孔底抵抗線對(duì)VCR爆破的影響研究

王文洋，羅志華，張宗國(guó)

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司 凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關(guān)市 512000；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

在開采過(guò)程中，由于孔底抵抗線過(guò)大或過(guò)小，使得爆炸能量過(guò)多的浪費(fèi)，容易出現(xiàn)塊度分布不均勻的爆破效果與造成堵孔沖孔等爆破危害（見圖1（c））。為了最大化合理利用爆炸能量以提高爆破效果，改善礦山經(jīng)濟(jì)效益，研究孔底抵抗線以控制爆炸效果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)有很大的實(shí)踐意義。許多學(xué)者對(duì)爆破抵抗線進(jìn)行了分析研究，如：姜永恒等[2]針對(duì)某金礦大塊率高的問(wèn)題，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)采場(chǎng)扇形孔進(jìn)行模擬，分析了巖體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值，確定了中深孔爆破最優(yōu)抵抗線和孔底距；何闖等[3]研究抵抗線與自由面對(duì)爆破振動(dòng)的影響，得出爆破振動(dòng)受自由面與最小抵抗線的共同影響；沈慧明等[4]采用理論分析的方式，得出適當(dāng)調(diào)整抵抗線可以改善爆破效果；何士靄[5]通過(guò)合理的裝藥設(shè)計(jì)，使得爆破塊度、爆堆位移在合理范圍之內(nèi)；李育等[6]采用減小前排裝藥抵抗線來(lái)控制爆破振動(dòng)；魏兆云等[7]通過(guò)理論計(jì)算的方式確定爆破中抵抗線參數(shù)來(lái)控制爆破效果。綜上可知，多數(shù)研究均采用數(shù)值模擬的手段研究抵抗線，為了研究大直徑深孔爆破中孔底抵抗線對(duì)爆破效果的影響，本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)不同孔底抵抗線下的等效漏斗半徑與等效漏斗體積進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)選合理的孔底抵抗線以改善現(xiàn)場(chǎng)爆破效果。

圖1 采礦工藝

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

為了研究孔底抵抗線對(duì)爆破效果的影響，采用數(shù)值模擬方法分析爆炸過(guò)程中試塊內(nèi)部應(yīng)力變化情況，數(shù)值模擬中的炸藥、模型材料等與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本一致，模擬抵抗線為變量。本文的主要研究對(duì)象為抵抗線，為了方便劃分網(wǎng)格，數(shù)值模擬中將原藥包長(zhǎng)度為0.6 m通過(guò)幾何相似比例縮放為3 cm，相似系數(shù)為20，模擬共分為5組，孔底抵抗線分別為3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、7 cm。

如圖2所示，模型長(zhǎng)、寬、高分別為40 cm、40 cm、30 cm，炸藥直徑為8 mm，長(zhǎng)度為3 cm；其中孔底抵抗線大小為變量，其中藥包上下層均為堵塞物，模型中ALE空間的直徑為5倍炮孔直徑，ALE與部分石塊單元重合。模型中忽略重力的影響。巖石模型單元大小為5 mm×5 mm，炸藥、堵塞、ALE采用漸變網(wǎng)格。

圖2 四分之一模型示意

1.2 材料參數(shù)選取

1.2.1 炸藥的材料模型與其狀態(tài)方程

在LS-DYNA程序之中，炸藥材料模型采用8號(hào)材料模型，炸藥的狀態(tài)方程為“*EOS_JWL”，此方程忽略炸藥的化學(xué)反應(yīng)方式而只考慮爆轟，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正，JWL狀態(tài)方程如下[8-10]：

式中，P為爆轟壓力，Pa；E0為單元最大面積，m2；V為爆轟產(chǎn)物相對(duì)體積，m3；ω為格林愛(ài)森參數(shù)；A、B、R1、R2均為表征炸藥物理特性的常數(shù)。

1.2.2 混凝土RHT材料模型

本文數(shù)值模擬采用混凝土 RHT本構(gòu)模型[12]，該模型中的彈性極限面方程、最大失效面方程和殘余強(qiáng)度方程可用于描述混凝土在爆炸沖擊荷載作用下的初始屈服強(qiáng)度、失效強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1.2.3 炮泥材料模型

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)處理并且分析多種多樣的圖像，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身建立于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的前提下。具體在交通運(yùn)用中，針對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有必要明晰其中的多層次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而將其轉(zhuǎn)變成矩陣表示的完整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于相應(yīng)的原始圖像予以輸入處理，然后矩陣系統(tǒng)即可憑借當(dāng)前輸入的各項(xiàng)信息來(lái)判定整個(gè)矩陣形態(tài)，從而選擇不同顏色來(lái)表示各個(gè)相應(yīng)的圖片信息。針對(duì)輸出類別而言，對(duì)此設(shè)置了1000的默認(rèn)值。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，如果能靈活運(yùn)用上述圖像處理，則可以運(yùn)用圖片預(yù)測(cè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)雨雪天氣的精確預(yù)測(cè)。

本文中炮孔采用炮泥進(jìn)行堵塞，選用土壤和泡沫材料模型（*MAT_SOLI_AND_FOAM）。相關(guān)參數(shù)見表1至表4。

表1 炸藥參數(shù)

表2 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

表3 試塊RHT材料模型的計(jì)算參數(shù)

表4 炮泥材料模型的計(jì)算參數(shù)

1.3 爆破過(guò)程

在后處理軟件（LS-PREPOST）中進(jìn)行分析，當(dāng)損傷值達(dá)到0.7時(shí)，巖石發(fā)生破壞，因此，模擬模型損傷值下線為 0.7，為了模擬爆炸整個(gè)過(guò)程，以孔底抵抗線為4 cm試驗(yàn)為例，模型內(nèi)部損傷云圖演化過(guò)程如圖3所示。同時(shí)，為方便觀看漏斗形狀，將模型沿XZ面旋轉(zhuǎn)90°。

圖3 模型失效演化云圖

由圖3可知，在數(shù)值模擬過(guò)程中，藥包在10 μs時(shí)完全響應(yīng)，爆炸應(yīng)力波繼續(xù)往模型四周傳遞，藥包周圍發(fā)生破壞；10～40 μs時(shí)，損傷范圍逐漸沿著炮孔向自由面發(fā)展，模型內(nèi)部形成破碎圈；40～60 μs時(shí)，損傷范圍發(fā)展至模型下表面（自由面），爆破漏斗初步形成，漏斗半徑較小，有待進(jìn)一步擴(kuò)展；60～90 μs時(shí)，該時(shí)期為漏斗半徑擴(kuò)展時(shí)期，應(yīng)力波的反射拉伸導(dǎo)致爆生氣體膨脹快速排出孔外，致使爆破漏斗半徑進(jìn)一步擴(kuò)大并達(dá)到峰值。90～100 μs時(shí)，很明顯可以看出，該時(shí)期漏斗直徑基本沒(méi)有變化，模型表面的損傷區(qū)域增大是由于模擬過(guò)程中應(yīng)力波在模型中無(wú)法完全消耗，導(dǎo)致應(yīng)力波在模型面不斷發(fā)生反射，導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域較大。綜上，將100 μs看作試驗(yàn)中爆炸過(guò)程的終止時(shí)間點(diǎn)。

1.4 不同抵抗線下爆破效果分析

通過(guò)對(duì)堵塞長(zhǎng)度為2 cm，孔底抵抗線大小為3 cm、4 cm、5 cm、6 cm和7 cm時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)其形成的爆破漏斗進(jìn)行分析。圖4中依次為3～7 cm堵塞長(zhǎng)度下等效爆破漏斗模型。

由圖4可知，在孔底抵抗線為7 cm時(shí)，爆炸沒(méi)有形成爆破漏斗，模型表面基本沒(méi)有破壞，而孔底抵抗線為4 cm時(shí)，爆炸形成的爆破漏斗半徑最大，爆破漏斗的半徑隨孔底抵抗線的增大先增大后減小。以上結(jié)果說(shuō)明，抵抗線能改變藥包爆炸能量的作用范圍，適當(dāng)?shù)牡挚咕€能有效減小能量在炮孔中的流失，最大化利用爆炸能量，進(jìn)而改善爆破效果。為定量描述爆破效果與孔底抵抗線之間的關(guān)系，將各方案形成的等效爆破漏斗半徑與等效漏斗體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（D0＞0.7的單元），如圖4所示。

圖4 不同孔底抵抗線下爆破漏斗損傷模型

由圖5可知，孔底抵抗線較小時(shí)，大量的爆生氣體快速的從下部孔口沖出，導(dǎo)致炸藥能量作用于巖石的比例減小，造成了炸藥能量的損失浪費(fèi)。隨著抵抗線的增大，爆破漏斗的半徑與體積相應(yīng)的增大，但當(dāng)?shù)挚咕€大于4 cm時(shí)，爆破漏斗的半徑出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)?shù)挚咕€大于5 cm時(shí)，爆破漏斗的體積也開始出現(xiàn)下滑。說(shuō)明抵抗線的增大提高了藥包的作用深度，合理的抵抗線能夠有效改善爆破效果。

圖5 不同抵抗線下爆破漏斗半徑與損傷體積

1.5 不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比

在數(shù)值模擬中，各測(cè)點(diǎn)按照模型試驗(yàn)中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行分析，如圖6、圖7所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置

由圖7可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2.5 ms時(shí)，有效塑性應(yīng)變值趨向穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn) A、B、C的有效塑性應(yīng)變值與初始應(yīng)變率也較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)D、E、F的應(yīng)變值變化較小，且時(shí)間短暫，其有效應(yīng)變數(shù)值大小排序?yàn)椋篈＞B＞C＞F＞E＞D，爆破出現(xiàn)漏斗，炸藥主體能量沿炮孔向下表面?zhèn)鬟f，模型下表面的應(yīng)變值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他表面質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變值。研究表明，應(yīng)變值與初始應(yīng)變率隨著炸藥的距離增大而減小。

圖7 測(cè)點(diǎn)有效塑性應(yīng)變

2 工程實(shí)例

由模擬結(jié)果可知，孔底抵抗線抵抗線為 5 cm時(shí)，其爆破效果較好，為了更好地驗(yàn)證模擬成果，通過(guò)相似試驗(yàn)，相似系數(shù)為20，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的孔底抵抗線為1 m，其裝藥結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，采場(chǎng)爆破效果如圖8所示。圖8（a）中，采場(chǎng)上部硐室頂板錨網(wǎng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞，圖8（b）中，下部硐室爆堆整體塊度較為均勻，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程中塊度破碎要求。試驗(yàn)表明，該孔底抵抗線條件下能較好地改善現(xiàn)場(chǎng)爆破效果。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爆破效果示意

3 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬相似模擬試驗(yàn)可知，隨著孔底抵抗線由3 cm增大至7 cm，模擬結(jié)果表明，其等效漏斗半徑與體積均呈先增大后減小，其中孔底抵抗線為 5 cm，等效漏斗體積最大，爆破效果最好。

（2）通過(guò)分析自由面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效塑性應(yīng)變可知，應(yīng)變值與初始應(yīng)變率隨著炸藥距離的增大而減小。

（3）將研究成果應(yīng)用于礦山采場(chǎng)爆破，現(xiàn)場(chǎng)爆破效果能較好地滿足生產(chǎn)需求，降低沖孔，改善爆破塊度，表明通過(guò)調(diào)整 ⅤCR爆破孔底抵抗線來(lái)優(yōu)化爆破效果具有一定現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。