基于LS-DYNA的交錯扇形深孔崩落法排間間隔時間優(yōu)化研究

費鴻祿，郭玉新,2

(1.遼寧工程技術大學 爆破技術研究院，遼寧 阜新 123000；2.包頭市泉山爆破工程有限責任公司，內蒙古 包頭 014060)

0 引言

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要物資基礎[1]，但由于礦產(chǎn)資源的不可再生性以及需求量的日益增加[2]，采空區(qū)隱患資源受到廣泛關注[3]；采空區(qū)是影響礦山安全生產(chǎn)的危害源之一[4]，也是安全生產(chǎn)中的重大隱患之一[5]，針對空區(qū)安全治理、隱患資源回收以及爆破時間間隔，國內外學者進行了大量研究[6-9]。

李國書等[10]考慮空間協(xié)同、資源協(xié)同、工藝協(xié)同3個方向，提出了協(xié)同開采理念，并歸納了協(xié)同開采理念的技術發(fā)展和應用現(xiàn)狀；王玉樂等[11]采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，分析了深孔爆破對隱患資源開采時鉛鋅礦兩幫的動力響應特性；吳啟紅[12]應用突變理論和強度折減理論，研究了礦山復雜多層采空區(qū)的穩(wěn)定性，并提出了相應的安全治理方式；鄧紅衛(wèi)等[13]利用LS-DYNA建立了準二維扇形中深孔爆破模型，并通過設計5組不同段別的逐孔起爆方案，優(yōu)選梅山鐵礦的爆破參數(shù)及微差方式；李祥龍等[14]為了控制地下爆破振動，改善巖石破碎效果，試驗研究發(fā)現(xiàn)孔間延期時間和排間延期時間分別為25，75 ms時最優(yōu)；吳賢振等[15]運用ANSYS/LS-DYNA動力分析程序研究了臨近采空區(qū)多段毫秒爆破的微差時間對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響，研究結果表明：微差間隔時間為7 ms/m時干涉減振效果最優(yōu)。但以上研究缺少扇形布孔形式對空區(qū)治理和資源回收的內容，對扇形排列間隔時間的研究更是鮮有報道。

為同時解決“空區(qū)隱患安全治理”和“隱患資源高效回收”問題，提出交錯扇形深孔崩落法，并采用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件優(yōu)選扇形排列間隔時間。

1 工程背景

白音諾爾礦業(yè)有限公司位于內蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗北部，礦山區(qū)域面積15.14 km2，是中國北方少見的大型鉛鋅金屬礦床，該礦床以鉛、鋅、銀、鎘為主，伴生有錫、銅、鎢、金等多種金屬。

由于采空區(qū)暴露時間較長，1#礦體露天坑底隔離礦柱發(fā)生了塌陷，塌陷空洞長約47 m，寬約15 m，如圖1所示，未造成人員傷亡，但已停止井下采場開采作業(yè)。

圖1 露天坑底隔離礦柱塌陷

1#礦體采空區(qū)現(xiàn)狀示意圖如圖2所示，露天坑底標高Z為1 020 m；采空區(qū)標高分布在950～990 m，采空區(qū)長約250 m，最寬處寬度約55 m，最窄處寬度約12 m，頂板暴露面積約3 468 m2，體積約13.87×104m3。

圖2 1#礦體采空區(qū)現(xiàn)狀示意

17#采場和18#采場標高900～950 m ，17#采場在露天坑底隔離礦柱塌陷前正在進行采礦，部分頂板與采空區(qū)貫通；9#采場標高850～900 m，塌陷發(fā)生前正在進行采準工作。根據(jù)勘查結果，1#礦體可采殘礦礦量見表1。

表1 1#礦體可采殘礦礦量

由表1可知，1#礦體隱患資源總計415 439 t。為了同時解決“隱患資源高效回收”和“空區(qū)隱患安全治理”這對矛盾問題，提出交錯扇形深孔崩落法。

2 交錯扇形深孔崩落法

1#礦體空區(qū)暴露面積大、位置較分散，所以設計將空區(qū)上方的露天坑底隔離礦柱崩落至采空區(qū)內，但由于991 m上下盤、1 000 m下盤、1 005 m上盤施工的部分巷道出現(xiàn)不同程度錯動無法進入，因此采用在1 005 m下盤施工鑿巖巷道對露天坑底礦體實施扇形深孔崩落[16]，使其形成緩沖層，既可以消除采空區(qū)安全隱患，又能夠回收殘留資源。

將崩落區(qū)域按照采空區(qū)位置分為采空一區(qū)爆破區(qū)和采空二區(qū)爆破區(qū)，如圖3所示。采空一區(qū)采用南側隔離礦柱依次向北側爆破崩落方案(扇形布孔13，14，15，…，70排順序起爆)；采空二區(qū)采用橫穿巷道由東向西依次向北側爆破崩落方案(扇形布孔77排至93排，78排至94排至104排順序起爆)。

圖3 采空一區(qū)和采空二區(qū)位置

1)孔交錯。同排炮孔裝藥交錯，由于爆破區(qū)域巖石和礦體相互交織，為避免扇形布孔孔口密、孔底疏，造成礦體的過度貧化，因此采用“短、中、長”的裝藥尺寸形成孔交錯的扇形布孔形式，如圖4(a)所示。

圖4 交錯扇形排列布孔

2)排交叉。炮孔排間交錯布控，為了保證施工質量，根據(jù)“小抵抗線、大孔底距”的原則，避免小抵抗線時前排爆破造成后排炮孔破壞或帶掉起爆藥包，采用排交叉的扇形布孔形式，如圖4(b)所示。

交錯扇形排列布孔主要通過空間交錯裝藥結構實現(xiàn)炸藥爆炸能量能夠分布均勻，通過炮孔的同排裝藥交錯和排間交錯的扇形布孔形式以及不同的炸藥單耗，滿足爆破塊度的要求，降低礦體的貧化率，實現(xiàn)礦巖分離，提高回采率，以及通過炸藥的空間均勻分布確保地表建(構)筑物的穩(wěn)定以及地下采區(qū)的順利生產(chǎn)。

由于篇幅有限，選擇相鄰2排(18，19排)的礦巖分布、炮孔布置以及裝藥結構圖，如圖5所示。圖5中T為透孔，孔底進行了填塞，通過交錯扇形排列布孔，18，19排的整體單耗分別為1.03，0.95 kg/m3。

圖5 礦巖分布、炮孔布置和裝藥結構

3 基于LS-DYNA優(yōu)選排間間隔

3.1 數(shù)值模型建立

采用LS-DYNA模擬仿真軟件，根據(jù)交錯扇形排列布孔，按照實際比例進行建模。由于采空一區(qū)和采空二區(qū)爆破崩落方案均為順序起爆，為簡化計算，采空一區(qū)僅進行13，14，15排模擬，采空二區(qū)僅進行77，93排模擬，數(shù)值模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值模型

由圖6可知，數(shù)值模型的頂面為地表，即1 020 m水平；底面為990 m水平，由此底面及四周設置無反射邊界條件[17]。網(wǎng)格劃分采用自由劃分方式，巖石的網(wǎng)格尺寸為2 m，炸藥的網(wǎng)格尺寸為1 m。設置計算時間為0.6 s，共進行600步，在計算過程中采用流固耦合算法，炸藥采用ALE算法，巖石采用LAGRANGE算法，模型采用kg-m-s單位制。

3.2 爆破參數(shù)選取

交錯扇形排列布孔排距均為2 m，孔徑均為90 mm，其他爆破參數(shù)見表2～6。

表2 13排炮孔爆破參數(shù)

表3 14排炮孔爆破參數(shù)

3.3 材料參數(shù)設置

對1#礦體和巖石進行取樣，采用量積法分別進行密度測試。

表4 15排炮孔爆破參數(shù)

表5 77排炮孔爆破參數(shù)

表5(續(xù))

表6 93排炮孔爆破參數(shù)

根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)[18]，采用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機對試件進行抗壓強度測試，進而計算彈性模量和泊松比，如圖7所示；根據(jù)巴西劈裂法，采用YAW-2000D微機控制電液伺服壓力試驗機對試件進行抗拉強度測試，如圖8所示。

圖7 試件抗壓強度測試

圖8 試件抗拉強度測試

巖石材料采用Elastic模型，并通過關鍵字Add-Erosion定義巖石的抗拉強度，使之強制失效；炸藥材料采用High-Explosive-Burn模型，并定義JWL狀態(tài)方程，具體材料參數(shù)見表7～8。

表7 巖石材料模型參數(shù)

3.4 采空一區(qū)排間間隔優(yōu)選

采空一區(qū)排間間隔為50 ms的垂直方向位移如圖9所示。由圖9(a)可知：巖石的破壞范圍比較集中，主要產(chǎn)生在炮孔孔端位置處；頂板產(chǎn)生了明顯的垂直方向位移，但未充分解體；由圖9(b)可知：孔端位置處巖石較破碎，但其余位置塊度較大；模型頂板產(chǎn)生延伸裂隙，但未形成貫通。

采空一區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移如圖10所示。由圖10(a)可知：巖石的破壞范圍較圖9顯著增大，塌落區(qū)域也比較分散；頂板同樣產(chǎn)生了明顯的垂直方向位移，并且解體更加充分；由圖10(b)可知：模型頂板破壞范圍也顯著增加，且形成了橫向貫通裂隙；塊度較圖9也更加均勻。

表8 炸藥材料模型參數(shù)

圖10 采空一區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移云圖

采空一區(qū)排間間隔為200 ms的垂直方向位移如圖11所示。由圖11(a)可知：巖石的破壞范圍更加集中，但導致塌落區(qū)域卻縮小為模型的右上部；頂板產(chǎn)生了垂直方向位移，但解體區(qū)域同樣較?。挥蓤D11(b)可知：頂板的破壞范圍較圖9和圖10顯著減少，但同時破碎塊度更加均勻。

圖11 采空一區(qū)排間間隔為200 ms的垂直方向位移云圖

綜合對比圖9～11可知：排間間隔為100 ms時，巖石破壞范圍最大，且塌落區(qū)域分散，同時頂板解體充分，爆破塊度均勻，可以降低塌落振動對900～950 m標高之間采場的影響，保證建(構)筑物的穩(wěn)定以及人員設備的安全。

采空一區(qū)排間間隔為100 ms的模擬效果如圖12所示。0.001 s時13排炮孔起爆，模型的頂板和右側壁位置處首先產(chǎn)生破壞；隨著爆炸應力波和爆生氣體的傳播，0.101 s時14排炮孔起爆，破壞范圍主要集中在孔端位置處，此時頂板充分解體；0.201 s時15排炮孔起爆，模型出現(xiàn)了大面積破壞，且塌落區(qū)域分散。

圖12 采空一區(qū)排間間隔為100 ms的模擬效果

3.5 采空二區(qū)排間間隔優(yōu)選

采空二區(qū)當排間間隔為50 ms的垂直方向位移如圖13所示。77排位置和93排位置處巖石破碎程度相同，頂板產(chǎn)生貫通裂隙，且在2排中間處產(chǎn)生橫向貫通裂隙，保證了橫穿巷道的連續(xù)塌落。

圖13 采空二區(qū)排間間隔為50 ms的垂直方向位移云圖

采空二區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移如圖14所示。77排位置處巖石的破碎程度明顯大于93排位置處的破碎程度，導致巖石的塊度不均，頂板同樣產(chǎn)生了貫通裂隙，但在2排中間處沒有產(chǎn)生橫向貫通裂隙，這會導致相鄰排列炮孔缺少自由面，影響后續(xù)爆破效果。

圖14 采空二區(qū)排間間隔為100 ms的垂直方向位移云圖

綜合對比圖13～14可知：排間間隔為50 ms時，巖石的破碎塊度均勻，橫穿巷道連接處產(chǎn)生橫向貫通裂隙，保證了巖石的連續(xù)塌落，為后續(xù)爆破提供自由面。

采空二區(qū)排間間隔為50 ms的模擬效果如圖15所示。0.001 s時77排炮孔起爆，模型頂板和右側壁位置處首先產(chǎn)生破壞；隨著時間的推進，0.051 s時93排炮孔起爆，此時77排位置處破碎程度增加，產(chǎn)生的裂隙也在兩排中間位置處進行擴展，頂板也產(chǎn)生了貫通裂隙。

圖15 采空二區(qū)排間間隔為50 ms的模擬效果

4 工程應用

采用交錯扇形深孔崩落法，按照上述爆破參數(shù)，設置采空一區(qū)排間間隔為100 ms，采空二區(qū)排間間隔為50 ms，對1#礦體空區(qū)隱患進行治理，效果如圖16所示。

圖16 采空區(qū)隱患治理

采空區(qū)上方露天坑底的隔離礦柱崩落至設計范圍，形成1個緩沖層可以隔離露天和井下，不僅消除了隔離礦柱坍塌的風險，而且保證了采空區(qū)下方礦區(qū)的施工安全。

5 結論

1)當采空一區(qū)排間間隔為100 ms時，巖石破壞范圍最大，且塌落區(qū)域分散，同時頂板解體充分，爆破塊度均勻，可以降低塌落振動對下部采場的影響，保證建(構)筑物的穩(wěn)定以及人員設備的安全。

2)當采空二區(qū)排間間隔為50 ms時，巖石破碎塊度均勻，橫穿巷道連接處產(chǎn)生橫向貫通裂隙，能夠保證巖石的連續(xù)塌落，為后續(xù)爆破提供自由面。

3)交錯扇形深孔崩落法通過炮孔的同排裝藥交錯和排間交錯的扇形布孔形式以及不同的炸藥單耗，使1#礦體空區(qū)隱患治理效果良好，不僅能夠消除隔離礦柱坍塌的風險，而且能夠保證采空區(qū)下方礦區(qū)的施工安全。