李 佳， 唐 強， 熊曉峰， 代雙成， 張 煜， 劉 鈺

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院， 北京 100083)

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Sino露天磁鐵礦臺階爆破方案的確定

李 佳， 唐 強， 熊曉峰， 代雙成， 張 煜， 劉 鈺

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院， 北京 100083)

為確定澳大利亞Sino露天磁鐵礦臺階爆破的排距和孔距，運用Holmberg&Person公式對鉆孔爆破巖體損傷范圍進行估算，通過迭代法確定橢圓損傷區(qū)的長短軸長度。使用動力分析軟件LS-DYNA模擬5.5m(排距)×5.5m(孔距)、5.0m(排距)×6.0m(孔距)兩種網(wǎng)孔布置方案的巖體破碎效果，結(jié)果表明：采用5.5m×5.5m方案時，炮孔之間存在未損傷區(qū)，易產(chǎn)生大塊，后排孔起爆后出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用5.0m×6.0m方案時，爆破能量利用均勻，巖體破碎充分，是比較合理的排距、孔距參數(shù)，該方案應(yīng)用于澳大利亞Sino露天磁鐵礦臺階爆破，取得了良好的爆破效果。

臺階爆破； 爆破方案； 排距； 孔距； 損傷范圍；LS-DYNA

1　引言

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，采礦技術(shù)的發(fā)展對國民經(jīng)濟發(fā)展有較大的推動作用〔1-4〕。露天采礦技術(shù)，作為一種高產(chǎn)高效的開采方式，在礦山開采活動中一直占有較大比重。

爆破工程作為露天礦開采技術(shù)的核心，其技術(shù)的發(fā)展深刻影響著露天采礦業(yè)的發(fā)展。爆破技術(shù)的進步依賴于炸藥性能、鑿巖效率、爆破參數(shù)的改進。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，如今炸藥性能已能基本滿足爆破工程的需要，鑿巖技術(shù)隨著大型鑿巖設(shè)備的不斷更新也得到了長足進步。如今，采礦工作者們把更多的精力放在改進和調(diào)整爆破參數(shù)上，通過調(diào)整臺階高度、孔徑、孔距與孔深，以及裝藥結(jié)構(gòu)、爆破方式等提高爆破效率，從而獲得最佳的爆破效果〔5-7〕。本文正是基于此，以澳大利亞Sino露天磁鐵礦為背景對臺階爆破的排距和孔距展開研究。

2　工程背景

SinoIronProject是在澳大利亞開發(fā)的大型磁鐵礦項目之一，露天開采境界為6km×5km。礦區(qū)位于Perth北部1 400km的Karratha西南 80km處。礦床位于Balmoral礦區(qū)中部，賦存于西澳地區(qū)的Hamersley群的Brockman組中，為磁鐵石英巖型礦床，礦石硬度較大，單軸抗壓強度UCS值平均為350MPa。隨深度增加抗壓強度UCS值有增大的趨勢。礦石體重為3.4t/m3，巖石體重為3.0t/m3。SinoIronProject設(shè)計年產(chǎn)鐵精粉2 760萬t，鐵精粉品位為68%左右，礦山的生產(chǎn)能力為8 500 萬t/年，實際服務(wù)年限在25年以上。

3　爆破損傷范圍估算

在爆破沖擊波理論基礎(chǔ)上，Holmberg和Person認為可以通過計算巖體內(nèi)部質(zhì)點的峰值振動速度來確定藥包的爆破破碎范圍，其計算公式為〔8〕：

(1)

式中：b為藥包的爆破破碎范圍半徑，m；D為鉆孔直徑，m；ρ為炸藥密度，kg/m3；l為裝藥長度，m；v0為炮孔壁上質(zhì)點的峰值振動速度，mm/s；K為與巖石性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，取300；β為衰減系數(shù)，取-1.5。

計算所使用的炮孔布置見圖1，參數(shù)見表1。

圖1　炮孔布置剖面Fig.1　Profile of blastholes arrangement

排號裝藥密度/(kg·m-3)鉆孔直徑/m裝藥長度/m裝藥間隔/m質(zhì)點峰值速度/(mm·s-1)111500.2298.20388211500.2298.20388311500.2298.20388411500.2295.90280

根據(jù)上式采用迭代法計算各炮孔的短軸長度，如表2所示。

表2　迭代法各炮孔短軸計算結(jié)果

爆破損傷區(qū)的橢圓長軸用下式計算：

(2)

代入?yún)?shù)計算得，前三排a=5.61 m，第四排a=4.39m。

4　數(shù)值模擬

估算出的爆破損傷橢圓長軸為5.61m，短軸為3.2m，根據(jù)估算結(jié)果，使用LS-DYNA3D軟件建立模型，模擬采用5.5m×5.5m(方案一)和5.0m×6.0m(方案二)兩種方案，其模型如圖2所示。

圖2　數(shù)值計算模型Fig.2　Numerical model

LS-DYNA3D軟件以Jones-Wilkins-Le(JWL)狀態(tài)方程模擬炸藥爆轟過程中壓力與體積的關(guān)系，表達式為〔9〕：

(3)

式中：A，B，R1，R2，ω為材料常數(shù)；P為爆轟壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對體積；E0為爆轟產(chǎn)物的初始比內(nèi)能。結(jié)合現(xiàn)場實踐，模擬炸藥采用煤礦三級乳化炸藥，模擬裝藥密度及JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示。

表3　乳化炸藥材料參數(shù)

爆破產(chǎn)生沖擊波導(dǎo)致炮孔周圍煤巖體發(fā)生大變形，因此，煤巖體材料模型選用具有應(yīng)變率效應(yīng)的各向同性雙線性彈塑性模型MAT-PLASTIC-KINEMATIC，材料類型選擇SOLID164三維單元，應(yīng)變率效應(yīng)采用Cowper-Symonds模型分析，屈服應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系為：

(4)

表4　計算采用的巖石力學(xué)參數(shù)

5　數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1方案一模擬結(jié)果

方案一模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3　方案一排距、孔距10 ms延時爆破等效應(yīng)力變化Fig.3　Equivalent stress variation of 10 ms time delay blasting in row spacing of scheme 1

由圖3可知，在3.0ms時，炮孔爆破應(yīng)力波相互疊加；4.4ms時，應(yīng)力波在各炮孔周圍半徑約2.5m的范圍形成爆破損傷破碎區(qū)，隨著應(yīng)力波的傳播，在兩炮孔徑向連線方向應(yīng)力疊加，繼續(xù)造成巖體損傷破壞；7.8ms，前排爆破應(yīng)力波傳播至后排炮孔，后排炮孔暫時充當(dāng)自由面，炮孔周圍在拉伸應(yīng)力波作用下產(chǎn)生環(huán)狀裂隙，該裂隙為均勻利用后排炮孔爆破時炸藥能量創(chuàng)造了條件；10.6ms時，前排孔爆破作用基本穩(wěn)定，在兩排炮孔中間區(qū)域形成3個“未損傷區(qū)”?？梢?，排間延時爆破時間間隔設(shè)置為超過10ms時有利于炸藥能量的充分利用，但5.5m排距時在兩排炮孔中間會遺留0.5 ～0.8m的未損傷區(qū)，容易產(chǎn)生大塊，不利于巖石裝載。

使用ANSYS軟件后處理模塊，提取沿炮孔徑向不同位置的等效應(yīng)力、切向應(yīng)力隨時間的變化情況，如圖4、 圖5所示。爆破過程中不同位置等效應(yīng)

圖4　方案一排距、孔距沿后排炮孔徑向不同位置等效應(yīng)力動態(tài)變化Fig. 4　Equivalent stress variation in different location along the radial direction of the second blastholes in row spacing of scheme 1

圖5　方案一排距、孔距沿后排炮孔徑向不同位置切向應(yīng)力動態(tài)變化Fig.5　Tangential stress variation in different location along the radial direction of the second blastholes in row spacing of scheme 1

力與切向應(yīng)力有近似一致的規(guī)律，但切向應(yīng)力較小，約為等效應(yīng)力的0.5倍；另外，從圖4、圖5中還可看出，由于應(yīng)力波的疊加作用，后排孔起爆后，巖體中等效應(yīng)力及切向應(yīng)力均高于前排孔，且高應(yīng)力水平(等效應(yīng)力>250MPa，切向應(yīng)力>150MPa)只持續(xù)了約2.5ms即恢復(fù)至低應(yīng)力水平，說明爆破過程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5.2方案二模擬結(jié)果

方案二模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可知， 前排孔爆破過程與方案一基本類似，由于炮孔間距增加，炮孔間應(yīng)力疊加作用有所減弱，8.8ms時等效應(yīng)力顯示，炮孔中間靠近前排孔的區(qū)域已基本破壞，說明6.0m間距可以滿足工程要求；后排孔起爆后，應(yīng)力波逐漸向遠處傳播，傳播至前排孔的損傷區(qū)時，通過17.4ms的應(yīng)力云圖可以看出，炮孔之間的巖石基本破壞，說明減小排距后前后排爆破對排間巖體的破壞能夠互相貫通，實現(xiàn)爆破能量的均勻利用，降低爆破大塊率，提高臺階爆破及礦石裝載效率。

圖6　方案二排距、孔距10 ms延時爆破等效應(yīng)力變化Fig.6　Equivalent stress variation of 10 ms time delay blasting in row spacing of scheme 2

沿炮孔徑向不同位置的等效應(yīng)力、切向應(yīng)力隨時間的變化情況，如圖7、圖8所示。不同位置等效應(yīng)力與切向應(yīng)力仍然有近似一致的規(guī)律；但后排孔起爆后，方案二排距、孔距巖體內(nèi)的高應(yīng)力水平持續(xù)了約5ms，大于方案一的2.5ms。

圖7　方案二排距、孔距沿炮孔徑向不同位置等效應(yīng)力動態(tài)變化Fig.7　Equivalent stress variation in different location along the radial direction of the second blasthole in the row spacing of scheme 2

5.3兩方案模擬結(jié)果對比分析

采用方案一時，前排與后排炮孔起爆后均在兩排炮孔中形成了應(yīng)力水平較低的區(qū)域，即未損傷區(qū)，這些區(qū)域內(nèi)的巖體未被充分破碎，容易產(chǎn)生大塊。采用方案二時，兩排炮孔之間未形成未損傷區(qū)，爆破能量利用均勻，炮孔之間的巖石基本破壞。

圖8　方案二排距、孔距沿炮孔徑向不同位置切向應(yīng)力動態(tài)變化Fig.8　Tangential stress variation in different location along the radial direction of the second blasthole in the row spacing of scheme 2

采用方案一時，后排孔起爆后巖體內(nèi)的高應(yīng)力水平只持續(xù)了2.5ms， 低于采用方案二時的5ms，這說明了采用方案一時炮孔間出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，爆破能量未得到充分利用，而采用方案二時，炮孔能量利用效率高于方案一。綜上所述，方案二能夠充分利用爆破能量，保證排間巖體的充分破碎，是比較合理的排距、孔距參數(shù)。

6　工程實踐

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際裝備水平，確定臺階爆破的鉆孔排距、孔距為5.0m(排距)×6.0m(孔距)，考慮到臺階爆破后的穩(wěn)定性，最后一排炮孔與水平面保持84°傾角。爆破實驗的封孔長度為5.0m，為防止爆破飛巖事故發(fā)生，靠近臺階坡面的炮孔封孔長度為7.5m，以緩和爆破拋擲作用。

根據(jù)對臺階爆破參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，在-12m階段水平編號為152的臺階進行爆破實驗，實驗主要參數(shù)如表5所示。

表5　臺階爆破實驗主要參數(shù)

根據(jù)工業(yè)實驗現(xiàn)場觀測結(jié)果和平臺清理情況，對臺階爆破效果作出以下評價：

(1)臺階爆破后，爆堆在臺階前方10 ～15m的區(qū)域，礦石整體移動效果好，爆堆高度約3m，與裝載設(shè)備性能相適應(yīng)，爆破鉆孔間裂隙相互貫通，礦石塊度較均勻。

(2)臺階爆破形成的新破頂線比較整齊，坡底表面光潔，完整性好，說明爆破產(chǎn)生的后沖作用較小，爆破施工質(zhì)量好，為臺階爆破作業(yè)奠定了良好基礎(chǔ)。

(3)采用較大孔距、縮小排距使爆破炸藥利用率高，礦石塊度均勻，降低了爆破大塊率，礦石裝載效率相應(yīng)提高。

(4)采用反向起爆方式，加強了臺階底部巖石爆破作用，較大程度避免了根底現(xiàn)象。

(5)采用排間毫秒延時技術(shù)，充分利用炸藥能量，大大降低了飛石現(xiàn)象的發(fā)生次數(shù)。

7　結(jié)論

(1)以爆炸沖擊波引起的質(zhì)點峰值振動速度為判據(jù)，計算了鉆孔爆破控制的巖體損傷范圍，采用迭代法計算了爆破的橢圓損傷區(qū)的長短軸，為工程設(shè)計網(wǎng)孔參數(shù)提供依據(jù)。

(2)使用LS-DYNA3D軟件對5.5m×5.5m和5.0m×6.0m排距、孔距進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，減小排距后，前后排爆破對排間巖體的破壞能夠互相貫通，炮孔之間的巖石基本破壞。5.0m×6.0m排距、孔距時爆破能量分布較均勻，爆破空間范圍內(nèi)巖石破碎效果好，是比較合理的排距、孔距參數(shù)。

(3)結(jié)合Sino公司磁鐵礦臺階爆破現(xiàn)狀與臺階爆破參數(shù)選擇結(jié)果，在-12m階段水平152號臺階平臺進行工業(yè)實驗，結(jié)合現(xiàn)場觀測對爆破效果進行評價，認為選擇的孔網(wǎng)參數(shù)適應(yīng)該礦井的實際需要，實驗效果良好。

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BenchblastingschemeofSinoopen-pitmagnetiteminedetermination

LIJia,TANGQiang,XIONGXiao-feng,DAIShuang-cheng,ZHANGYu,LIUYu

(SchoolofResourcesandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Beijing100083，China)

InordertodeterminetherowspacingandtheholespacingofbenchblastinginSinoopen-pitmagnetitemineinAustralia,Holmberg&Personformulawasusedtoestimatetheblast-induceddamagezoneanditerationmethodwasusedtodeterminethemajoraxisandminoraxisoftheellipsedamagezone.LS-DYNAsoftwarewasusedtosimulatethecrushingeffectoftwodifferentblastingschemes,whichwere5.5m×5.5mand5.0m×6.0m(rowspacing×holespacing).Accordingtothesimulationresults,whilethe5.5m×5.5mblastingschemewasused,therewasnodamagerangebetweenholes,boulderswereeasilyformed,andstressconcentrationappearedafterinitiationofthesecondblastholes.Whilethe5.0m×6.0mblastingschemewasused,blastingenergywasuniformandrockmasswerefullybroken,whichindicatedthatit′sareasonableblastingscheme.ItwasappliedinSinoopen-pitmagnetitemineandagoodresultwasachieved.

Benchblasting;Blastingscheme;Rowspacing;Holespacing;Damagezone;LS-DYNA

1006-7051(2016)04-0061-06

2015-11-12

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(2011YZ05)

李 佳(1991-)，男，碩士，主要從事礦山壓力與巖層控制方向的研究。E-mail： 790142821@qq.com

TD854

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.013