利用淺孔改善深孔臺階爆破孔口塊度技術(shù)研究*

李志鵬，王園園，張光雄,3，趙明生,3

(1.哈密市和翔工貿(mào)有限責(zé)任公司，哈密 839202；2.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽 551499；3.保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002)

巖石爆破的質(zhì)量主要由爆破塊度分布、根底大小、爆堆形態(tài)、超欠挖等反映，其中的塊度分布由于反映了巖體整體的破壞效果，并通過影響鏟裝運輸、破碎加工等后續(xù)工序而影響整個施工進度、成本、質(zhì)量，因此是最為重要的一個質(zhì)量指標(biāo)。炮孔孔網(wǎng)參數(shù)是決定爆破塊度分布一個最主要的因素，在巖石炸藥單耗保持不變的條件下，炮孔越多炸藥能量越分散利用率越高，對巖石爆破破碎作用效果越好，但同時也由于增加鉆孔導(dǎo)致爆破成本的顯著提高[1,2]。因此，采用適當(dāng)?shù)谋茀?shù)，達成爆破效果與施工成本的綜合平衡，是爆破設(shè)計的核心目標(biāo)。

爆破大塊主要由孔口和孔底的爆破質(zhì)量決定。隨著炮孔深度的增加，自由面的效應(yīng)減弱，孔底的巖體受到的夾制作用增強，巖體破壞效果降低，容易產(chǎn)生大塊?？椎状髩K除了合理的爆破孔網(wǎng)參數(shù)外，還通過加強裝藥，加大超深等辦法進行控制?？卓诓糠钟捎诙氯拇嬖诓慌c炸藥直接接觸，受到的炸藥應(yīng)力波直接作用的壓剪破壞減少，依靠自由面應(yīng)力波反射效應(yīng)提供的拉伸破壞作用綜合控制爆破效果，爆破效果受到爆破孔網(wǎng)參數(shù)更大的影響，堵塞過長、孔網(wǎng)參數(shù)不合理時孔口部分就容易產(chǎn)生大塊?？卓诓糠值拇髩K主要依靠合理堵塞長度和孔網(wǎng)參數(shù)控制。除深孔外額外布設(shè)淺孔加強爆破效果也是一種可用于減少孔口大塊，改善爆破效果的方法[3,4]。這種方法改善爆破效果的同時增加的成本很小，可以針對多種巖性條件針對性設(shè)計，不過由于提高了設(shè)計復(fù)雜性同時也缺乏可供參考的成熟設(shè)計方法，因此少見采用，近年來僅有個別研究與應(yīng)用案例，如曹進軍等在露天煤礦中采用深孔、淺孔聯(lián)合布孔以改善煤層與巖層力學(xué)性能差異導(dǎo)致的爆破效果問題[5]，周俊采用混凝土模型爆破試驗研究了上硬下軟巖體條件下運用深孔淺孔聯(lián)合布孔方法的合理參數(shù)[6]。

別斯庫都克露天煤礦位于新疆巴里坤哈薩克自治縣，礦內(nèi)巖石以中砂巖、細砂巖為主，夾雜粉砂巖與泥巖，礦內(nèi)不同區(qū)域巖體完整性存在差異，部分臺階如1216、1240、1252等的巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。爆破應(yīng)力波在節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)面等影響下衰減更為迅速，影響孔口自由面反射拉應(yīng)力作用，導(dǎo)致巖石爆破孔口容易產(chǎn)生大塊，爆破效果不佳[7,8]。針對節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域孔口大塊較多的問題，嘗試采用了深孔間增設(shè)淺孔的方法，通過數(shù)值模擬方法對淺孔參數(shù)進行調(diào)整，并在實際施工中進行了應(yīng)用。

1 別礦巖石參數(shù)

為了獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場巖石參數(shù)，提高數(shù)值模擬工作的可靠性，在別斯庫都克露天礦選取代表性巖石巖樣加工后獲得砂巖巖石樣品，分別測試密度、抗壓強度、抗剪強度、抗壓強度、彈性模量、泊松比等性能參數(shù)。抗剪強度采用直剪試驗測試，抗拉強度采用巴西劈裂法，開展的各項測試如圖1所示，測試結(jié)果見表1。

圖 1 巖石力學(xué)性能測試Fig. 1 Rock mechanical performance test

表 1 巖石力學(xué)參數(shù)

2 淺孔爆破參數(shù)數(shù)值模擬

模擬軟件為LS-DYNA，采用有限元拉格朗日方法分析[7,8]。

2.1 計算模型及參數(shù)

別斯庫都克露天煤礦巖體爆破參數(shù)為：孔徑120 mm，孔距4～5 m，排距3.5 m，孔深8.5～12 m，距坡頂線3.5 m，孔間微差時間50 ms，坡面角70°。模擬選取常用參數(shù)的孔深8.5 m，堵塞4 m，孔距4 m，排距3.5 m。

模擬主要針對不同淺孔深度的條件進行模擬分析，孔徑為90 mm，淺孔孔深采用3 m、3.5 m、4 m、4.5 m四種，裝藥長度均為1 m，再包括不設(shè)置淺孔的情況，總共有五種條件。通過對比分析不同條件下巖體受到的應(yīng)力作用即可比較不同參數(shù)對孔口巖體的破壞效果。

模型整體高度11 m，長度6 m，寬度3 m。依據(jù)現(xiàn)場常用的3.5 m排距與4 m孔距參數(shù)，兩個深孔炮孔距離3.5 m，，淺孔設(shè)置在兩個與兩個深孔連線垂直距離2 m的孔距中點位置。模擬中所有炮孔齊發(fā)爆破，孔底起爆。模型正面約束垂直位移為對稱面，左側(cè)、右側(cè)、下側(cè)、后側(cè)設(shè)為無反射邊界[9,10]。模型中共有單元約21.8萬個，圖2所示為模型示意圖、整體及三個炮孔部分的網(wǎng)格劃分情況。模擬模型見圖3。

圖 2 示意圖及網(wǎng)格劃分Fig. 2 Schematic and mesh

圖 3 模擬模型Fig. 3 Simulation model

采用常用的動力塑性材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模擬巖石及堵塞材料巖石爆破模擬，該材料的參數(shù)較少且容易獲取因此應(yīng)用十分廣泛，在此采用前述的實測現(xiàn)場砂巖巖石力學(xué)參數(shù)。采用高能炸藥材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE _BURN以及JWL狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸，參數(shù)為現(xiàn)場所采用的混裝乳化炸藥生產(chǎn)商提供的密度、爆速測試數(shù)據(jù)及參考類似參數(shù)[11,12]。各種物質(zhì)的材料參數(shù)如表2所示。

表 2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖4所示為以4 m淺孔條件為例的模擬模型在不同時點的爆破應(yīng)力云圖。

圖 4 爆破模擬Fig. 4 Blasting simulation

如圖5所示，從地表至4 m深度，在模型上均勻選取8個單元點，對比各個條件下該8個單元點的應(yīng)力作用，可以反映不同淺孔條件下地表至4 m深度這一深孔孔口作用范圍內(nèi)的爆破作用強度差異，以分析不同淺孔條件的優(yōu)劣。圖6所示為模型選取的該8個單元點的應(yīng)力時程曲線(以3.5 m淺孔為例)，顯示了各個單元點的應(yīng)力變化過程及峰值。表3所示為各個條件下各單元點的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力峰值，圖7與圖8分別顯示了壓應(yīng)力與拉應(yīng)力峰值時程曲線圖。

表 3 選取單元應(yīng)力(單位：MPa)Table 3 Stress of selected elements(unit:MPa)

圖 5 選取單元圖Fig. 5 Selected elements

圖 6 選取單元應(yīng)力Fig. 6 Stress of selected elements

圖 7 壓應(yīng)力時程曲線圖Fig. 7 Pressure stress time curve diagram

圖 8 拉應(yīng)力時程曲線圖Fig. 8 Tensile stress time curve diagram

從模擬分析結(jié)果來看，在8.5 m孔深4 m堵塞4 m×3.5 m孔排距參數(shù)下，由于別斯庫都克礦的砂巖強度較低，在3 m深度以下接近爆破裝藥的部分，爆破壓應(yīng)力峰值大于砂巖抗壓強度，因此可以對巖體產(chǎn)生有效破壞，3 m以上區(qū)域隨著壓應(yīng)力的減少則難以依賴壓應(yīng)力作用對巖體產(chǎn)生破壞。5種條件對比額而言，3 m以上區(qū)域不同條件的壓應(yīng)力峰值強度基本相同，3 m以下區(qū)域，則在4.0 m、4.5 m淺孔兩種條件下有所增大有利于破壞作用?？傮w而言，淺孔對于壓應(yīng)力作用的影響主要集中于裝藥附近，在淺孔裝藥附近有利于增強壓應(yīng)力破壞作用。

拉應(yīng)力作用，在0～1.5 m深度各個條件接近，1.5 m以下，存在顯著差異，2 m深度處4m淺孔的拉應(yīng)力作用最大，達到26.3 MPa，2.5m處3 m淺孔的拉應(yīng)力作用最佳為27.2 MPa?？傮w上看4m淺孔條件下的拉應(yīng)力作用效果最優(yōu)。

綜合壓應(yīng)力與拉應(yīng)力作用分析結(jié)果，宜采用4 m淺孔，在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力作用效果的增強效果最優(yōu)有利于提高爆破破碎效果。

3 爆破參數(shù)優(yōu)化效果

在別斯庫都克露天煤礦1216臺階對淺孔改善孔口大塊的作用進行了應(yīng)用。1216臺階的巖體發(fā)育，對于爆破效果影響較大易產(chǎn)生大塊。1216臺階炮孔參數(shù)為：炮孔直徑120 mm，坡頂距3.5 m，孔間距離為4.0 m，排間距離為3.5 m，臺階高度為12 m，超深1.0 m，堵塞長度4 m。依據(jù)數(shù)值模擬效果取90 mm孔徑淺孔孔深4 m，同時考慮到模擬中巖體為完整狀態(tài)，現(xiàn)場受巖體節(jié)理裂隙影響爆破作用范圍小于模擬，因此在實際應(yīng)用中略微增大淺孔裝藥長度為1.5 m。在梅花形布孔的深孔中心布置淺孔，淺孔以25 ms延期時間并入現(xiàn)場的逐孔起爆網(wǎng)路。見圖9、圖10。

圖 9 炮孔布置示意圖Fig. 9 Hole arrangemengt

圖 10 1216臺階優(yōu)化后爆破效果Fig. 10 Blast effect of 1216 bench after optimization

應(yīng)用4 m淺孔后，總體看爆破成本僅略有提升，現(xiàn)場孔口大塊情況有明顯的下降，孔口處基本不會產(chǎn)生大塊，顯著減少了破碎大塊工作量，爆堆的鏟裝運輸效率提升3%以上。

4 結(jié)論

針對別斯庫都克露天煤礦巖體裂隙發(fā)育，孔口容易產(chǎn)生大塊的問題，嘗試在深孔中間雜淺孔的方式改善孔口的爆破破碎效果減少大塊，開展了如下研究工作：

(1)實地取樣測試了巖石性能，為數(shù)值模擬提供可靠現(xiàn)場巖石數(shù)據(jù)。

(2)采用LS-DYNA模擬了五種不同淺孔裝藥深度條件，比較了孔口不同深度下的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力峰值，根據(jù)對比分析結(jié)果確定了4 m淺孔可以提高孔口部分的爆破應(yīng)力波破壞效應(yīng)。

(3)基于數(shù)值模擬分析結(jié)果，在別斯庫都克露天煤礦1216臺階嘗試應(yīng)用了淺孔減少孔口大塊，取得了較好的改善效果。