陳財偉

(湖南省新邵縣新龍礦業(yè)有限責任公司，　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)計及數(shù)值模擬

陳財偉

(湖南省新邵縣新龍礦業(yè)有限責任公司，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預(yù)留炮孔的影響。通過預(yù)裂爆破設(shè)計，計算出兩種預(yù)裂孔布置方式?；贏nsys/ls-dyna數(shù)值模擬軟件對所設(shè)計的方案進行數(shù)值模擬，從應(yīng)力波、預(yù)裂成縫及對預(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，采場相互貫通，形成巨大采空區(qū)?；夭?570中段以下礦體時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行，在單次爆破最后一個排面使用預(yù)裂爆破，減小對預(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，抗壓強度一般在34.5～66 MPa范圍內(nèi)，屬堅硬-半堅硬巖組，巖石穩(wěn)固性較好，在此巖組中開拓的巷道、硐室，除局部風化破碎的泥質(zhì)灰?guī)r巖層外，一般不需支護。

1預(yù)裂爆破設(shè)計

(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)計孔距1000 mm，71 mm炮孔設(shè)計孔距850 mm。

(4) 線裝藥量。長江水利委員會推薦ρ=0.36σ0.5a0.6，也有文獻提出ρ=0.36σ0.6a0.67，本礦巖石抗壓強度為34～66 MPa，選擇60 MPa作為計算值，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)計方案孔網(wǎng)參數(shù)見表1。

表1　設(shè)計方案

2數(shù)值模擬

2.1模型建立及參數(shù)選擇

利用Ansys/ls-dyna對所設(shè)計的方案進行數(shù)值模擬，選取水平截面建立準二維模型(見圖1)，即縱向僅一個單位厚度，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)變能強度理論的一部分。該理論認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，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，當某一點等效應(yīng)力超過某一值時，便進入塑性狀態(tài)，即Von Mises屈服準則，該準則在爆破數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。方案1有效應(yīng)力時程分布見圖2。

圖2　有效應(yīng)力時程分布

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處相遇疊加，致使該點應(yīng)力增加，其壓應(yīng)力波峰過后即形成拉應(yīng)力；230 μs應(yīng)力波達到相鄰孔，此時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時預(yù)裂孔應(yīng)力波達到后排預(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處在爆炸過程中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力與礦巖的極限動態(tài)拉應(yīng)力即可，故記錄各方案兩孔連線中點拉應(yīng)力的值，見圖3～圖4。

圖3　方案1連線中點拉應(yīng)力時程曲線

圖4　方案2連線中點拉應(yīng)力時程曲線

2.2.3對預(yù)留孔的影響

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

圖5　主爆孔孔壁監(jiān)測單元

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，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)力時程曲線

圖7　方案1預(yù)留孔壁拉應(yīng)力時程曲線

圖8　方案2預(yù)留孔孔壁拉應(yīng)力時程曲線

通過對比模擬結(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的最大應(yīng)力均在200 ms達到最大值，分別為300 MPa和385 MPa。兩種方案均大于巖石的極限抗拉強度，方案1的最大應(yīng)力更小，對巖體破壞相對較小。

(3) 對預(yù)留孔孔壁的監(jiān)測結(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對預(yù)留孔的影響相對較小。

通過數(shù)值模擬，可知方案1雖然施工更多進尺的炮孔，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)計規(guī)范，初步計算得出孔徑71 mm(方案1)和90 mm(方案2)兩種設(shè)計方案。

(2) 基于Ansys/ls-dyna數(shù)值模擬軟件對兩種方案進行數(shù)值模擬，從應(yīng)力波、預(yù)裂成縫及對預(yù)留炮孔的影響三個方面綜合分析，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。