)間內(nèi)，高爆速炸藥形成的最小應(yīng)力值大于低爆速炸藥的最小應(yīng)力值，說(shuō)明相同時(shí)間內(nèi)，與低爆速炸藥相比，高爆速炸藥能夠?qū)r體產(chǎn)生更大的作用力，更加有助于巖體的破碎。另外，高爆速炸藥應(yīng)力值穩(wěn)定所需要的時(shí)間遠(yuǎn)低于低爆速炸藥。

圖6 不同爆速的剪切應(yīng)力歷程曲線(xiàn)

剪切應(yīng)力是形成裂隙的主要原因，從圖6 不同爆速的剪切應(yīng)力歷程曲線(xiàn)可知，切應(yīng)力的歷程曲線(xiàn)和巖體受到的應(yīng)力歷程曲線(xiàn)幾乎一致，只是大小的不同，爆速的提高2 倍，剪切應(yīng)力也接近于增加2倍左右，同時(shí)進(jìn)一步說(shuō)明徑向壓力和切向拉力存在相應(yīng)的關(guān)系。

綜上所述高爆速炸藥在爆破時(shí)，炮孔受到的正向應(yīng)力和剪切應(yīng)力增加，產(chǎn)生的裂隙數(shù)量和長(zhǎng)度明顯增大，且破壞范圍比較廣，而裂隙對(duì)于巖體破碎具有重要的促進(jìn)作用，因此在爆破過(guò)程中采用高爆速的炸藥有助于提升巖體的破碎效果。另外，如前所述，炸藥爆速越快，中深孔爆破的碎巖特征與柱狀藥包越接近，柱部破壞嚴(yán)重，兩端破壞較輕；同時(shí)爆速提高的幅度和最大應(yīng)力峰值存在一定的關(guān)系，爆速提高2 倍，最大應(yīng)力峰值也提高2 倍左右。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA 爆破分析軟件構(gòu)建了中深孔爆破的數(shù)值計(jì)算模型，探索分析了炸藥爆速對(duì)中深孔爆破效果的影響。研究結(jié)果表明：中深孔爆破所產(chǎn)生的最大主應(yīng)力值與炸藥爆速成正比；爆速高的炸藥，在巖石爆破中，所形成的裂隙破壞區(qū)范圍明顯廣于爆速低的炸藥，破壞相對(duì)嚴(yán)重；爆速越高，柱狀藥包爆破時(shí)，柱部破壞比較明顯，兩端破壞較輕，和柱狀藥包的應(yīng)力波的傳播特征相符；當(dāng)采用上向扇形中深孔爆破時(shí)，爆速的提高會(huì)在眉線(xiàn)處形成較多的裂隙，且裂隙比較發(fā)育，由于爆生氣體的作用，眉線(xiàn)處的巖石易被破壞不利于眉線(xiàn)的保護(hù)。