陳財(cái)偉

(湖南省新邵縣新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司，　湖南 邵陽市　422000)

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某地下礦山預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

陳財(cái)偉

(湖南省新邵縣新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 邵陽市422000)

摘要：某礦使用有底柱深孔崩落法回采礦體，為提高生產(chǎn)效率，采用一次鑿巖、多次爆破的施工方式。擬采用預(yù)裂爆破來降低前排面炮孔爆破對(duì)預(yù)留炮孔的影響。通過預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)，計(jì)算出兩種預(yù)裂孔布置方式?；贏nsys/ls-dyna數(shù)值模擬軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從應(yīng)力波、預(yù)裂成縫及對(duì)預(yù)留孔的影響，最終選定孔徑71 mm，孔距850 mm，不耦合系數(shù)為3的預(yù)裂爆破參數(shù)。

關(guān)鍵詞：崩落法；預(yù)裂爆破；數(shù)值模擬

0引言

某地下礦山10-9礦段在1570中段以上均采用有底柱分段崩落法回采，礦房回采后頂板多自然冒落，采場(chǎng)相互貫通，形成巨大采空區(qū)?；夭?570中段以下礦體時(shí)采用有底柱深孔崩落法，為保證鑿巖工作的安全，采用一次鑿巖、多次爆破的施工方式。為保證爆破落礦的有序進(jìn)行，在單次爆破最后一個(gè)排面使用預(yù)裂爆破，減小對(duì)預(yù)留炮孔的影響。

開采范圍內(nèi)的巖石比重在2.73～2.88之間，抗壓強(qiáng)度一般在34.5～66 MPa范圍內(nèi)，屬堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬巖組，巖石穩(wěn)固性較好，在此巖組中開拓的巷道、硐室，除局部風(fēng)化破碎的泥質(zhì)灰?guī)r巖層外，一般不需支護(hù)。

1預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

(1) 孔徑。根據(jù)已有的鑿巖設(shè)備，孔徑可選取71 mm作為方案1，另外選取90 mm孔徑作為方案2。

(2) 不耦合系數(shù)。地下隧道開挖及巷道開挖不耦合系數(shù)一般為1.5～4，而露天及硐室爆破為2～4，參考有關(guān)文獻(xiàn)資料，不耦合系數(shù)均為3，裝藥直徑可通過不同直徑的PVC管實(shí)現(xiàn)。

(3) 孔間距。根據(jù)有關(guān)資料，中硬以上巖體孔間距a=(8～12)D，軟弱巖體a=(6～8)D，本礦為中硬礦石，故90 mm孔徑的孔間距為720～1080 mm，71 mm孔徑的孔間距為568～852 mm，結(jié)合礦山巖性，90 mm炮孔設(shè)計(jì)孔距1000 mm，71 mm炮孔設(shè)計(jì)孔距850 mm。

(4) 線裝藥量。長江水利委員會(huì)推薦ρ=0.36σ0.5a0.6，也有文獻(xiàn)提出ρ=0.36σ0.6a0.67，本礦巖石抗壓強(qiáng)度為34～66 MPa，選擇60 MPa作為計(jì)算值，根據(jù)以上兩公式，線裝藥量分別為：1000 mm間距的炮孔的ρ為405～429 g/m，取415 g/m，850 mm間距的炮孔的ρ為370～385 g/m，取380 g/m。

綜上所述，兩種設(shè)計(jì)方案孔網(wǎng)參數(shù)見表1。

表1　設(shè)計(jì)方案

2數(shù)值模擬

2.1模型建立及參數(shù)選擇

利用Ansys/ls-dyna對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，選取水平截面建立準(zhǔn)二維模型(見圖1)，即縱向僅一個(gè)單位厚度，預(yù)裂孔距離后排預(yù)留孔2.3 m，采用ALE算法，定義炸藥和空氣ALE網(wǎng)格與礦石拉式網(wǎng)格耦合。材料參數(shù)見表2。

圖1　預(yù)裂爆破雙孔模型

材料密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比屈服應(yīng)力/MPa切線模量/MPa大理巖265012.470.2987.40.623空氣1.23000

2.2模擬結(jié)果分析

2.2.1應(yīng)力波的傳播

應(yīng)力波可以用有效應(yīng)力來衡量，有效應(yīng)力是應(yīng)變能強(qiáng)度理論的一部分。該理論認(rèn)為巖石或巖石單位體積彈性變形超過該種巖石允許的最大位能時(shí)，巖石發(fā)生破壞，有效應(yīng)力數(shù)值上等于各主應(yīng)力差的平方和的一半的平方根，當(dāng)某一點(diǎn)等效應(yīng)力超過某一值時(shí)，便進(jìn)入塑性狀態(tài)，即Von Mises屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則在爆破數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。方案1有效應(yīng)力時(shí)程分布見圖2。

圖2　有效應(yīng)力時(shí)程分布

由圖2可知，預(yù)裂孔起爆后，截面內(nèi)應(yīng)力波呈環(huán)狀向四周傳播，120 μs后，應(yīng)力波在兩孔連線中點(diǎn)處相遇疊加，致使該點(diǎn)應(yīng)力增加，其壓應(yīng)力波峰過后即形成拉應(yīng)力；230 μs應(yīng)力波達(dá)到相鄰孔，此時(shí)相鄰孔起到自由面的作用，應(yīng)力波在此處反射形成拉應(yīng)力，應(yīng)力波繼續(xù)傳播，孔間應(yīng)力始終較高；828 μs時(shí)預(yù)裂孔應(yīng)力波達(dá)到后排預(yù)留孔，使得預(yù)留孔兩側(cè)應(yīng)力集中，并在預(yù)裂孔方向孔壁處形成反射拉應(yīng)力。方案2有效應(yīng)力傳播規(guī)律均與上圖相似，故不再累述。

2.2.2預(yù)裂成縫效果

預(yù)裂成縫機(jī)理表明，預(yù)裂縫先從孔壁出開始形成徑向裂紋，并逐漸向四周擴(kuò)展，直至相鄰孔裂紋貫穿，故要判斷預(yù)裂是否成縫，僅需判斷相鄰孔連線中點(diǎn)處在爆炸過程中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力與礦巖的極限動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力即可，故記錄各方案兩孔連線中點(diǎn)拉應(yīng)力的值，見圖3～圖4。

圖3　方案1連線中點(diǎn)拉應(yīng)力時(shí)程曲線

圖4　方案2連線中點(diǎn)拉應(yīng)力時(shí)程曲線

2.2.3對(duì)預(yù)留孔的影響

由于預(yù)裂孔距離后排預(yù)留孔僅為一個(gè)抵抗線的距離，需考慮預(yù)裂孔爆破對(duì)后排的影響，故記錄主爆孔孔壁近預(yù)裂孔方向、預(yù)裂孔側(cè)向、遠(yuǎn)預(yù)裂孔方向的三個(gè)單元的應(yīng)力值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖5，預(yù)留了孔壁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線見圖6。

圖5　主爆孔孔壁監(jiān)測(cè)單元

由圖6可知，926單元受到的拉應(yīng)力最大，920與907單元拉應(yīng)力值較小且相當(dāng)，由此可知預(yù)留孔側(cè)向孔壁處最容易出現(xiàn)破壞，故以監(jiān)測(cè)各方案中預(yù)留孔側(cè)向孔壁處的拉應(yīng)力值，來衡量預(yù)裂孔對(duì)預(yù)留孔的影響，方案1和方案2預(yù)留孔側(cè)向孔壁拉應(yīng)力值見圖7～圖8。

圖6　預(yù)留孔孔壁各處應(yīng)力時(shí)程曲線

圖7　方案1預(yù)留孔壁拉應(yīng)力時(shí)程曲線

圖8　方案2預(yù)留孔孔壁拉應(yīng)力時(shí)程曲線

通過對(duì)比模擬結(jié)果，可知：

(1) 預(yù)裂孔起爆后，應(yīng)力波呈環(huán)狀向四周傳播，相鄰炮孔應(yīng)力波在兩孔連心線中點(diǎn)相遇并疊加，產(chǎn)生拉應(yīng)力使得巖體沿著炮孔連心線附近破壞。

(2) 兩種方案的相鄰孔連線中點(diǎn)的最大應(yīng)力均在200 ms達(dá)到最大值，分別為300 MPa和385 MPa。兩種方案均大于巖石的極限抗拉強(qiáng)度，方案1的最大應(yīng)力更小，對(duì)巖體破壞相對(duì)較小。

(3) 對(duì)預(yù)留孔孔壁的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，方案1的預(yù)留孔側(cè)向孔壁處的最大拉應(yīng)力值小于方案2，方案1對(duì)預(yù)留孔的影響相對(duì)較小。

通過數(shù)值模擬，可知方案1雖然施工更多進(jìn)尺的炮孔，使用更多的炸藥量，但是無論是預(yù)裂成縫效果，還是對(duì)預(yù)留孔的影響均優(yōu)于方案2，故選取方案1為最終的施工方案。方案1的參數(shù)如下：孔徑71 mm，孔間距850 mm，不耦合系數(shù)3，線裝藥密度380 g/m。

3結(jié)論

(1) 根據(jù)現(xiàn)有施工條件，依據(jù)控制爆破設(shè)計(jì)規(guī)范，初步計(jì)算得出孔徑71 mm(方案1)和90 mm(方案2)兩種設(shè)計(jì)方案。

(2) 基于Ansys/ls-dyna數(shù)值模擬軟件對(duì)兩種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從應(yīng)力波、預(yù)裂成縫及對(duì)預(yù)留炮孔的影響三個(gè)方面綜合分析，最終優(yōu)選方案1為施工方案。

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作者簡介：陳財(cái)偉(1985-)，男，助理工程師，主要從事殘礦資源回采及薄礦體開采工藝研究。