謙比希銅礦下向孔爆破底板控制技術(shù)研究

覃 凱，張鵬飛，盧二偉，李延龍，祁澤鋒

（中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司，銅帶省 基特韋 2259）

下向平行中深孔爆破是地下礦山開采中常用的破巖方法之一，已被廣泛應(yīng)用于謙比希銅礦東南礦體［1-2］。該方法類似于露天臺(tái)階爆破，在工作面底部的巖石夾制作用下，容易在臺(tái)階面上留下難以清理的巖埂根底，這會(huì)降低鏟裝運(yùn)輸效率，并對(duì)后續(xù)的爆破作業(yè)造成影響。

為了提高爆破作業(yè)中底板礦巖破碎效率，常常需要增加炮孔底部炸藥量，即需要在底板位置以下鉆鑿一定深度炮孔以填裝炸藥［3-4］。通過炮孔超深段的炸藥可以提高爆炸能量對(duì)底板礦巖的破碎作用。當(dāng)炮孔超深較少時(shí)，超深段藥包長(zhǎng)徑比較小，其爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律類似于球面波，衰減較快，破壞范圍較小，容易導(dǎo)致底部留下明顯的根底。當(dāng)炮孔超深較大時(shí)，超深段藥包長(zhǎng)徑比較大，其爆炸應(yīng)力傳播規(guī)律類似于柱面波，衰減較慢，破壞范圍更大，當(dāng)滿足爆破設(shè)計(jì)所需的破壞范圍時(shí)即可防止根底產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)底板平整控制目的。因此，有必要開展謙比希銅礦下向孔爆破底板控制技術(shù)研究以優(yōu)化炮孔超深，進(jìn)而確保爆破作業(yè)效率和礦山安全生產(chǎn)。

本研究采用LS-DYNA建立了不同炮孔超深下的底板控制爆破模型，通過對(duì)比分析不同模型的爆破損傷范圍及應(yīng)力峰值分布，得出最優(yōu)炮孔超深，進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)驗(yàn)證底板控制效果，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工提出相應(yīng)的底板控制措施。

1 底板控制爆破數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模型

根據(jù)謙比希銅礦實(shí)際情況，在下向孔采場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)中中間炮孔直徑為76 mm，采用裝藥臺(tái)車對(duì)乳化炸藥進(jìn)行耦合裝藥，抵抗線長(zhǎng)度為2 m，頂板堵塞為2 m，臺(tái)階高度為12 m。本文主要研究孔底根底問題，為降低計(jì)算成本僅建立1個(gè)中間炮孔進(jìn)行研究。根據(jù)76 mm直徑炮孔的相關(guān)超深爆破設(shè)計(jì)，對(duì)0、0.6、1.2、1.8 m四種炮孔超深方案開展數(shù)值模擬。

根據(jù)上述爆破參數(shù)進(jìn)行實(shí)體建模，模型方案示意圖如圖1所示。其中被爆礦體尺寸為長(zhǎng)×高×寬（8 m×12 m×6 m），基巖尺寸為長(zhǎng)×高×寬（8 m×6 m×10 m），在模型左側(cè)、右側(cè)、后側(cè)和基巖前側(cè)設(shè)置為無反射邊界條件，其他面為自由面，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為6 ms，單位制采用kg-m-s。

圖1 底板控制爆破數(shù)值模型圖

1.2 材料模型參數(shù)

RHT本構(gòu)模型已經(jīng)廣泛用于模擬混凝土、巖石、玻璃等脆性材料在爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)及損傷發(fā)育等問題［5］。本文基于謙比希銅礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)，確定了相應(yīng)的RHT模型材料參數(shù)，見表1。炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥材料模型，密度為1 200 kg／m3，爆速為4 000 m／s。

表1 謙比希銅礦礦巖RHT材料參數(shù)

1.3 模擬結(jié)果分析方法

在爆破損傷分析中，較多學(xué)者采用D≥0.2～0.7為破壞判據(jù)，即損傷值大于0.2～0.7則認(rèn)為巖體完全破壞［6-7］。本文選取D＝0.5作為巖體是否破壞的臨界損傷值。在不同超深的三維模型中，為更好地觀察炮孔底部巖體的損傷破壞，將破壞巖體進(jìn)行了刪除，如圖2所示。

圖2 巖體損傷分析方法示意圖

此外，為了更好地觀察炮孔底部的破壞損傷，在最終時(shí)刻t＝6.0 ms損傷云圖的基礎(chǔ)上，在炮孔孔底建立了剖面，以分析炮孔底部巖體的損傷分布，剖面切割示意圖如圖3所示。

圖3 炮孔底部剖面位置

2 計(jì)算結(jié)果分析

在不同炮孔超深三維模型中計(jì)算得到的巖體損傷破壞情況如圖4所示?？梢钥闯?，相比于上部礦巖，底部巖石由于受到夾制作用，破壞所需能量大，因而破壞范圍普遍偏小。當(dāng)炮孔超深為0 m時(shí)，只有炮孔底部的少量炸藥能量被用于破碎底部巖石，導(dǎo)致破壞范圍有限并留下根底。當(dāng)采用炮孔超深方案時(shí)，超深段炸藥可用于破碎臺(tái)階底部巖石，有利于消除根底。此外，隨著炮孔超深的增大，孔底處的巖石根底越來越小，底板越來越平整。

圖4 不同炮孔超深下巖體損傷破壞圖

為清晰觀測(cè)孔底根底情況，繪制了各方案孔底剖面破壞圖，如圖5所示。

圖5 孔底剖面巖體損傷破壞圖

對(duì)炮孔底部剖面位置的巖石損傷破壞進(jìn)行測(cè)量，可以得出炮孔超深為0、0.6、1.2、1.8 m時(shí)，破壞區(qū)域的寬度分別為0.3、1.92、2.73、2.88 m。

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示。

圖6 不同炮孔超深下底板剖面巖體損傷破壞范圍寬度

可以看出，隨著炮孔超深的增加，損傷破壞范圍寬度迅速增大，且在超深達(dá)到1.2 m以后，曲線變化較為平穩(wěn)。無超深和1.2 m超深的破壞區(qū)域?qū)挾炔钪禐?.4 m左右，可以看出超深對(duì)于底板控制的重要性。在中深孔臺(tái)階爆破中，為獲得充足的破巖能力，克服底板位置爆破夾制性，提高孔底巖體損傷范圍，減少根底問題，炮孔超深應(yīng)在1.2 m以上。此外，考慮到鑿巖成本和炸藥成本問題，最優(yōu)超深為1.2 m。

3 工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型分析結(jié)果，在謙比希銅礦下向孔爆破采場(chǎng)開展了試驗(yàn)研究。以數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)常用鑿巖參數(shù)為參考，在756-1-W6L、800-1-2L和732-1-W7L試驗(yàn)采場(chǎng)分別采用0.8、1.2、1.6 m炮孔超深進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)爆后底板進(jìn)行記錄分析，爆破參數(shù)及結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 試驗(yàn)采場(chǎng)爆破參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果 m

不同炮孔超深底板現(xiàn)場(chǎng)圖如圖7所示，當(dāng)炮孔超深為0.8 m時(shí)，采場(chǎng)底板平整度較差，存在明顯根底且根底高度超過0.4 m；當(dāng)炮孔超深增加到1.2 m時(shí)，根底情況明顯改善，根底高度小于0.2 m且根底出現(xiàn)概率明顯降低；當(dāng)炮孔超深增加到1.6 m時(shí)，采場(chǎng)底部無根底出現(xiàn)。以上試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果中炮孔超深應(yīng)大于1.2 m的結(jié)論基本一致，表明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。此外，考慮到較大炮孔超深會(huì)造成鑿巖成本和炸藥成本的浪費(fèi)，同時(shí)過大炮孔超深不會(huì)明顯提升底板平整度，因此應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際中底板控制效果選取合適的炮孔超深。

圖7 不同炮孔超深底板現(xiàn)場(chǎng)圖

基于現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，提出了底板控制措施：

1.炮孔超深應(yīng)到達(dá)1.2 m以上能有效控制地板平整性，需要注意的是為了避免存放時(shí)間較長(zhǎng)的采場(chǎng)中鑿巖巖粉沉淀變干導(dǎo)致超深不足的問題，還需要適當(dāng)增加0.5～1 m的超深。

2.對(duì)于采取不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的邊幫炮孔，其底部應(yīng)留有3 m高度采用徑向耦合裝藥以防止炸藥能量不足導(dǎo)致的邊幫根底問題。

3.在爆破作業(yè)前需提前清理臨空面底部殘余爆堆及殘余根底，以減弱底板附近礦巖爆破夾制性。

4 結(jié) 論

本文以底板控制爆破為研究對(duì)象，采用ANSYS／LS-DYNA進(jìn)行了不同炮孔超深下底板巖石破碎效果和根底情況的數(shù)值模擬，并在現(xiàn)場(chǎng)開展底板控制爆破試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1.參考巖體損傷破壞數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著炮孔超深增大，底板附近巖體破碎效果越好，根底留存越少，且當(dāng)炮孔超深超過1.2 m后，底板附近破巖效果趨于穩(wěn)定。

2.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)炮孔超深大于1.2 m時(shí)，根底高度普遍小于0.2 m且出現(xiàn)概率明顯降低，因此炮孔超深應(yīng)到達(dá)1.2 m以上從而有效控制地板平整性。