孔 坤，李小元，史秀志，陳 飛，喻 智，羅志華

（1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083；2.廣西中金嶺南礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 武宣545900）

在礦山井下深孔爆破作業(yè)中，礦石的損失率是評估資源回收效率的一個重要指標(biāo)。受限于鏟裝機械設(shè)備精度，過小塊度的礦石往往無法有效鏟裝，進(jìn)而成為礦石損失的一個重要原因。有研究表明，裝藥結(jié)構(gòu)對粉礦產(chǎn)出量有重要影響［1］。合理的孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)能使爆破能量分布更均勻，粉礦比例降低，從而保證礦山經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)流程平穩(wěn)。

運用數(shù)值模擬軟件對爆破結(jié)果進(jìn)行模擬分析具有低成本、高效率的特點，故應(yīng)用廣泛［2－5］。以往多數(shù)研究重點關(guān)注爆破后的整體破碎效果，而較少關(guān)注裝藥結(jié)構(gòu)對粉礦具體產(chǎn)出量的影響。本文在分析南方某礦山現(xiàn)有大直徑深孔裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了6種深孔裝藥結(jié)構(gòu)，運用ANSYS／LS-DYNA軟件從失效比例和塊度分布兩方面進(jìn)行對比分析，最終得到粉礦產(chǎn)出控制效果最好的裝藥結(jié)構(gòu)，并于該礦山開展了現(xiàn)場實踐。ANSYS／LS-DYNA軟件作為一種顯式動力分析軟件，因具備眾多的材料動態(tài)模型和接觸類型，在高速、高壓且瞬時的爆破研究領(lǐng)域應(yīng)用較廣。其中最常用的分析計算方法有Lagrang算法、Euler算法和ALE算法，前兩種算法在處理爆炸大變形問題上會因自身限制而導(dǎo)致網(wǎng)格嚴(yán)重畸變，而后者卻不會出現(xiàn)這種情況［6］。因此，本文采用ALE算法進(jìn)行模擬研究。

1 工程概況

南方某礦山采用大直徑深孔爆破的采礦方法，采礦工藝如圖1所示［7］。在采場上部鑿巖硐室內(nèi)采用人工掏槽或天井掏槽的方式布置掏槽區(qū)，隨后以掏槽區(qū)為中心，沿采場走向布置列距2～2.2 m、排距1.8～2.2 m的4排垂直向下炮孔，用于后期側(cè)向崩礦。采場爆破順序為：掏槽區(qū)首先起爆，在經(jīng)過多次爆破形成足夠補償空間后，根據(jù)碎脹系數(shù)對采場剩余部分進(jìn)行分次側(cè)崩爆破，直至采場全部回收。

圖1 采礦工藝示意

該工藝方法簡單、采切量小且安全高效，為礦山帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但在長期生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)后期側(cè)向崩礦時因每次崩礦量大、藥量多和自由面多等因素，若采用與掏槽孔相同的裝藥結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致單耗過大、粉礦率過高，不利于后期回收，易造成礦石損失。因此，合理選擇側(cè)向崩礦時的裝藥結(jié)構(gòu)，控制粉礦產(chǎn)出，對礦山具有很重要的現(xiàn)實意義。

2 模型建立

根據(jù)礦山實際情況，炮孔模型直徑110 mm，炸藥模型直徑90 mm，長度700 mm。在孔徑不變和大塊率滿足要求的基礎(chǔ)上，利用每層藥包數(shù)量和間隔距離的不同，選取了6種不同的間隔裝藥方式，每組模型的詳細(xì)裝藥參數(shù)如表1所示。

表1 裝藥參數(shù)

每組模型厚度均為1 mm，炮孔左側(cè)為4 m的待采區(qū)，右側(cè)為2 m的開挖區(qū)。為防止邊界對模型計算的影響，將上、下以及左側(cè)邊界均設(shè)置為無反射邊界，右側(cè)邊界為自由面。為最大限度減少反射應(yīng)力波對模擬結(jié)果的影響，特將孔內(nèi)裝藥層數(shù)定為4層，主要研究中間兩層藥包的影響作用。圖2為模型4示意圖。

圖2 模型4示意圖

爆破模擬中應(yīng)用到的材料模型有巖石、炸藥、爆轟產(chǎn)物和孔內(nèi)間隔空氣，因此在模型計算前，需對所有材料進(jìn)行本構(gòu)模型和相應(yīng)狀態(tài)方程的建立，并確立方程中各參數(shù)的數(shù)值。

其中，為更加接近真實的巖石特性，選擇在應(yīng)變率效應(yīng)、圍壓效應(yīng)和巖體損傷演化效應(yīng)方面具有突出特點和優(yōu)勢的HJC模型［8］，它與金屬材料中應(yīng)用廣泛的Johnson-Cook材料模型相類似，等效屈服強度是壓力、應(yīng)變率及損傷的函數(shù)，損傷量則是塑性體應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變和壓力的函數(shù)［9］。

3 研究結(jié)果分析

3.1 失效比例分析

為了更好地研究巖體在爆破后的失效情況，在上述模型關(guān)鍵字文件中添加拉伸失效命令*MAT＿ADD＿EROSION。為最大程度避免反射應(yīng)力波對模型的影響，當(dāng)沖擊波傳遞到最左側(cè)邊界時終止計算，得到6組模型最終失效圖如圖3所示。圖中A、B、C所代表的區(qū)域即為本文的研究范圍，A、C區(qū)域代表炸藥所對應(yīng)的爆破失效范圍，B區(qū)域代表空氣間隔所對應(yīng)的爆破失效范圍。

圖3 各模型最終失效圖

圖中因失效而被刪除的白色“裂紋”區(qū)域即為體積減少量，失效比例則是每個失效圖中研究區(qū)域的體積減少量與該區(qū)域原有體積量的比值。分別對爆破失效后的A、B、C區(qū)域以及ABC整體區(qū)域進(jìn)行失效比例計算，將3個小區(qū)域的失效比例與整體區(qū)域失效比例進(jìn)行比較，若兩者差別較大，則表示炸藥能量在整體分布上不均勻，導(dǎo)致礦石塊度大小各異；若兩者差別較小，則表示在該種裝藥方式下炸藥能量在整體上分布均勻，特別是空氣間隔部分也得到了充分的爆破。

使用后處理軟件分別對6個失效圖內(nèi)的研究區(qū)域進(jìn)行體積計算，并計算各組模型的失效比例以及單個區(qū)域失效比例方差S1、單個區(qū)域和ABC整體區(qū)域之間差值的方差S2，效果見表2～3。由表2～3可看出，模型4的B區(qū)域和整體區(qū)域的失效比例分別為29.04%和34.95%，是所有分區(qū)失效比例和整體失效比中最小的，同時其方差S1和S2也是所有方差中最大的，說明在該種裝藥結(jié)構(gòu)下巖石整體爆破效果較差，尤其空氣間隔部位破碎不徹底，易出現(xiàn)大塊，因此首先可排除模型4的裝藥方案。同時，表中模型3、5、6的方差S1和S2差值較大，側(cè)面表明炸藥能量在各個區(qū)域的分布并不均勻，炸藥層能量多，空氣層能量少，容易在炸藥層產(chǎn)生粉礦。模型1和模型2的方差S1、S2相差較小，說明這兩種裝藥結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒄ㄋ幠芰孔畲蟪潭鹊鼐鶆蚍植嫉礁鱾€區(qū)域，可同時控制粉礦和大塊礦。

表2 模型失效前后體積量

表3 方差計算結(jié)果

3.2 裂紋交錯塊度及粉礦

圖3 中因失效而被刪除的白色“裂紋”雖與實際爆破后的裂紋擴展有一定差異，但在總體上與爆破后裂紋擴展方面具有高度的相似性［10］。因此，本文利用這些“裂紋”交錯所形成的塊狀區(qū)域來“代替”實際爆破塊度是可行的。由于ANSYS軟件沒有考慮到爆破拋擲作用對礦石塊度的影響，因此需要使用塊度處理系統(tǒng)［11］對失效圖進(jìn)行系統(tǒng)識別和人工“打斷”，使某些因拋擲碰撞而實際會分裂的大塊體變得破碎，更加接近于實際爆破后的塊度。以模型2為例，處理前后的塊度圖如圖4所示。隨后利用系統(tǒng)的統(tǒng)計分析功能對得到的高清分析圖進(jìn)行塊度尺寸分布統(tǒng)計，并將6組模型的尺寸分布數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制成如圖5所示的塊度尺寸累計分布曲線圖。

圖4 模型2塊度分析圖

圖5 塊度尺寸累積分布曲線

現(xiàn)對圖5中曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分別過20%、50%和80%做X軸平行線，并統(tǒng)計每組模型的最大尺寸Xmax，結(jié)果見表4。

表4 塊度尺寸統(tǒng)計表

從表4可以看出，模型5的X20和Xmax數(shù)值僅為84.41 mm和289.47 mm，是所有數(shù)值中最小的；模型6的X20過小而Xmax偏大；同時，模型3、4的Xmax數(shù)值也過大。說明在模型5的裝藥結(jié)構(gòu)下會產(chǎn)生過多粉礦；模型6的礦石塊度多集中在小塊度和大塊度上，整體塊度均勻性差；而在模型3、4的裝藥結(jié)構(gòu)下卻有可能產(chǎn)生大塊礦。

現(xiàn)根據(jù)文獻(xiàn)［12］提出的“兩邊加法則”對模型1和模型2進(jìn)行深度對比。其具體操作為：對表4中得到的12組X20和X80數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將最小的X20定為粉礦上界，最大的X80定為大塊下界（也可如圖5中所作直線獲?。玫椒鄣V上界為84.41 mm，大塊下界為338.34 mm?，F(xiàn)將這兩個指標(biāo)反推至圖5中，可得到模型1、2的特征尺寸塊度比例如表5所示。

表5 特征尺寸塊度比例表

觀察表5可知，模型2的粉礦比例和大塊比例相比模型1都較小，表明該種裝藥結(jié)構(gòu)下所達(dá)到的控制粉礦和大塊礦的效果最好，因此認(rèn)定裝藥結(jié)構(gòu)2（1條炸藥-1.0 m間隔-1條炸藥）為最優(yōu)的裝藥結(jié)構(gòu)。

4 工程應(yīng)用效果

實際生產(chǎn)中礦山將粉礦上界定為3 cm，即塊度小于3 cm的礦石即可認(rèn)定為無法回收?，F(xiàn)進(jìn)行礦山現(xiàn)場試驗，該采場已經(jīng)過3次拉槽，后續(xù)回采均為側(cè)向崩礦。圖6（a）為應(yīng)用前爆破效果，采用模型5的裝藥結(jié)構(gòu)，可看出爆破后粉礦產(chǎn)量過多且有大塊；圖6（b）為應(yīng)用模型2的裝藥結(jié)構(gòu)后的爆破效果，采場礦塊塊度均勻，粉礦產(chǎn)量少。后期鏟礦過程中也并未發(fā)現(xiàn)大塊，即不會出現(xiàn)二次處理大塊的工作，采場資源回收率相比以往更高。由此說明，本文研究得到的裝藥結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足礦山生產(chǎn)需求，基本解決了礦山粉礦率高這一問題。圖中參考物為礦泉水瓶（瓶蓋直徑3 cm，瓶底直徑5.5 cm，高18 cm）。

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后爆破效果對比

5 結(jié) 論

1）建立6組裝藥結(jié)構(gòu)模型，通過分析比較各研究區(qū)域的失效比例，發(fā)現(xiàn)模型1和模型2的失效比例方差和都較小，表明其整體失效更加均勻。

2）運用塊度處理系統(tǒng)對失效后的6組模型進(jìn)行塊度尺寸分布分析，結(jié)果表明：模型1和模型2在塊度分布上更加均勻，深入比較后得出模型2對于粉礦和大塊礦的控制效果比模型1更加優(yōu)良。

3）將模型2的裝藥結(jié)構(gòu)運用到礦山爆破實際中，得到了理想的爆破效果，爆后粉礦產(chǎn)量低，且無大塊，礦石塊度整體均勻，表明研究所得到的裝藥結(jié)構(gòu)基本上解決了礦山粉礦率和大塊率高的問題。