延時時間對露天深孔爆破破碎效果的影響研究

張陽光，林 飛，趙 彭，李 強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

目前在國內(nèi)外露天礦山開采工程中,臺階深孔爆破依然是開挖礦巖使用最廣泛的方法，是露天礦山重要的生產(chǎn)工藝。但是，露天臺階深孔爆破存在的問題或者不足之處是顯而易見的，比如，爆破后的爆堆巖石塊度較大、爆破振動高、爆破過程中產(chǎn)生大量的“煙霧”等。尤其是爆破后產(chǎn)生的巖石大塊，直接影響到挖裝效率以及運(yùn)輸作業(yè)環(huán)節(jié)，如果爆破后的巖石大塊率過高，還會增加二次破碎量，耗費(fèi)大量的人力、物力和財力，這嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)運(yùn)行，增加了礦山的生產(chǎn)成本。降低爆破后的巖石塊度是露天臺階深孔爆破亟需解決的問題，此問題的解決可以提高露天礦山的生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的迅速發(fā)展，對工程爆破技術(shù)的爆破質(zhì)量提出了更高的要求，把實(shí)現(xiàn)高精度控制爆破推到了一個前所未有的高度。

延時爆破技術(shù)對改善爆破效果，提高爆破質(zhì)量起著十分重要的作用。基于應(yīng)力波疊加理論降低爆破后的巖石塊度，眾多科研工作者做了大量有意義的工作。高曉初等[1]早在1992年為確定水廠鐵礦臺階爆破的合理延時時間，利用高速攝影觀測巖石開始移動直到形成新自由面的時間，以及爆后巖石脫落被爆區(qū)域一段距離后的時間，他認(rèn)為這兩者的時間之和為合理的延時時間。并在水廠鐵礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，得出合理的孔間延時時間為12～36 ms。王春華等[2]針對某工業(yè)園區(qū)復(fù)雜環(huán)境山體爆破工程特點(diǎn)，參考延時時間經(jīng)驗公式和奧瑞凱延時時間經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了工業(yè)試驗，得出當(dāng)孔間延時17 ms，排間延時42 ms時，爆破大塊率降低，爆堆松散程度良好，爆破效果得到了提高。沈曉松等[3]采取排間延時時間分別為20、40、60、80 ms共進(jìn)行了5次試驗，得出排間延時時間為60 ms時，爆破后的綜合平均塊度與綜合最大尺寸均最小。李蒲姣等[4]采用三角形的布孔方式，進(jìn)行多排孔延時爆破試驗，得出當(dāng)延時時間為48～66 ms時，爆堆大小合適，塊度均勻，大塊率顯著降低。王德圣等[5]提出延時時間間隔過長，不利于爆破時爆炸能量的疊加利用和巖塊相互碰撞的二次破碎，容易產(chǎn)生大塊，并在首鋼鐵礦進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明，當(dāng)延時時間為50 ms時比較合理，爆破塊度也很理想。

綜上可知，由于爆破的復(fù)雜性，通過半理論和半經(jīng)驗的分析方法得到的合理延時時間具有很大的差異性，對工程實(shí)踐的指導(dǎo)也具有一定的局限性。本文立足于應(yīng)力波疊加原理，通過ANSYS/LS-DYNA模擬分析不利破碎區(qū)域的應(yīng)力波變化，并通過工程實(shí)踐找出合理孔間延時時間的取值，用于指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

1 延時爆破數(shù)值模擬

1.1 模型建立

根據(jù)紫金山金銅礦露天采礦場的爆破計劃說明書可知，采礦場的臺階高度為12.5 m，底盤抵抗線5.5 m，孔距5.8 m,排距4.8 m，超深1.5 m。依據(jù)實(shí)驗室條件，本文只對3個炮孔(前排2個，后排1個)進(jìn)行數(shù)值模擬試驗。為了減小應(yīng)力波在邊界處反射的影響，模型尺寸要大于炮孔周圍的裂隙區(qū)，根據(jù)這一原則，確定幾何模型的長為35.35 m、寬為36 m、高為16.5 m(見圖1)。

圖1 模型尺寸Fig.1 Model size

本次模擬采用ALE流固耦合算法，網(wǎng)格劃分時采用過渡網(wǎng)格的形式，即炮孔周圍的網(wǎng)格分布較密，距離炮孔較遠(yuǎn)的網(wǎng)格分布較為疏散[6-8]。藥包的起爆方式采用底部起爆，除模型的上面和前面設(shè)置為自由面外，其余的面全部設(shè)置為無反射邊界條件。

1.2 材料模型與狀態(tài)方程

1)巖石材料模型。采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE(簡稱JHC)來定義巖石材料模型。巖石在受到爆炸作用時有較好的大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高壓力下的動態(tài)響應(yīng)特性，而JHC巖石材料模型恰好具備這樣的特性并有成功的爆炸模擬案例，故選擇JHC來定義巖石材料[9]。

2)炸藥材料模型及狀態(tài)方程。在ANSYS/LS-DYNA中采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN作為炸藥材料模型，要對炸藥進(jìn)行完整的定義，必須同時定義炸藥材料模型的狀態(tài)方程，狀態(tài)方程采用*EOS_JWL進(jìn)行定義[10]，表達(dá)式為

(1)

式中：p為爆轟壓力，GPa；V為相對體積；E0為初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2、ω為試驗確定的炸藥材料參數(shù)。本次模擬使用的炸藥參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)

1.3 應(yīng)力分析點(diǎn)選取原則

依據(jù)利文斯頓爆破漏斗原理，對延時爆破巖石中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，得到不利破碎區(qū)[11](見圖2)。

圖2 三角形布孔不利破碎區(qū)Fig.2 Triangle holes unfavorable crushing area

從圖2中可以看出，在延時爆破中采用三角形的布孔方式，存在2個不利破碎區(qū)。第1個不利破碎區(qū)是爆破漏斗母線形成的三角區(qū)，即同一排炮孔與炮孔中間和前后排炮孔中間的區(qū)域。第2不利破碎區(qū)位于炮孔上部，這是炮泥填塞部分，沒有炸藥的直接作用，這與文獻(xiàn)[12-13]結(jié)論相一致。

根據(jù)以上對不利破碎區(qū)域的分析，清楚地了解了不利破碎區(qū)的位置。為了分析不利破碎區(qū)在爆破過程中的應(yīng)力狀態(tài)，在不利破碎區(qū)內(nèi)部選取了3個觀測點(diǎn)作為應(yīng)力分析點(diǎn)，分別為A點(diǎn)H151320、B點(diǎn)H145560和C點(diǎn)H146904(見圖3)。

圖3 觀測點(diǎn)位置Fig.3 Observation point locations

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

共進(jìn)行5次孔間延時數(shù)值模擬試驗，保持排間延時50 ms不變，孔間延時分別為16、19、22、25、28 ms。對3個觀測點(diǎn)的等效應(yīng)力情況進(jìn)行分析，可獲得3個觀測點(diǎn)的應(yīng)力時程(見圖4)。

圖4 不同孔間延時下觀測點(diǎn)的應(yīng)力時程Fig.4 Time history of observation point under different holes delay time

通過分析觀測點(diǎn)A～C的最大等效應(yīng)力大小的平均值來說明巖石的整體破碎情況，其值越大說明巖石的整體破碎情況越好，反之說明巖石的整體破碎情況越差。A、B、C 3點(diǎn)的最大等效應(yīng)力平均值如表2所示。

表2 A、B、C 觀測點(diǎn)的最大有效應(yīng)力平均值

為了方便快捷地了解A、B、C點(diǎn)的最大等效應(yīng)力平均值隨孔間延時的變化趨勢，通過處理得到A、B、C 3點(diǎn)的最大等效應(yīng)力平均值和孔間延時的關(guān)系(見圖5)。

圖5 最大等效應(yīng)力平均值隨孔間延時的變化趨勢Fig.5 Change trend of average maximum equivalent stress with the hole delay time

由圖5可知，排間延時為50 ms，孔間延時分別為16、19、22、25、28 ms時，A、B、C 點(diǎn)的最大等效應(yīng)力平均值分別為33.95、36.31、34.23、32.50、34.21 MPa。A、B、C點(diǎn)的最大等效應(yīng)力平均值隨孔間延時的增加整體呈先增大后減小再增大的趨勢，當(dāng)孔間延時為19 ms時，3點(diǎn)的最大等效應(yīng)力平均值達(dá)到最大36.31 MPa，有利于巖石的整體破碎；當(dāng)孔間延時為25 ms時，3點(diǎn)的最大等效應(yīng)力平均值達(dá)到最小32.50 MPa，不利于巖石的整體破碎。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗方案

試驗場地在福建省上杭縣紫金山金銅礦的露天采礦場，根據(jù)現(xiàn)場勘查，礦區(qū)巖性主要為變質(zhì)粉砂巖和千枚巖，已受較強(qiáng)的硅化、絹云母化和黃鐵礦化，僅在礦區(qū)西北角出露少量的樓子壩群淺變質(zhì)巖，待爆巖體的單軸抗壓強(qiáng)度為6～10 MPa。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，共進(jìn)行5組試驗，即排間延時為50 ms，孔間延時分別為16、19、22、25、28 ms。為了確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，重復(fù)試驗一次，取兩次試驗結(jié)果的平均值作為最終試驗結(jié)果。除延時時間外，上述5組試驗的其他主要爆破參數(shù)如表3所示。試驗使用的炸藥為現(xiàn)場混裝乳化炸藥，試驗雷管為數(shù)碼電子雷管(見圖6)?，F(xiàn)場試驗得到的爆堆如圖7所示。

表3 主要爆破參數(shù)

圖6 現(xiàn)場混裝乳化炸藥和數(shù)碼電子雷管Fig.6 Field mixed loading emulsion explosive and digital electronic detonator

圖7 現(xiàn)場試驗爆堆Fig.7 Field test muckpile

2.2 爆破塊度分析

現(xiàn)場試驗后，采集爆破后的爆堆圖片并用塊度分析軟件Split-Desktop4.0對爆堆圖片進(jìn)行處理分析，得到巖石塊度的尺寸分布。用巖石的大塊率和最大塊度尺寸來表征不同孔間延時下巖石的破碎效果。5組不同孔間延時下的爆破塊度尺寸分布如表4所示，最大塊度尺寸隨孔間延時的變化關(guān)系及不同塊度尺寸所占百分比分別如圖8、圖9表示。

表4 不同孔間延時下的爆破塊度尺寸分布

圖8 最大塊度尺寸隨孔間延時的變化關(guān)系Fig.8 Change relations between the largest fragmentation size and delay time

圖9 不同塊度尺寸所占的百分比Fig.9 Percentage of different block size

1)最大塊度尺寸。由表4和圖8可知，爆破后的巖石最大塊度尺寸隨著孔間延時的增加呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的趨勢，整體表現(xiàn)為上下震蕩的特征，這與波的傳播特征一致，說明試驗結(jié)果的可靠性?？组g延時分別為16、19、22、25、28 ms時，對應(yīng)爆破后的巖石最大塊度尺寸分別為109.47、102.56、107.28、124.12、108.53 cm?？梢钥闯觯?dāng)孔間延時為19 ms時，爆破后的巖石最大塊度尺寸達(dá)到最小值102.56 cm，利于降低爆破后的巖石最大塊度尺寸；當(dāng)孔間延時為25 ms時，爆破后的巖石最大塊度尺寸達(dá)到最大值124.12 cm，不利于降低爆破后的巖石最大塊度尺寸。最大塊度尺寸的最小值比最大值降低了17.37%。

2)塊度分布。由表4和圖9可知，爆破后的巖石塊度尺寸所占的百分比隨著塊度尺寸的增加呈下降趨勢。巖石塊度尺寸在0～70 cm之間，塊度分布較為集中，不同孔間延時下的巖石塊度所占百分比均達(dá)到90%左右。從細(xì)節(jié)來看，當(dāng)孔間延時為25 ms時，在40～70 cm之間的巖石塊度所占百分比有一個增長的趨勢，說明孔間延時為25 ms時，爆破后中等巖石塊度較多。

3)大塊率。根據(jù)紫金山金銅礦現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，定義塊度尺寸超過70 cm的巖石為大塊巖石。由表4可知，孔間延時分別為16、19、22、25、28 ms時，對應(yīng)爆破后的巖石大塊率分別為7.78%、6.00%、6.96%、10.81%、7.19%；當(dāng)孔間延時為19 ms時，爆破后的巖石大塊率達(dá)到最低6.00%；當(dāng)孔間延時為25 ms時，爆破后的巖石大塊率達(dá)到最高10.81%，大塊率最低值比大塊率最高值降低44.49%。故孔間延時為19 ms時利于降低爆破后的巖石大塊率。

綜上，當(dāng)孔間延時為19 ms時，爆破后的巖石最大塊度尺寸和大塊率均最小，有利于改善爆破質(zhì)量，提高爆破效果，與數(shù)值模擬的結(jié)果也較為相符。

3 結(jié)論

1)孔間延時對爆破效果有著十分重要的影響，不同孔間延時對應(yīng)爆破后的巖石最大塊度尺寸和大塊率均不同。孔間延時為19 ms對應(yīng)的巖石最大塊度尺寸和大塊率，比孔間延時為25 ms對應(yīng)的巖石最大塊度尺寸和大塊率分別降低17.37%和44.49%。

2)孔間延時為19 ms時，爆破后的巖石最大塊度尺寸和大塊率均達(dá)到最小，分別為102.56 cm和6.00%；孔間延時為25 ms時，爆破后的巖石最大塊度尺寸和大塊率均達(dá)到最大，分別為124.12 cm和10.81%。顯然，當(dāng)排間延時50 ms，孔間延時為19 ms時更有利于巖石的破碎，改善爆破效果。