張世琛，茍瑞君，馬震宇，武敬博，楊文升

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

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露天深孔臺(tái)階爆破參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

張世琛，茍瑞君，馬震宇，武敬博，楊文升

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要:為解決實(shí)際工況中易出現(xiàn)的大塊率高和根底較多的問(wèn)題，基于寬孔距、 小排距的爆破機(jī)理選取新的孔距a1=13 m，排距b1=4 m，利用ANSYS LS-DYNA軟件對(duì)改良布孔前后的爆破過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，并研究了孔中、 孔底和二者同時(shí)起爆共三種起爆方式下巖體不同部位的應(yīng)力變化. 模擬結(jié)果表明： 采用新的孔網(wǎng)參數(shù)可以加強(qiáng)爆轟產(chǎn)物對(duì)巖體的破壞作用； 針對(duì)頂部易出現(xiàn)大塊巖體問(wèn)題，采用孔底起爆具有良好效果； 針對(duì)底部易出現(xiàn)較多巖體的問(wèn)題，宜采取孔中、 孔底同時(shí)起爆的方式.

關(guān)鍵詞:臺(tái)階爆破； 深孔爆破； 孔網(wǎng)參數(shù)； 起爆方式

露天深孔臺(tái)階爆破是當(dāng)前剝離、 開(kāi)采露天礦山的主要手段，合理適用的爆破方案可以在很大程度上使經(jīng)濟(jì)效益最大化，同時(shí)也方便后續(xù)的開(kāi)采、 運(yùn)輸工作. 由于礦山爆破工程巨大，不便根據(jù)需求頻繁試驗(yàn)爆破參數(shù)，因此通常運(yùn)用軟件輔助來(lái)模擬不同情況以得到最優(yōu)參數(shù). 寬孔距、 小排距爆破最先由瑞典人U·Langfous提出，主要是在保持炮孔負(fù)擔(dān)面積不變的前提下加大孔距、 減小排距，即增大密集系數(shù)[1]. 余仁兵等[2]模擬研究了不同孔徑的孔網(wǎng)參數(shù)及其爆破效果，結(jié)果表明當(dāng)孔徑和孔網(wǎng)參數(shù)相匹配時(shí)爆破效果最好. 張杰和王洋[3]采用LS-DYNA軟件模擬了不同起爆方式的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)在深孔爆破中起爆方式不同所引起巖石內(nèi)部應(yīng)力分布和和變化規(guī)律的差別較大，模擬結(jié)果認(rèn)為在深孔爆破時(shí)，藥柱中心起爆效果較好. 周楠等[4]利用LS-DYNA軟件針對(duì)臺(tái)階爆破不同起爆方式進(jìn)行了研究，結(jié)果表明臺(tái)階爆破的最佳起爆方式為全藥柱同時(shí)起爆方式，其次為中間起爆和兩端起爆方式，而不適宜采用孔底起爆方式. 張?jiān)迄i等[5]研究表明，超深存在最佳臨界值，并得到了臨界超深的范圍，對(duì)實(shí)際工程實(shí)踐設(shè)計(jì)具有參考作用.

本文主要針對(duì)當(dāng)前礦山開(kāi)采中常見(jiàn)的大塊和根底問(wèn)題，借鑒某礦工程實(shí)況所選取的孔距、 排距以及起爆方式進(jìn)行了LS-DYNA軟件模擬，根據(jù)寬孔距、 小排距爆破機(jī)理，對(duì)孔距、 排距進(jìn)行了改進(jìn)； 在確定優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)后，分別選取了不同的起爆方式進(jìn)行了模擬. 根據(jù)模擬結(jié)果，得出了較優(yōu)的布孔設(shè)計(jì)與起爆方式，模擬結(jié)果對(duì)今后的工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義.

1模型與計(jì)算參數(shù)

1.1實(shí)際工況

某鐵礦山實(shí)際工況如表 1.

表 1　礦山實(shí)際工況參數(shù)

圖 1 為三角布孔示意圖，本文選取3個(gè)炮孔構(gòu)成的三角形為一個(gè)單元進(jìn)行研究.

圖 1　三角形布孔及模擬單元區(qū)域Fig.1　Triangle hole pattern and element region

如圖 2 所示，所得到的爆破效果不太理想，有部分根底與大塊.

圖 2　某礦山實(shí)際爆破效果Fig.2　The actual effect of a Mine Blasting

1.2排距、 孔距優(yōu)化

當(dāng)寬孔距爆破時(shí)，孔距的增大可以延緩炮孔連心線處的應(yīng)力疊加. 隨著m值增大，同排炮孔爆破可近似視為單孔爆破，前排為后排創(chuàng)造了類似弧形的臨空面，使得后排炮孔類似多面臨空爆破，可得到較好的效果[6]. 理想狀況下，任意單個(gè)炮孔與其周圍的炮孔等距(如圖 3)時(shí)，此時(shí)密集系數(shù)為

(1)

從受力分析來(lái)看，該結(jié)構(gòu)可保證巖體受力均勻，且同一行的炮孔間不會(huì)發(fā)生貫穿，避免了爆生氣體從因孔距過(guò)近而產(chǎn)生的貫通裂隙中提前逸出，改善了大塊率. 因此，本文選取120° 鈍角三角形作為一個(gè)爆破單元.

根據(jù)寬孔距、 小排距爆破機(jī)理，改孔前后保持炮孔負(fù)擔(dān)面積不變，本例中炮孔負(fù)擔(dān)面積為

(2)

聯(lián)立式(1), (2)求值并取整，得改孔之后a1=13 m，b1=4 m.

圖 3　理想狀況下的布孔方式Fig.3　Hole arrangement mode under ideal conditions

1.3模擬參數(shù)

模型中含有炸藥、 空氣、 巖石和填塞物4種材料，為保證最優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文中填塞物與巖石選取同一種材料. 模型選用實(shí)體單元3D-SOLID164，利用體分割技術(shù)在炸孔周圍進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分，其余部分采用映射網(wǎng)格劃分. 巖土結(jié)構(gòu)包含50 580 個(gè)單元.

空氣模型尺寸為20 m×15 m×20 m(長(zhǎng)×寬×高，下同)； 巖土模型尺寸為18 m×12 m×18 m，置于空氣場(chǎng)中； 炸藥柱半徑為31 cm，總高度為10.5 m，填塞高度為7.5 m.

設(shè)定孔距、 排距分別為a=9 m，b=6 m的工況為對(duì)照組，優(yōu)化后分別為a1=13 m，b1=4 m. 巖土模型隨之調(diào)整為28 m×8 m×18 m，空氣模型增大為30 m×15 m×20 m，為保證計(jì)算穩(wěn)定，藥柱規(guī)格和填塞高度同上.

炸藥的爆生氣體直接作用于巖石，若采用Lagrange接觸算法，不能保證炸藥和巖石之間的正常接觸； 且炸藥爆炸屬于大畸變過(guò)程，為避免負(fù)體積，保證運(yùn)算的順利進(jìn)行，炸藥和空氣采用多物質(zhì)ALE算法，巖石和填塞物采用Lagrange算法，將其置于歐拉場(chǎng)中進(jìn)行流固耦合. 數(shù)值模擬采用cm-g-μs單位制，總計(jì)算時(shí)間為105μs.

炸藥采用耦合裝藥，起爆點(diǎn)有底部、 中部及二者同時(shí)起爆3種方式. 建模時(shí)采用全尺寸建模. 為消除模型邊界對(duì)應(yīng)力波的反射影響，模型的外表面和上表面采用透射邊界. 采用的乳化炸藥及巖石參數(shù)如表 2 和表 3.

表 2　乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表 3　巖石的力學(xué)參數(shù)

2模擬結(jié)果及分析

根據(jù)工程實(shí)踐可知，露天礦山深孔爆破大塊產(chǎn)生的位置主要在臺(tái)階頂部、 坡面和底部以及地質(zhì)條件特殊的區(qū)段等. 根據(jù)巖石爆破破碎機(jī)理，巖石破壞是爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣體綜合作用的結(jié)果. 爆炸沖擊波(應(yīng)力波)使巖石產(chǎn)生裂隙，并將原始損傷裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展； 隨后爆炸氣體使這些裂隙貫通、 擴(kuò)大形成巖塊，脫離母巖[7]. 因此，可通過(guò)分析應(yīng)力波的數(shù)值及變化趨勢(shì)來(lái)觀察爆炸應(yīng)力波對(duì)巖石剪切和拉伸作用強(qiáng)弱的變化. 忽略巖體地質(zhì)條件的不確定性，應(yīng)力在巖體內(nèi)部分布不均勻?qū)е虏糠謳r體所受應(yīng)力值過(guò)小，達(dá)不到破碎的閾值，因而產(chǎn)生較多的大塊和根底，爆破效果不理想.

2.1未改變布孔方式的模擬效果

圖 4 為依據(jù)某礦現(xiàn)用參數(shù)的模擬結(jié)果，圖中灰色部分表示巖體發(fā)生了應(yīng)力變化. 圖 4(a)、圖4(b) 分別為起爆初期炮孔周圍巖體的應(yīng)力值和該應(yīng)力的最大值. 從圖中可以看出，炮孔孔底起爆后，爆炸產(chǎn)物對(duì)周圍巖體開(kāi)始作用，巖體所受應(yīng)力不斷加強(qiáng)，達(dá)到最大值后，相鄰兩排炮孔之間仍未觀測(cè)到明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，即此處巖體未受到足夠的應(yīng)力作用，導(dǎo)致破壞不充分，因而易產(chǎn)生根底和大塊.

圖 4　a=9 m，b=6 m時(shí)巖體應(yīng)力變化Fig.4　Compressive stress of rocks at a=9 m, b=6 m

2.2新布孔方式對(duì)爆破效果的影響

圖 5 為優(yōu)化后的應(yīng)力變化圖. 通過(guò)與圖4對(duì)比可以看出，優(yōu)化后，相鄰兩排炮孔之間出現(xiàn)弧形應(yīng)力集中區(qū)域，為后排炮孔起爆產(chǎn)生了新的彎梁臨空面.

圖 5　a1=13 m，b1=4 m巖體應(yīng)力變化Fig 5　Compressive stress of rock at a1=13 m, b1=4 m

圖 6(a)、 6(b)、 6(c)分別為參數(shù)改變前后(分別定義為曲線1、 曲線2)巖體中炮孔中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、 頂部巖體表面易出現(xiàn)大塊部位點(diǎn)B和底部巖體表面易出現(xiàn)根底部位點(diǎn)C的應(yīng)力時(shí)程圖. 根據(jù)圖6(a)所示的改孔前后孔中心有效應(yīng)力峰值可以得出當(dāng)采用寬孔距、 小排距方式爆破時(shí)，孔中心有效應(yīng)力峰值達(dá)到105 MPa，約為未改變布孔方式的3倍； 分析圖6(b)、 圖6(c)，B點(diǎn)有效應(yīng)力峰值達(dá)到近20 MPa，是改孔前的4倍，而C點(diǎn)峰值達(dá)到近30 MPa，是改孔前的3倍. 作用在抗彎剛度較低的彎梁結(jié)構(gòu)時(shí)，更大的有效應(yīng)力使得爆轟波對(duì)巖石的剪切和拉伸作用進(jìn)一步增強(qiáng).

圖 6　各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程Fig.6　Stress-time curve at various points

在實(shí)際生產(chǎn)中，孔距較小有可能導(dǎo)致同一排上的炮孔之間出現(xiàn)提前貫穿的現(xiàn)象，該現(xiàn)象發(fā)生時(shí)同排炮孔之間的巖石被爆炸沖擊波貫通，形成了泄壓空間，爆轟波在此提前衰減，斷口部分產(chǎn)生稀疏波，導(dǎo)致作用在其它方向的爆炸壓力減小，造成的后果是貫穿區(qū)域的巖石粉碎，而其余方向由于應(yīng)力不足，無(wú)法形成有效的裂隙，極有可能出現(xiàn)大塊.

大孔距小排距爆破中，因?yàn)榭拙嘣龃笫沟猛排诳组g應(yīng)力波的共同作用變小，有效減少了提前貫穿的發(fā)生，能量得以充分利用. 根據(jù)以成梁假設(shè)為基礎(chǔ)的寬孔距爆破破碎機(jī)理,寬孔距條件下相當(dāng)于單個(gè)炮孔起爆，炮孔前方所爆巖體的抗彎剛度大大降低，在相同的外力作用下，巖石更容易破碎. 前一個(gè)炮孔爆破給后一個(gè)炮孔形成了新的自由面，使后排孔近似于多臨空面爆破，更有利于巖石粉碎[8-9]，因此寬孔距小排距爆破巖石效果更好.

采取新的布孔方式，爆破應(yīng)力波和爆炸氣體在巖體內(nèi)部作用時(shí)間變長(zhǎng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)的改變使爆轟產(chǎn)物對(duì)巖體的破壞效果加強(qiáng). 從而可以有效地降低巖石頂部的大塊和底部的根底.

2.3起爆方式對(duì)爆破效果的影響

在炮孔連續(xù)耦合裝藥的情況下，若起爆位置不同，則炸藥爆炸生成的爆轟產(chǎn)物與應(yīng)力波在巖體中作用時(shí)間與能量損耗會(huì)不同[10]，從而產(chǎn)生大塊的部位也就不相同. 目前，礦山爆破起爆方式主要采用反向起爆即孔底起爆，爆轟產(chǎn)物由孔底向孔口傳播，由于炮孔周圍巖石的約束作用，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波與爆生氣體全部作用在巖石內(nèi)部，避免爆轟產(chǎn)物部分向孔外擴(kuò)散造成的能量迅速散失，從而提高了能量利用率，因此可有效減少根底與大塊.

采用優(yōu)化后的布孔方式研究不同起爆方式對(duì)巖體的破碎效果，模擬結(jié)果如圖 7、 圖 8 所示. 圖中線1、 2、 3分別代表了孔底起爆、 孔中起爆以及孔底和孔中同時(shí)起爆，圖7、 8分別選取易出現(xiàn)大塊的巖體頂部和易出現(xiàn)根底的巖體底部的邊緣位置的典型單元進(jìn)行監(jiān)測(cè).

圖 7　頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程圖Fig.7　Stress-time curve at top observation point

如圖 7 所示，3種起爆方式的有效應(yīng)力峰值分別為19.23 MPa，16.15 MPa，16.64 MPa. 通過(guò)對(duì)比可以看出，孔底起爆產(chǎn)生的有效應(yīng)力峰值最大. 孔底起爆時(shí)，向自由面?zhèn)鞑サ谋Z波經(jīng)過(guò)多次疊加強(qiáng)度增高，則切線方向拉應(yīng)力隨之增高，巖石的徑向裂縫增多； 那么在自由面形成的高強(qiáng)度的反射波會(huì)使巖石片落，并擴(kuò)張?jiān)缙诘牧芽p. 孔中起爆時(shí)，起爆點(diǎn)與自由面的距離較近，減少了應(yīng)力波的疊加次數(shù)，造成頂部巖石爆破不充分，形成大塊. 由此可見(jiàn)，孔底起爆時(shí)，爆轟產(chǎn)物在巖體內(nèi)作用效果較好，能量損耗較小，針對(duì)頂部出現(xiàn)的大塊問(wèn)題，采用孔底起爆具有良好效果.

如圖 8 所示，3種起爆方式的有效應(yīng)力峰值分別為22.80 MPa，43.76 MPa，55.80 MPa. 通過(guò)對(duì)比可以看出，孔中、 孔底同時(shí)起爆產(chǎn)生的有效應(yīng)力峰值是孔底起爆的2.5倍. 兩點(diǎn)同時(shí)起爆時(shí)，底面爆點(diǎn)引爆炸藥，先行對(duì)巖石底部產(chǎn)生作用，沖擊波在與巖石碰撞后發(fā)生反射[11]，同時(shí)孔中爆炸產(chǎn)生的爆轟波向四周傳播，當(dāng)向下傳播的那一部分與前述反射波疊加后，進(jìn)一步對(duì)底部巖體產(chǎn)生了沖擊，形成了更多的裂隙. 所以針對(duì)底部易出現(xiàn)根底的問(wèn)題，宜采取孔中、 孔底同時(shí)起爆的方式.

圖 8　底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程Fig.8　Stress-time curve at bottom observation point

3結(jié)論

1) 采用寬孔距、 小排距方式爆破，加強(qiáng)了爆轟產(chǎn)物對(duì)巖石的剪切和拉伸作用，同時(shí)增加了其在巖體內(nèi)的作用時(shí)間，可以有效地減少巖石爆破大塊.

2) 由于地質(zhì)條件的不同，巖體不同位置的爆破難易程度不同，針對(duì)頂部難爆的巖體，選取孔底起爆； 而在底部易出現(xiàn)根底的巖體，選取孔中、 孔底同時(shí)起爆，這樣可以有效減少大塊與根底.

由于地質(zhì)情況的特殊原因存在不確定因素，因此，在進(jìn)行礦山爆破前，必須進(jìn)行爆區(qū)探測(cè)以及爆破漏斗試驗(yàn)，從而確定合理的爆破參數(shù)，以獲得最佳爆破效果.

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Parameters Optimized Design of Open Deep-Hole Bench Surface Blasting

ZHANG Shi-chen, GOU Rui-jun, MA Zhen-yu, WU Jing-bo, YANG Wen-sheng

(School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:Toe rock and boulders are important evaluation indicators of open-pit mine blasting. Based on the rock blasting mechanism of wide space and small row spacing, the new holes distance and rows distance were selected as 13 m and 4 m respectively. The blasting process with new design was simulated by LS-DYNA, so as the three different initiation ways, the stress changes at various locations of rock were analyzed. The influences of the optimization on the stress of places with high boulder rate was simulated and studied. The simulation results show that the new pattern parameters can reinforce the destructive action of explosion products to the break of rock. Detonated at hole-bottom could lead a better effect when the top region of rock was generated more easily, and detonated at hole-bottom and hole-center synchronously could be a better method when the toe rocks were appeared at bottom generally.

Key words:bench blasting; deep-hole blasting; hole pattern parameters; initiation way

文章編號(hào):1673-3193(2016)02-0166-06

*收稿日期:2015-07-11

作者簡(jiǎn)介：張世琛(1991-)，男，碩士生，主要從事礦山爆破安全方面的研究.

中圖分類號(hào):TD235

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.013