吳求忠,汪海波,魏夢(mèng)杰,汪 鼎,馮亞騰

(1.安徽樅陽(yáng)海螺水泥股份有限公司,安徽 樅陽(yáng) 244000;2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

光面爆破可以保持邊坡坡面穩(wěn)定性,減少坡面巖石滑落、經(jīng)濟(jì)損失和安全事故的發(fā)生,因此在露天礦山終了邊坡爆破時(shí)得到廣泛使用。

對(duì)于露天邊坡光面爆破技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]提出在光爆孔中降低炸藥能量密度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該爆破技術(shù)可以有效解決超欠挖的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]通過(guò)LS-DYNA軟件分析光面爆破中臨近炮孔的成縫效果,并得出臨近炮孔的最佳間距。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)數(shù)值模型對(duì)比光面爆破與普通爆破技術(shù)的爆炸效果,得出采用間隔裝藥時(shí)的最佳間距。文獻(xiàn)[5]為研究光面爆破中護(hù)壁材料對(duì)保留坡面的保護(hù)程度,發(fā)現(xiàn)該材料對(duì)爆炸應(yīng)力波有衰減作用。文獻(xiàn)[6-7]設(shè)計(jì)了一系列光面爆破參數(shù),并將其應(yīng)用到邊坡控制爆破中。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)比了不同開(kāi)挖方式下巖體邊坡?lián)p傷演化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)光面爆破后巖體上部存在較小范圍的高程度損傷,而中下部分則分布較大范圍的中等程度損傷。文獻(xiàn)[10]提出考慮邊坡內(nèi)部和表面局部巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的差異對(duì)穩(wěn)定性的影響,并比較了機(jī)械開(kāi)挖和爆破開(kāi)挖的影響深度。文獻(xiàn)[11]從PPV角度研究了光面爆破對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[12]模擬了藥卷位置對(duì)邊坡光面爆破的影響,通過(guò)改變裝藥方式并結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),提出改進(jìn)版的偏心不耦合裝藥對(duì)邊坡光面爆破具有積極意義。文獻(xiàn)[13]研究了一種預(yù)測(cè)露天邊坡光面爆破裂紋擴(kuò)展的方法。但在爆破工程實(shí)踐中,低能量密度的炸藥、間隔裝藥和護(hù)壁爆破等技術(shù)有額外的要求,不是所有的爆破作業(yè)均能滿足,在一定程度上限制了其推廣。

鑒于不耦合裝藥可以有效降低對(duì)保留巖體的破壞程度,不耦合裝藥結(jié)構(gòu)也是一種光面爆破采用的方式[14],最佳不耦合裝藥系數(shù)的選取對(duì)控制邊坡的超欠挖更具有可操作性。因此,本研究基于樅陽(yáng)海螺露天石灰?guī)r礦山開(kāi)采爆破工程實(shí)際,通過(guò)建立數(shù)值模擬模型分析不同不耦合系數(shù)時(shí)巖體內(nèi)的峰值應(yīng)力強(qiáng)度,以期獲取最佳徑向不耦合系數(shù)。

1 工程概況

礦區(qū)位于安徽省銅陵市樅陽(yáng)縣,為水泥原料露天礦山。礦區(qū)內(nèi)出露地層有三疊系下統(tǒng)和龍山組、南陵湖組及第四系,三疊系下統(tǒng)巖性以石灰?guī)r為主,礦床巖石巖性風(fēng)化嚴(yán)重,原始裂隙較多,巖層內(nèi)夾雜著泥巖類物質(zhì),巖石單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較低,為一般堅(jiān)固巖石。露天礦山平臺(tái)平整,爆破區(qū)域周圍環(huán)境良好。采用光面爆破技術(shù)時(shí),孔間泥巖物質(zhì)的存在會(huì)破壞保留坡面的平整。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備探測(cè)并結(jié)合經(jīng)驗(yàn),控界爆破采用光面爆破結(jié)合深孔臺(tái)階松動(dòng)爆破技術(shù)、垂直鉆孔,常用爆破參數(shù)如下:鉆孔直徑d=140mm;臺(tái)階高度H=13m;因巖石裂隙較發(fā)育,底部夾制作用小,在此取炮孔超深h=0.5m;光爆孔底盤(pán)抵抗線W光=3m;孔距a光=(0.6～0.8)W光=(0.6～0.8)×3m=(1.8～2.4)m,由于本工程中巖石硬度較小,取a光=2.2m;炮孔深度L=H+h=13.5m;填塞長(zhǎng)度L1=2.0m。

光爆孔采用單排炮孔同時(shí)起爆,延時(shí)主炮孔192ms后起爆。為了防止對(duì)坡面的超欠挖及裝藥方便,采用軸向連續(xù)裝藥、徑向不耦合裝藥。

2 不耦合系數(shù)影響的數(shù)值模擬

不耦合系數(shù)影響爆破后邊坡坡面的平整度和穩(wěn)定性,若通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比選取最佳不耦合系數(shù),則時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高。為此,通過(guò)數(shù)值模擬軟件LS-DYNA建立不同裝藥不耦合系數(shù)時(shí)的計(jì)算模型,分析不同工況時(shí)炮孔周圍巖體的有效應(yīng)力峰值強(qiáng)度,以選取最佳不耦合系數(shù)。

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)實(shí)際工況建立臺(tái)階爆破數(shù)值模型,單元長(zhǎng)度設(shè)置為100mm,炸藥及炮孔周圍單元長(zhǎng)度設(shè)置較小,以便觀察其爆炸衍變過(guò)程,空氣物質(zhì)與炸藥物質(zhì)共節(jié)點(diǎn)建立,空氣物質(zhì)模型半徑是炸藥半徑的10倍。巖體、填塞物是固體物質(zhì),采用LAGRANGE算法;炸藥、空氣是流體物質(zhì),采用ALE算法。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,建立1/2數(shù)值模型,邊坡臺(tái)階模型的上面及坡面為自由面,邊坡其他面設(shè)置無(wú)反射邊界條件,更符合實(shí)際工況無(wú)限大的巖體。

由于鉆孔直徑140mm,現(xiàn)設(shè)計(jì)炸藥半徑為70mm、40mm、30mm、20mm、10mm 5種工況,對(duì)應(yīng)的不耦合系數(shù)分別為1.00、1.75、2.33、3.50、7.00。

2.2 模型材料選取及控制方程

1)巖體采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC應(yīng)變率效應(yīng)各向同性隨動(dòng)塑性強(qiáng)化模型,可以較好地模擬巖石材料[15]。石灰?guī)r的基本物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果為:密度2 735.66kg/m3,泊松比0.25,抗壓強(qiáng)度34.08MPa,抗拉強(qiáng)度5.31MPa,彈性模量12.77GPa。

2)填塞物質(zhì)的材料模型與巖石物質(zhì)的材料模型一致,因?yàn)樘钊牧隙酁楝F(xiàn)場(chǎng)鉆孔的巖石粉末,強(qiáng)度較低,所以其屈服強(qiáng)度取石灰?guī)r材料的1/10。

3)空氣材料模型采用MAT_NULL材料模型,使用LINEAR_POLYNOMIAL線性多項(xiàng)式描述空氣的狀態(tài)方程[16]。

4)炸藥選擇MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型,狀態(tài)方程通過(guò)關(guān)鍵字*EOS_JW定義[17]。計(jì)算單位制統(tǒng)一采用cm-g-μs。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于計(jì)算工況較多,僅列出耦合裝藥模型和不耦合系數(shù)為3.50兩種工況典型時(shí)刻的有效應(yīng)力云圖,如圖1、圖2所示。

(a)t=500μs (b)t=1000μs

(a)t=500μs (b)t=1000μs

由圖1可知,在邊坡底部上升段,應(yīng)力波呈球狀波上升。在上升過(guò)程中,巖體中爆炸應(yīng)力波的波陣面呈錐形向上運(yùn)動(dòng)。隨著高度的上升,對(duì)周圍巖體的破壞范圍和程度增大,其中臺(tái)階中部巖體的破壞程度最大,因?yàn)榕_(tái)階底部巖石與下個(gè)臺(tái)階面相連、裝藥集中在炮孔的中下部,所以中部巖體在爆破過(guò)程中易發(fā)生拋擲。在耦合裝藥爆破時(shí),其破壞面大、破壞程度嚴(yán)重,對(duì)保留巖體損壞程度過(guò)大,不利于邊坡穩(wěn)定,因此光面孔往往采用不耦合裝藥爆破,從而降低對(duì)保留巖體的破壞程度。

由圖2可知,相比耦合裝藥,不耦合系數(shù)為3.50時(shí)爆破對(duì)保留巖體的破壞程度大大降低,應(yīng)力波的擴(kuò)展范圍縮小,說(shuō)明光爆孔采用不耦合裝藥爆破可以有效降低坡面保留巖體的破壞程度。該數(shù)值模型從底部起爆,應(yīng)力波傳播迅速,與耦合裝藥模型傳播速度大體一致,但是其應(yīng)力波傳播區(qū)域固定,未對(duì)保留巖體造成過(guò)大破壞。

為了更加直觀地表達(dá)巖體的破壞程度,選取上述各計(jì)算工況數(shù)值模型中部區(qū)域距離地面的5m、距離炮孔壁0.5m處的保留巖體為應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),因不同工況應(yīng)力峰值強(qiáng)度差距過(guò)大,本文采用兩幅圖片表示,如圖3(a)～(b)所示。各工況應(yīng)力峰值與不耦合的系數(shù)關(guān)系如圖3(c)所示。

(a)不耦合系數(shù)1.00和1.75時(shí)應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖3可知,各工況巖體測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力達(dá)到峰值的時(shí)間相近,均在1 500μs左右,說(shuō)明應(yīng)力波傳播速度隨著不耦合系數(shù)的改變變化幅度較小。由圖3(a)可知,耦合裝藥(不耦合系數(shù)1.00)時(shí)測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)力最大(163MPa),對(duì)保留巖體的破壞程度也最大。隨著裝藥量減小,峰值應(yīng)力下降;在不耦合系數(shù)為1.75時(shí),測(cè)點(diǎn)處的峰值應(yīng)力為120MPa,對(duì)巖體的破壞程度依然較大。圖3(b)中的3種工況的峰值應(yīng)力較圖3(a)明顯下降,不耦合系數(shù)為2.33時(shí)的峰值強(qiáng)度為51MPa,不耦合系數(shù)為3.50時(shí)的峰值強(qiáng)度38MPa,不耦合系數(shù)為7.00時(shí)的峰值強(qiáng)度最小(16MPa)。石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度為34MPa,當(dāng)巖體中的爆炸應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí),坡面巖石才會(huì)發(fā)生破壞。圖3(b)5種工況的峰值強(qiáng)度中,不耦合系數(shù)為3.50時(shí)的爆炸應(yīng)力波峰值強(qiáng)度接近石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度,即不耦合系數(shù)為3.50時(shí)的爆破可以達(dá)到清除坡面殘留巖石、保護(hù)保留巖體的爆破效果,所以最佳不耦合系數(shù)是3.50。

圖3(c)進(jìn)一步表明了巖體內(nèi)有效峰值應(yīng)力隨著不耦合系數(shù)的增大,二者關(guān)系呈指數(shù)下降。不耦合系數(shù)為3.00之前的峰值有效應(yīng)力下降幅度較大,反映了這一范圍內(nèi)的不耦合系數(shù)的變化與巖體測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)力的敏感性較高。而不耦合系數(shù)為3之后的測(cè)點(diǎn),其峰值有效應(yīng)力下降幅度較小且逐漸平緩。

3 現(xiàn)場(chǎng)爆破效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用上述光面爆破參數(shù)、不耦合系數(shù)為3.50,爆破后的保留巖體穩(wěn)定性強(qiáng)、半孔痕率在90%以上,具體爆破效果如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)爆破效果

4 結(jié)論與展望

不耦合系數(shù)對(duì)炮孔周圍有效應(yīng)力的大小有顯著影響,不耦合系數(shù)與有效應(yīng)力峰值的關(guān)系呈指數(shù)衰減,而對(duì)有效應(yīng)力達(dá)到峰值的時(shí)間影響較小。對(duì)于依托工程的露天石灰?guī)r礦山,鉆孔直徑140mm時(shí),最佳不耦合系數(shù)為3.50。

本研究針對(duì)的是堅(jiān)固性系數(shù)3～4的石灰?guī)r,對(duì)于其他類型的巖石和鉆孔直徑,最佳不耦合系數(shù)有待進(jìn)一步研究確定。