石晨晨

摘要：隨著礦山開采進入深部階段，為了解決現(xiàn)有爆破參數(shù)在深部開采時存在爆破效果不理想等問題，保障礦山安全高效的生產(chǎn)，本文基于理論分析和工程經(jīng)驗，對爆破參數(shù)進行了設(shè)計優(yōu)化，并通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行多種方案的數(shù)值模擬，對不同參數(shù)下的爆破應(yīng)力場進行分析驗證。模擬計算結(jié)果表明：當(dāng)孔排距為3.0×2.7與3.0×2.8時，炮孔間特定單元有效應(yīng)力值大于巖石的動態(tài)抗拉強度，巖石能夠被破碎，且破碎效果較好，從而確定了最優(yōu)的爆破參數(shù)設(shè)計。

Abstract： With the mining enters the deep stage， in order to improve the production efficiency of mine and ensure production safety and aiming at the unsatisfying blasting effects， this paper designs and optimizes blasting parameters of deep stope based on the blasting mechanism and engineering practical experience. Utilizing the numerical simulation of finite element software with ANSYS/LS-DYNA various schemes， analysis validations on the blasting stress field under different parameters are conducted. The simulation results show that： When the holes and rows spacing are 3.0×2.7 and 3.0×2.8， the effective stress of discrete cells between blast holes is bigger than the dynamic tensile strength that rocks can be broken and the blasting effects is better， then confirmed the best blasting parameter design.

關(guān)鍵詞：深部開采；爆破參數(shù)；數(shù)值模擬

Key words： deep stope；blasting parameters；numerical simulation

中圖分類號：TD23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0116-05

0 引言

隨著國民經(jīng)濟及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，工程爆破技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山開采，水利水電，公路隧道以及城市拆除等眾多領(lǐng)域。爆破技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了礦山企業(yè)挖掘和開采作業(yè)的勞動效率，降低了勞動強度，而且在一定程度上提高了我國礦產(chǎn)生產(chǎn)能力[1]。但是隨著國民經(jīng)濟對于礦產(chǎn)資源的需求量日益增大以及地層淺部礦產(chǎn)資源的逐漸減少，采礦向深部發(fā)展已成必然趨勢[2]。而深部巖體處于復(fù)雜高地應(yīng)力的力學(xué)環(huán)境，其具有不同于淺部巖體的特性[3]，使得爆破施工不僅面臨著許多挑戰(zhàn)，而且爆破效果也影響后續(xù)出礦等工序的順利進行，礦山生產(chǎn)效率以及開采人員的人身安全[4]。因此，優(yōu)化深部工程爆破設(shè)計已成為亟待解決的問題[5]。

目前，爆破參數(shù)優(yōu)化常用的方法主要有現(xiàn)場實驗、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法、數(shù)值模擬等[6-7]。基于ANSYS/LS-DYNA非線性動力分析的數(shù)值模擬計算具有經(jīng)濟，快速，方便等優(yōu)勢[8]，而且能夠直觀再現(xiàn)爆破過程，且模擬效果較好[9]，因此本文通過理論分析和工程實踐經(jīng)驗選定不同的爆破參數(shù)，并運用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數(shù)值模擬分析，對礦山深部采場爆破參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化。

1 爆破參數(shù)確定

1.1 工程概況

目前獅子山銅礦生產(chǎn)工程主要包括獅子山銅礦三期工程中的十五中段和四期工程。四期工程中的十六中段為主采中段，十七中段和十八中段處于開拓掘進階段；現(xiàn)在主要生產(chǎn)區(qū)域在十五中段和十六中段“西飄”礦帶。而本文研究的礦體位于十六中段，標(biāo)高為1187m，距離山頂垂直距離在700m以上，按照目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界對深部的定義[10]，本文研究的礦體已屬于深部礦體。

十六中段礦體賦存于青灰色、灰白色白云巖地層和紫色板巖夾白云巖地層中，礦體總體走向為N45°～65°E，傾向SE，傾角65°～85°之間；礦體圍巖下盤為青灰色白云巖、紫色板巖夾白云巖和因民組紫色板巖，上盤為灰白色白云巖和紫色板巖，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1所示，巖石條件如圖1所示。

1.2 爆破參數(shù)的設(shè)計

孔底距和最小抵抗線是爆破設(shè)計中最基本也是最重要的兩個參數(shù) 。目前，該礦山爆破施工主要運用的爆破參數(shù)有兩種：

①普通法：最小抵抗線W=2.5m、孔底距a=3.0m、密集系數(shù)m=1.2。

②大密集系數(shù)法：最小抵抗線W=1.5m、孔底距a=5.0m、密集系數(shù)m=3.3。如今礦山的生產(chǎn)爆破單耗在1.60kg/m3左右。

爆破參數(shù)中的最小抵抗線依據(jù)工程中積累的經(jīng)驗公式與礦山現(xiàn)有炮孔孔徑進行選擇：當(dāng)單位炸藥消耗量一定時，最小抵抗線和孔徑成正比，最小抵抗線根據(jù)被爆巖石情況按照下列公式[11]選取：

在獅子山礦巖石的堅固性系數(shù)為6～8，屬于堅硬巖石，故根據(jù)上式W取值范圍為2.5m～3m?？紤]到礦巖大多為白云巖，因此把W值盡量取小值為2.5m～2.8m。扇形孔孔底密集系數(shù)為0.9～1.5，以1.0～1.3較多；孔口密集系數(shù)為0.4～0.7。選取密集系數(shù)時，當(dāng)?shù)V石愈堅固，要求的塊度愈小時，應(yīng)取較小值；反之，應(yīng)取較大值[12]。礦山中以前運用的爆破參數(shù)孔，底距3m，最小抵抗線為2.5m，這種爆破參數(shù)單耗太大，不適合使用，因此本文把孔底密集系數(shù)m>3/2.5方案不與考慮。考慮礦山生產(chǎn)要求與巖石硬度，取孔底密集系數(shù)為1.0

通過對礦山現(xiàn)有爆破參數(shù)的分析，結(jié)合原有參數(shù)下得爆破效果，初步確定爆破參數(shù)設(shè)計方案如下：（1）a=2.9，b=W=2.6；（2）a=3.0，b=W=2.7；（3）a=3.0，b=W=2.8（4）a=3.1，b=W=2.7；（5）a=3.1，b=W=2.8。其中a為孔底距，單位m；b為排距，單位m；W為最小抵抗線，單位m。

2 數(shù)值模擬模型的建立

2.1 數(shù)值計算幾何模型

數(shù)值模擬計算模型單元采用3D solid164單元類型。模型中設(shè)置5個炮孔，呈三角形布置，炮孔內(nèi)頂部自由面至底部的材料分別為：孔深10m，炮泥填塞、藥柱和預(yù)留2m的巖石底部，孔口起爆。模型尺寸、形狀和炮孔布置如表2和圖2所示。

2.2 巖石材料模型

因巖石材料具有復(fù)雜性、非均質(zhì)性以及各向異性等特性，所以當(dāng)炸藥在巖石中爆炸時，會引起炮孔附近巖體發(fā)生非常復(fù)雜的應(yīng)力變化，應(yīng)變率效應(yīng)尤為突出[13]。因此巖石材料應(yīng)選用與應(yīng)變率相關(guān)的塑性隨動硬化材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。由于獅子山銅礦的礦床中主要的巖石為青灰色白云巖、褪色白云巖，為了保證所有巖石在爆破都能破碎，因此選用堅固性系數(shù)最大的青灰色白云巖作為研究對象。通過參考相關(guān)文獻，結(jié)合現(xiàn)有的現(xiàn)場資料，選定巖石具有參數(shù)見表3。

2.3 炸藥材料模型

獅子山礦地下回采爆破中均采用2#巖石乳化炸藥，因此對炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。目前在炸藥的數(shù)值模擬方面，人們普遍認(rèn)為JWL方程對描述炸藥的爆轟狀態(tài)比較適合，并且在許多的科學(xué)研究工作中被采用，并取得了很好的效果。本文同樣采用這一狀態(tài)方程。炸藥爆炸壓力P計算采用JWL狀態(tài)方程：

3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

3.1 模擬計算方案

文章運用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件建立爆破模型，按照1.2節(jié)設(shè)計的5種不同的爆破孔網(wǎng)參數(shù)進行數(shù)值模擬，預(yù)測爆破破碎效果，模擬爆破參數(shù)如表5所示。本次數(shù)值計算采用ALE算法，網(wǎng)格劃分選用映射劃分方式進行漸變劃分，巖體和炸藥之間進行耦合分析[7]，模型網(wǎng)格示意圖如圖3所示，數(shù)值模擬的模型方案如表5所示。

3.2 有效應(yīng)力波傳播過程分析

由于本次模擬目的在于研究分析爆破后巖石的破碎情況，因此對于在不同時刻各個模型中有效應(yīng)力分布情況不是研究重點，在此僅以2#模型作為分析對象，展示模型不同時刻的應(yīng)力波傳播分布情況。如圖4所示。

為了觀察應(yīng)力云圖方便，在LS-Prepost后處理程序中將模型內(nèi)部有效應(yīng)力值超過其動態(tài)抗拉強度（29.56MPa）的區(qū)域設(shè)置為紅色顯示。從圖4可以看出，炮孔起爆后應(yīng)力波由炮孔出呈現(xiàn)圓形向外傳播；35ms，藥柱軸向中心部位處首先產(chǎn)生了應(yīng)力集中；在50ms時，臨近炮孔間產(chǎn)生應(yīng)力集中，說明該部分巖石已達到壓縮破壞的條件；到了73ms時，炮孔周圍的巖石有效應(yīng)力都超過了動態(tài)抗拉強度；95ms時，炮口部分與孔內(nèi)部分的有效應(yīng)力均大于巖石的動態(tài)抗拉強度，爆破漏斗形狀基本形成。應(yīng)力云圖中紅色區(qū)域，該部分巖石被壓縮破壞；介于藍色與紅色區(qū)域間的巖石有效應(yīng)力未超過巖石的動態(tài)抗拉強度，表明該部分巖石發(fā)生了拉伸破壞，表現(xiàn)為裂隙發(fā)展；藍色區(qū)域內(nèi)的有效應(yīng)力最小，表明該區(qū)域未進入塑性狀態(tài)，未發(fā)生破壞。

3.3 特定單元應(yīng)力分析

由于扇形孔是不平行的，兩個炮孔之間最大距離處于炮孔的底部，因此只要兩炮孔底部之間的巖石能夠得到良好的破碎，那么其余部分的巖石自然也可以達到良好的破碎效果。本文主要模擬分析在不同孔底距、排距下爆破作用對巖石的破壞情況，以孔間典型單元的應(yīng)力情況來判別巖石是否發(fā)生破壞。為了判斷礦體巖石在不同的孔網(wǎng)參數(shù)下能否發(fā)生破壞，本文在模型中選取5個典型的單元（如圖5所示），通過分析炮孔間典型單元在不同時刻的有效應(yīng)力曲線圖，并與巖石的動態(tài)抗壓強度做比較來表示該單元處巖石的破壞程度，如果該單元處的應(yīng)力峰值達到或超過該礦山的深部巖石的動態(tài)抗拉強度，那么表示該單元處巖石能夠被破壞；反之則表示該單元處巖石不能被破壞。通過判斷典型單元是否被破壞及破碎程度以確定最優(yōu)的爆破參數(shù)方案。限于文章篇幅，本文僅列出2#模型中典型單元應(yīng)力時程曲線圖，如圖6，其他各組模型特定單元的應(yīng)力峰值如表6所示。

由表6模型特定單元有效應(yīng)力值與圖6應(yīng)力時程曲線圖可以看出：

①當(dāng)炮孔孔底距與排距為2.9×2.6時，此時的密集系數(shù)m≈1.11。在炮孔底部的孔間應(yīng)力較大，各個特定單元中的的應(yīng)力單元的有效應(yīng)力值大于巖石的動態(tài)抗拉強度，這表明該區(qū)域巖石能被破碎，且破碎程度較大，但是單元有效應(yīng)力值過大，存在著過度破碎現(xiàn)象，不符合生產(chǎn)要求。

②當(dāng)炮孔孔底距與排距為3.0×2.7、3.0×2.8時，此時的密集系數(shù)分別為m≈1.11與m≈1.07。從特定單元的有效應(yīng)力值得分析表中可以看到這兩個模型炮孔底部的特定單元A點、B點以及F點處的單元有效應(yīng)力值都大于巖石的動態(tài)抗拉強度，說明模型中該區(qū)域巖石能夠被破碎。而且與炮孔孔距排距為2.9×2.6時的孔間單元處應(yīng)力相比，可知在一定范圍內(nèi)，當(dāng)孔距相同時，隨著排距的增大時，孔間的單元應(yīng)力會隨之減小。模型的排間特定單元C點、D點、E點處的單元效應(yīng)力值也都大于巖石的動態(tài)抗拉強度，這表明該區(qū)域巖石能被破碎，且破碎程度較佳。

③當(dāng)炮孔孔距排距為3.1×2.7、3.1×2.8時，密集系數(shù)為m≈1.15、m≈1.11。從上表中可以看出這個模型炮孔底部的特定單元A點、B點以及F點處的單元有效應(yīng)力值在巖石的動態(tài)抗拉強度附近，有大有小，說明模型中該區(qū)域巖石不能夠完全被破碎，可能產(chǎn)生的大塊較多，不利于礦山的連續(xù)生產(chǎn)。模型的排間特定單元C點、D點、E點處的單元有效應(yīng)力值大于巖石的動態(tài)抗拉強度，這表明該區(qū)域巖石能被破碎。

綜上所述，經(jīng)過對設(shè)計方案的數(shù)值模擬計算可知：根據(jù)各個方案模型爆破模擬的特定單元的有效應(yīng)力與獅子山礦采場的礦巖動態(tài)抗拉強度對比，最終確定3.0×2.7與3.0×2.8這種爆破設(shè)計方案用于指導(dǎo)現(xiàn)場的爆破生產(chǎn)。

4 結(jié)論

①結(jié)合礦山現(xiàn)有的爆破參數(shù)及在深部采場的爆破效果情況，文章通過理論分析給出了5種不同的爆破參數(shù)。

②通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對設(shè)計的爆破參數(shù)進行數(shù)值模擬，分析炮孔間特定單元應(yīng)力值表征巖石的破壞程度，得到了孔排距為3.0×2.7與3.0×2.8兩組合適的爆破參數(shù)。

③數(shù)值模擬技術(shù)可以有效的模擬爆炸過程，并對不同的參數(shù)進行分析比較，但是由于現(xiàn)場條件的復(fù)雜性，因此還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場爆破條件及爆破效果，及時的調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以獲得更好的爆破參數(shù)。

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