炸藥選型對巖石破碎的影響研究

張耿城，廖耀福，申寶來，劉鑫

(1.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司， 遼寧 鞍山市 114046；2.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 遼寧 鞍山市 114051)

0 引言

在采礦作業(yè)中爆破依然是使用最廣泛的破碎巖石的手段，也是最具有成本效益的巖石挖掘方法。應(yīng)變率影響巖石的強(qiáng)度[1?4]，因此當(dāng)炸藥發(fā)生反應(yīng)時，釋放沖擊波能量和爆生氣體能量對巖石動態(tài)破碎具有一定的影響。研究表明，應(yīng)力波是破碎區(qū)和徑向裂縫的起裂原因，而爆生氣體壓力進(jìn)一步擴(kuò)展了裂縫。然而，炸藥密度、爆速等從某種條件上也決定了炸藥爆炸能量釋放的速率。冷振東[5]分析了巖石種類、炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)以及地應(yīng)力對粉碎區(qū)范圍的影響，并給出了減小粉碎區(qū)的措施。李杰等[6]通過控制混裝炸藥中的乳化劑和燃燒油配比來研究其對爆破效果的影響。曹祺[7]通過理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)際計算得到了炸藥在巖石中的能量分布，研究了炸藥爆炸能量傳遞及其破碎機(jī)理。

隨著智慧礦山的建設(shè)[8?9]，牙輪鉆隨鉆獲取的巖石物性等信息技術(shù)的發(fā)展[10?11]，爆破破巖方式向著更科學(xué)的方式發(fā)展，例如，依據(jù)巖石物性調(diào)整混裝炸藥車的發(fā)泡劑、敏化劑的配比，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制炸藥密度、爆速，達(dá)到巖石有效破碎的目的。然而，巖石爆破破碎過程是一個非常快的過程，因此研究巖石爆破破壞機(jī)理極為困難。隨著高速計算機(jī)算法的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究巖石爆破動力學(xué)的主要方法之一[12?13]。

1 數(shù)值模型和材料模型

1.1 材料模型

平面黏結(jié)接觸模型的力-位移定律是為了更新接觸力和接觸力矩，當(dāng)平面黏結(jié)接觸模型添加在顆粒接觸處和初始化后，力-位移定律更新單元力和位移的步驟如下：

1.2 材料模型

本文選取磁鐵石英巖為研究對象，其密度為3.63×103kg/cm3，彈性模量為90 GPa，泊松比為0.24，單軸抗壓強(qiáng)度為206 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為12.3 MPa。為了匹配實(shí)際工程，通過顆粒膨脹法、模型邊界條件調(diào)整等方法，建立4 m×2 m 模型開展靜態(tài)加載分析與校準(zhǔn)來選取材料參數(shù)[14]，校準(zhǔn)結(jié)果如圖1 所示，材料參數(shù)見表1。

表1 顆粒細(xì)觀參數(shù)

圖1 模型校準(zhǔn)

1.3 數(shù)值模型

為研究露天爆破中炸藥選型對巖石破碎的影響，選取露天礦山單自由面爆破為基本條件，利用離散元數(shù)值方法建立的數(shù)值模型，如圖2 所示。其中，數(shù)值模型尺寸為20 m×10 m，邊界設(shè)置為無反射邊界條件來模擬無限巖體介質(zhì)，炮孔直徑為250 mm，炮孔距離自由面的距離為2 m。離散元數(shù)值模型的顆粒半徑變化范圍是16.75～25.1 mm，包含129 091 個顆粒。

圖2 單自由面爆破幾何模型

通過施加水平和豎直方向力作用于炮孔孔壁顆粒來施加爆炸載荷，本文根據(jù)Yilmaz[15]提供的炸藥參數(shù)開展相關(guān)研究，即乳化炸藥的密度為1.25×103kg/cm3，爆速為5582 m/s，峰值壓力為4.9 GPa，銨油炸藥的密度為780 kg/cm3，爆速為4052 m/s，峰值壓力為1.6 GPa，爆炸載荷上升沿時間分別為10 μs，50 μs，150 μs。假設(shè)裂紋在巖石中擴(kuò)展的平均速度為500 m/s，那么裂紋擴(kuò)展時間為4 ms，因此本文數(shù)值模型的計算時間選擇為5 ms。

2 結(jié)果分析

2.1 不同爆炸加載率下巖體應(yīng)力分析

乳化炸藥和銨油炸藥不同爆炸載荷上升沿時間的測點(diǎn)5 的Y向應(yīng)力如圖3 所示。從圖3 中可以看出，乳化炸藥和銨油炸藥在測點(diǎn)5 處應(yīng)力峰值最大的情況均是當(dāng)爆炸載荷上升沿時間為50 μs，應(yīng)力峰值最小的情況均是當(dāng)爆炸載荷上升沿時間為10 μs。爆速和密度高的乳化炸藥的測點(diǎn)5 處應(yīng)力峰值隨著爆炸載荷上升沿時間的變化，表現(xiàn)出明顯的分布特征，即最大應(yīng)力峰值點(diǎn)存在于爆炸載荷上升沿時為50 μs，其次是上升沿時間150 μs 情況，最后是上升沿時間10 μs 情況。而當(dāng)爆炸載荷上升沿時間為50 μs 和150 μs 時，爆速和密度低的銨油炸藥的測點(diǎn)5 處應(yīng)力峰值幾乎相同，只是應(yīng)力峰值后的應(yīng)力遞減變化趨勢存在差別，爆炸載荷上升沿時間為150 μs 的應(yīng)力遞減速率小。

圖3 測點(diǎn)5 的Y 向應(yīng)力分布

2.2 不同爆炸加載率下巖體破裂分析

通過顯示顆粒間黏結(jié)的斷裂可以表達(dá)出爆炸載荷下巖體內(nèi)裂紋的生成和擴(kuò)展方式，圖4 是不同爆炸加載率下微裂紋分布特征，紅色代表的是拉伸裂紋，黑色代表的是剪切裂紋。從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展范圍與爆炸載荷上升沿時間具有一定相關(guān)性，即上升沿時間越大，裂紋擴(kuò)展的范圍越大，而不受炸藥的類型、爆速、密度的影響。當(dāng)采用同種爆炸載荷上升沿時間時，裂紋擴(kuò)展的范圍就受到炸藥的類型、爆速、密度的影響，可以發(fā)現(xiàn)乳化炸藥的裂紋擴(kuò)展范圍大于銨油炸藥的裂紋擴(kuò)展范圍。

圖4 不同爆炸加載率下微裂紋分布特征

圖5 是微裂紋隨時間的變化特征，通過記錄裂紋隨時間的變化特征可以發(fā)現(xiàn)，在0 至0.5 ms 區(qū)間內(nèi)，乳化炸藥上升沿時間為10 μs 的裂紋增長速率最大，其次是乳化炸藥的上升沿時間為50 μs 的情況，其余類型上升沿時間的裂紋增長速率基本一致。在0～1.25 ms 區(qū)間內(nèi)，乳化炸藥上升沿時間為50 μs 的裂紋增長速率大于150 μs 的，隨后呈現(xiàn)相反的增長特征。在3 ms 之前，乳化炸藥上升沿時間為10 μs，大于銨油炸藥上升沿時間為150 μs 的裂紋增長率，在3 ms 之后，二者的裂紋總數(shù)量一致。

圖5 微裂紋隨時間的變化特征

圖6 為不同爆炸加載率下速度場分布特征，從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，爆破后被拋擲出的巖體速度基本是隨著爆炸載荷上升沿時間的遞增而增大，且爆破破碎的巖體的拋擲位移也是隨著爆炸載荷上升沿時間的遞增而增大。

圖6 不同爆炸加載率下速度場分布特征

3 現(xiàn)場應(yīng)用

自由面的形態(tài)特征及損傷程度影響前排的爆破效果及炸藥能量利用率，甚至是影響布孔方式的選擇，待爆區(qū)的自由面形態(tài)主要是前一次爆破最后一排炮孔起爆的作用結(jié)果。以鞍礦爆破公司關(guān)寶山項目部某285 m 水平爆破進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，采用電子雷管實(shí)現(xiàn)逐孔起爆，孔間延時是25 ms，排間延時是50 ms，最后一排選用銨油炸藥，爆破后的效果如圖7 和圖8 所示。可以發(fā)現(xiàn)，對于最后一排爆破時，經(jīng)驗上采用減小炸藥量方法，也可以選擇使用爆速小、密度低、爆炸載荷上升沿時間小的炸藥。

圖7 最后一排爆破的自由面形態(tài)

圖8 爆破效果

4 結(jié)論

（1）隨著爆炸載荷上升沿時間的遞增，炮孔附近的應(yīng)力峰值先增大后減小，裂紋擴(kuò)展的范圍越大。

（2）對于最后一排爆破時，經(jīng)驗上采用減小炸藥量方法，也可以選擇使用爆速小、密度低、爆炸載荷上升沿時間小的炸藥。

（3）爆炸載荷上升沿時間越大，越有利于爆破巖體的拋擲，從而為后續(xù)爆破提供有力的自由面。