地下礦山直眼掏槽爆破參數(shù)優(yōu)化研究①

王遠來，史秀志，王發(fā)民，邱賢陽

（中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083）

地下礦山開采在巷道掘進和采場回采過程中都需要進行掏槽爆破，并根據(jù)不同的要求選擇不同的掏槽布孔方式。直眼掏槽因其眾多優(yōu)點，被普遍應用到礦山實際生產(chǎn)中［1－6］。

目前，凡口鉛鋅礦的主要采礦方法為盤區(qū)機械化水平分層充填法，該法存在采場鉆孔數(shù)量多、雷管炸藥消耗高等缺點，不利于礦山安全高效開采。因此，優(yōu)化上向水平充填法回采爆破參數(shù)對礦山很有必要，而其關(guān)鍵點就在于優(yōu)化拉槽的掏槽形式和爆破參數(shù)。本文采用常用的九孔掏槽進行采場拉槽爆破，首先根據(jù)理論計算，確定孔徑、裝藥孔與空孔距離等參數(shù)，并對參數(shù)進行數(shù)值模擬，得出最優(yōu)的孔徑及孔間距，最終在現(xiàn)場進行生產(chǎn)試驗。

1 掏槽爆破參數(shù)

1.1 孔 徑

參考采用上向水平分層充填采礦法的礦山經(jīng)驗，采用直眼掏槽時，孔徑一般為0.051～0.076 m，目前凡口鉛鋅礦的孔徑為0.051 m。經(jīng)驗表明，在掏槽區(qū)尺寸及布孔方式確定的情況下，孔徑越大，首響掏槽孔爆破破巖范圍越大，爆破形成的裂隙區(qū)越大，掏槽效果越好，但隨著孔徑增加，鑿巖速率會下降［7］。研究表明，在掏槽區(qū)尺寸固定的情況下，炮孔數(shù)量不會隨著孔徑增加而顯著減少，因此需合理選擇孔徑，以達到最優(yōu)的掏槽爆破效果。

1.2 裝藥孔與空孔間距

在拉槽爆破中，拉槽區(qū)裝藥孔與空孔間距主要受補償空間［8］、爆炸應力波的有效破巖范圍［9］及炮孔偏斜率這3個因素影響，相應的理論計算公式如下：

基于補償空間理論的計算公式：

式中L1為基于補償空間理論計算的空孔與裝藥孔距離，m；d為裝藥孔直徑，m；D為空孔直徑，m；K為巖石碎脹系數(shù)，取K＝1.3（拉槽區(qū)巖石較為破碎，在此取較小值）。

基于爆炸應力波的有效破巖范圍理論計算公式：

式中L2為基于爆炸應力波有效破碎范圍理論計算的空孔與裝藥孔距離，m。

基于炮孔偏斜率的計算公式：

式中L3為基于炮孔偏斜率計算的空孔與裝藥孔距離，m；H為炮眼深度，m；μ為炮孔偏斜系數(shù)，多取值0.5；η為炮孔偏斜率，取1%。

將本文所選的孔徑（空孔直徑與裝藥孔徑相同，孔深取6 m）分別代入式（1）～（3），求得孔間距L1、L2、L3的基本取值范圍如表1所示。結(jié)合經(jīng)驗值，3種孔徑的拉槽區(qū)孔間距分別取0.30 m、0.30 m和0.35 m。

表1 3種孔徑槽孔與空孔間距計算結(jié)果及取值

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及材料參數(shù)

ANSYS／LS-DYNA顯示動力分析程序被廣泛應用于高速碰撞、爆炸、金屬加工等非線性結(jié)構(gòu)動力沖擊問題的分析。該程序共提供了Lagrange、Euler及ALE三種算法［10］。該模型的巖體材料使用Lagrange算法，炸藥材料使用ALE算法，巖體失效判據(jù)采用Von Mises屈服準則［11］。

2.1.1 礦體參數(shù)

礦體選用塑性動力學材料模型（?MAT-PLASTIC-KINEMATIC），其參數(shù)如表2所示。

表2 礦體塑性動力學模型材料參數(shù)

2.1.2 炸藥本構(gòu)模型及其參數(shù)

炸藥選用LS-DYNA內(nèi)部高能炸藥材料模型（?MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN），其材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示。

表3 2＃巖石乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

有研究表明［12］，炸藥爆炸時產(chǎn)生的沖擊波作用時間約為幾十微秒，爆生氣體作用時間約為幾毫秒。因此本文的數(shù)值模擬計算總時間取6 ms，求解過程中每隔60μs輸出一個計算結(jié)果。

2.1.3 模型建立

鑒于計算機求解速度，建立準二維實體模型，即模型厚度取一個網(wǎng)格單元尺寸單位。圖1為簡化模型示意圖。模型共建立5個孔徑相同的炮孔，其中中心孔為裝藥孔，其余4個孔為空孔。炸藥在裝藥孔的幾何中心瞬時起爆。模型在x方向長1.5 m、y方向長1.5 m，z方向長0.001 m。模型中的單元均采用Solid164。模型的4個邊界均設(shè)置無反射邊界。炮孔孔徑尺寸分別為0.046 m、0.051 m、0.058 m、0.064 m、0.076 m和0.089 m，裝藥孔與空孔的間距分別為0.25 m、0.30 m、0.35 m和0.40 m。

圖1 空孔爆破效應模擬模型及炮孔附近網(wǎng)格劃分

2.2 孔徑模擬過程及結(jié)果分析

為增加鑿巖效率，減少更換鑿巖設(shè)備工序，裝藥孔和空孔的孔徑保持一致；孔間距均為0.30 m。根據(jù)礦山經(jīng)驗，建立6種孔徑模擬方案如表4所示。

表4 孔徑模擬方案參數(shù)

圖2為不同方案爆破時，應力波到達空孔后的第4個計算時步時的有效應力分布狀態(tài)。由圖2可看出，當炸藥起爆后，應力波均呈圓形向外傳播，且應力逐漸減小。當應力波傳至空孔時，在其孔壁發(fā)生反射，形成拉伸波，且與后續(xù)傳來的應力波發(fā)生疊加作用，在裝藥孔與空孔之間形成高應力貫通區(qū)，應力值明顯高于其他區(qū)域，說明空孔具有很強的應力集中作用，且對應力波具有一定的導向作用。對比各方案可看出，隨著空孔孔徑增大，空孔附近產(chǎn)生的應力疊加區(qū)域越大，并且與爆破中心區(qū)域的貫通效應越顯著，說明在掏槽爆破時，空孔孔徑越大，越有利于巖石破碎，掏槽效果越好。

圖2 不同空孔直徑爆破模擬應力分布狀態(tài)

取裝藥孔與右側(cè)空孔中心連線上最靠近空孔的單元為監(jiān)測單元，得出的不同孔徑下監(jiān)測單元的有效應力曲線如圖3所示。由圖3可看出，當孔間距不變時，隨著空孔孔徑增大，應力疊加區(qū)域監(jiān)測單元的有效應力峰值逐漸增大，應力波動幅度也越大，較大的波動有利于促進裂隙發(fā)育和應力波反射拉伸破巖。

圖3 應力迭加區(qū)域監(jiān)測單元有效應力曲線

不同孔徑爆破模擬監(jiān)測單元有效應力峰值見表5。由表5可知，隨著空孔孔徑增大，監(jiān)測單元有效應力峰值也增大，說明空孔孔徑越大，產(chǎn)生的應力波迭加作用越強，越有利于拉槽爆破，實際生產(chǎn)中在保證生產(chǎn)效率的情況下應盡量選擇較大直徑的空孔。

表5 不同孔徑爆破模擬監(jiān)測單元有效應力峰值

2.3 孔間距模擬結(jié)構(gòu)及分析

根據(jù)理論計算的取值范圍，保持裝藥孔與空孔孔徑一致，將孔徑與孔間距進行組合，模擬方案如表6所示。

表6 孔間距模擬方案參數(shù)

選擇孔徑0.051 m的3個方案為代表進行詳細介紹，各方案在裝藥孔與空孔應力貫通狀態(tài)的有效應力分布及裝藥孔至空孔中心線上所有單元應力峰值的變化曲線分別見圖4和圖5。單元從裝藥孔孔壁處開始選取，至空孔孔壁處。

從圖4可以看出，當孔徑0.051 m、孔距0.25 m時，裝藥孔與空孔之間形成很大的高應力貫通區(qū)，且持續(xù)時間較長。隨著孔間距增大，高應力貫通區(qū)越來越不連續(xù)，連通區(qū)應力越來越小；孔距0.35 m時，裝藥孔與空孔之間貫通區(qū)開始形成部分低應力區(qū)，空孔附近的應力集中作用減弱，不利于巖石破碎成較小的塊度，已無法形成較好的爆破效果；因此孔徑0.051 m時，孔間距不宜超過0.30 m。

圖4 不同孔間距時裝藥孔與空孔間應力貫通區(qū)分布

由圖5可以看出，單元離裝藥孔越遠，其應力峰值越小。在相同孔徑下，隨著孔間距增大，有效應力峰值整體均呈下降趨勢，且在靠近裝藥孔的位置，應力值降低較快，靠近空孔時應力降低較慢，說明炸藥爆炸的爆轟波在很近的范圍內(nèi)就衰減為了壓縮波。

圖5 不同孔間距炮孔連線上單元應力峰值變化

其他各方案模擬過程與上述方案一致，其有效應力分布及應力峰值變化趨勢相似，在此不再贅述。

綜上，孔徑0.051 m和0.058 m時，孔間距均取0.30 m為宜；孔徑0.064 m時，孔間距取0.35 m為宜。

3 工程應用

選擇凡口鉛鋅礦Sh-550mN8＃N、Sh-500mN11＃和Sh-550mN1＃N共3個試驗采場，爆破范圍僅為槽區(qū)中心孔及其外圍的三圈炮孔，均采用九孔直眼掏槽，孔深均為6 m。表7為各采場孔網(wǎng)參數(shù)。

表7 3種孔徑臺車鉆孔參數(shù)

各試驗采場爆破后礦堆現(xiàn)場可以看出炮效均基本滿足預期，大塊率低，均可滿足出礦要求。各采場塊度尺寸累積分布曲線見圖6。

圖6 各采場塊度尺寸累積分布曲線

從圖6可以看出，Sh-500mN11＃采場的礦石塊度均在19 cm以內(nèi)，且主要分布在5～10 cm范圍內(nèi)，整體塊度較粉；Sh-550mN8＃N和Sh-550mN1＃N采場塊度累積分布曲線較相似，礦石塊度均在30 cm以內(nèi)，且主要分布在10～25 cm范圍內(nèi)，塊度分布較合理。

3種孔徑臺車鉆孔參數(shù)統(tǒng)計見表8。從表8可以看出，在相同孔深條件下，孔徑越大，單孔平均耗時越長，每班平均進尺越小，且相差較大，可見孔徑增大對每班鉆孔進尺的影響較大。而在采場大小一定的情況下，增加孔徑并不能顯著減少孔數(shù)。綜上，基于爆破塊度和鉆孔效率，炮孔直徑取0.051 m為宜。

表8 3種孔徑臺車鉆孔參數(shù)統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

1）基于礦山現(xiàn)有鑿巖設(shè)備，根據(jù)理論分析計算，確定了裝藥孔和空孔的孔徑及二者之間間距的取值范圍。

2）通過各方案數(shù)值模擬的應力分布狀態(tài)以及選取的監(jiān)測單元應力值情況得出，空孔具有應力集中作用，孔距不變時，空孔直徑越大，空孔附近的應力集中作用越強，爆破效果越好；模擬確定了炮孔直徑0.051 m和0.058 m時孔間距均取0.30 m，炮孔直徑0.064 m時孔間距取0.35 m。

3）將模擬得出的爆破參數(shù)運用到試驗采場生產(chǎn)中，分別對試驗采場的爆破效果進行查看及評估后，確定各方案均能達到預期爆破效果，綜合爆破后礦石塊度及生產(chǎn)組織鑿巖效率，炮孔直徑0.051 m時塊度合理且鑿巖速率較快，因此直眼掏槽的爆破參數(shù)最終確定為孔徑0.051 m、裝藥孔與空孔間距0.30 m。