繆國衛(wèi) 張文國 馮?？?鐘旭東 劉冬生 苗丁

摘要：金源礦業(yè)公司主要采用無底柱分段崩落采礦法回采1012礦體，上向扇形中深孔落礦，分段高度15 m，進(jìn)路間距15 m，采準(zhǔn)工程量大，掘進(jìn)成本高。將分段高度提高至30 m，開展了上向大直徑扇形深孔爆破技術(shù)試驗(yàn)研究，并采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，確定了最優(yōu)采場鑿巖爆破參數(shù)：最小抵抗線2.0 m，孔底距3.0 m?，F(xiàn)場試驗(yàn)效果良好，為采場大規(guī)模落礦提供了新的方法和思路。

關(guān)鍵詞：高分段;上向扇形孔;大直徑深孔;數(shù)值模擬;爆破

中圖分類號：TD235文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）04-0035-05doi：10.11792/hj20210407

引 言

河南金源黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司（下稱“金源礦業(yè)公司”）成立于1997年6月，隸屬于河南省嵩縣城關(guān)鎮(zhèn)，是礦石處理能力3 000 t/d的現(xiàn)代化黃金礦山企業(yè)，下轄祈雨溝、公峪、摩天嶺、孟溝4個(gè)礦區(qū)。其中，祈雨溝礦區(qū)J4號角礫巖型礦體是目前開采的主要礦體，采礦方法為無底柱分段崩落采礦法，進(jìn)路間距15 m，分段高度一般為15 m。

J4號礦體內(nèi)的1012礦體主要賦存于520 m～580 m中段，礦體高度約60 m，寬度11～23 m，走向長度74 m，近似直立，礦巖普氏硬度系數(shù)f=7.3～13.1，礦石儲量約430 792 t，地質(zhì)品位2.37 g/t，金金屬量1 019.8 kg，目前已經(jīng)在550 m水平設(shè)置了回采分段。由于該礦體550～580 m斷層發(fā)育，布置回采分段難度較大，因此該礦塊設(shè)計(jì)分段高度30 m，進(jìn)路間距保持15 m。在該條件下，進(jìn)行與之匹配的鑿巖爆破技術(shù)研究十分必要，為保證研究質(zhì)量，擬采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的手段進(jìn)行該項(xiàng)研究。

1 鑿巖爆破參數(shù)數(shù)值模擬

1012礦體的回采進(jìn)路間距15 m，分段高度30 m，常規(guī)中深孔鑿巖設(shè)備很難滿足穿孔要求，因此選擇YQ-100型潛孔鑿巖機(jī)鉆鑿上向扇形深孔[1]，炮孔孔徑100 mm。對于扇形炮孔來說，孔底距和最小抵抗線是2個(gè)重要參數(shù)，而數(shù)值模擬計(jì)算是確定這2個(gè)參數(shù)的重要手段。

本文根據(jù)金源礦業(yè)公司礦巖性質(zhì)，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件模擬扇形炮孔的爆破過程[2]，再現(xiàn)扇形炮孔爆破應(yīng)力場變化過程，進(jìn)而分析爆破仿真過程中的Von Mises有效應(yīng)力峰值是否達(dá)到或超過巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，據(jù)此判斷是否能夠成功爆開巖體，從而實(shí)現(xiàn)對鑿巖爆破參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 模型的建立

以1012礦體爆破參數(shù)為研究對象，采用ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件建立其爆破設(shè)計(jì)的三維模型，對不同最小抵抗線、孔底距條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從而確定最小抵抗線和孔底距等爆破參數(shù)。

1）最小抵抗線計(jì)算模型。

最小抵抗線是指首排炮孔到自由面的距離，由于各炮孔均與自由面平行，所以每個(gè)炮孔長度方向上的各個(gè)點(diǎn)到自由面的距離相等，即最小抵抗線相等。因此，可以斷定如果其中一個(gè)炮孔能成功爆開巖體，那么與其同排的其他炮孔也均能爆開巖體，模擬其中一個(gè)炮孔的爆破過程即可。確定最小抵抗線的爆破模型見圖1。

2）孔底距計(jì)算模型。確定孔底距的爆破模型見圖2。模型的上表面、左右表面及里表面均設(shè)置為無反射邊界條件，表示模型在這些方向上是無限延展的;模型的下表面為鑿巖硐室頂板，用2個(gè)相鄰炮孔進(jìn)行數(shù)值模擬，以顯示孔底距對爆破的影響。

3）計(jì)算參數(shù)的選擇。巖石力學(xué)參數(shù)選擇參考金源礦業(yè)公司巖石力學(xué)相關(guān)參數(shù)，結(jié)果見表1。

計(jì)算采用ANSYS/LS-DYNA 里的“MAT-HIGH EXPLOSIVE-BURN”模型，不計(jì)炸藥的強(qiáng)度效應(yīng)，只要給出密度、爆速、爆壓即可。由JWL狀態(tài)方程控制其起爆過程，方程表達(dá)式[3]如下：

p=A1-wR1Ve-R1V+B1-wR2Ve-R2V+wEV（1）

其等熵條件下的形式為：

p=Ae-R1V+Be-R2V+CVw+1（2）

式中：p為爆轟產(chǎn)物的壓力（MPa）;V為爆轟產(chǎn)物的相對比容;E為比內(nèi)能（J/m3）;A、B、C、R1、R2和w為該方程的6個(gè)特定參數(shù)，本文參照經(jīng)驗(yàn)選取。

爆破中應(yīng)用的炸藥為散狀乳化炸藥，參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選取的計(jì)算參數(shù)見表2。

1.2 最小抵抗線的確定

根據(jù)鑿巖爆破參數(shù)，最小抵抗線以1.8 m為基準(zhǔn)，每次增加0.2 m，直至不能爆開巖體為止。最小抵抗線為1.8 m時(shí)爆破過程中的有效應(yīng)力分布情況見圖3、圖4。

扇形炮孔孔口處最易爆開，因此模擬從孔口起爆，爆炸應(yīng)力場從孔口形成，向四周發(fā)散，最終到達(dá)孔底和自由面，然后發(fā)生衰減。提取自由面單元的有效應(yīng)力曲線，讀取其峰值，采用Von Mises有效應(yīng)力屈服準(zhǔn)則判斷單元的破壞情況。自由面單元在模型中的位置及該單元的有效應(yīng)力曲線見圖4。從圖4可以看出，單元的有效應(yīng)力峰值為98.2 MPa，大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度（90 MPa），由此可認(rèn)為當(dāng)最小抵抗線為1.8 m時(shí)，能成功爆開巖體。同理模擬最小抵抗線為2.0 m、2.2 m的爆破情況，得出其單元的有效應(yīng)力峰值分別為95.5 MPa和88.4 MPa。

由上述模擬結(jié)果可知，當(dāng)最小抵抗線為2.2 m時(shí)，其單元的有效應(yīng)力峰值為88.4 MPa，小于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，炸藥未能成功爆開巖體。因此，推薦的圖4 自由面單元的有效應(yīng)力曲線最小抵抗線為1.8～2.2 m。

1.3 孔底距的確定

根據(jù)上述爆破模擬結(jié)果，選擇爆破最小抵抗線為2.0 m?？椎拙嗟某踔禐?.8 m，每次增加0.2 m，直至不能爆開巖體為止。孔底距2.8 m時(shí)爆破過程中的有效應(yīng)力分布情況見圖5、圖6。

從圖5可以看出，扇形炮孔從孔口起爆，爆炸應(yīng)力場在炮孔口產(chǎn)生，并向四周發(fā)散，之后兩炮孔的應(yīng)力場開始疊加，共同作用并破碎巖石。關(guān)鍵單元在模型中的位置及其有效應(yīng)力曲線見圖6。從圖6可以看出，單元的有效應(yīng)力峰值為99.8 MPa，大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，據(jù)此可認(rèn)為當(dāng)孔底距是2.8 m時(shí)，能成功爆開巖體。同理模擬孔底距為3.0 m、3.2 m的爆破情況，得出其單元的有效應(yīng)力峰值分別為90.8 MPa和86.3 MPa。

由上述模擬結(jié)果可知，當(dāng)孔底距為3.2 m時(shí)，其單元的有效應(yīng)力峰值為86.3 MPa，小于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，炸藥未能成功爆開巖體。因此，推薦的孔底距為2.8～3.2 m。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)參數(shù)及地點(diǎn)

數(shù)值模擬計(jì)算過程中，分別對最小抵抗線和孔底距進(jìn)行單獨(dú)模擬，不能評估二者間的相互影響。若要評估最小抵抗線和孔底距在爆破過程中的相互影響，須設(shè)計(jì)合理的鑿巖爆破參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)和評估。金源礦業(yè)公司曾采用孔徑100 mm的下向大直徑深孔進(jìn)行爆破，在排距2.0 m，孔間距3.0 m時(shí)爆破效果較好。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)3組鑿巖爆破參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并對比了不同參數(shù)爆破效果的優(yōu)劣。設(shè)計(jì)的3組鑿巖爆破參數(shù)方案為：方案1，最小抵抗線1.8 m，孔底距3.2 m;方案2，最小抵抗線2.0 m，孔底距3.0 m;方案3，最小抵抗線2.2 m，孔底距2.8 m。

現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)的地點(diǎn)選擇在1012礦體550 m中段，該分段已經(jīng)施工了部分采準(zhǔn)工程，中段礦石量約92 000 t，地質(zhì)品位約1.87 g/t，金金屬量約172 kg。其部分回采設(shè)計(jì)見圖7。

2.2 試驗(yàn)工藝

1）鑿巖。由于分段高度較高，最高達(dá)到32 m，部分炮孔屬于深孔鑿巖，因此選擇YQ-100型潛孔鑿巖機(jī)進(jìn)行穿孔作業(yè)，炮孔孔徑100 mm，經(jīng)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場鑿巖效率12～18 m/臺班。切割槽將550 m分段劃分為東西2個(gè)采場。按照最小抵抗線1.8～2.2 m，孔底距2.8～3.2 m設(shè)計(jì)回采炮孔，最大炮孔長度達(dá)到29.6 m。550 m分段共設(shè)計(jì)30排回采炮孔，炮孔總長度達(dá)到7 890 m，每米炮孔崩礦量設(shè)計(jì)為11～12 t，總回采礦量設(shè)計(jì)為8.6萬～9.4萬t。

2）裝藥。試驗(yàn)采場采用孔底起爆彈反向裝藥結(jié)構(gòu)，使用BQF-100Ⅱ型風(fēng)動(dòng)裝藥器填裝散裝乳化炸藥，設(shè)計(jì)裝藥風(fēng)壓0.40～0.60 MPa，現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)實(shí)際裝藥風(fēng)壓平均為0.45 MPa，裝藥效率為600～800 kg/h，返粉率為5 %～8 %。為減輕孔口炸藥爆破震動(dòng)，采用孔口間隔裝藥方式，孔口采用2.0 m、3.5 m 交錯(cuò)預(yù)留[4]。

3）連線。試驗(yàn)采用雙支線復(fù)合式起爆網(wǎng)絡(luò)，同排的所有炮孔分成雙支線復(fù)合網(wǎng)絡(luò);多排炮孔之間的分支網(wǎng)絡(luò)亦采用雙支線形式。將所有導(dǎo)爆管雷管的腳線連接于一組非電微差雷管上。

4）爆破。連線完畢后進(jìn)行爆破，崩礦步距為1排。由于炮孔為上向扇形深孔[5]，若同排同段起爆，一次起爆藥量過大，尤其是孔口區(qū)域，爆破震動(dòng)過大。因此，設(shè)計(jì)采用孔間分區(qū)微差爆破方式，減小一次起爆藥量，在改善爆破效果的同時(shí)減輕爆破震動(dòng)危害，即將同一排中的炮孔分成2個(gè)區(qū)段微差起爆（見圖8）：Ⅰ區(qū)炮孔先行起爆，為Ⅱ區(qū)炮孔創(chuàng)造額外的爆破空間;Ⅱ區(qū)炮孔延后一段起爆。

2.3 試驗(yàn)效果

按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，每組試驗(yàn)參數(shù)至少進(jìn)行4排炮孔的爆破試驗(yàn)。從現(xiàn)場爆破情況來看：采用方案1時(shí)，爆破無根底殘留，采場大塊較多，大塊率達(dá)到30 %;采用方案2時(shí)，爆破無根底殘留，采場爆破效果較好，大塊率為22 %;采用方案3時(shí)，爆破有根底殘留，采場爆破效果一般，大塊率為27 %。3組爆破參數(shù)現(xiàn)場爆破效果對比見圖9。

現(xiàn)場應(yīng)用情況與數(shù)值模擬情況類似，因此推薦采場鑿巖爆破參數(shù)為最小抵抗線2.0 m，孔底距3.0 m。

3 結(jié) 語

現(xiàn)代礦山爆破技術(shù)越來越趨向于應(yīng)用大直徑深孔爆破技術(shù)，因其具有施工安全簡便、爆破落礦效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。而大直徑深孔以下向平行孔應(yīng)用居多，上向大直徑扇形深孔鮮有應(yīng)用。本文在分段高度30 m的情況下，采用數(shù)值模擬手段確定了上向大直徑扇形深孔爆破的可行性，并通過合理的工藝設(shè)計(jì)在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了成功，為大直徑深孔的應(yīng)用提出了新的思路和方法。該項(xiàng)技術(shù)適用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，在分段空場采礦法、崩落采礦法等采礦方法中都可以應(yīng)用，能夠大大提高其分段高度，減少采切工程投入，減輕現(xiàn)場管理壓力，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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Experimental application of upward large diameter fan shaped longhole

blasting technology in Jinyuan mining company

Miao Guowei1，Zhang Wenguo2，F(xiàn)eng Fukang1，Zhong Xudong3，Liu Dongsheng4，Miao Ding4

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;2.Lingyuanrixing Mining Co.，Ltd.;

3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University; 4.Henan Jinyuan Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Jinyuan mining company mainly adopts non pillar sublevel caving mining method to mine 1012 orebody，upward fan shaped medium longhole caving，sublevel height 15 m，approach spacing 15 m，which lead to large mining quantity and high tunneling cost.Therefore，the sectional height of 1012 orebody is raised to 30 m，the upward large diameter fan shaped longhole blasting technology is carried out，and the research method of combining numerical simulation with field test is adopted to determine the optimal stope drilling and blasting parameters：the lowest resistance line is 2.0 m，the hole bottom distance is 3.0 m，and the field test effect is good，which puts forward a new method and idea for large scale mining in the stope.

Keywords：high segment;upward fan hole;large diameter longhole;numerical simulation;blasting