金礦中深孔爆破參數(shù)數(shù)值模擬研究

賈彥州

（山東煙臺(tái)鑫泰黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 265147）

在巖石破碎爆破過程中孔底距與最小抵抗線是爆破作業(yè)設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)，由于爆破過程十分復(fù)雜且實(shí)驗(yàn)與測(cè)試的條件要求較高，不論是在實(shí)驗(yàn)室或者實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)于參數(shù)的精準(zhǔn)計(jì)算都比較困難。因此，本文通過借助于ANSYS/LS—DYNA數(shù)值模擬軟件來(lái)模擬扇形炮孔的爆破過程，通過觀察爆破中應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，分析Von Mises有效應(yīng)力峰值與巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度最終確定中深孔爆破最大底距與最小抵抗線的合適參數(shù)值。

1 爆破模型的建立

本研究以某金礦1號(hào)試驗(yàn)采場(chǎng)為研究對(duì)象，分析存在自由面的爆破現(xiàn)象。從巖石的破壞形式來(lái)看主要有壓縮破壞和拉伸破壞兩中形式，其中主要以拉伸破壞為主。由于在發(fā)生爆破過程中巖石內(nèi)部的受力分布相對(duì)復(fù)雜，難以利用Mises屈服準(zhǔn)則來(lái)分析判斷巖石內(nèi)部具體部位的破壞情況，但可對(duì)自由面附近的巖石做出判斷，發(fā)現(xiàn)其接近簡(jiǎn)單拉伸狀態(tài)。所以，根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，對(duì)于爆破模擬結(jié)果，可以提取自由面上的單元（下面稱該單元所在的位置為關(guān)鍵位置）的有效應(yīng)力曲線，讀取曲線的峰值，通過比較峰值與巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度來(lái)分析巖石的破壞情況，若峰值大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，可認(rèn)為爆破過程中巖石被破碎，否則爆破未能成功爆開巖石[1]。關(guān)于巖石動(dòng)抗拉強(qiáng)度參數(shù)的取值，參考了相關(guān)資料，最后取用礦巖動(dòng)抗拉強(qiáng)度為90MPa。

如圖1所示，扇形炮孔與自由面之間的距離為最小抵抗線，爆破投擲的方向?yàn)樽杂擅?，雖然鑿巖巷道也算一個(gè)自由面，但與主要拋擲方向的自由面比起來(lái)，其作用較小），由于各個(gè)炮孔均與自由面平行，所以每個(gè)炮孔長(zhǎng)度方向上的各個(gè)點(diǎn)到自由面的距離均相等，它們都等于最小抵抗線。也就是說(shuō)，若某個(gè)炮孔能爆開巖體，那么同排的其他炮孔也都能爆開巖體。因此，在確定最小抵抗線的模擬中，可以用一個(gè)炮孔來(lái)模擬爆破過程。

圖1 扇形孔爆破示意圖

圖2為確定最小抵抗線的爆破模型，在實(shí)際計(jì)算過程中除自由面及下表面之外，其他表面都應(yīng)設(shè)置無(wú)反射邊界條件，表示模型在該方向上都可以無(wú)限延伸[2]。

圖2 確定最小抵抗線的數(shù)值模型示意圖

如圖3為確定最大孔底距的爆破模型（(a)模型整體，(b)為切開的剖面圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，紅色部分為兩個(gè)扇形炮孔）。該模型下表面為鑿巖硐室頂板，為了節(jié)省經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本該表面并未建立計(jì)算模型，主要是利用兩個(gè)炮孔進(jìn)行模擬試驗(yàn)，其他表面都設(shè)置了無(wú)反射邊界條件，模型在這些表面都可以無(wú)限延伸。

圖3 確定最大孔底距的數(shù)值模型示意圖

巖石和炸藥選擇solid164單元，其中將＊mat_plastic_kinematic作為巖石材料，＊mat_high_explosive_burn作為炸藥材料，有狀態(tài)方程控制其起爆過程，巖石與炸藥的參數(shù)如表1和表2。

表1 巖石參數(shù)

表2 炸藥參數(shù)

2 確定最小抵抗線

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，可先確定最小抵抗線為1.3m，如果能爆開巖體再其基礎(chǔ)上將長(zhǎng)度增加0.2m，以此類推，直至巖體不能爆開為止。分別依次選取最小抵抗線長(zhǎng)度1.5m,1.7m進(jìn)行有效應(yīng)力模擬分析。

通過三個(gè)模擬可知，當(dāng)最小抵抗線為1.3m和1.5m時(shí)，

3 確定最大孔底距

根據(jù)上面的爆破模擬結(jié)果，確定爆破最小抵抗線為1.5m。下面的爆破模擬為：在最小抵抗線為1.5m的情況下，逐漸增大孔底距，孔底距的初值為1.8m，若能爆開巖體，則將最大孔底距增加0.2m，以此類推，直至巖體不能爆開為止。依次選取最大孔底距離為1.8m,2.0m,2.2m進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。當(dāng)最大孔底距為2.0m時(shí)爆破過程中的有效應(yīng)力分布情況。

（1）有效應(yīng)力場(chǎng)分析。通過圖4，可看出扇形炮孔從孔口起爆，爆炸應(yīng)力場(chǎng)在炮孔口產(chǎn)生，并向炮孔內(nèi)部傳播，之后兩炮孔的應(yīng)力場(chǎng)開始疊加，共同作用破碎巖石。

圖4 爆破過程有效應(yīng)力分布圖

（2）關(guān)鍵位置有效應(yīng)力分析。圖5，顯示了關(guān)鍵位置單元在模型中的位置及該單元的有效應(yīng)力曲線。能看出單元的有效應(yīng)力峰值為90.8MPa，大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度90MPa，可認(rèn)為當(dāng)孔底距為2.0m時(shí)，爆破能成功爆開巖石。

圖5 孔底距為2.0m時(shí)關(guān)鍵位置單元的有效應(yīng)力曲線

通過三個(gè)模擬可知，當(dāng)最大孔底距為1.8m和2.0m時(shí)，爆破得到的塊度較好，爆破效果好。當(dāng)最大孔底距為2.2m時(shí)，爆破可能出現(xiàn)較多大塊，爆破效果不好。因此，應(yīng)選擇最大孔底距為2.0m。

4 結(jié)論

孔底距和最小抵抗線是爆破設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要參數(shù)，本研究通過利用ANSYS/LS—DYNA數(shù)值模擬軟件，對(duì)扇形炮孔爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析出爆炸仿真過程中的Von Mises有效應(yīng)力峰值能否達(dá)到巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，以進(jìn)一步確定了適合該金礦中深孔爆破的參數(shù)：最小抵抗線為1.5m，最大孔底距2.0m。自由面上的單元的應(yīng)力曲線峰值均大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，可認(rèn)為在這兩種情況下爆破能成功爆開巖石并得到較好的塊度。當(dāng)最小抵抗線為1.7m時(shí)，自由面上的單元的應(yīng)力曲線峰值小于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，可認(rèn)為在這種情況下爆破未能很好地破碎巖石。因此，應(yīng)選擇爆破最小抵抗線為1.5m。