基于JKSimBlast的露天礦爆破效果數(shù)值模擬研究與應用*

黃夢龍，吳欽正，李金平，李桂林，徐 帥，陳慶凱b

(1.東北大學 a.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室；b.資源與土木工程學院，沈陽 110819；2.山東黃金集團有限公司 深井開采實驗室，煙臺 261442；3.甘肅酒鋼集團 宏興鋼鐵股份有限公司，嘉峪關 735100)

鉆爆法破巖是當前金屬礦山露天開采的主要破巖方式[1]。礦巖爆破質(zhì)量優(yōu)劣將會直接影響后續(xù)的鏟裝、運輸以及下游的破碎、磨礦等工藝的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本[2]。因此，開展露天礦山爆破過程研究，改善爆破質(zhì)量，對于降低礦山生產(chǎn)成本、提高礦山效益具有重要意義[2,3]。

爆破過程分析常用方法是現(xiàn)場工業(yè)試驗[4]。如楊超[5]、尹岳祥[6]、李順波[7]、梁冰等通過現(xiàn)場工業(yè)試驗研究地質(zhì)因素、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、延時時間等對爆破塊度、粉礦率的影響并進行優(yōu)化[8]，取得了較好的爆破效果。現(xiàn)場工業(yè)試驗可以直觀地評價爆破效果，驗證爆破參數(shù)的調(diào)整效果，但存在著耗時長、工作量大、成本高等弊端。近年來，數(shù)值模擬技術被引入以優(yōu)化露天礦爆破參數(shù)設計及爆破效果分析。如張袁娟[9]、張艷軍[10]、岳中文[11]、羅志華等利用LS-DYNA對炮孔孔距、填塞長度以及不耦合裝藥技術進行研究[12]，以優(yōu)化爆破設計，改善爆破效果。LS-DYNA軟件可以有效避免現(xiàn)場工業(yè)試驗弊端，并揭示破巖過程中的內(nèi)在機理變化，但該類軟件需要使用者具備較強的數(shù)值計算基礎及力學分析功底，導致工程實踐中應用及推廣受到較大限制。

JKSimBlast軟件是一款具備設計、編輯、模擬、分析與管理功能的爆破設計與分析軟件。該軟件操作簡單、界面友好、爆破效果分析工具全面，適合礦山日常爆破設計與分析工作。本文對該軟件的構(gòu)成進行介紹，并分析其中2DBench模塊的功能、特點以及模擬流程，重點介紹基于JKSimBlast開展露天礦爆破過程模擬涉及的兩項關鍵技術，最后依托某鐵礦露天開采進行工業(yè)應用。本文的研究為露天開采爆破設計與分析提供一種有益途徑。

1 JKSimBlast軟件介紹

JKSimBlast是由昆士蘭大學(澳大利亞)JKTech研發(fā)的一款用于爆破設計、分析以及管理的模塊化工具[13]。該軟件主要設計分析模塊包括：2DBench、2DRing以及2DFace，分別適用于露天開采、地下開采和井巷掘進爆破設計。JKSimBlastV3.0是當前最新版本。除上述設計分析模塊外，還有JKBMS、2DView、TimeHex等輔助模塊分別用于爆破數(shù)據(jù)管理，爆炸擴展分析，以及延時擴展分析等。

2 2DBench模塊

2.1 2DBench模塊功能及特點

2DBench用于臺階爆破參數(shù)設計優(yōu)化以及爆破效果分析，可完成從炮孔布置到效果分析的整個爆破模擬流程。其功能包括：允許用戶通過逐行、沿線、多邊形填充或文本導入等方式創(chuàng)建炮孔，并通過調(diào)整孔口或孔底的位置修改炮孔；通過長度、質(zhì)量、百分比等方式裝填炮孔以及長度、高度等方式設置孔內(nèi)延時；通過設置連接塊長度、點燃時間、雷管延時時間、炸藥爆速精準控制爆破時間；通過成本、質(zhì)量等多種指標分析及檢查爆破設計；通過最大單段裝藥量、能量分布等多種工具評價及優(yōu)化爆破效果。熟練使用該軟件，可以有效降低設計人員的勞動強度，提高爆破設計效率，降低礦山生產(chǎn)成本。

2.2 2DBench爆破模擬流程

2DBench中，爆破模擬分為三步：爆破設計，基礎分析和高級分析。其中，爆破設計主要完成炮孔的布局以及炮孔模擬起爆；基礎分析主要是對爆破設計的質(zhì)量及可行性進行初級判定；高級分析主要是對爆破效果進行分析與評價。爆破設計步驟依次為：定位、鉆孔、裝藥、設置孔內(nèi)延時、設置地表延時、爆破模擬；基礎分析內(nèi)容包括：成本、質(zhì)量、炸藥單耗、能量因數(shù)、起爆等時線；爆破效果分析工具包括：最大單段裝藥量、能量分布、巖體損傷、塊度分析。

3 基于JKSimBlast的露天礦爆破模擬關鍵技術

依據(jù)用途不同，2DBench中的分析工具分為兩大類：一類用于爆破過程中的振動等危害分析，一類用于爆破后的爆破效果評價。其中，巖體損傷工具將爆破振動與巖體形變相互聯(lián)系，通常用于評估巖體損傷程度[11]；塊度分析工具通常用于預測爆破后的塊度分布，并可通過計算大塊率直觀地評價爆破效果。爆破危害控制分析工具主要指最大單段裝藥量，該工具可用于檢查爆轟序列以及判斷是否產(chǎn)生過度振動，以達到預測和控制爆破、保護邊坡及重要構(gòu)(建)筑物的目的。爆破效果評價分析工具包括：能量分布、巖體損傷和塊度分析。能量分布工具可通過三維靜態(tài)或四維動態(tài)計算，能量密度或質(zhì)量密度求解并以不同單位顯示(kg/t、kg/ m3、MJ/t、MJ/ m3等)，該工具可以評估炸藥在平面或體積上的分布，通常用于優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)以及裝藥結(jié)構(gòu)[14]。

3.1 塊度分析中的理論模型選擇

爆破的首要目的是破碎礦巖[15]。2DBench提供了兩種模型(Kuz-Ram模型和JKMRC模型)用于預測爆破后的礦石塊度分布。Kuz-Ram模型屬于經(jīng)典模型，應用廣泛；而 JKMRC模型是在Kuz-Ram模型基礎上簡化了所需參數(shù)，并進一步優(yōu)化了對于細顆粒(1～100 mm)的預測精度。兩者使用過程中的不同之處在于：①分析對象：Kuz-Ram模型使用前需要對分析的炮孔進行標記；而JKMRC模型則是對分析的范圍進行選定。②輸入?yún)?shù)：Kuz-Ram模型實際所需參數(shù)多樣，包括巖體平均塊度、巖石單軸抗壓強度等巖體力學參數(shù)以及巖體相關節(jié)理信息。在2DBench中，以上參數(shù)被綜合指標BI(可爆性指數(shù))指定，其計算公式為[16]

BI=0.5(RMD+JPS+JPO+SGI+H)

(1)

式中：RMD為巖體質(zhì)量；JPS為節(jié)理面間距；JPO為節(jié)理面方向；SGI為重力影響；H為硬度。

JKMRC模型所需參數(shù)包括：巖體平均塊度、細顆粒尺寸、容重、楊氏模量、單軸抗壓強度以及抗拉強度。巖體平均塊度、細顆粒尺寸、容重數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場獲得；而楊氏模量、單軸抗壓強度、抗拉強度可在現(xiàn)場取樣后通過實驗室力學測試獲得。

Kuz-Ram模型參數(shù)復雜，且結(jié)果易受人為影響；JKMRC模型參數(shù)簡單，易于獲取，且預測精度更高。因此，建議采用JKMRC模型進行計算分析。

3.2 巖體損傷分析中的參數(shù)來源及效果評價

2DBench中采用如下公式計算質(zhì)點峰值振動速度[17]

PPV=K[M]α

(2)

式中：PPV為質(zhì)點峰值振動速度，cm/s；K、α定義為衰減常數(shù)，與薩道夫斯基公式中一致，需結(jié)合現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)基于最小二乘法擬合而得；M為Holmberg-Persson項，與質(zhì)點位置、炸藥類型、炮孔幾何特征相關，計算公式如式(3)

(3)

式中：l為線裝藥密度，kg/m，計算公式見式(4)；H為裝藥長度，m；r0為質(zhì)點距藥包的水平距離，m；x0為質(zhì)點距地表的垂直距離，m；xs為藥包上端距地表的垂直長度，m。

(4)

式中：W為裝藥量，kg；R為質(zhì)點到爆源的距離，m；β與K、α意義相同，此處取值為2α。

計算PPV目的在于評價爆破效果。用戶可通過表1中爆破效果、巖體損傷與PPV值的對應關系判斷爆破后的圍巖損傷狀態(tài)，進而分析爆破效果。其中，PPVcrit為破裂臨界值，PPVbreakage為破碎臨界值。

表 1 爆破效果、巖體損傷程度與PPV臨界值對應關系表

4 工程案例

4.1 工程概況

4.1.1 礦區(qū)地質(zhì)

某露天開采礦區(qū)位于祁連山褶皺系北部，礦區(qū)主要金屬礦物為鏡鐵礦和硫鐵礦，主要脈石礦物為鐵白云石、重晶石、及少量絹云母、綠泥石。礦區(qū)內(nèi)礦石平均容重3.69 t/m3，平均普氏硬度14，巖石平均容重為2.87 t/m3，平均普氏硬度9.25，礦巖平均松散系數(shù)均為1.6，屬易爆礦巖體?，F(xiàn)場取樣開展實驗室實驗，得到巖石力學參數(shù)結(jié)果見表2。

表 2 礦區(qū)巖石力學測試結(jié)果

4.1.2 礦區(qū)現(xiàn)有爆破參數(shù)

以3730～3715 m臺階為例：爆區(qū)臺階平均段高為15.3 m，炮孔超深2.5 m；采用三角形布孔，孔徑250 mm，基本孔網(wǎng)參數(shù)為5.5 m×8 m；炮孔分3排，第1排采用分段裝藥結(jié)構(gòu)，自下而上為裝藥4.8 m-間隔3 m-裝藥3 m-填塞7 m，第2排和第3排采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，自下而上為裝藥10.8 m-填塞7 m；所用炸藥為機制乳化炸藥，炸藥密度1.13 g/cm3，爆速4900 m/s，能量3.182 MJ/kg；所用填塞物為巖屑，巖屑密度為1.2 g/cm3；孔內(nèi)延時時間為425 ms，地表延時時間見圖1；采用高精度導爆管雷管實現(xiàn)逐孔起爆。

圖 1 爆破等時線圖Fig. 1 Isochron diagram of blasting

4.1.3 現(xiàn)場爆破效果

爆破后現(xiàn)場效果如圖2所示。

圖 2 現(xiàn)場爆破效果圖Fig. 2 On-site picture after blasting

由圖2可以看到，現(xiàn)有爆破參數(shù)爆破后，爆堆堆積形態(tài)過散，爆破塊度分布不均，且出現(xiàn)了大塊聚于爆堆前端現(xiàn)象。不合理的爆破塊度分布以及爆堆堆積形態(tài)給后續(xù)生產(chǎn)帶來了不利影響，嚴重制約礦區(qū)生產(chǎn)效率，須對爆破過程進行模擬分析，揭示大塊成因，優(yōu)化爆破設計，改善爆破效果。

4.2 爆破設計模擬及分析

4.2.1 爆破設計模擬

根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有爆破參數(shù)進行爆破設計模擬。步驟包括：①基于現(xiàn)場人員提供的爆破設計圖，根據(jù)炮孔實際位置，以文本導入方式創(chuàng)建炮孔；②根據(jù)實際裝藥結(jié)構(gòu)及炸藥、粉屑參數(shù)，通過標記鍵“M”批量設置裝藥和填塞；③孔內(nèi)延時時間設置為425 ms，各孔地表延時時間如圖1所示；④模擬起爆，并對延時時間進行分析，爆破等時線圖見圖1。

4.2.2 模擬結(jié)果分析

1)大塊率

基于JKMRC模型繪制爆破后的巖體塊度分布曲線見圖3。為驗證JKSimBlast模擬結(jié)果的準確性，將采用Split-Desktop軟件進行塊度分析的結(jié)果也繪于圖3中，兩者進行對比。JKMRC模型輸入?yún)?shù)見表3。

由圖3可以看到，JKSimBlast塊度分布曲線與Split-Desktop塊度分布曲線趨勢一致，但數(shù)值存在差異，塊度小于70 cm時，JKSimBlast模擬結(jié)果偏??；塊度大于70 cm時，模擬結(jié)果偏大；塊度小于100 cm時，預測精度更高。但總體誤差小于10%，在誤差允許范圍之內(nèi)，可認為誤差較小。分析差異原因是JKSimBlast模擬時輸入?yún)?shù)無法考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件的復雜性、差異性導致。以70 cm為大塊標準，JKSimBlast計算大塊率為

K大=1-71.9%=28.1%

(5)

Split-Desktop計算大塊率為

K大=1-70.7%=29.3%

(6)

圖 3 爆破后巖體塊度分布Fig. 3 Distribution of rock mass fragmentation after blasting

根據(jù)礦山要求，認為大塊率高于5%即為大塊率較高，兩者所得結(jié)論一致。

2)破碎均勻度

結(jié)合ISensor設備的現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果繪制坡頂面(3730 m水平)、坡底面(3715 m水平)PPV等值線圖，如圖4所示。此處，K值為366.29，α值為2.50，PPVcrit值取848 mm/s，PPVbreakage值取3400 mm/s。

圖 4 坡頂面、坡底面PPV等值線圖(單位：m)Fig. 4 PPV contour map of slope top and bottom(unit:m)

表 3 參數(shù)及取值

由圖4可以看到，坡頂面破碎均勻區(qū)域長度為13.8 m，破碎不均勻區(qū)域長度為6.36 m；坡底面破碎均勻區(qū)域長度為17.7 m，破碎不均勻區(qū)域長度為5.38 m。較坡底面而言，坡頂面破碎均勻區(qū)域小，破碎不均勻區(qū)域大，破碎均勻性更差，從而造成大塊聚于爆堆前端現(xiàn)象。分析其原因是炮孔上部填塞長度過長，導致能量不足引起，建議改善裝藥結(jié)構(gòu)，以改善坡頂面爆破效果。

5 結(jié)論

1)介紹了JKSimBlast爆破設計與分析軟件構(gòu)成，分析了其中露天開采模塊2DBench功能、特點以及基于2DBench開展露天礦爆破模擬分析流程。

2)利用JKSimBlast開展爆破過程數(shù)值模擬，采用JKMRC模型作為塊度預測模型，利用現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合地質(zhì)影響系數(shù)K、α，采用爆破質(zhì)點峰值振動速度PPV作為爆破損傷評價指標，可以很好的模擬爆破后塊度分布模型，揭示爆破損傷區(qū)的體積，為爆破效果評估和爆破區(qū)域圈定提供支撐。

3)依托某露天礦3730～3715 m臺階爆破實踐開展工業(yè)應用，研究表明，該次爆破后大塊率較高，達28.1%；坡頂面破碎均勻區(qū)域小，破碎不均勻區(qū)域大，破碎均勻度比坡底面差。利用Split-Desktop軟件塊度分析結(jié)果對JKSimBlast模擬結(jié)果進行驗證，結(jié)論一致，證明了JKSimBlast應用于露天礦日常爆破設計與分析可行。