貴州息烽磷礦巷道掘進爆破參數(shù)優(yōu)化與實踐*

鄭彥濤，周虎生，劉德峰，姜貴川，褚 維，萬發(fā)林

(1.貴州化工建設有限責任公司，貴陽 550001； 2.武漢工程大學 a.資源與安全工程學院；b.磷資源開發(fā)利用教育部工程研究中心，武漢 430073； 3.貴州息烽磷礦有限責任公司，貴陽 550001)

目前，鉆爆法具有成本低、效率高、地層適應性廣的特點，是地下礦山巷道掘進常用的最為經(jīng)濟的施工方法，其施工過程中，爆破參數(shù)方案的合適與否會嚴重制約巷道的成型質(zhì)量和爆破巖石的破碎程度，從而影響巷道的掘進成本和進尺效率。因此，為了提高地下礦山巷道掘進的效率和成型質(zhì)量，許多學者從施工工藝、爆破參數(shù)等各方面進行了系統(tǒng)、詳細的理論和實驗研究。如劉迪、陳作彬等提出基于變直徑掏槽孔爆破技術并進行數(shù)值模擬，得出不同孔徑下爆破應力變化規(guī)律[1]，根據(jù)模擬結(jié)果提出爆破效果明顯的炮孔形狀。張旭進等對礦山巷道掘進聚能裝藥結(jié)構(gòu)進行研究[2]，模擬結(jié)果顯示聚能結(jié)構(gòu)在降低裝藥量的情況下可提高爆破效果。阮詩昆等采用數(shù)值模擬的方法對掏槽孔布孔方式進行試驗優(yōu)化[3]，減少掏槽孔孔數(shù)的同時施工質(zhì)量提高。楊潘磊，高峰等針對裝藥量過大而導致的炸藥周圍超挖嚴重及孔口因巖石強度較大卻出現(xiàn)欠挖的問題[4]，提出采用軸向空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。張力，趙明生等將數(shù)值模擬與未確知測度理論相結(jié)合[5]，利用數(shù)值模擬分析采礦方法的安全性，構(gòu)建基于未確知測度理論的采礦方法優(yōu)選模型。柴修偉、李建國等采用LS-DYNA有限元軟件建立數(shù)值模型[6]，分析不同直徑下的直眼掏槽槽腔的形成過程及有效應力傳播規(guī)律。代碧波，李懷賓等運用LS-DYNA軟件對深部采動影響下硬巖巷道圍巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析[7]，結(jié)果表明在距離巷道幫部和頂板0.5 m 和1.0 m范圍內(nèi)最小主應力值較小，幫部和頂板易發(fā)生張拉破壞，而最小主應力在巷道拱肩附近就達到較大值，巷道拱肩易發(fā)生剪切破壞。關振長等針對隧道爆破掘進中常見的圍巖條件和炮眼類型[8]，在 LS-DYNA數(shù)值平臺上建立模型，采用流固耦合算法，較真實地模擬了排孔爆破的瞬時過程。王遠來，史秀志等運用 LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件對理論計算取值范圍內(nèi)不同孔徑、裝藥孔與空孔間距等參數(shù)進行模擬研究[9]，對各模擬方案下應力分布狀態(tài)及關鍵單元的應力值進行分析，結(jié)果表明空孔具有導向及應力集中作用。方成成，張義平等利用逼近理想解排序法建立了基于組合賦權(quán)-TOPSIS的爆破方案優(yōu)選決策模型[10]。綜上可知：針對不同的礦山地質(zhì)條件，采用的爆破參數(shù)優(yōu)化方案要有所區(qū)別，從根本上解決現(xiàn)場巷道掘進所面臨的巷道成型質(zhì)量和安全高效問題。

以貴州息烽磷礦巷道掘進為研究背景，針對在施工過程中因裝藥量過大、炮孔布置密集而產(chǎn)生的巷道超挖嚴重及爆破后的圍巖破碎問題，采用了理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，優(yōu)化爆破參數(shù)方案，并在息烽磷礦井下巷道進行了現(xiàn)場實踐。

1 工程背景

貴州息烽磷礦位于洋水背斜與核桃坪向斜結(jié)合帶上，礦區(qū)總體處于幾條斷裂構(gòu)造所圍的斷塊上，斷裂結(jié)構(gòu)發(fā)育，但對磷礦層的影響和破壞不明顯。該礦區(qū)內(nèi)巖體主要以白云巖為主，存在部分較破碎的粉砂質(zhì)頁巖，整體巖體完整性較好。該礦山主要巷道布置在脈外，巷道斷面尺寸參數(shù)為寬4.5 m，高4.0 m，掘進斷面面積14.625 m2，循環(huán)炮孔孔深3 m，具體布置如圖1所示。

圖1 巷道斷面炮孔布置(單位：m)Fig. 1 Blast hole layout of roadway section(unit：m)

利用現(xiàn)有爆破參數(shù)(表1)進行巷道掘進爆破過程中存在裝藥量大和爆破引起震動大現(xiàn)象，最終導致巷道成型質(zhì)量較差、頂板較為破碎和巷道超挖量大，以及相鄰兩孔穿孔(掏槽孔布置密集)等現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，為了減少施工成本和提高巷道成型質(zhì)量，亟需對巷道掘進爆破施工方案進行優(yōu)化。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

2 巷道掘進爆破參數(shù)優(yōu)化

為了降低炸藥單耗、減小爆破振動和爆破超欠挖，對巷道掘進爆破的掏槽方式、爆破參數(shù)以及炮孔布置情況等各方面進行優(yōu)化研究，進而減少對巷道頂板、圍巖的破壞，以及控制爆破成本和提高后續(xù)巷道掘進作業(yè)的安全。

2.1 掏槽方式優(yōu)化

由于巷道掘進工作面空間有限，且只有一個自由工作面，導致周圍巖石具有較大的夾制力，起爆條件困難，若要確保最后的爆破效果能夠滿足生產(chǎn)需求，需要合理布置炮孔位置。掏槽方式在一定程度上決定了炮孔利用率和掏槽效果，進而影響最終的爆破效果。

根據(jù)斜孔掏槽、直孔掏槽、混合掏槽三種掏槽方式的特點，以及巖體物理特性，優(yōu)選直孔掏槽方式進行掏槽爆破。為了減少施工成本和穿孔現(xiàn)象，將原方案的6個一階掏槽孔減少為4個，均布置在中心孔周圍，孔間距從150 mm變?yōu)?50 mm；二階掏槽孔4個，孔間距700 mm，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后掏槽孔布置圖(單位：m)Fig. 2 Layout of cut holes after optimization(unit：m)

2.2 炮孔優(yōu)化

2.2.1 炮孔數(shù)量

炮孔數(shù)量直接影響到巷道掘進爆破效果和鉆爆成本。炮孔數(shù)量N按經(jīng)驗公式(1)估算

(1)

式中:f為巖石堅固性系數(shù);S為巷道掘進斷面面積，m2。

利用式(1)對巷道掘進炮孔數(shù)量進行優(yōu)化，即炮孔數(shù)量由原施工方案的53個調(diào)整為47個，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后斷面炮孔布置圖(單位：m)Fig. 3 Optimized section blast hole layout(unit：m)

2.2.2 炮孔布置

炮孔直徑為42 mm，周邊孔間距取值范圍為420～1050 mm，底孔間距750 mm，頂孔間距650 mm，幫孔間距625 mm。為提高光面爆破效果，要求嚴格控制好周邊孔間距，炮孔打在巷道設計輪廓線上，孔底落在設計輪廓線外100 mm處。裝藥密集系數(shù)一般為0.8～1.0，取值0.92，光面層厚度取值范圍為470～1204 mm。崩落孔兩圈，一圈崩落孔4個，炮孔間距1400 mm，二圈崩落孔11個，炮孔間距1050 mm。優(yōu)化后的巷道掘進爆破參數(shù)見表2，炮孔布置情況如圖3所示。

表2 優(yōu)化后爆破參數(shù)Table 2 Optimized blasting parameters

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3.1 裝藥量

炸藥消耗量一般根據(jù)經(jīng)驗式(2)來確定。一次爆破所需的總炸藥量

Q=q·V

(2)

式中：q為單位體積炸藥消耗量，一般取1.2～2.4 kg/m3；V為每循環(huán)爆落巖實體，m3。

為了降低炸藥消耗量且確保爆破效果，改變傳統(tǒng)的連續(xù)裝藥方式，利用空氣間隔器進行軸向不耦合間隔裝藥，在基于式(2)和巷道斷面大小，確定實際一次爆破所需總炸藥量約為72 kg，平均裝藥量為0.6 kg/m。

2.3.2 炮孔堵塞

為了保證炸藥充分反應和確保炮孔內(nèi)擁有較高的爆轟壓力及較長的作用時間，在裝藥完成后，需要在每個炮孔孔口填塞炮泥，且炮孔的堵塞長度不少于1 m，周邊孔堵塞長度不小于0.3 m。

3 數(shù)值模擬

采用有限元軟件LS-DYNA流固耦合模型對優(yōu)化的巷道掘進爆破方案進行計算分析爆破效果。劃分網(wǎng)格時巖石單元采用Lagrange網(wǎng)格，炸藥和空氣單元采用Euler網(wǎng)格?；趦?yōu)化的巷道掘進爆破施工方案，建立寬4.5 m、高4 m的半圓拱巷道掘進斷面二維數(shù)值模型，中空直孔直徑120 mm，掏槽孔直徑90 mm，周邊孔及崩落孔直徑為42 mm，藥卷直徑32 mm。除掌子面外的邊界均為無反射邊界。

3.1 材料模型參數(shù)

3.1.1 巖石、堵塞材料參數(shù)及狀態(tài)方程

巖石材料模型為白云巖，炸藥選用2號巖石乳化炸藥，材料模型選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，利用MAT_ADD_EROSION失效準則。根據(jù)該礦區(qū)巖層賦存資料，確定巖石材料模型參數(shù)如表3所示。

表3 巖石材料參數(shù)Table 3 Rock material model parameters

炮孔堵塞使用炮泥作為填塞材料，其材料模型參數(shù)如表4所示。

表4 炮泥材料參數(shù)Table 4 Parameter of stemming material model

3.1.2 炸藥材料及狀態(tài)方程

采用2號巖石乳化炸藥，選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型進行數(shù)值模擬。該模型需聯(lián)合JWL狀態(tài)方程使用，方程式為

(3)

式中：P為炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟壓力，Pa；V為爆炸產(chǎn)物的相對 比體積，V=v/v0為爆炸產(chǎn)物的初始比體積，v為爆炸產(chǎn)物 的比體積；E0為爆轟產(chǎn)物的初始比內(nèi)能，GPa；A、B、R1、R2為材料常數(shù)，需通過試驗獲得。炸藥材料參數(shù)見表5。

表5 炸藥材料參數(shù)Table 5 Explosive material model parameters

3.1.3 空氣材料及狀態(tài)方程

空氣材料采用MAT_NULL模型進行模擬計算。目前，通常采用多線性方程描述空氣的變化過程，其公式如下

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(4)

式中：μ為體積比系數(shù)，μ=1/V-1；P為壓力，Pa；E為單位體積空氣內(nèi)能，GPa；C0～C6為材料的常數(shù)，根據(jù)試驗可得。一般可取C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4，具體參數(shù)見下表6。

表6 空氣材料參數(shù)Table 6 Air material model parameters

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于優(yōu)化的巷道掘進爆破施工方案，將巖石、炸藥和空氣等材料參數(shù)賦值于構(gòu)建的巷道掘進模型中，進行數(shù)值模擬計算，獲得優(yōu)化爆破參數(shù)后的爆破應力云圖，如圖4所示，其中白色表示巖體破碎區(qū)域。

圖4 優(yōu)化后爆破應力云圖Fig. 4 Optimized blasting stress nephogram

由圖4可知，在減少炮孔數(shù)量和炸藥的情況下，周邊孔與輔助孔之間的巖體完全碎裂，未出現(xiàn)超挖或欠挖現(xiàn)象。為了評價優(yōu)化的爆破參數(shù)后的整體爆破效果，分別從巖體破碎效果和圍巖應力演變規(guī)律兩個方面進行解析。

3.2.1 巖體爆破破碎效果

為了評價在優(yōu)化的爆破參數(shù)下巖體破碎效果的影響，對爆破過程進行數(shù)值模擬計算。選取爆破時間t=0.1 ms、0.25 ms、0.32 ms、0.45 ms、0.65 ms和0.75 ms下的巷道掘進爆破效果進行分析，如圖5所示。

由圖5可知，當爆破時間為0.1 ms時，炮孔周邊巖體爆破開始向外擴張；當爆破時間為0.25 ms時，爆破巖體開始逐漸從掏槽眼向外延伸，直到爆破時間為0.75 ms時，整個巷道完成爆破。另外，也能看出巖體破裂由掏槽眼開始，逐漸向外擴展到周邊眼，破裂區(qū)域達到設計要求，巖體破碎程度較均勻。因此，從巖體的破碎完整程度角度看，優(yōu)化后的爆破參數(shù)能較好的滿足爆破施工計劃要求。

圖5 巖體爆破模擬效果Fig 5 Simulation effect of rock blasting

3.2.2 圍巖應力時程分析

為了分析優(yōu)化的爆破參數(shù)對圍巖穩(wěn)定性的影響程度，在數(shù)值模擬爆破計算過程中，選取頂板、兩幫和底板中的一些點作為監(jiān)測點，解析爆破過程中頂板、兩幫和底板圍巖應力演化規(guī)律，如圖6～圖8所示。

圖6 頂板典型單元應力時程曲線Fig. 6 Stress time history curve of typical roof element

圖7 兩幫典型單元應力時程曲線Fig. 7 Stress time history curve of two typical elements

圖8 底板典型單元應力時程曲線Fig. 8 Stress time history curve of typical element of bottom plate

從圖6～圖8中可以看出，受爆炸應力波的影響，圍巖頂板、兩幫和底板的應力變化曲線出現(xiàn)兩次峰值，出現(xiàn)大應力峰值后，先衰減后又達到一個小的應力峰值，且后一次峰值比前一次較小，最后趨于穩(wěn)定，這由于不耦合間隔裝藥產(chǎn)生的拉伸應力，減小了爆炸應力波對圍巖的破壞力，保證了巷道掘進完成后圍巖能夠保持較好的整體穩(wěn)定性。

分析數(shù)值模擬結(jié)果可知，在減少炮孔數(shù)量和炸藥消耗量的條件下，巷道爆破掘進成型質(zhì)量較好，穿孔現(xiàn)象減少，巖體的爆破破碎程度較好，同時爆破施工綜合成本也降低了。

4 工程實踐

貴州息烽磷礦于2020年9月在2-740平硐+50 m處，累計開展了15組優(yōu)化參數(shù)后的爆破實驗，如圖9所示。通過對比分析爆破成型質(zhì)量，驗證優(yōu)化后爆破施工方案的可行性，如表7、8、9所示。

圖9 現(xiàn)場巷道爆破掘進布置圖Fig. 9 Layout of on-site roadway blasting excavation

由表7和表8可知，施工優(yōu)化后的爆破施工方案中總共減少了6個炮孔(一階掏槽孔2個、頂板孔2個和崩落孔頂孔2個)，使得炮孔數(shù)量從53個減少到47個，孔間距增大，即掏槽孔間距從0.15 m增加到0.25 m，頂板孔間距從0.53 m增加到0.65 m，崩落孔頂孔間距從0.7 m增加到1.05 m，這樣有效的減少了爆破沖擊荷載對圍巖的破壞，減少了頂板失穩(wěn)的可能性；爆破采用空氣間隔器進行軸向不耦合間隔裝藥，降低了炸藥消耗量，減少了爆破成本；現(xiàn)場中巷道爆破成型效果較好，達到了光面爆破的要求，如圖10所示。

表7 優(yōu)化后現(xiàn)場爆破參數(shù)Table 7 Optimize the site blasting parameters

表8 優(yōu)化爆破參數(shù)前后爆破效果比較Table 8 Comparison of blasting effect before and after optimizing blasting parameters

表9 現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)記錄Table 9 Field test data record

圖10 優(yōu)化前后巷道爆破效果Fig. 10 Roadway blasting effect before and after optimization

5 結(jié)論

(1)優(yōu)化后的爆破施工方案中總共減少了6個炮孔(一階掏槽孔2個、頂板孔2個和崩落孔頂孔2個)，使得炮孔間距增大；爆破采用空氣間隔器進行不耦合間隔裝藥，降低了炸藥消耗量，從而提高了施工效率，降低了爆破成本。

(2)通過LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，對優(yōu)化的爆破施工方案進行模擬計算，發(fā)現(xiàn)圍巖應力曲線出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象，存在兩次峰值，最后趨于穩(wěn)定，空氣間隔器間隔裝藥方式有效的保護了圍巖整體穩(wěn)定性，使得巷道爆破效果較好。

(3)現(xiàn)場爆破工程實驗證實了優(yōu)化的爆破施工方案是合理可行的，該方案不僅解決了穿孔、圍巖破碎等問題，還大大提高了掘進效率和節(jié)約了施工成本。