復(fù)雜環(huán)境露天礦爆破參數(shù)優(yōu)化研究*

王冠,張寶崗,駱天,李振陽(yáng)

(1.北方礦業(yè)有限責(zé)任公司,北京 100053;2.北京奧信化工科技發(fā)展有限責(zé)任公司,北京 100040)

0 引言

露天礦臺(tái)階爆破作為露天開采工藝的重要一環(huán),爆破參數(shù)的合理性直接決定爆破安全、質(zhì)量及作業(yè)效率,影響后續(xù)鏟裝、運(yùn)輸作業(yè)的效率,爆破塊度的大小也直接影響后續(xù)選礦作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性,對(duì)露天礦山的安全及高質(zhì)量發(fā)展意義重大[1-4]。近年來(lái),大量學(xué)者對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究,饒運(yùn)章等[5]通過(guò)正交試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式等方法優(yōu)化了某露天礦爆破參數(shù);許名標(biāo)等[6]采用ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬得出了不同炮孔直徑對(duì)應(yīng)的理想爆破參數(shù);鄭位等[7]采用模糊聚類分析優(yōu)化了露天礦爆破參數(shù);張衛(wèi)中等[8]基于最優(yōu)傳遞矩陣改進(jìn)AHP法,研究獲得了露天礦最佳爆破參數(shù)。LK 露天銅鈷礦位于剛果(金)科盧韋齊市,礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,采場(chǎng)內(nèi)地下水極為豐富。隨著開采深度的逐漸增加,采坑涌水量也大幅增加,導(dǎo)致采坑排水壓力較大。由于坑底排水設(shè)備較多,且移動(dòng)不便,因此在爆破過(guò)程中對(duì)飛石控制要求較高。同時(shí),礦石區(qū)域的爆破對(duì)爆破塊度要求較高,因此,對(duì)采場(chǎng)底部礦石區(qū)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要意義。

1 工程概況

LK 礦區(qū)處于剛果(金)南東部的加丹加高原,海拔標(biāo)高在1470～1550 m 之間,地勢(shì)平坦,區(qū)內(nèi)僅有一些小山丘,最高海拔標(biāo)高為1535 m,北西部最低海拔標(biāo)高為1478 m,南東部最低標(biāo)高為1390 m。礦區(qū)所在地屬溫和熱帶草原氣候,每年11月至次年4月為雨季、5 月至10 月為旱季。年平均降雨量為1250 mm,最大瞬時(shí)雨量為80～100 mm。年平均蒸發(fā)量為1671 mm。LK 露天銅鈷礦采場(chǎng)臺(tái)階高度設(shè)計(jì)為12 m,礦石硬度較大,穿孔孔徑為152 mm,鉆機(jī)設(shè)備型號(hào)為阿特拉斯FD55,目前采場(chǎng)底部排水設(shè)備較多,且拆卸不便。

2 爆破參數(shù)方案優(yōu)化

礦區(qū)原設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)炮孔布置如圖1 所示。由圖1可知,相鄰排間的排距為4 m,孔間間距為5 m,起爆方式為間隔逐孔起爆,排間間隔25 ms,孔間間隔17 ms,起爆順序如箭頭所示,詳細(xì)的爆破參數(shù)見表1。

表1 原設(shè)計(jì)爆破參數(shù)

圖1 原炮孔布置

由于礦石裂隙孔洞發(fā)育,爆破后孔口區(qū)域飛石較多,在距離排水管路、電纜、水泵等設(shè)備較近的爆區(qū)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí),若仍采用原設(shè)計(jì)的爆破參數(shù),爆破產(chǎn)生的飛石勢(shì)必對(duì)排水管路、電纜及相關(guān)設(shè)備造成損傷,因此,需要增大填塞高度。但由于礦石較為堅(jiān)硬,若填塞高度過(guò)大,爆破產(chǎn)生的大塊率較高,將對(duì)后續(xù)鏟裝工作造成極大的不便。

此外,由于礦石裂隙、孔洞較多,鉆孔孔壁質(zhì)量極差,坑底涌水較大且均為水孔,爆破時(shí)選用混裝乳化炸藥。采用混裝乳化炸藥車進(jìn)行裝藥,將輸藥管插入炮孔底部進(jìn)行裝藥作業(yè),混裝乳化炸藥車裝藥效率高、安全性好?；煅b乳化炸藥裝入炮孔之后,需要一定的時(shí)間發(fā)泡才可以進(jìn)行填塞,但由于當(dāng)?shù)貑T工執(zhí)行力較差,采用分段裝藥不僅會(huì)極大地影響作業(yè)效率,而且容易在裝藥過(guò)程中出現(xiàn)安全質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí),剛果(金)當(dāng)?shù)胤梢?guī)定,裝藥作業(yè)完成當(dāng)天必須進(jìn)行爆破,對(duì)爆破作業(yè)效率要求較高。因此,本次研究提出了一種兼顧爆破作業(yè)效率與安全質(zhì)量的爆破參數(shù)設(shè)計(jì),即將原爆破參數(shù)調(diào)整為孔距、排距均為5 m,在4個(gè)孔中間增加1個(gè)淺孔的爆破設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化后的炮孔布置如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的炮孔布置

圖2中,圓圈表示孔深為13 m 的深孔,采用混裝乳化炸藥;菱形表示孔深為5 m 的淺孔,采用乳化藥卷,起爆順序與原方案相同。優(yōu)化后的詳細(xì)爆破參數(shù)見表2。

表2 原設(shè)計(jì)爆破參數(shù)

3 模型構(gòu)建與參數(shù)選擇

由于現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)施工耗時(shí)長(zhǎng),開展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)前,采用數(shù)值仿真分析開展優(yōu)化前后的方案爆破效果評(píng)估,對(duì)于指導(dǎo)礦山開展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義。因此,本文針對(duì)優(yōu)化前后的參數(shù),采用了LS-DYNA 開展了爆破仿真分析。

3.1 軟件及模型構(gòu)建

LS-DYNA 非線性有限元軟件是顯式動(dòng)力學(xué)軟件的理論先導(dǎo),該軟件以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法[9-10];以顯式求解為主,兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主,兼有熱分析、流體、電磁、流體-結(jié)構(gòu)等多物理場(chǎng)耦合功能。LS-DYNA 在隱式計(jì)算、S-ALE 流固耦合計(jì)算、DEM 離散元、NVH 分析、SPH 粒子法、EFG 無(wú)網(wǎng)格法、ICFD 不可壓縮流體及CESE 高速可壓縮流體計(jì)算、Peri-Dynamic算法等領(lǐng)域均有較多的應(yīng)用研究。

根據(jù)優(yōu)化前后的爆破參數(shù)方案,設(shè)置了如圖3所示的爆破邊界條件。

圖3 爆破邊界條件

3.2 炸藥材料模型

采用HIGH-EXPLOSIVE 模型來(lái)描述炸藥的本構(gòu)關(guān)系,并采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程(EOS)來(lái)描述炸藥體積膨脹與爆炸壓力之間的關(guān)系,JWL狀態(tài)方程如下[11-12]:

式中,P為炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟壓力;V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積,E0是爆轟產(chǎn)物的初始比內(nèi)能;A,B,R1,R2,ω為材料常數(shù)。

3.3 巖石材料模型

巖石材料模型采用RHT 本構(gòu)模型[13],該模型是由Riedel、Hiermaier和Thoma三名學(xué)者在HJC(Holmquist-Johnson-Cook) 模型的基礎(chǔ)上提出,引入了偏應(yīng)力張量第三不變量J3對(duì)破壞面形狀的影響,對(duì)材料應(yīng)變類型和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行定性判定,并通過(guò)屈服面、失效面和殘余強(qiáng)度面對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行描述。該模型也常應(yīng)用于巖石沖擊和爆破模擬損傷本構(gòu)模型計(jì)算。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

利用LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件分別對(duì)原始方案和優(yōu)化后的方案進(jìn)行模擬爆破分析,通過(guò)巖體損傷裂隙發(fā)育情況對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析。各方案模擬情況如圖4、圖5所示。

圖4 原始方案模擬爆破損傷裂隙發(fā)育情況

圖5 優(yōu)化后方案模擬爆破損傷裂隙發(fā)育情況

根據(jù)爆破破巖機(jī)理,巖石的爆破損傷主要是由于爆炸沖擊波傳遞至自由面產(chǎn)生了反向拉伸應(yīng)力波,從而導(dǎo)致了拉伸破壞。通過(guò)圖4和圖5可知,爆破時(shí)靠近自由面的位置由于反向拉伸應(yīng)力的作用,爆破損傷效果更為明顯,而越往后排礦體夾制作用越大,爆破損傷效果也越差。同時(shí)爆破時(shí),前排已爆炮孔又為后排炮孔提供了爆破自由面,因此在圖中相鄰段炮孔之間的損傷裂隙較為明顯。

對(duì)圖4和圖5分析可知,兩種方案的起爆順序基本一致,損傷裂隙擴(kuò)展情況也基本一致,而優(yōu)化后的方案爆破時(shí)在排間的損傷裂隙發(fā)育情況要明顯優(yōu)于原始方案,分析可能是由于中間淺孔的存在,為周圍深孔爆破提供了一定的自由面,從而實(shí)現(xiàn)了較好的爆破效果。

通過(guò)對(duì)比圖6兩種方案最終的爆破損傷云圖可知,原始方案雖然是采用了梅花型布孔,但是爆破時(shí)在排與排之間仍產(chǎn)生了較大面積弱損傷作用的三角區(qū)域。而優(yōu)化后的方案雖然是矩形布孔且增大了排間距,但通過(guò)在排與排之間設(shè)置淺孔爆破,淺孔的存在一定程度上為周圍深孔提供了爆破自由面,在較大程度上加大了排間的爆破損傷效果。

圖6 最終爆破損傷效果對(duì)比

綜合以上分析可知,從LS-DYNA 模擬爆破得到的結(jié)果來(lái)看,優(yōu)化后的方案爆破效果要明顯優(yōu)于原始方案。

5 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)區(qū)選取

LK 銅鈷礦礦床內(nèi)各礦體嚴(yán)格受R2地層內(nèi)的泥質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)片巖、白云巖、滑石巖、硅化白云巖控制,銅礦物基本沿層呈散點(diǎn)和沿層理的層紋狀分布。礦體頂、底板界線與圍巖較清晰,易于區(qū)分。圍巖與礦體成份基本相同,不同的是含銅、含鈷在數(shù)值的差異,即含銅、含鈷達(dá)到工業(yè)品位的稱為礦體,沒達(dá)到的稱為圍巖及夾石。本次爆破試驗(yàn)區(qū)位于PN 采場(chǎng)東部1410～1398 m 階段,礦石為含孔雀石白云巖,銅金屬礦物以孔雀石為主,常以條帶狀或集合體的形式產(chǎn)出,礦石硬度大,節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

5.2 爆破效果評(píng)價(jià)

圖7顯示了爆破參數(shù)優(yōu)化前及優(yōu)化后的現(xiàn)場(chǎng)爆破效果。由圖7可知,優(yōu)化前的爆破塊度均勻性較差,爆破飛石距離遠(yuǎn);優(yōu)化后的爆破塊度相對(duì)均勻,爆堆距離自由面近,僅有少許飛石,并且距離相對(duì)較近,不會(huì)對(duì)排水管道、電纜及設(shè)備造成損傷。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)爆破效果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)對(duì)比可知,與優(yōu)化前相比,優(yōu)化后的方案礦石塊度大幅降低,飛石得到了一定程度的控制。雖然穿孔及爆破器材成本稍有增加,但有效保障了當(dāng)天爆破作業(yè)的裝藥效率,避免了爆破飛石對(duì)排水設(shè)備的損壞,保障了礦山安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)論

由于LK 礦區(qū)采場(chǎng)涌水較大,排水設(shè)備不便拆卸,原設(shè)計(jì)參數(shù)在爆破過(guò)程中產(chǎn)生的飛石易對(duì)排水管道、電纜及設(shè)備造成損傷,因此,對(duì)LK 礦區(qū)爆破參數(shù)開展了優(yōu)化研究,主要研究結(jié)論如下。

(1) 在原設(shè)計(jì)爆破參數(shù)方法基礎(chǔ)之上,提出了將孔距、排距調(diào)整為5 m,并在相鄰排的4個(gè)炮孔中間增加1個(gè)淺孔的爆破參數(shù)方案。

(2) 采用LS-DYNA 對(duì)優(yōu)化前后的爆破參數(shù)方案開展了爆破過(guò)程的仿真分析,最終的爆破損傷云圖表明:優(yōu)化后的方案雖然增大了排間距,但通過(guò)排間設(shè)置淺孔,一定程度上為周圍深孔提供了爆破自由面,爆破損傷效果較好。

(3) 選取試驗(yàn)區(qū)開展了爆破參數(shù)優(yōu)化前后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),與優(yōu)化前試驗(yàn)效果相比,優(yōu)化后的方案礦石塊度大幅降低,飛石得到了一定程度的控制;雖然穿孔及爆破器材成本稍有增加,但有效保障了當(dāng)天爆破作業(yè)的裝藥效率,避免了爆破飛石對(duì)排水設(shè)備的損壞,保障了礦山安全、穩(wěn)定運(yùn)行。