基于空氣間隔優(yōu)化的骨料用灰?guī)r爆破粉礦率控制

王皓永,任曉玲,沈 強(qiáng),高 遠(yuǎn),葉永喜

(1.紫金礦業(yè)建設(shè)有限公司,廈門 361000;2.廈門鎢業(yè)股份有限公司,廈門 361000)

1 研究背景與意義

礦石塊度分布不均和粉礦率偏高是某礦山爆破生產(chǎn)環(huán)節(jié)面臨的主要難題,不但導(dǎo)致爆破成本增加,且造成了大量礦石的永久浪費(fèi)。因此,降低爆破粉礦率便成為礦山亟待解決的關(guān)鍵任務(wù)之一。

目前很多專家對減少礦山粉礦率做了大量的研究和實(shí)驗(yàn)。首先從粉礦產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析[1-7]。從形成機(jī)理上看,粉礦的產(chǎn)生是不可避免的,而爆破工藝對粉礦率的影響可以通過優(yōu)化調(diào)整來減少。武漢理工大學(xué)葉海旺、袁爾君等利用室內(nèi)擺錘對某露天礦石樣品開展多組動態(tài)沖擊試驗(yàn)[1],發(fā)現(xiàn)隨著沖擊能量密度的增加而產(chǎn)生的巖粉率呈指數(shù)型增加,巖石破碎平均粒徑隨沖擊能量密度的增大而呈指數(shù)型減小;四川冶金設(shè)計(jì)研究院杜虎等以凡口鉛鋅礦作為工程實(shí)例[2],通過彈性波理論對不耦合系數(shù)與粉碎圈半徑的關(guān)系進(jìn)行分析,認(rèn)為通過調(diào)整不耦合系數(shù)控制爆破粉礦率是有效的措施;東北大學(xué)陳慶凱、張彪等從不耦合裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、巖體可爆性分級理論、有限元模擬驗(yàn)證等方面對撫順東露天礦爆破粉礦率降低問題開展試驗(yàn)[3],論證了原爆破方案的不合理性并給出最佳的爆破方案。雷濤、陳東方、王其洲等對某礦山爆破粉礦率偏高的問題開展了多組孔間延時(shí)爆破優(yōu)化試驗(yàn)[4-8],通過分析各類孔間延時(shí)條件下爆破應(yīng)力場分布特點(diǎn)與振動速度峰值,獲取了相對較優(yōu)的孔間延時(shí)爆破方案,使平均粉礦率減少8.01%。

以往爆破塊度優(yōu)化研究在指導(dǎo)施工過程中起到了重要作用。然而現(xiàn)有大多數(shù)爆破工程仍然依靠經(jīng)驗(yàn)法則,難以具有工程應(yīng)用的普適價(jià)值。因此,礦山工程技術(shù)人員需在總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用 ANSYS /LS-DYNA 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn),初步獲取相對較優(yōu)的空氣間隔裝藥長度,隨后基于數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,開展不同空氣間隔條件下的礦山爆破粉礦率優(yōu)化試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 礦山爆破工程概況

某礦山巖體為石灰?guī)r、碳質(zhì)灰?guī)r,夾雜少量泥灰?guī)r等。礦區(qū)巖質(zhì)普遍堅(jiān)硬致密,多呈塊狀-層狀結(jié)構(gòu);東礦區(qū)靠邊坡位置巖質(zhì)大部分較完整,存在少量節(jié)理、層理及夾土;東礦區(qū)靠底板附近存在較為規(guī)則的節(jié)理裂隙。現(xiàn)場典型巖體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Typical rock mass structure of the mine

現(xiàn)場使用炸藥為2號巖石乳化炸藥及改性銨油炸藥,導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)路聯(lián)接爆破。梅花形布孔,孔深14 m,超深2 m,堵塞長度5 m?，F(xiàn)場采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷。

2.2 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

在改進(jìn)爆破技術(shù)方面,首先收集原爆破方案條件下的生產(chǎn)數(shù)據(jù),其次根據(jù)礦山實(shí)際使用的空氣間隔器種類、長度,結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果利用數(shù)值模擬軟件(ANSYS/LS-DYNA)對空氣間隔裝藥長度進(jìn)行初步優(yōu)化,挑選出相對較優(yōu)的試驗(yàn)方案。隨后針對現(xiàn)場施工方案進(jìn)行調(diào)整,將不同爆破試驗(yàn)下的礦石級配進(jìn)行對比,最終確定可有效降低爆破粉礦率,優(yōu)化爆堆塊度的方案。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 建模材料與參數(shù)

采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件建立爆破模型。在LS-DYNA自定義材料模型中,MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET可以用來模擬爆破荷載下巖石的本構(gòu)關(guān)系,石灰?guī)rJHC模型參數(shù),列入表1。在LS-DYNA數(shù)值模擬軟件中內(nèi)嵌有高能炸藥,* MAT_HIGH_EXPLISIVE_BURN這種材料類型用來代表炸藥材料[9-11]。通過JWL狀態(tài)方程,我們可以對炸藥的起爆時(shí)間以及起爆位置進(jìn)行確定,JWL狀態(tài)方程如式(1)

表1 石灰?guī)rJHC模型相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of JHC model

(1)

式中:A、B、R1、R2、ω為材料輸入?yún)?shù);P為爆轟產(chǎn)物的壓力;V為相對體積裝藥,即單位體積裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物的體積;E0為初始比內(nèi)能。炸藥材料參數(shù)如表2所示。

表2 炸藥模型參數(shù)Table 2 Explosive model parameters

在表1中,ρ為材料密度,fc為準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度;內(nèi)聚力強(qiáng)度P給定靜水壓力下完全斷裂強(qiáng)度與無損傷強(qiáng)度的比值;壓力強(qiáng)化系數(shù)Q和壓力硬化系數(shù)N,它們由參考應(yīng)變率下材料斷裂強(qiáng)度決定;μc為破碎體積應(yīng)變系數(shù),K1、K2、K3以及Ρl為與壓力有關(guān)的常數(shù);G為剪切模量;D1和D2為石灰?guī)r的損傷常數(shù);Efmin為石灰?guī)r破碎的最小塑性應(yīng)變;T為石灰?guī)r的最大拉伸強(qiáng)度。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型

依礦山實(shí)際工況條件分別建立0 m、1 m、1.2 m、1.5 m共計(jì)四類不同空氣間隔長度的三孔對稱爆破模型,如圖2所示。單元類型為Solid164單元,采用六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用共節(jié)點(diǎn)算法,使炸藥與巖體之間具有相同的節(jié)點(diǎn)。選取ALE流固耦合算法,其中炸藥單元為歐拉算法,巖石單元采用拉格朗日算法。

圖2 空氣間隔爆破計(jì)算模型(單位:m)Fig. 2 Air decked charge blasting model(unit:m)

利用對稱性建立1/2模型,對對稱面施加垂直模型的無位移約束條件,對另外三個(gè)側(cè)面和底面施加無反射邊界條件以模擬無限介質(zhì)。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)巖體爆炸分區(qū)理論,巖石在爆破作用下根據(jù)其受損程度可分為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性震動區(qū)。粉碎區(qū)主要是由巖石壓縮形成。巖石單元所承受的拉應(yīng)力大于其動態(tài)抗拉強(qiáng)度會產(chǎn)生拉破壞而出現(xiàn)裂紋,累積形成裂隙區(qū)。根據(jù)此特性,以巖石所受拉應(yīng)力是否超過動態(tài)抗拉強(qiáng)度作為巖石單元破壞的判據(jù)。JHC材料模型的等效屈服強(qiáng)度方程如式(2)

σ*=[A(1-D)+BP*N][1-cln(ε*)]

(2)

式中:A、B、N、c為由試驗(yàn)確定的材料參數(shù);P*為標(biāo)準(zhǔn)化壓力;D為損傷參量,ε*為應(yīng)變率。JHC模型的損傷參量計(jì)算方程如式(3)

(3)

式中:D為損傷參量;Δεp為等效塑性應(yīng)變增量;Δμp為等效體應(yīng)變增量;Dp、D2為通過實(shí)驗(yàn)確定的材料參數(shù);T*=T/fc,為標(biāo)準(zhǔn)化最大抗拉靜水壓力,T為最大抗拉靜水壓力,fc為靜單軸抗壓強(qiáng)度;P*為標(biāo)準(zhǔn)化壓力。損傷參量D越大,巖石受到的損傷越大,D=1時(shí),巖體完全破碎。參照在石灰石高速沖擊損傷實(shí)驗(yàn)中獲得的損傷參量D=0.75,充分考慮現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的不可預(yù)見因素,略微放大D為0.8,即認(rèn)為當(dāng)D≥0.8時(shí),巖石單元受到損傷[12-14]。

在4組模型中選取t=0.005 s時(shí)刻各模型的損傷范圍圖,此時(shí)爆炸應(yīng)力波疊加,損傷效果最大。因三個(gè)炮孔同時(shí)起爆產(chǎn)生的應(yīng)力波傳到自由面后被反射,兩孔間巖石損傷也較為明顯。根據(jù)軟件ANSYS/LS-DYNA云圖顯示,損傷參量D值不同時(shí),模型對應(yīng)區(qū)域所表現(xiàn)出的灰度值不同,當(dāng)D<0.6時(shí),認(rèn)為巖石損傷程度較弱,即圖中的藍(lán)色區(qū)域;當(dāng)0.8>D≥0.6時(shí),認(rèn)為巖石損傷程度較大,但尚未達(dá)到粉碎,即圖中綠色區(qū)域;當(dāng)D≥0.8時(shí),巖石材料完全粉碎,即圖中空白區(qū)域。

由圖3可知,隨著炮孔上、下兩端空氣間隔距離的增大,炮孔間的損傷單元數(shù)和面積越來越小。

圖3 不同空氣間隔下長度損傷云圖切面Fig. 3 Damage cloud section under different air deckings

(1)如圖3(a)所示,在連續(xù)裝藥條件下,炮孔壁處及炮孔對稱軸線處粉碎程度最大,形成沿孔壁分布的條形空白損傷區(qū),損傷值已超過0.8。在炮孔堵塞區(qū)段,呈現(xiàn)藍(lán)色狀態(tài),說明其損傷值不足0.6,基本上沒有達(dá)到損傷條件。觀察左右兩爆破區(qū)域發(fā)現(xiàn),距離炮孔稍遠(yuǎn)的位置呈現(xiàn)綠色狀態(tài),其損傷值介于0.8～0.6之間,表明其受到一定的損傷。

(2)如圖3(b)所示,采用1 m空氣柱間隔時(shí),由于受到空氣柱間隔的影響,孔壁附近的白色粉碎區(qū)被區(qū)分為上、下2段。間隔部位的損傷明顯降低至0.6～0.8左右,綠色面積增多,表明爆炸粉碎作用被削弱。

(3)如圖3(c),隨著空氣柱間隔長度進(jìn)一步增加至1.2 m,孔壁處及炮孔對稱軸線處厚度進(jìn)一步降低?？妆谔?.8以上的白色高損傷區(qū)面積顯著縮小,0.8～0.6的綠色中等損傷面積增大,破壞巖體的能力明顯降低。

(4)如圖3(d),空氣間隔長度增加為1.5 m時(shí),空氣柱部位的巖體出現(xiàn)細(xì)長白色損傷區(qū),綠色中等損傷區(qū)顯著減小,藍(lán)色輕度損傷區(qū)面積擴(kuò)大,說明除孔壁附近外,其余大部分巖體區(qū)域難以達(dá)到巖石破壞條件。

由于ANSYS/LS-DYNA并未將爆生氣體的作用考慮在內(nèi),因此實(shí)際爆破過程中的破碎效果應(yīng)該優(yōu)于數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為了得到更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際依次選用1 m、1.5 m不同空氣間隔器進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗(yàn)。

4 現(xiàn)場爆破試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)概況

進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗(yàn)時(shí),固定孔排間距為6.5 m、5.0 m,對中部空氣間隔裝藥爆破方案采用調(diào)整空氣間隔長度為1.0 m、1.5 m,同時(shí)與原爆破方案效果進(jìn)行對比。數(shù)據(jù)的收集、處理采用現(xiàn)場拍照結(jié)合塊度分析軟件進(jìn)行。

4.2 結(jié)果與分析

采用split-desktop軟件統(tǒng)計(jì)爆破后的巖塊分布數(shù)據(jù)如表3所示,碎石粒徑累積曲線如圖4所示。其中礦石級配劃分參數(shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂(GB/T14684—2011)》[15],骨料粒徑采用國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14685—2011建筑用卵石和碎石》[16]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),此處直徑4.75 mm以下的礦石定義為粉礦。

圖4 不同爆破方案下碎石塊度分布曲線Fig. 4 Distribution curves under different blasting schemes

為評價(jià)爆破后碎石級配特性,除考慮粉礦率外,結(jié)合平均塊度尺寸d50、d80及不均勻系數(shù)Cu對篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,其計(jì)算公式如下

Cu=d60/d10

(4)

式中:d10為篩下重量占10%的粒徑;d60為篩下重量占60%的粒徑。

(1)如表3所示:隨著中部空氣間隔裝藥長度的增大,小于4.75 mm的粉礦占比逐漸降低。各爆破試驗(yàn)粉礦率由大到小依次為:原方案>1.0 m中部空氣間隔長度試驗(yàn)>1.5 m中部空氣間隔裝藥試驗(yàn)。該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)論一致。

(2)原爆破方案條件下小于4.75 mm的粉礦率為15.94%,1.0 m、1.5 m中部空氣間隔試驗(yàn)條件下粉礦率降低至13.31%、9.37%;爆堆平均塊度尺寸d50從原爆破方案26.5 mm分別增加至37.5 mm、53.0 mm。爆堆塊度尺寸d80從原爆破方案37.5 mm增加至63.0 mm、75 mm;不均勻系數(shù)Cu從原爆破方案11.22增加至15.89,隨后減少至11.15。不均勻系數(shù)Cu可以反映顆粒分布的不均勻程度,Cu越大時(shí)顆粒就越不均勻;

(3)綜上所述,當(dāng)中部空氣間隔裝藥長度采用1.5 m時(shí),現(xiàn)場爆破后小于4.75 mm的粉礦率可降低至9.37%,同時(shí)碎石級配均勻性得到改善[17]。

5 總結(jié)與展望

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際工況,采用ANSYS /LS-DYNA建立不同中部空氣間隔長度下的三孔爆破數(shù)值計(jì)算模型,通過對比不同爆破技術(shù)條件下巖體損傷面積與程度,得到采用中部空氣間隔長度為1m、1.5m時(shí),巖體爆破損傷范圍較小,損傷程度減輕,可以實(shí)現(xiàn)降低爆破粉礦率的目標(biāo)。

同時(shí),現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明采用1 m、1.5 m中部空氣間隔裝藥的措施降低爆破粉礦率是有效的。采用中部空氣間隔長度為1.5 m時(shí),可以提高平均巖塊尺寸d50、d80,降低爆破粉礦率與不均勻系數(shù)Cu,其爆破效果優(yōu)于原爆破方案及1.0 m中部空氣間隔方案。