劉景山

(招遠(yuǎn)市中礦金業(yè)股份有限公司羅山金礦)

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羅山金礦拱形光面控柱技術(shù)及其效果機(jī)理

劉景山

(招遠(yuǎn)市中礦金業(yè)股份有限公司羅山金礦)

摘要羅山金礦拱形光面控柱技術(shù)的應(yīng)用，有效降低采場大塊率，壁面較平整，同時降低了浮石，增加了安全性，降低了支護(hù)成本?；诔Ｒ?guī)爆破與拱形光面控柱技術(shù)爆破的時空模擬結(jié)果，從3個方面解釋了光面爆破效應(yīng)決策因素。結(jié)果表明：光面爆破的能量有效使用率高、應(yīng)力與擾動較小。

關(guān)鍵詞光面控柱技術(shù)大塊率支護(hù)成本光面爆破

1采礦工藝

羅山金礦屬玲瓏金礦床的一支，為171#礦脈的一部分，礦體平均厚60 m，傾角38°～50°，走向NE45°，中等穩(wěn)固[1]。結(jié)合礦體產(chǎn)狀及環(huán)境特征，應(yīng)用盤區(qū)式機(jī)械化上向水平分層充填法回采。中段高度40 m，每中段5個盤區(qū)，每盤區(qū)6個采場，采場平均寬8 m，礦柱平均厚4 m，一次性落礦高度1.8～2 m，控頂高度4.5 m，采場充填結(jié)束后留2～2.2 m高度空間。采場參數(shù)布置見圖1。

圖1　采場布置示意

2拱形光面控柱爆破技術(shù)

隨著淺部資源的逐步消耗，資源回采逐步邁向深部，隨著采深的增加，采場礦壓增大，同時由于局部節(jié)理發(fā)育，個別地段出現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象。為提高采場頂板穩(wěn)定性，較少浮石，現(xiàn)場設(shè)計(jì)出拱形光面控柱采礦技術(shù)，應(yīng)用光面爆破技術(shù)[2-3]形成光面拱型控柱技術(shù)，以提高綜合效益，增加安全性，減少貧損及支護(hù)成本。炮孔對稱布置，分3排爆破，自上而下依次為光面孔、控制孔、爆破孔，爆破時上向依次爆破。應(yīng)用間隔及不耦合裝藥，爆破孔與控制孔裝藥長度為60%，光面孔孔口與孔底分別裝1管炸藥?，F(xiàn)場檢驗(yàn)效果表明，拱形光面控柱爆破技術(shù)具有采場塊度較好、頂板邊幫完整、浮石較少等優(yōu)點(diǎn)。炮孔布置見圖2。

圖2　拱形光面控柱爆破結(jié)構(gòu)

3拱形光面控柱爆破效果機(jī)理

3.1模型建立

根據(jù)回采爆破參數(shù)，基于LS-DYNA[4-5]軟件建立了由炸藥、礦石、覆巖組成等比例的準(zhǔn)二維模型，模型采用六面體單元，共用節(jié)點(diǎn)算法，如圖3所示。為描述無限巖體的情形，在模型上部與兩側(cè)均施加無反射邊界，模型底部為自由面，準(zhǔn)二面施加對稱約束。

圖3　有限元單元網(wǎng)格

3.2材料參數(shù)3.2.1礦巖參數(shù)

礦體材料選用塑性隨動模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，主要物理參數(shù)見表1。

表1　礦巖主要物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2炸藥參數(shù)

選用高能炸藥模型(MAT HIGH EXPLOSIVE BURN)，結(jié)合描述爆轟產(chǎn)物壓力、體積的JWL狀態(tài)方程計(jì)算爆轟過程中的壓力。JWL狀態(tài)方程可表示為

式中,ρ為壓力，GPa；V為相對體積；E0為初始內(nèi)能密度，GJ/m3；A、B、R1、R2、ω等參數(shù)由試驗(yàn)確定。

本研究確定的炸藥參數(shù)見表2。

表2　炸藥參數(shù)

對于光爆層，為減小裝藥量，炸藥密度改為600 kg/m3。

3.3應(yīng)力時程分析

爆炸過程的應(yīng)力時程變化情況見圖4、圖5。由圖4、圖5可知：常規(guī)參數(shù)下，各炮孔彼此間的應(yīng)力場較獨(dú)立，對上層回采擾動較大，自由面較不規(guī)整，而采用光面爆破[6-8]的光爆層彼此貫通，形成了完整的拉裂隙，上層回采自由面較平整。

圖4　常規(guī)應(yīng)力時程變化

圖5　光面爆破應(yīng)力時程變化

上層未采礦體受爆破應(yīng)力的影響較大，圖6為采礦體典型單元等效應(yīng)力的時程分布情況。由圖6可知，3段爆破分別引起各自峰值，然后應(yīng)力逐漸衰減，彼此未出現(xiàn)明顯干擾，25 ms微差足以為后段爆破形成新的自由面，3段爆破中，尾段對上層礦體擾動最大，最大有效應(yīng)力超過200 MPa，接近巖石的動態(tài)抗壓強(qiáng)度。

3.4眉線應(yīng)力分布規(guī)律

分別記錄上層礦體炮孔正上方和2個炮孔中心單元的最大等效應(yīng)力，依次分析其沿眉線的分布規(guī)律，記錄位置見圖7，各單元最大等效應(yīng)力分布見表3。由表3可知：采用常規(guī)參數(shù)的最大等效應(yīng)力大于光爆參數(shù)，這是由于在常規(guī)參數(shù)下，炮孔均采用連續(xù)裝藥，裝藥線密度較大，對上層礦體應(yīng)力擾動較大，而光爆層的炮孔采用不耦合裝藥，藥量較小，釋放能量較均勻且較小。與此同時，由于相鄰兩炮孔應(yīng)力波發(fā)生疊加，炮孔連線中點(diǎn)上方的等效應(yīng)力大于炮孔正上方的應(yīng)力。

圖6　等效應(yīng)力時程

圖7　單元位置

表3各單元最大等效應(yīng)力

MPa

將煤孔正上方和連線中點(diǎn)上方的應(yīng)力視為應(yīng)力差異典型單元，進(jìn)而得到眉線的應(yīng)力分布規(guī)律，見圖8。由圖8可知：光面爆破的眉線應(yīng)力較常規(guī)爆破小，且更為均勻，應(yīng)力波動性顯著減少，眉線破壞較少，從而導(dǎo)致其半孔率更高。

圖8　眉線應(yīng)力分布規(guī)律

4結(jié)語

為探究羅山金礦拱形光面控柱技術(shù)的效果機(jī)理，采用LS-DYNA軟件對常規(guī)爆破與拱形光面控柱

技術(shù)爆破進(jìn)行了模擬分析，分別從應(yīng)力時程曲線、等效應(yīng)力、眉線應(yīng)力分布規(guī)律等3個方面對光面爆破效果的優(yōu)越性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：①光面爆破層的密布炮孔導(dǎo)致最后1段爆破的爆破層彼此貫通，形成了完整的拉裂隙，上層回采自由面較平整；②光面爆破的裝藥結(jié)構(gòu)使得爆破能量的相互作用更為合理， 爆炸能力均勻，且振動偏小，對非爆破體的擾動與破壞較??；③光面爆破的眉線應(yīng)力分布較均勻，且眉線應(yīng)力較常規(guī)爆破顯著偏低，故產(chǎn)生眉線破壞較少，半孔率更高，爆破面更平整。

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(收稿日期2015-12-28)

劉景山(1972—)，男，副礦長，助理工程師，265400 山東省招遠(yuǎn)市城南東區(qū)。