多起爆點(diǎn)小直徑藥卷光面爆破技術(shù)的應(yīng)用

朱志國

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司）

在地下礦山開拓掘進(jìn)爆破過程中，巷道爆破后要保證掘進(jìn)面巖體充分、均勻破碎，方便巖渣裝運(yùn)；減少爆破作業(yè)對圍巖的損傷，確保圍巖穩(wěn)定，輪廓光滑，從而降低巷道開拓工程中的支護(hù)工作量，確保平巷道的長期穩(wěn)定和安全［1-2］。在巷道掘進(jìn)爆破過程中，為保證其斷面輪廓盡可能與設(shè)計(jì)一致，需對周邊孔采用控制爆破措施，控制巷道輪廓面成形。為了獲得光滑的巷道輪廓面，傳統(tǒng)巷道周邊孔爆破通常采用光面爆破技術(shù)［3］。

在傳統(tǒng)導(dǎo)爆索間隔裝藥光面爆破施工中，常會存在施工步驟繁瑣、施工成本高、傳爆中斷及殘藥、爆破效果差等問題［4］。面對傳統(tǒng)導(dǎo)爆索工藝存在的相關(guān)問題，研究出一種低成本、高效率光面爆破技術(shù)替代現(xiàn)有導(dǎo)爆索間隔裝藥技術(shù)顯得尤為必要。在新型光面爆破技術(shù)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與理論研究，張迅［5］對光面爆破不耦合裝藥參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化；朱禮淵［6］使用新型聚能切割光面爆破技術(shù)進(jìn)行了掘進(jìn)爆破試驗(yàn)；郭學(xué)庭等［7］對山東某金礦掘進(jìn)巷道進(jìn)行優(yōu)勢節(jié)理組分析及光面爆破方案優(yōu)化設(shè)計(jì)；陶明等［8］采用大孔徑無導(dǎo)爆索光面爆破技術(shù)進(jìn)行了邊坡成形光爆試驗(yàn)；唐喜明［9］采用導(dǎo)爆管雷管替代導(dǎo)爆索，無導(dǎo)爆索光面爆破技術(shù)提高了邊坡的穩(wěn)定性，確保邊坡的成形質(zhì)量。

本文基于某地下礦山掘進(jìn)爆破實(shí)際工況，設(shè)計(jì)多起爆點(diǎn)小直徑藥卷軸向間隔裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行周邊孔光面爆破作業(yè)，以期能省去導(dǎo)爆索及其他輔助材料，同時(shí)取消起爆藥包制作工序等，爆破后巷道成型良好，光爆孔痕清晰連續(xù)，超欠挖量在合理閾值內(nèi)，對類似光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的借鑒作用。

1 多起爆點(diǎn)小直徑藥卷光面爆破機(jī)理

傳統(tǒng)巷道光面爆破技術(shù)是沿巷道輪廓面上均勻布置密集小間距、小直徑的炮孔，采用導(dǎo)爆索間隔裝藥結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部圍巖爆破拋擲后，周邊孔同段別齊爆，相鄰兩裝藥孔在炮孔中心線的中點(diǎn)發(fā)生應(yīng)力波的疊加，形成孔間貫穿裂紋，之后爆生氣體在靜壓作用下擴(kuò)展，最終形成光滑的貫穿裂縫，將光爆層圍巖整體剝離。采用間隔裝藥可有效減少爆破作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力，保障巖壁不受壓破壞，從而保留下光滑連續(xù)的半孔痕。傳統(tǒng)φ32 mm 藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu)，藥卷直徑較大，對巖壁破壞加劇，無法有效留存半孔壁面，且空氣段與裝藥段會呈現(xiàn)不同程序的超欠挖現(xiàn)象，采用多起爆點(diǎn)小直徑藥卷，減少空氣間隔段，能量分布更加均勻，可有效降低壁面超欠挖量，保障整體巷道成型光滑平整，同時(shí)能避免掛口產(chǎn)生，提高爆破效果，同時(shí)多起爆點(diǎn)可有效控制間隙效應(yīng)導(dǎo)致的不傳爆問題，降低殘藥率。

2 有限元分析

2.1 數(shù)值仿真研究目標(biāo)

采用有限元數(shù)值仿真軟件LS-DYNA 建立單個(gè)炮孔多起爆點(diǎn)小直徑藥卷裝藥爆破模型，對其整個(gè)爆破過程進(jìn)行仿真，并使用LS-Prepost后處理軟件對其爆破過程中壓力變化、材料侵蝕失效情況及孔壁的位移情況進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷出炮孔受拉壓變化及光爆半孔保留等情況。

2.2 仿真方案

（1）采用有限元數(shù)值仿真軟件LS-DYNA 建立單個(gè)炮孔裝藥1/2爆破有限元模型。

（2）采用映射法劃分材料網(wǎng)格，定義材料網(wǎng)格最優(yōu)尺寸。

（3）選擇合適的材料參數(shù)并賦值。

（4）定義流固耦合關(guān)鍵字、接觸關(guān)鍵字、接觸控制等參數(shù)，定義失效條件并進(jìn)行仿真運(yùn)算。

（5）采用LS-Prepost 后處理軟件分析炮孔內(nèi)壁壓力和位移，觀察材料失效情況。

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)

多起爆點(diǎn)小直徑藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu)是采用1支φ35 mm 乳化炸藥作為底部起爆藥包，連續(xù)裝填2 支φ27 mm 水膠炸藥，同時(shí)在炮孔中間位置布置560 mm 的空氣間隔，以達(dá)到減小爆破沖擊波對孔壁的壓縮破壞的目的，后裝填2 支φ27 mm 的水膠炸藥，選取同段別雷管，同時(shí)起爆，圖1 為裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

該結(jié)構(gòu)屬于偏心結(jié)構(gòu)裝藥，底部φ35 mm 乳化炸藥主要用于破除底部磁鐵礦石的夾制力，φ27 mm 水膠炸藥存在直徑小、爆破威力較高的優(yōu)點(diǎn)，緊貼于炮孔底部一側(cè)，相較于普通φ32mm 乳化藥卷有效增大了軸向空氣間隔層的體積，從而減小了對圍巖的爆破損傷。同時(shí)，水膠藥卷猛度及做功能力均高于乳化藥卷，彌補(bǔ)了藥卷減小導(dǎo)致的爆破能量不足問題，可有效保障光爆層的順利崩落破碎。

2.4 模型建立

模型組分中包含炸藥、磁鐵礦及空氣組分，采用偏心距裝藥結(jié)構(gòu)，空氣組分位于兩固體組分間隙之間，其中空氣和炸藥材料定義為流體，磁鐵礦為固體，炸藥和鐵礦石的物理力學(xué)參數(shù)見表1，采用流固耦合算法進(jìn)行計(jì)算。建模過程中為保障計(jì)算精度，劃分網(wǎng)格采用映射方法。為減少計(jì)算時(shí)長，在對稱面施加對稱位移約束，以模擬整體模型，同時(shí)通過添加相應(yīng)關(guān)鍵字定義礦石抗拉、抗壓失效條件，模型如圖2所示。

2.5 結(jié)果分析

觀察模型流體組分壓力變化趨勢，如圖3 所示。由壓力云圖可以看出，280 ms 左右炸藥基本全部傳爆，炸藥爆炸沖擊作用開始作用于壁面，其中最大壓力為51.6 MPa，低于礦體抗壓強(qiáng)度，高于礦體抗拉強(qiáng)度，炸藥貼近的壁面滿足失效標(biāo)準(zhǔn)。600 ms 左右后爆炸沖擊波繼續(xù)傳播并逐漸衰弱至5.534～55.34 kPa，進(jìn)一步觀察磁鐵礦體組分爆破后材料變化情況，如圖4 所示。由圖可以看出，1 000 ms 時(shí)，炮孔底部巖體基本失效完全，其余未崩落巖體會在后續(xù)爆生氣體持續(xù)作用下完全崩落。炮孔上部巖體處孔底處存在部分失效，其余部分均未出現(xiàn)明顯的失效情況。模擬結(jié)果顯示：多起爆點(diǎn)小直徑藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu)爆破后對炮孔上部圍巖損傷較小。可保障圍巖質(zhì)量，形成痕跡清晰連續(xù)的半孔，同時(shí)該裝藥結(jié)構(gòu)爆破可有效損傷炮孔底部巖體，確保底部巖體順利崩落破碎。

為了進(jìn)一步量化炮孔上部巖體受爆破沖擊作用的損傷程度，選取炮孔上部部分測點(diǎn)（圖5），觀測其位移變化，如圖6所示。

由圖6 可知，測點(diǎn)1 位移約0.2 cm，2～6 號測點(diǎn)位移均在0.15 cm 左右。由此可知，在爆破過程中炮孔上部巖體基本未發(fā)生異動，僅存在一定的物質(zhì)壓縮，進(jìn)一步說明炮孔上部材料受爆破沖擊影響較低，礦體保留完好，可有效形成光爆孔痕。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

3.1 爆破初始條件

現(xiàn)有某地下礦山1號穿脈須進(jìn)行開拓作業(yè)，現(xiàn)場實(shí)際揭露的巖石顯示，主要為磁鐵礦巖，層理裂隙較為發(fā)育，整體穩(wěn)定性一般。據(jù)地質(zhì)報(bào)告，貫通區(qū)域含水層為頂板裂隙水含水層，含水性較弱，同時(shí)根據(jù)已施工巷道情況，確認(rèn)無水。巷道斷面規(guī)格為5.24 m×3.89 m，為典型三心拱斷面，使用機(jī)械鑿巖臺車進(jìn)行鉆孔，成孔孔徑45 mm，單次循環(huán)鉆孔深度為3m。

3.2 周邊孔間距及最小抵抗線

根據(jù)磁鐵礦石物理力學(xué)性質(zhì)，通過查表法及長期施工效果綜合分析，確定巷道頂孔和幫孔間距范圍為550～650 mm，最小抵抗線為650～700 mm。

3.3 爆破參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，巷道斷面需要布置70個(gè)炮孔，其中掏槽空孔4 個(gè)、掏槽孔5 個(gè)、擴(kuò)槽孔8 個(gè)、輔助孔23 個(gè)、頂孔和幫孔21 個(gè)、底孔9 個(gè)。每種類型炮孔的裝藥系數(shù)、鑿巖孔深、所用卷裝藥的單卷質(zhì)量和長度及爆破參數(shù)見表2，掘進(jìn)面炮孔布置如圖7所示。

3.4 現(xiàn)場施工

現(xiàn)場施工作業(yè)需先對現(xiàn)場條件進(jìn)行檢查，該試驗(yàn)面現(xiàn)場巖體較為完整，無明顯礦巖分界，為均勻硬質(zhì)巖層，掘進(jìn)面壁面平整，頂板較為完整。按照設(shè)計(jì)根據(jù)具體孔位選取不同裝藥系數(shù)裝填相應(yīng)炸藥，周邊孔采用多起爆點(diǎn)小直徑藥卷間隔裝藥結(jié)構(gòu)裝填φ35 mm 乳化炸藥和φ27 mm 水膠炸藥，使用PVC 管輔助裝藥。

現(xiàn)場施工作業(yè)中需采取以下措施控制光爆效果：

（1）周邊孔裝藥時(shí)需注意相鄰炮孔錯(cuò)開空氣間隔段，均勻布藥，避免同一位置爆破能量過少或冗余而產(chǎn)生掛口或坑洞。

（2）裝藥過程中應(yīng)采用有標(biāo)記的炮棍進(jìn)行裝藥，從而確保藥卷位置符合裝藥原始設(shè)計(jì)，保障爆破效果。

3.5 爆破效果

觀察多起爆點(diǎn)小直徑藥卷光面爆破效果，如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，多起爆點(diǎn)小直徑裝藥結(jié)構(gòu)光面爆破后，圍巖頂部孔痕連續(xù)清晰，保留較完整半孔孔痕11 個(gè)，半孔率達(dá)到76%，超欠挖量在20 cm 以內(nèi)，無掛口或坑洞現(xiàn)象，基本達(dá)到光面爆破要求，光面爆破的爆破效果和巷道成形情況良好，符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，同時(shí)省去了導(dǎo)爆索成本及綁縛導(dǎo)爆索等復(fù)雜的爆破施工步驟，提高了現(xiàn)場施工效率和礦山經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文主要研究了多起爆點(diǎn)小直徑藥卷光面爆破技術(shù)，通過有限元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)裝藥結(jié)構(gòu)對炮孔上部壁面損傷較小，可有效損傷炸藥貼近壁面，分析炮孔上部壁面有效應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，均未超過材料失效應(yīng)變，從而保障光爆孔痕有效留存。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多起爆點(diǎn)小直徑藥卷光面爆破后，半孔率達(dá)到76%左右，超欠挖量在20 cm 以內(nèi)，基本達(dá)到光面爆破要求，節(jié)約了施工成本，提高了施工效率，具有良好的借鑒作用。