白音諾爾露天坑底隔離礦柱爆破參數(shù)優(yōu)化研究①

費(fèi)鴻祿， 聶 寒， 楊智廣

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000）

白音諾爾鉛鋅礦采用崩落露天坑底隔離礦柱并采用扇形中深孔爆破的方法回采礦柱。 扇形中深孔爆破具有生產(chǎn)效率高、成本低、勞動作業(yè)安全等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外金屬礦山開采中［1-4］。 實(shí)際生產(chǎn)中，時常發(fā)生爆破參數(shù)選取不當(dāng)而造成爆破效果不理想的情況，其中炸藥單耗和排間延時是影響扇形中深孔爆破效果的兩個重要因素。 炸藥單耗和排間延時選取不當(dāng)會造成大塊率高、縮口嚴(yán)重等問題，這將嚴(yán)重增加二次破碎量，進(jìn)而增加開采成本，影響礦山實(shí)際收益，因此開展扇形中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究具有重要意義［5-9］。

本文采用ANSYS／LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件，對炸藥單耗和排間延時進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以選取適宜的炸藥單耗和排間延時，降低爆破大塊率，確保礦山生產(chǎn)效益。

1 材料參數(shù)

1.1 礦巖模型材料參數(shù)

對礦區(qū)內(nèi)巖石取樣為直徑50 mm、高100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，分別對其進(jìn)行密度測試、三軸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，確定礦巖密度為2 700 kg／m3、抗壓強(qiáng)度為9 MPa、抗拉強(qiáng)度為182.70 MPa、彈性模量60.56 GPa、泊松比為0.3。

礦巖模型采用MAT＿JOHNSON＿HOLMQUIST＿CONCRETE 模型，在中深孔爆破時，巖石是在高溫、高壓條件下瞬間產(chǎn)生大應(yīng)變而產(chǎn)生破壞，該模型能較好地表現(xiàn)巖石這種脆性材料在此條件下的受力狀態(tài)，具體材料參數(shù)見表1。

表1 巖石模型材料參數(shù)

1.2 炸藥模型材料參數(shù)

炸藥模型采用HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN 模型，并用JWL 狀態(tài)方程對其進(jìn)行定義：

式中A、B、R1、R2、ω均為炸藥材料常數(shù)；p為爆轟壓力，GPa；V為相對體積；E0為初始比內(nèi)能，J。

炸藥狀態(tài)方程材料常數(shù)和具體模型材料參數(shù)如表2 所示［10］。

表2 炸藥模型材料參數(shù)

1.3 礦巖材料屈服準(zhǔn)則

選擇Von Mises 屈服準(zhǔn)則判斷巖石是否破碎［11］。在巖石實(shí)際爆破過程中，靠近炮孔的區(qū)域?yàn)槠扑閰^(qū)，該區(qū)域的巖石主要以壓縮形式被破壞，破碎程度很高；其次是稍遠(yuǎn)離炮孔的區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槔褏^(qū)，不同方向的爆炸應(yīng)力波使巖石的破壞形式為拉裂破壞［12］，拉裂區(qū)易產(chǎn)生大塊，需在拉裂區(qū)布置記錄單元監(jiān)測該位置巖石是否發(fā)生破壞。

參考相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果［3］，礦巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度可表示為：

式中σtd為礦巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa；σt為礦巖的單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，得到礦柱礦巖單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度為9 MPa，根據(jù)礦巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度關(guān)系式，取礦巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度為54 MPa。

2 數(shù)值模擬及分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初選爆破參數(shù)為炸藥單耗0.96 kg／m3、1.06 kg／m3、1.16 kg／m3、1.26 kg／m3，排間延時50 ms、75 ms、100 ms、125 ms、150 ms。 先模擬不同單耗的爆破效果，分析孔底巖石在不同單耗爆破作用下的應(yīng)力、振速、損傷的大小，確定出最優(yōu)炸藥單耗，然后在最優(yōu)炸藥單耗條件下，改變排間延時進(jìn)行模擬，分析不利破碎區(qū)巖石在不同排間延時爆破作用下的應(yīng)力、損傷大小，確定最優(yōu)排間延時。

2.1 炸藥單耗數(shù)值模擬

2.1.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場概況和礦巖參數(shù)，采用ANSYS／LSDYNA 數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，選取第14 排的兩個相鄰炮孔作為研究對象，模型長10 m、寬4 m，孔底距2.5 m。 整體數(shù)值模型采用六面體網(wǎng)格劃分方法，用workbench 模塊的size 方法將網(wǎng)格加密，礦巖和炸藥的網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為0.08 m，模型上、下、左、右面均設(shè)置為無反射邊界。 總計算時間設(shè)置為0.02 s，總體采用流固耦合算法，炸藥設(shè)置為11 號ALE 算法，礦巖設(shè)置為1 號LAGRANGE 算法，模型單位制設(shè)置為m-kg-s。模型以單個起爆點(diǎn)為算例，起爆點(diǎn)設(shè)置在孔底位置。具體數(shù)值模型如圖1 所示。

圖1 炸藥單耗數(shù)值模擬模型

2.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

不同炸藥單耗模擬的應(yīng)力波傳播規(guī)律基本一致，在此僅展示具有代表性的炸藥單耗1.16 kg／m3的有效應(yīng)力隨時間變化的云圖，如圖2 所示。 爆炸應(yīng)力傳播過程大致可分為4 個階段：第1 階段，應(yīng)力產(chǎn)生，在200.60 μs 左右，炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在起爆點(diǎn)周圍擴(kuò)展，形成局部高應(yīng)力區(qū)，此時兩炮孔周圍的應(yīng)力還未疊加，處于相互獨(dú)立階段；第2 階段，應(yīng)力疊加，在907.37 μs左右，兩炮孔中間形成的局部高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，炮孔附近的高應(yīng)力區(qū)呈“W”狀，且隨著爆炸應(yīng)力波的傳播向孔口移動，炮孔底部的應(yīng)力開始逐漸衰減，高應(yīng)力區(qū)隨之減小，漸變?yōu)榈蛻?yīng)力區(qū)；第3 階段，應(yīng)力疊加區(qū)擴(kuò)大，在1 615.00 μs 左右，高應(yīng)力區(qū)繼續(xù)向孔口移動，但兩炮孔間疊加的高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展的范圍更廣，應(yīng)力也隨之變大，炮孔兩側(cè)的應(yīng)力波也逐漸擴(kuò)展至更遠(yuǎn)處；第4 階段，疊加應(yīng)力增大，在2 321.80 μs 左右，應(yīng)力波傳播到孔口，孔口及炮孔間疊加高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力顯著增大，炮孔兩側(cè)的高應(yīng)力區(qū)表現(xiàn)為翼狀向外擴(kuò)大。

圖2 炸藥單耗1.16 kg／m3 時有效應(yīng)力云圖

因?yàn)槠鸨c(diǎn)位于孔底位置，由以上應(yīng)力波的傳播規(guī)律可知，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波對炮孔底部的影響較小，保證孔底區(qū)域的礦巖能夠達(dá)到動態(tài)抗拉強(qiáng)度，則整體巖石均能充分破碎，從而減小爆破大塊巖石的產(chǎn)生。 為清楚地了解炮孔底部區(qū)域礦巖是否有效破碎，在數(shù)值模型中設(shè)置2 個記錄單元A（H104036）、B（H67630）來監(jiān)測各位置的有效應(yīng)力變化，結(jié)果如圖3所示。 其中，單元A 位于炮孔孔底連線的左側(cè)延長線上，單元B 位于炮孔孔底連線的中點(diǎn)，兩點(diǎn)距炮孔孔底距離相等。

圖3 炸藥單耗1.16 kg／m3 時有效應(yīng)力時程曲線

對不同炸藥單耗起爆時記錄單元A、B 的最大有效應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)如表3 所示。

由表3 可知，隨著炸藥單耗增加，記錄單元A、B 的最大有效應(yīng)力增大，炸藥單耗1.16 kg／m3和1.26 kg／m3時有效應(yīng)力均超過已測定的礦巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度54 MPa。

圖4 為不同炸藥單耗時單元A 振速圖，振速峰值隨著炸藥單耗增加而增大，其中炸藥單耗1.26 kg／m3時的振速峰值較炸藥單耗1.16 kg／m3時大，炸藥單耗過高不僅振動大，影響地面及地下安全，也增加成本。

圖4 不同炸藥單耗時記錄單元A 振速峰值

圖5 為4 種炸藥單耗對應(yīng)的損傷云圖。 可以看出，隨著炸藥單耗增大，巖石損傷面積增大，炸藥單耗1.16 kg／m3和1.26 kg／m3時，巖石整體損傷區(qū)很好地覆蓋了整個礦體，可以保證炮孔底部受力較小區(qū)域的巖石充分破碎，但考慮炸藥單耗過高會導(dǎo)致巖石過粉碎且爆破振動會增大，不僅會增加采礦貧化率，還會對采空區(qū)安全造成影響，因此在爆破塊度滿足設(shè)計要求，保證采空區(qū)安全穩(wěn)定條件下，為了降低成本、提高爆破效率，適宜的炸藥單耗為1.16 kg／m3。

圖5 不同炸藥單耗下的損傷云圖

2.2 排間延時數(shù)值模擬

2.2.1 建立數(shù)值模型

選取第14 排和第15 排相鄰的兩個平行炮孔作為研究對象，為了簡化模型，將炮孔設(shè)置為方形，模型長4 m、寬2 m，炮孔排間距2 m。 采用workbench 模塊的size 方法劃分模型，巖石和炸藥的網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為0.04 m，模型左邊為自由面，上、下、右面設(shè)置為無反射邊界條件。 計算時間設(shè)置為0.2 s，總體采用流固耦合算法，炸藥設(shè)置為11 號ALE 算法，巖石設(shè)置為1 號LAGRANGE 算法，模型單位制設(shè)置為m-kg-s。 具體數(shù)值模型如圖6 所示。

圖6 排間延時數(shù)值模擬模型

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

不同排間延時模擬的應(yīng)力波傳播規(guī)律大致相同，在此僅展示排間延時100 ms 不同時刻有效應(yīng)力云圖，如圖7 所示。

圖7 排間延時100 ms 時有效應(yīng)力云圖

圖7（a）～（e）為第14 排炮孔從起爆到應(yīng)力衰減的過程；圖7（f）～（j）為第15 排炮孔從起爆到應(yīng)力衰減的過程。 圖中炮孔附近呈現(xiàn)深顏色的區(qū)域?yàn)閹r石破碎區(qū)域。 0.13 μs 時第14 排炮孔起爆，應(yīng)力波呈現(xiàn)規(guī)則圓形向四周擴(kuò)散，這是由于模型假設(shè)為均質(zhì)材料；0.63 μs 時應(yīng)力波經(jīng)左側(cè)自由面反射，呈現(xiàn)為右側(cè)出現(xiàn)弧形低應(yīng)力區(qū)，隨后應(yīng)力波與反射應(yīng)力波持續(xù)疊加并擴(kuò)散；100.20 μs 時，第15 排炮孔起爆，應(yīng)力波與第14 排炮孔應(yīng)力波傳播規(guī)律相似，呈現(xiàn)規(guī)則圓形，并向四周擴(kuò)散，此時第14 排炮孔爆炸應(yīng)力波已經(jīng)衰減；100.49 μs 時應(yīng)力波與第14 排炮孔爆炸殘余應(yīng)力波疊加，并持續(xù)向左側(cè)自由面方向推進(jìn)，呈現(xiàn)為漣漪狀應(yīng)力波，隨后應(yīng)力波衰減，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛻?yīng)力區(qū)。

在扇形中深孔爆破中采用交錯布孔方式時，炮孔呈三角形分布的情況很常見。 根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論［13］，采用這種布孔方式爆破時存在兩個巖石不利破碎區(qū)：第一個不利破碎區(qū)是爆破漏洞母線相交的后部三角區(qū)，第二個不利破碎區(qū)是第2 排炮孔排線與第1 排炮孔弧形等值抵抗線所圍成的區(qū)域。 詳見圖8。 不利破碎區(qū)的巖石應(yīng)力達(dá)到了動態(tài)抗拉強(qiáng)度，即代表整個巖體可以有效破碎。

圖8 三角形布孔不利破碎區(qū)

在不利破碎區(qū)內(nèi)部共選取了3 個記錄單元分析不利破碎區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，分別為A（H12048）、B（H16091）、C（H16405），單元A、C 分別位于兩炮孔正上方0.9 m處，單元B 位于A、C 點(diǎn)連線的中心。 為了清楚地了解不利破碎區(qū)的應(yīng)力變化，通過LS-PrePost 軟件獲取排間延時100 ms 時記錄單元A、B、C 的有效應(yīng)力時程曲線如圖9 所示。

圖9 排間延時100 ms 時有效應(yīng)力時程曲線

通過分析記錄單元最大有效應(yīng)力與礦巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度來說明礦巖的整體破碎效果。 當(dāng)記錄單元最大有效應(yīng)力超過礦巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度時，礦巖整體破碎效果良好，反之則表明礦巖不能得到有效破碎，產(chǎn)生大塊的可能性較大。 不同排間延時記錄單元A、B、C 的最大有效應(yīng)力如表4 所示。

表4 不同排間延時記錄單元最大有效應(yīng)力

由表4 可知，記錄單元A、B、C 的最大有效應(yīng)力隨著排間延時增加而減小。 排間延時125 ms 和150 ms時，記錄單元B 的最大有效應(yīng)力未達(dá)到礦巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度54 MPa，無法使巖石整體得到有效破碎，由此可知，排間延時過大會導(dǎo)致巖石受到的應(yīng)力減?。慌砰g延時50 ms、75 ms 和100 ms 時，記錄單元A、B、C 的最大有效應(yīng)力均大于礦巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度54 MPa，其中排間延時50 ms 和75 ms 時，記錄單元C 的最大有效應(yīng)力分別為98.1 MPa 和91.2 MPa，遠(yuǎn)大于礦巖的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，使礦巖過粉碎而增加采礦貧化率。 排間延時100 ms 時，記錄單元A、B、C 的最大有效應(yīng)力分別為80 MPa、58.1 MPa、83.5 MPa，滿足設(shè)計要求，礦巖破碎均勻，既減少了大塊的產(chǎn)生，也沒有使礦巖過于粉碎。

圖10 為不同排間延時對應(yīng)的損傷云圖。 可以看出，首先起爆的炮孔損傷面積變化較小，對應(yīng)記錄單元A的最大有效應(yīng)力變化較小，隨著排間延時增加，后起爆的炮孔對巖石造成的損傷面積呈逐漸減小的趨勢。 其中，排間延時100 ms 時，損傷面積滿足設(shè)計要求，也可驗(yàn)證適宜的排間延時為100 ms。

圖10 不同排間延時下的損傷云圖

3 單耗和排間延時優(yōu)化效果

3.1 優(yōu)化爆破參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)

將炸藥單耗1.16 kg／m3和排間延時100 ms 同時應(yīng)用于現(xiàn)場爆破。 爆破地點(diǎn)位于白音諾爾鉛鋅礦南礦帶東部，F(xiàn)2 斷層?xùn)|側(cè)73 ～97 勘探線、1 128 ～654 m 標(biāo)高間。 爆破采用2 號巖石乳化炸藥，起爆網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)電子雷管孔內(nèi)微差起爆網(wǎng)絡(luò)。

總體爆破方法為扇形中深孔爆破，為實(shí)現(xiàn)炸藥爆炸能量分布均勻，采用交錯布孔的方式，實(shí)施空間交錯裝藥結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)為孔交錯和排交叉的布孔形式［14］，如圖11 所示。 由于篇幅有限，選擇第14、15 排兩個相鄰排炮孔布置和裝藥結(jié)構(gòu)，如圖12 所示，其中T 表示透孔。 14 ～23 排炮孔爆破參數(shù)統(tǒng)計如表5 所示。 現(xiàn)場爆破的爆堆如圖13 所示。

圖11 扇形交錯布孔

圖12 炮孔布置和裝藥結(jié)構(gòu)

圖13 現(xiàn)場爆破爆堆

表5 爆破參數(shù)統(tǒng)計表

3.2 爆破塊度分析

根據(jù)礦山生產(chǎn)溜井的格篩大小對爆破大塊率進(jìn)行評價，礦山生產(chǎn)溜井的格篩規(guī)格為2 m×2 m，當(dāng)?shù)V石體積大于8 m3時可定義為大塊。 現(xiàn)場爆破完成后，礦石大塊率較低，塊度大小適中，爆破效果良好。 對爆破后的爆堆照片采用塊度分析軟件Split-Desktop 4.0 進(jìn)行分析處理，設(shè)置礦石直徑2 m 為標(biāo)準(zhǔn)大小，得到爆破塊度統(tǒng)計結(jié)果見表6。 礦山以往大塊率約8%，采用優(yōu)化爆破參數(shù)后大塊率降到4.34%。

表6 爆破大塊率統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié) 論

1） 以往現(xiàn)場爆破產(chǎn)生大塊是扇形中深孔爆破交錯布孔方式的低應(yīng)力區(qū)及不利破碎區(qū)內(nèi)的Von Mises有效應(yīng)力峰值低于礦巖動態(tài)抗拉強(qiáng)度造成該區(qū)域礦巖無法有效破碎。

2） 在低應(yīng)力區(qū)及不利破碎區(qū)設(shè)置記錄單元，通過分析不同炸藥單耗和不同排間延時數(shù)值模擬應(yīng)力波傳播過程以及記錄單元有效應(yīng)力云圖、有效應(yīng)力峰值和損傷云圖，確定適宜的炸藥單耗為1.16 kg／m3、排間延時為100 ms。

3） 通過改善炸藥單耗和排間延時，同時應(yīng)用于現(xiàn)場，實(shí)際爆破后破碎效果良好，塊度適中，有效降低了爆破大塊率。