揣 新 陳能革 朱 磊 劉智兵

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團南山礦業(yè)有限公司；3.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團有限公司；4.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司；5.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

爆破振動是露天爆破公害之首，嚴重影響礦山邊坡穩(wěn)定性及礦旁建筑物安全，采用預(yù)裂爆破技術(shù)不僅能夠顯著降低爆破振動速度，減少對邊坡巖體的破壞，還能夠提升邊坡面的平整度，最大限度地保護邊坡穩(wěn)定，對于礦區(qū)及附近生命財產(chǎn)安全意義重大［1］。但是常規(guī)預(yù)裂爆破在巖體完整性較差區(qū)域效果較差，于是提出采用聚能預(yù)裂爆破改善這一問題。

針對臺階邊坡聚能預(yù)裂爆破技術(shù)，諸多學(xué)者展開了相關(guān)的研究。許守信等［2］采用有限元軟件建立了矩形聚能藥包模型，分析了矩形聚能藥包的聚能效應(yīng)，得出沿炮孔中心水平方向應(yīng)力是沿炮孔中心垂直方向應(yīng)力的1.62～3.51 倍，并且在西溝礦現(xiàn)場試驗驗證了矩形聚能藥包結(jié)構(gòu)的可行性。胡坤倫等［3］利用理論計算和現(xiàn)場實測對比分析聚能預(yù)裂爆破減振效果，得出使用聚能預(yù)裂爆破技術(shù)能夠顯著降低振動速度，最大減振率為92.2%，平均減振率為74.0%。林飛［4］通過聚能管預(yù)裂爆破和常規(guī)預(yù)裂爆破的對比試驗，得出與常規(guī)預(yù)裂爆破相比，邊坡面更平整，活動碎石少，半壁孔率顯著提高。王樂等［5］通過聚能預(yù)裂爆破在東鞍山鐵礦的現(xiàn)場試驗，得到了聚能預(yù)裂爆破能形成顯著的預(yù)裂縫，起到減振作用，保護邊坡安全穩(wěn)定，節(jié)約鉆孔成本的結(jié)論。

但是由于各礦山實際條件具有多變性、模糊性等特點，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，預(yù)裂爆破參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)在不同實踐工程中需要進一步調(diào)整，以便更好地貼合相關(guān)規(guī)范及現(xiàn)場實際要求?；诖?，本文采用有限元軟件，對不同裝藥方式、不同預(yù)裂孔間距條件下的高村鐵礦中閃長玢巖預(yù)裂爆破效果進行模擬研究，利用數(shù)值模擬研究得到的規(guī)律，來提升預(yù)裂爆破效果，降低礦山爆破振動速度，同時，為類似礦山預(yù)裂爆破減振提供參考。

1 工程概況

高村鐵礦臺階設(shè)計高度12 m，生產(chǎn)爆破炮孔直徑250 mm，單孔裝藥量達450 kg，盡管已經(jīng)采用微差爆破技術(shù)，但在臨幫區(qū)域爆破時，邊坡處的爆破振動最大值仍然會達到30 cm/s以上（超過《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的24 cm/s），可能造成邊坡巖體損傷破壞、邊坡軟弱破碎區(qū)域滑坡、邊坡坡面不平整和后期復(fù)綠難度大、成本高等問題。

經(jīng)過近十多年的開采，目前高村采場二期設(shè)計開采境界范圍內(nèi)預(yù)計采場工業(yè)品位礦石剩余資源儲量約2 100萬t，按照500萬t/a礦石生產(chǎn)規(guī)模僅能穩(wěn)產(chǎn)4～5 a。為保證礦山設(shè)計生產(chǎn)能力長期穩(wěn)定地達標(biāo)達產(chǎn)，延長礦山服務(wù)年限，避免現(xiàn)有礦山已有生產(chǎn)設(shè)施的閑置浪費和因生產(chǎn)能力不足而導(dǎo)致的下崗減員，擬實施南山礦業(yè)公司高村鐵礦三期技改建設(shè)工程項目。三期開采平面范圍是在二期開采境界范圍基礎(chǔ)上西擴150 m，豎向范圍+66～-258 m，相比目前最低開采深度102 m，開采最終深度相比二期降低了156 m。礦山安全生產(chǎn)挑戰(zhàn)變得更加嚴峻，為了降低爆破振動速度，提高礦山三期擴建邊坡穩(wěn)定性，開展聚能管預(yù)裂爆破技術(shù)研究意義重大。

2 聚能管預(yù)裂爆破數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立

爆破數(shù)值模型由炸藥、聚能管、空氣和巖石4 部分組成，其中炸藥、聚能管和空氣3 種材料采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE 算法，巖石采用拉格朗日網(wǎng)格建模，巖石與空氣和聚能管材料間采用耦合算法。

為分析孔距和聚能管對預(yù)裂爆破效果的影響，模型中建立了雙炮孔聚能管裝藥結(jié)構(gòu)，共設(shè)置4組工況，不同工況參數(shù)見表1。

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為分析不同孔距下，聚能管裝藥對預(yù)裂爆破效果的影響，在2 種不同孔距聚能管模擬模型的基礎(chǔ)上，建立無管的2 組模擬模型進行對比，分析相同孔距下有無聚能管時的預(yù)裂爆破效果，模擬模型為四分之一模型，實際模型如圖1所示。

2.2 計算力學(xué)參數(shù)選擇

為避免由于計算中網(wǎng)格過分畸變造成計算結(jié)果的不準(zhǔn)確，本次模擬采用流固耦合方法，巖石材料采用Lagrange網(wǎng)格描述，其參數(shù)根據(jù)高村鐵礦現(xiàn)場取樣進行實驗室物理力學(xué)參數(shù)試驗確定，見表2。

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炸藥采用Euler 網(wǎng)格描述，狀態(tài)方程采用下式描述：

式中，P為爆轟產(chǎn)物壓力，kN；V為單位體積比容，m3/kg；E1為初始內(nèi)能，J；A、B、R1、R2、ω為常數(shù)，由試驗測定。

本次模擬選擇的炸藥是乳化炸藥，該乳化炸藥的相關(guān)參數(shù)見表3［6］。

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流體材料通常采用本構(gòu)方程和狀態(tài)方程2 種方程來描述材料行為?？諝鉅顟B(tài)方程見下式：

式中，V0為初始相對體積，m3；C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6為常數(shù)。

空氣相關(guān)參數(shù)見表4。

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2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

設(shè)定巖石材料的失效參數(shù)為抗拉強度25 MPa（閃長玢巖動態(tài)抗拉強度），4 種工況下的模擬結(jié)果如圖2～圖5 所示，圖中深色部分為巖石單元，淺色部分為空氣，通過空氣范圍的擴展顯示預(yù)裂縫的擴展過程。

比較工況1—1 和1—2 的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正常裝藥情況下，孔距1.4 m 的裂縫擴展速度明顯快于孔距1.6 m，但是在模型計算到3 ms 時2 個模型的預(yù)裂縫都沒有貫通；比較工況2—1 和2—2 的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在聚能管裝藥情況下，3 ms 時工況2-1 的模型裂縫已經(jīng)貫通，但工況2—2的模型裂縫還未貫通，很明顯孔距1.4 m的裂縫擴展速度明顯快于孔距1.6 m。

比較工況1—1 和2—1 的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在孔距同為1.4 m 時，工況2—1 模型在計算至3 ms 時，兩預(yù)裂孔形成的預(yù)裂縫已經(jīng)貫通，采用聚能管裝藥裂縫擴展速度明顯快于正常裝藥裂縫擴展速度，說明采用聚能管裝藥作用明顯；比較1—2 和2—2 的模擬計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在孔距同為1.6 m時，不管是正常裝藥還是聚能管裝藥，在模型計算至3 ms 時，預(yù)裂縫都沒有發(fā)生貫通，但從模型結(jié)果中可以看出，聚能管裝藥裂縫擴展速度快于正常裝藥。

通過模擬計算結(jié)果綜合分析，不管是正常裝藥還是聚能管裝藥，孔距為1.4 m 時的預(yù)裂縫形成效果都要好于1.6 m，而且聚能管裝藥能起到提升預(yù)裂縫擴展速度的作用。所以針對高村鐵礦閃長玢巖，采用聚能管裝藥情況下，預(yù)裂孔孔距為1.4 m時，預(yù)裂爆破效果最好。

3 聚能管預(yù)裂爆破現(xiàn)場試驗

3.1 主要試驗參數(shù)

試驗區(qū)域位于采場東幫-42～-54 m 臺階，臺階高度為12 m，傾角為60°，主要分布巖石為閃長玢巖。

（1）預(yù)裂孔直徑與傾角α。試驗采用礦山現(xiàn)有潛孔鉆機進行鉆孔，直徑為140 mm，預(yù)裂孔平行于邊坡面，傾角60°。

（3）不耦合系數(shù)。試驗所采用聚能管直徑為40 mm，即裝藥直徑為40 mm，按照不耦合系數(shù)定義可以求得不耦合系數(shù)為3.5。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)。選擇1.5 m長聚能管，每個預(yù)裂孔5 支聚能管，每支聚能管可裝藥1.5 kg，計算線裝藥密度為0.52 kg/m，具體裝藥結(jié)構(gòu)見圖6。主爆孔、緩沖孔和輔助孔都為垂直孔，主爆孔和緩沖孔超深2.5 m，孔深14.5 m，輔助孔深5 m，炮孔布置剖面見圖7。

3.2 減振效果分析

在采場東幫進行了4 次試驗，分別為1 次常規(guī)生產(chǎn)爆破（作對照）和3 次聚能管預(yù)裂爆破。在每次試驗相同距離位置分別布置2 個爆破振動監(jiān)測點，圖8為爆區(qū)與對應(yīng)監(jiān)測點位置。

統(tǒng)計生產(chǎn)爆破和每次聚能管預(yù)裂爆破試驗產(chǎn)生的合振動速度值，并將每次試驗2個測點所測振速與生產(chǎn)爆破相同距離測點的振速相比較，計算出相應(yīng)監(jiān)測位置的減振率和每次預(yù)裂爆破試驗的平均減振率，見表5。

從表5 中可以看出，每次試驗中第1 個測振點的減振效果都要比第2個測振點好，這是因為隨著爆心距增加爆破振動速度衰減明顯。比較3 次預(yù)裂爆破試驗，平均減振率為46.89%，其中第3 次預(yù)裂爆破試驗減振率最高，為58.17%，該次試驗預(yù)裂孔間距1.4 m，驗證了數(shù)值模擬研究結(jié)論的正確性。所以預(yù)裂爆破采用聚能管裝藥，預(yù)裂孔間距選擇1.4 m，在高村鐵礦能夠獲得相對較好的減振效果。

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4 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值模擬研究，分析了聚能管和預(yù)裂孔間距對預(yù)裂爆破效果的影響。通過觀察預(yù)裂縫擴展情況，得到聚能管能起到提升預(yù)裂縫擴展速度的作用，針對高村鐵礦閃長玢巖條件，采用聚能管裝藥情況下，預(yù)裂孔間距為1.4 m時，預(yù)裂縫形成效果最好。

（2）根據(jù)現(xiàn)場已有鉆機型號和聚能管尺寸，確定炮孔直徑為140 mm，不耦合系數(shù)為3.5，在高村鐵礦開展不同預(yù)裂孔間距的聚能管預(yù)裂爆破的現(xiàn)場試驗，通過監(jiān)測爆破振動速度獲得不同試驗的減振效果。試驗結(jié)果表明：3 次聚能管預(yù)裂爆破平均減振率為46.89%，預(yù)裂孔間距為1.4 m 時，聚能管預(yù)裂爆破的減振率最高，為58.17%，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。