余仁兵，陳 震 ，曾 勇 ，鄭金鵬 ，熊國(guó)雄 ，史秀志

(1.大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石市 4355005；2.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

銅綠山礦井下深孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)數(shù)值模擬研究

余仁兵1，陳 震2，曾 勇1，鄭金鵬1，熊國(guó)雄1，史秀志2

(1.大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石市 4355005；2.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

針對(duì)銅綠山礦大直徑深孔落礦工藝中出現(xiàn)的大塊落礦、采場(chǎng)漏斗堵塞、超爆超采等現(xiàn)象，借鑒其他礦山的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出采用小孔徑和小藥量的爆破方案，并通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)165,127,110 mm三種不同直徑炮孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)觀察模型中單元有效應(yīng)力的分布和傳播規(guī)律，并在巖石材料中添加失效準(zhǔn)則關(guān)鍵字，觀察爆炸漏斗的窿形，得出各直徑炮孔的最佳孔網(wǎng)參數(shù)。

深孔爆破；孔徑；孔網(wǎng)參數(shù)；數(shù)值模擬

0 引 言

地下礦山大直徑深孔采礦法在回采的過(guò)程中常通過(guò)加大炮孔直徑結(jié)合加大抵抗線來(lái)增加爆破量，同時(shí)減小炮孔間距用以改善碎巖塊度。但是，銅綠山礦深孔爆破采場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐表明：大直徑落礦工藝在應(yīng)用中常出現(xiàn)超級(jí)大塊、采場(chǎng)漏斗堵塞、超爆超采等現(xiàn)象，并且采用大藥量爆破對(duì)礦巖邊界破壞很大，導(dǎo)致相鄰采場(chǎng)回采不安全。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，需要改變現(xiàn)有的爆破工藝，在保證爆破質(zhì)量的情況下，保護(hù)相鄰礦體礦巖的完整和穩(wěn)固。借鑒眾多其他礦山的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，解決這一問(wèn)題最直接有效的辦法就是減小炮孔直徑和降低單孔裝藥量，從而減小爆炸應(yīng)力波對(duì)被保護(hù)體的沖擊作用。孔徑的減小必然導(dǎo)致原有的孔網(wǎng)參數(shù)的改變，本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖_定與多種孔徑相配套的孔網(wǎng)參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)中孔網(wǎng)參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。

1 孔網(wǎng)參數(shù)選取范圍計(jì)算

孔網(wǎng)參數(shù)是指回采落礦時(shí)炮孔的布置方式和相對(duì)位置的參數(shù)，它主要包括孔間距、排間距、炮孔直徑、孔深以及密集系數(shù)等。這些參數(shù)都直接影響著炸藥能量在巖體中的分布狀況，決定著破巖落礦的質(zhì)量。

從大直徑深孔采場(chǎng)采礦方法方面分析，其孔網(wǎng)參數(shù)具有以下特點(diǎn)：

(1)大直徑深孔采礦法對(duì)鑿巖要求較高，炮孔直徑一般為110～165 mm，炮孔偏斜率在1%之內(nèi);

(2)在上部鑿巖硐室采用大直徑潛孔鉆機(jī)設(shè)備鉆鑿下向平行深孔;

(3)根據(jù)鉆機(jī)的有效鑿巖深度，確定礦塊高度，炮孔深度一般為40～60 m；

(4)孔距、排距的確定必須以爆破漏斗試驗(yàn)為依據(jù)，確定合理的藥包爆破參數(shù)和炸藥匹配，以獲得最佳爆破效果。

根據(jù)銅綠山礦某試驗(yàn)采場(chǎng)的實(shí)際情況，在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面，有以下幾點(diǎn)已經(jīng)確定：采場(chǎng)垂直走向布置，采場(chǎng)寬10 m，長(zhǎng)58 m，高31.5 m。沿采場(chǎng)軸線方向平行布置兩條上部鑿巖硐室，斷面尺寸為4 m×3.5 m，硐室之間留2 m寬的條柱。需要優(yōu)化的主要參數(shù)有：孔徑、孔距和排距。

根據(jù)采用乳化油炸藥進(jìn)行的系列爆破漏斗試驗(yàn)，得出銅綠山礦的臨界藥包埋置深度N=3.05 m，最佳藥包埋置深度d=1.25 m，應(yīng)變能系數(shù)E=1.85。通過(guò)公式(1)換算出165，127 mm和110 mm這3種孔徑的最佳埋置深度。

D=ΔEW1/3

(1)

式中：D為藥包最佳埋置深度，m；Δ為最佳比例埋深，Δ=0.41；W為每米裝藥量，考慮采用不耦合的裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合系數(shù)選1.27，乳化炸藥密度為1200 kg/m3，計(jì)算Φ165 mm,Φ127 mm和Φ110 mm炮孔每米裝藥量分別為16，9.5 kg和7 kg。

經(jīng)換算，上述3種孔徑的最佳埋置深度D分別為1.90，1.60 m和1.50 m，大直徑深孔爆破炮孔密集系數(shù)取值1～1.5D，則3種孔徑的孔網(wǎng)參數(shù)選取范圍分別為：(1.9～2.8) m×(1.9～2.8) m，(1.6～2.4) m×(1.6～2.4) m和(1.5～2.2) m×(1.5～2.2) m。

2 孔網(wǎng)參數(shù)數(shù)值建模

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)大直徑深孔采場(chǎng)炮孔的實(shí)際布置規(guī)律，通常沿采場(chǎng)軸線方向需布置4排垂直深孔，這4排炮孔的孔網(wǎng)參數(shù)又根據(jù)炮孔直徑、采場(chǎng)的礦巖性質(zhì)以及上部硐室結(jié)構(gòu)選取。

爆破工藝上采用球狀藥包拉豎向切割槽和柱狀藥包側(cè)向崩礦聯(lián)合爆破方案。為了簡(jiǎn)化模型，重點(diǎn)以炮孔間距為變量確定最佳的孔網(wǎng)參數(shù)，本文假設(shè)切割槽已經(jīng)拉開，即爆破模型擁有兩個(gè)自由面(正前面和底面)；單獨(dú)選取中間第2、3排的炮孔為研究對(duì)象，炮孔直徑選取165，127 mm和110 mm三種；兩孔之間的距離即為排距。根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，上一次爆破炮孔爆炸形成本次的自由面，近似的認(rèn)為本次爆破炮孔至自由面的距離即為孔距；采用徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)裝藥，假設(shè)藥卷長(zhǎng)度為每條0.5 m，一般裝藥3條；165，127 mm和110 mm三種炮孔填塞長(zhǎng)度選取分別為1.4，1.2 m和1.0 m；為消除模型邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，建立的三維模型的大小為：12 m×6 m×7 m，如圖1所示。

圖1 孔網(wǎng)參數(shù)數(shù)值模擬模型

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般炮孔的排距和孔距相差不大，因此首先以等排距孔距的方式布孔，依據(jù)上上述孔網(wǎng)參數(shù)的選取范圍，每種直徑炮孔的排距和孔距先取一個(gè)相等的較小值進(jìn)行模擬，若兩孔間未出現(xiàn)三角脊柱則排距和孔距同時(shí)增加0.2 m；若兩孔間出現(xiàn)三角脊柱說(shuō)明可確定最佳排距，然后根據(jù)自由面處有無(wú)懸掛三角脊柱情況，減小或增大0.2 m孔距以確定最佳孔距。通過(guò)上述方法確定不同直徑炮孔所對(duì)應(yīng)的最大的排間距和孔間距，破巖塊度較好同時(shí)破巖的體積最大，炸藥利用率最高，因此最大的排間距和孔間距即是最佳孔網(wǎng)參數(shù)。

2.2 網(wǎng)格劃分及約束條件

模型的網(wǎng)格均選用SOLID164實(shí)體單元掃略方式劃分，采用ALE算法，設(shè)置炸藥單元為Euler網(wǎng)格，巖石單元為L(zhǎng)agrange網(wǎng)格，不同直徑和孔網(wǎng)參數(shù)模型的網(wǎng)格密度基本保持一致。除正前面和底面為自由邊界外，其他邊界設(shè)定為無(wú)反射邊界條件，認(rèn)為模型處于半無(wú)限空間狀態(tài)，這樣可防止其他邊界反射的應(yīng)力波對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.3 材料參數(shù)

炸藥為乳化炸藥，選用LS-DYNA內(nèi)嵌的高能材料本構(gòu)模型，定義關(guān)鍵字為MAT_HIGH_EXPLO-SIVE_BURN，乳化炸藥的材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示；礦石選用塑性隨動(dòng)模型，定義關(guān)鍵字為MAT_PLASTIC_KINEMATIC，其材料參數(shù)如表2所示；假設(shè)炮孔兩端堵塞良好，可將炮孔填塞物也視其為礦石。

2.4 失效準(zhǔn)則

當(dāng)藥包埋置在近自由面的巖體中時(shí)，藥包爆炸除了產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的破壞作用外，還會(huì)在自由面處產(chǎn)生破壞作用,根據(jù)應(yīng)力波反射原理，爆炸壓縮波抵達(dá)自由面時(shí)產(chǎn)生反射拉伸波，由于巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，巖石被拉斷，隨著反射拉伸波的傳播，巖石將從自由面至藥包方向形成“片落”現(xiàn)象。爆生氣體產(chǎn)物的不斷膨脹，使巖體內(nèi)裂紋連續(xù)擴(kuò)展，巖體自由面處形成“鼓包”，當(dāng)最小抵抗線小于一定值時(shí)“鼓包”破裂，爆生殘余氣體將破碎巖塊拋出，形成爆堆。

由于LS-DYNA軟件無(wú)法模擬爆生氣體對(duì)巖石的拋擲作用，為了直觀的顯示不同孔網(wǎng)參數(shù)的破巖效果，采用Von Mises有效應(yīng)力對(duì)巖體破壞進(jìn)行研究分析，在巖石材料上添加失效準(zhǔn)則關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION。研究表明，巖石的爆破主要是因?yàn)槠涫艿降挠行?yīng)力值高于動(dòng)載抗拉強(qiáng)度，若巖體內(nèi)單元體因此屈服，則單元體消失，若巖體內(nèi)單元體不屈服，則單元體保留，通過(guò)這種方法可以清晰的觀察到爆破破巖后巖石的窿形。

3 爆炸數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 有效應(yīng)力的分布

某種孔網(wǎng)參數(shù)的爆炸模型在不同時(shí)刻的有效應(yīng)力傳播如圖2所示，可觀察到，炸藥爆炸激發(fā)柱狀沖擊波以藥卷為中心向巖體內(nèi)四周傳播；在時(shí)間約為750 μs之后，兩炮孔藥包的有效應(yīng)力開始疊加；在時(shí)間約為1250 μs時(shí)，有效應(yīng)力波抵達(dá)自由面并發(fā)生反射，反射波與入射波相互疊加，在自由面處產(chǎn)生應(yīng)力集中；在時(shí)間約為2500 μs之后，有效應(yīng)力波逐漸衰減，其強(qiáng)度已經(jīng)不能使巖石破碎。

表1 乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表2 礦石的巖石力學(xué)參數(shù)

圖2 爆炸模型有效應(yīng)力分布

3.2 爆炸漏斗窿形分析

首先采取等排距和孔距的孔網(wǎng)參數(shù)模型，這些模型可以觀察到隨著排距的增加，孔與孔之間應(yīng)力疊加破巖效果越來(lái)越差，當(dāng)排距為一定寬度時(shí)，兩孔中間位置出現(xiàn)較為明顯的三角脊柱,如圖3(a)所示，這是產(chǎn)生大塊的直接原因，說(shuō)明此排距已經(jīng)不合適，比之較小的排距為最佳排距；隨著孔距的增加，爆炸應(yīng)力入射波和反射波在自由面處疊加,破巖效果越來(lái)越差，當(dāng)孔距為一定寬度時(shí)，自由面處懸掛較為明顯的三角脊柱,如圖3(b)所示，說(shuō)明此孔距已經(jīng)不合適，比之較小的孔距為最佳孔距。然后在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行1～2組非等排距和孔距的孔網(wǎng)參數(shù)模型的數(shù)值模擬試驗(yàn)，得出最佳孔網(wǎng)參數(shù)的爆炸漏斗窿形，如圖3(c)所示。

圖3 不同孔網(wǎng)參數(shù)模型爆炸漏斗窿形

一共做了19組爆炸模型，分別模擬了165，127 mm和110 mm 3種炮孔不同孔網(wǎng)參數(shù)的爆炸漏斗窿形，模擬結(jié)果如表3～5所示。165 mm直徑炮孔爆破的最佳孔網(wǎng)參數(shù)為3.0 m×2.6 m(實(shí)際生產(chǎn)中，孔網(wǎng)參數(shù)為3.0 m×2.5 m)；127 mm直徑炮孔爆破的最佳孔網(wǎng)參數(shù)為2.6 m×2.6 m；110 mm直徑炮孔爆破的最佳孔網(wǎng)參數(shù)為2.4 m×2.2 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

不同孔徑藥量的爆破模型相對(duì)比，隨著孔徑的減小，單孔藥量也減小，模型中的有效應(yīng)力的分布和爆炸的損傷范圍(爆炸漏斗窿形)均減小，說(shuō)明采用小孔徑爆破可以很好的改善爆破效果，降低爆破危害，有效的保護(hù)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及充填體的穩(wěn)固。數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果不僅從機(jī)理上分析了爆炸碎巖的全過(guò)程，而且對(duì)不同孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行分析比較，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中參數(shù)的設(shè)置有很大的指導(dǎo)意義。

但是由于采場(chǎng)僅有部分的材料性質(zhì)和強(qiáng)度參數(shù)，而沒(méi)有原巖應(yīng)力和不連續(xù)面特性等信息，數(shù)值分析建模還需要做進(jìn)一步的細(xì)化和改善，以期獲得更加精細(xì)和合理的參數(shù)。同時(shí)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的爆破條件和反饋信息及時(shí)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，以獲得較好的爆破效果。

表3 165 mm炮孔不同孔網(wǎng)參數(shù)的爆炸漏斗窿形統(tǒng)計(jì)

表4 127 mm炮孔不同孔網(wǎng)參數(shù)的爆炸漏斗窿形統(tǒng)計(jì)

表5 110 mm炮孔不同孔網(wǎng)參數(shù)的爆炸漏斗窿形統(tǒng)計(jì)

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2013-08-23)

余仁兵(1975-)，男，漢族，湖北棗陽(yáng)人，本科，高級(jí)工程師，主要從事采礦技術(shù)及管理工作。