劉愛興 張云鵬 朱曉璽 張亞賓 姚旭龍

(1.徐州鐵礦集團有限公司， 江蘇 徐州221000； 2.華北理工大學礦業(yè)工程學院,河北 唐山 063000；3.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室,河北 唐山 063000； 4.唐山三友礦山有限公司,河北 唐山 063000)

分段空場嗣后充填采礦法進行二步回采時，爆破作業(yè)容易對充填體產(chǎn)生破壞作用，導致充填體的破壞和垮塌，從而影響充填體和采場的穩(wěn)定。研究合理的爆破參數(shù)一方面使得礦石破碎均勻、大塊率低，另一方面保持充填體的穩(wěn)定，減少充填體的冒落，有效地控制爆破危害效應，是充填采礦法研究的重要內(nèi)容[1-4]。

研究爆破對充填體穩(wěn)定性影響的方法主要有室內(nèi)實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場爆破試驗。室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗受到成本、現(xiàn)場條件以及爆破后測試手段局限性的限制。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)值模擬研究爆破成為一種趨勢，采用數(shù)值模擬方法可以經(jīng)濟方便地研究和優(yōu)化爆破參數(shù)，ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件是研究爆破作用的常用軟件[5-6]。

本研究針對吳莊鐵礦二步回采礦房采場，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對不同孔底抵抗線條件下的扇形深孔爆破模型進行數(shù)值模擬，研究爆破作用對充填體的損傷特性，并進行現(xiàn)場工程實踐驗證，確定合理的深孔爆破參數(shù)，以指導今后井下爆破設計施工。

1 工程概況

吳莊鐵礦位于徐州市利國鎮(zhèn)，為徐州鐵礦集團有限公司下轄生產(chǎn)礦山，年產(chǎn)鐵礦石50萬t。采場自西北向東南，主要由4個礦體組成，賦存深度為-300～ -500 m，礦石儲量約為1 500萬t，平均品位48%，采用分段空場嗣后充填采礦法。

礦塊垂直礦體走向布置，每個礦塊由礦房采場和礦柱采場構(gòu)成。采場凈長度為50 m，階段高度50 m，分段高度10 m，礦柱和礦房跨度分別為8 m、12 m。先回采礦柱，隔一采一，充填體達到設計強度后再回采礦房。扇形炮孔孔徑57 mm，排距為1.4 m，孔底距1.5 m，后退式回采，回采時上分段超前下分段3～4排炮孔，現(xiàn)場爆破設計如圖1所示。

圖1 炮孔設計

炮孔傾角參數(shù)如表1所示。

表1 炮孔參數(shù)

2 二步回采深孔爆破參數(shù)數(shù)值模擬分析

依據(jù)吳莊鐵礦現(xiàn)場二步回采爆破參數(shù)，基于ANSYS/LS-DYNA有限元數(shù)值模擬的方法，分別對孔底抵抗線0.3 m、0.5 m、0.7 m和1 m的扇形深孔爆破模型進行了數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬得出的初步結(jié)論確定邊孔距充填體的合理距離及邊孔裝藥結(jié)構(gòu)。

2.1 數(shù)值模擬模型

模型中扇形炮孔孔徑為57 mm，最小抵抗線1.4 m，炮孔的長度為裝藥長度，在炮孔長度方向上均勻裝藥?？紤]模型的左右對稱性，取二分之一模型進行計算，在LS-DYNA軟件中進行鏡像處理，以縮短數(shù)值模擬計算時間。模型取高度20 m，礦體寬度6 m，充填體寬度為8 m，模型厚度為2.8 m。假設礦巖和充填體為均質(zhì)的彈塑性體，為消除人為邊界影響，除自由面外，其他邊界均設置為透射邊界，模型示意圖、模型邊界條件如圖2、圖3所示。

圖2 數(shù)值模擬計算模型

圖3 模型邊界

2.2 材料模型及參數(shù)

(1)本次采用流固耦合算法進行有限元數(shù)值模擬，即炸藥選用Euler算法，充填體和礦石選用Lagrange算法，單元之間采用流固耦合定義連接。

(2)礦石和充填體參數(shù)。巖石材料模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該材料為彈塑性動力學模型，通過添加*MAT_ADD_EROSION來定義巖石的應力和應變損傷破壞，選取的礦石及充填材料力學參數(shù)如表2所示。

表2 礦石及充填體材料參數(shù)

(3)炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)。炸藥材料采用高能炸藥材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態(tài)方程描述，爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程進行爆轟壓力計算[7]：

(1)

式中，P為爆轟壓力；E為炸藥爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；V為爆轟產(chǎn)物的相對體積；A，B，R1，R2，ω均為所選炸藥的性質(zhì)常數(shù)。

表3 炸藥材料參數(shù)

2.3 爆破參數(shù)數(shù)值模擬分析

(1)有效應力場分析。以孔底抵抗線0.3 m的扇形孔爆破模型為例，以柱狀藥包形式起爆，網(wǎng)格劃分圖和起爆后不同時刻爆炸應力云圖如圖4、圖5所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 爆炸應力云圖

由爆破有效應力云圖可知，不同炮孔柱狀藥包同時從孔口起爆，炸藥由起爆點逐漸向炮孔孔底炸藥末端延伸爆破，相鄰炮孔藥包的應力場相互疊加。

(2)模擬結(jié)果分析。振動速度峰值和有效應力峰值反映了不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破對充填體的最大破壞效應，對孔底抵抗線為0.3 m、0.5 m、0.7 m和1.0 m 4種方案的振動速度峰值和有效應力進行了數(shù)據(jù)提取和分析，通過LS-DYNA軟件的LSPOST程序?qū)Y(jié)果文件進行后處理，提取充填體和礦體交界面上4個記錄點(各記錄點如圖1所示)的有效應力和垂直充填體振動速度，如圖6所示。

為對比4種方案爆破作用對充填體的損傷程度，對孔底抵抗線0.3 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m的扇形深孔爆破模型的各記錄點的有效應力峰值和振動速度峰值進行匯總表，結(jié)果見4和表5。

當孔底抵抗線大于0.5 m時單元的有效應力峰值小于充填體的單軸抗壓強度，表明沒有達到充填體的屈服強度，沒有發(fā)生片落的現(xiàn)象，由相關經(jīng)驗和爆破安全規(guī)程可知，振動速度滿足充填體不發(fā)生垮塌和片落的要求，充填體基本保持穩(wěn)定。隨著孔底抵抗線的增大，振動速度峰值與有效應力強度逐漸減小，爆炸載荷對充填體的損傷也逐漸減小，選取孔底抵抗線為0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)進行爆破施工時，充填體保持穩(wěn)定，能夠滿足工程要求。

3 吳莊鐵礦深孔爆破工程實踐

3.1 深孔爆破回采實施方案

對430 m水平4號礦體4349礦房采場進行深孔爆破回采，4348采場和43410采場已充填結(jié)束，達到3個月齡期以上，滿足施工要求。

圖6 有效應力與振速曲線

記錄點不同抵抗線的最大有效應力/MPa03m05m07m10m124215610706022651761360793320203147129435325202146最大值35325202146

表5 振動速度峰值

鉆孔設備采用YGN-90鑿巖機，上向式鑿巖施工方式，炮孔直徑為57 mm，每排13個炮孔，孔底距1.5 m，炮孔排距為1.4 m。

采用塑料導爆管雷管半秒微差起爆技術(shù)，每次回采3排炮孔，最大一段起爆藥量為149 kg。炸藥選用粉狀乳化炸藥，裝藥器裝藥，孔內(nèi)延期，每個炮孔由導爆索引至孔底，再用半秒差導爆管雷管，正向用膠布綁在距導爆索尾部0.2 m至0.3 m導爆索上，雷管布置在孔口0.5～0.6 m處，裝藥完成之后采用紅泥對炮孔進行填塞，填塞長度0.5 m，通過將三排炮孔內(nèi)的導爆管成一束，用2～3個一段毫秒導爆管雷管與導爆管反向連接，形成一束四通，主導爆管長度為100 m，起爆導線長度不小于150 m，采用起爆器起爆，起爆器設在斜坡道硐室安全處。

3.2 充填體損傷評價

利用探桿式掃描儀VS150對充填體表面進行三維掃描，將掃描的圖像進行數(shù)據(jù)處理與分析，計算充填體結(jié)構(gòu)面不平整度，判斷充填體的破壞損傷情況。

表6 炮孔參數(shù)

(1)VS150三維探測系統(tǒng)簡介。探桿式掃描儀VS150是一種基于高速激光精密掃描測量方法，大面積高分辨率地獲取被測對象表面的空間點位信息的系統(tǒng)，用于測量空區(qū)、巖石表面等[8]。VS150的基本構(gòu)成包括激光掃描頭、電源、數(shù)據(jù)接收器、計算機控制器、傳輸數(shù)據(jù)電纜及其它配件。利用VS150對現(xiàn)場二步回采形成的采空區(qū)進行掃描，將激光探頭設備深入到采空區(qū)內(nèi)部，用電腦操作旋轉(zhuǎn)掃描探頭，進行三維垂直掃描，生成三維點云數(shù)據(jù)，利用VoidScan軟件原始探測數(shù)據(jù)進行處理，然后導出為*.dxf格的點云，將導出的*.dxf文件用VS150自帶軟件Geomagic Studio打開，進行封裝處理后可得到空區(qū)的三維圖形，并通過3D網(wǎng)格獲得精準的充填體掃描圖像[8]，設備現(xiàn)場布置和充填體掃描圖像如圖7、圖8所示。

圖7 VS150設備布置

圖8 二步回采充填體表面圖像

(2)充填體損傷度分析。通過將VS150測得的充填體掃描圖像導入3Dmine進行分析，得出二步回采爆破充填體表面的不平整度如圖9所示。

圖9 充填體不平整度

通過對采場出礦進行觀察，礦石塊度適中，礦石中沒有發(fā)現(xiàn)大塊充填體。由圖9可知，不平整度40～60 cm約占4%，不平整度20～40 cm占比35%，不平整度0～20 cm占比61%。通過現(xiàn)場調(diào)查分析得知，不平整度為40～60 cm時，可能屬于扇形炮孔鉆孔超深，或此處充填體強度較小，由充填體不平整度得出，充填體結(jié)構(gòu)面較為完整，說明采用孔底抵抗線0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)進行回采時，較好地緩沖了炸藥爆炸對兩側(cè)充填體側(cè)壁的損傷。

4 結(jié) 論

(1)以吳莊鐵礦二步回采深孔爆破為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場礦巖力學和爆破參數(shù)，建立了孔底抵抗線0.3 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m的扇形孔爆破模型并進行了數(shù)值模擬分析，隨孔底抵抗線的增大，有效應力和振動速度逐漸減小，充填體的損傷也逐漸減小，當采用孔徑57 mm扇形孔布孔方式爆破時，孔底抵抗線大于0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)滿足充填體穩(wěn)定性的要求。

(2)通過對吳莊鐵礦采礦方法的分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，制定了詳細的深孔爆破回采方案，并進行了現(xiàn)場試驗和觀測。采用孔底抵抗線0.5 m的扇形孔爆破參數(shù)進行爆破施工，工程應用效果表明，爆破塊度適中，爆破對充填體擾動較小。采用VS150三維激光掃描探測系統(tǒng)對爆破后充填體表面進行了測量，充填體不平整度不超過60 cm，20～40 cm占35%，0～20 cm占61%，說明爆破施工后充填體結(jié)構(gòu)面較為平整，沒有發(fā)生應力集中造成的大量掉塊現(xiàn)象和垮塌的情況。

(3)充填體不平整度一方面受爆破作用影響，更主要的是一步回采時所形成的巖石壁面的控制，從測量的結(jié)果也可以說明這一點，今后應對一步回采后的巖石壁面進行三維掃描測量，以便為充填體破壞程度進行更準確評價提供依據(jù)。

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