地下金屬礦山扇形中深孔孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化研究①

李林軍， 史秀志， 胡洪文， 黨建東， 劉增輝， 王衍海

（1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.安徽銅冠（廬江）礦業(yè)有限公司，安徽 合肥 231500；3.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

扇形中深孔爆破是地下礦山常用的爆破崩礦方式［1］。 由于每個(gè)炮孔的深度和角度不同，爆炸應(yīng)力波初始應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻，極易造成爆堆塊度不均勻問(wèn)題［2］。 銅綠山銅鐵礦分段高度逐漸增加，原有孔網(wǎng)參數(shù)（2.0 m × 1.9 m）已不適用于新的回采高度，爆堆塊度大，采場(chǎng)漏斗堵塞、超爆超采等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，需要對(duì)扇形孔孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化來(lái)改善爆破效果。

許多學(xué)者開(kāi)展過(guò)扇形孔破巖機(jī)理研究［3-4］。 經(jīng)驗(yàn)公式、工程類比法等方法只能確定孔網(wǎng)參數(shù)的一個(gè)合理范圍，最優(yōu)參數(shù)的確定還需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或數(shù)值模擬。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力［5］。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一大批學(xué)者選用數(shù)值模擬方法對(duì)孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并取得了良好的爆破效果［6-9］。

本文擬采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化扇形中深孔孔網(wǎng)參數(shù)，基于爆破漏斗理論對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，以Von Mises 屈服準(zhǔn)則對(duì)巖石破壞特征進(jìn)行分析，確定扇形孔適宜的孔距和排距，改善礦巖爆破塊度，為礦山合理開(kāi)采提供指導(dǎo)。

1 爆破模擬方案制定及數(shù)值模型建立

1.1 方案制定

應(yīng)用礦山現(xiàn)有鑿巖設(shè)備鉆鑿64 mm 炮孔，僅對(duì)扇形孔的孔距和排距進(jìn)行優(yōu)化。 需要確定64 mm 炮孔藥包的最佳埋深，計(jì)算公式為［10］：

式中D為藥包最佳埋置深度，m；Δ為最佳深度比，是實(shí)際埋深與臨界深度之比；E為應(yīng)變能力系數(shù)；Q為炸藥每米裝藥量，kg。

銅綠山銅鐵礦之前的爆破試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1）表明，藥包最佳埋深為1.2 m。 通常，排距或孔距為藥包最佳埋深的1.0 ～1.5 倍，可得孔距、排距選取范圍為1.2～1.8 m。 孔網(wǎng)參數(shù)中一般孔距大于排距，初步確定孔距a為1.2 ～2.2 m，排距（最小抵抗線）W為0.8 ～1.8 m。 各選取6 種不同孔距與排距數(shù)值模擬方案，如表2 所示。

表1 銅綠山銅鐵礦原爆破漏斗參數(shù)［11］

表2 數(shù)值模擬方案

1.2 數(shù)值模型建立

將扇形孔簡(jiǎn)化成準(zhǔn)二維模型，考慮到側(cè)崩爆破作用范圍大，求解時(shí)間設(shè)置為1.5 ms。

孔底是破巖最困難的區(qū)域，因此僅需考慮孔底的巖石破碎效果。 為簡(jiǎn)化模型，取上部3 m 部分即可滿足研究需求，孔距計(jì)算模型尺寸和邊界條件如圖1（a）所示。 排距只考慮自由面的影響。 排距計(jì)算模型尺寸和邊界條件如圖1（b）所示。 炮孔下側(cè)3 m 范圍的巖石實(shí)體是為了排除反射應(yīng)力波對(duì)研究區(qū)域爆破效果的影響。

圖1 扇形孔爆破數(shù)值計(jì)算模型

1.3 材料參數(shù)選取

1） 被爆巖體的材料模型選用塑性動(dòng)力學(xué)模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC），模型參數(shù)引自文獻(xiàn)［6］。

2） 選用2 號(hào)巖石乳化炸藥，材料模型選用高能材料本構(gòu)模型（*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），模型參數(shù)引自文獻(xiàn)［11］。

1.4 計(jì)算結(jié)果分析方法

據(jù)文獻(xiàn)［12］，爆炸應(yīng)力波峰值是影響巖石破碎的主要因素之一。 在兩孔孔底連線上0.25d和0.5d處設(shè)置A、B 共2 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，上方0.5 m 處布置C、D 共2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用來(lái)觀察頂板巖石穩(wěn)定性。 在排距數(shù)值模型中兩炮孔連線中垂線附近巖石破碎效果最差，故在兩炮孔連線中垂線上間隔0.33W處均勻布置E、F、G 共3 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 如圖1 所示。

孔底部分自由面少，巖石夾制作用明顯，其破壞形式主要為壓縮破壞。 由于自由面的存在，最小抵抗線方向破壞主要以反射拉伸破壞為主。 孔距模型中單元等效應(yīng)力大于巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、排距模型中單元等效應(yīng)力大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，則判定為巖石破壞。該銅鐵礦巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度分別為72.8 MPa 和10.9 MPa。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 孔距數(shù)值模擬結(jié)果

孔距大小不會(huì)影響爆炸應(yīng)力波的傳播過(guò)程，只會(huì)影響其疊加時(shí)刻。 以方案4（a=1.8 m）為例（見(jiàn)圖2），爆炸應(yīng)力波以球形向外傳播后在中線處相遇，并產(chǎn)生疊加，之后繼續(xù)沿炮孔向孔口傳遞，并在模型底部發(fā)生反射。 在兩炮孔連線中點(diǎn)處應(yīng)力波疊加效應(yīng)明顯，爆炸應(yīng)力也明顯高于炮孔兩側(cè)。

圖2 孔距a =1.8 m 時(shí)數(shù)值模型爆炸應(yīng)力云圖

方案4 中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線如圖3 所示。 爆炸應(yīng)力波最先到達(dá)與炮孔距離最近的A 點(diǎn)，且峰值應(yīng)力最大，B、C、D 點(diǎn)峰值應(yīng)力隨著與炮孔距離增大而下降。

圖3 孔距a =1.8 m 時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力時(shí)程曲線

不同孔距模擬方案各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力峰值見(jiàn)表3。 由表3 看出，方案1～3 中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A～D 等效應(yīng)力峰值均大于巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，即孔距1.2 ～1.6 m時(shí)，孔底均有良好的破碎效果，但頂板破壞大，不符合要求。 方案5～6 中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C、D 等效應(yīng)力峰值小于巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，能夠保障頂板安全，但兩孔底連線上，B 點(diǎn)可能出現(xiàn)大塊，說(shuō)明孔距大于2.0 m 不符合要求。 為保證孔底破碎均勻，同時(shí)保護(hù)頂板穩(wěn)定性，孔距取1.8 m。

表3 不同孔距模擬方案各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力峰值

2.2 排距數(shù)值模擬結(jié)果

雖然炮孔自由面距離不盡相同，但爆炸應(yīng)力波傳播過(guò)程及規(guī)律并無(wú)較大差異，這里僅給出方案11（W=1.6 m）的情況，結(jié)果見(jiàn)圖4。 由圖4 可知，炮孔起爆后產(chǎn)生的應(yīng)力波以球面波形式向外傳播，到達(dá)自由面附近反射產(chǎn)生拉伸波，兩炮孔應(yīng)力波相遇后在兩炮孔連線的中心線上發(fā)生應(yīng)力疊加。

圖4 排距W=1.6 m 時(shí)數(shù)值模型爆炸應(yīng)力云圖

方案11 中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力時(shí)程曲線如圖5 所示，E 點(diǎn)距炮孔較近，應(yīng)力較高，較遠(yuǎn)的G 點(diǎn)因爆炸應(yīng)力波發(fā)生反射，使得等效應(yīng)力峰值較大。 故最難破碎點(diǎn)應(yīng)為炮孔與自由面之間的F 點(diǎn)。 其他方案的監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力時(shí)程曲線分布與方案11 類似。

圖5 排距W=1.6 m 時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力時(shí)程曲線

不同排距模擬方案各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力峰值如表4所示。 由表4 可知，所有方案的E、G 點(diǎn)等效應(yīng)力峰值均大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，最難破碎點(diǎn)F 點(diǎn)僅在W=1.8 m時(shí)未達(dá)到要求，故排距應(yīng)不大于1.6 m，否則易產(chǎn)生大塊。 考慮到過(guò)小的排距會(huì)增大鑿巖成本及炸藥單耗，排距定為1.6 m。

表4 不同排距下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效應(yīng)力峰值

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

優(yōu)化后的孔網(wǎng)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在銅綠山銅鐵礦9310 采場(chǎng)進(jìn)行，孔距1.8 m，排距1.6 m。 5503 采場(chǎng)采用原有的孔網(wǎng)參數(shù)（2.0 m × 1.9 m），采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與9310 采場(chǎng)相同，起爆方式均為孔底起爆。 采場(chǎng)炮孔設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

采場(chǎng)爆破塊度累計(jì)分布情況見(jiàn)圖7。 由圖7 可知，9310 采場(chǎng)礦石塊度均在27.86 cm 以內(nèi)，D20和D80分別為6.18 cm 和17.43 cm。 同時(shí)，小于5 cm 的粉礦和大于20 cm 的大塊均較少，表面破碎整體塊度均勻。5503 采場(chǎng)D20和D80分別為4.5 cm 和29.58 cm，最大塊度為56.9 cm，表明5503 采場(chǎng)粉礦和大塊率均高于9310 采場(chǎng)。 采用優(yōu)化后的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行爆破，所得D20提高了37%，D80下降了41%。

圖7 采場(chǎng)爆破塊度累計(jì)分布圖

4 結(jié) 論

1） 為了能在頂板保持穩(wěn)定的前提下最大限度破碎孔底巖石，適宜的孔距為1.8 m。

2） 考慮鑿巖成本及炸藥單耗，適宜的排距為1.6 m。

3） 將優(yōu)化后的孔網(wǎng)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)爆破實(shí)踐，與原孔網(wǎng)參數(shù)的爆破效果相比，D20提高了37%，D80下降了41%，證明爆破參數(shù)選取合理。