黃 剛 周文濤 張建華 高 科 張寶崗

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.北京奧信化工科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京100089）

露天礦臺(tái)階爆破隨著開采境界加深，巖層性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致按原有爆破設(shè)計(jì)參數(shù)爆破后出現(xiàn)爆破根底增多，大塊增多等問題，給礦山的生產(chǎn)和成本管理帶來了較大的影響。部分學(xué)者對(duì)臺(tái)階爆破參數(shù)優(yōu)化做了多方面的研究，例如饒運(yùn)章等［1］通過經(jīng)驗(yàn)公式算得某露天礦的深孔臺(tái)階爆破參數(shù)，進(jìn)一步通過正交試驗(yàn)法優(yōu)化了爆破參數(shù)；張青松等［2］利用工程類比法優(yōu)化了那林金礦的爆破參數(shù)，獲得了良好的爆破效果；許名標(biāo)等［3］通過ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬，對(duì)4種不同炮孔直徑的爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。本研究以東溝鉬礦露天臺(tái)階爆破為背景，運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立露天礦臺(tái)階爆破模型，控制單耗不變將炮孔排距、底盤抵抗線和超深作為后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算的3個(gè)變量，合理的臺(tái)階爆破參數(shù)，為臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 理論分析

在露天礦臺(tái)階爆破生產(chǎn)作業(yè)過程中，大塊主要集中在前排孔和臺(tái)階的坡面，頂部的斜坡，堵塞及軟、硬巖石的交界處，節(jié)理、裂隙發(fā)育等和其他復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地方。形成大塊的原因主要有：①穿爆參數(shù)不合理，包括穿孔質(zhì)量、鉆孔超深、裝藥結(jié)構(gòu)、炮孔布置、底盤抵抗線、裝藥量、爆破方法等；②節(jié)理裂隙，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造也在很大程度上會(huì)影響大塊的產(chǎn)生，特別是斷層、裂隙發(fā)育的部位，會(huì)使得爆破效果差、大塊率過高；③炸藥單耗，單耗的不合理，特別是在炸藥消耗量過小的情況下，大塊率會(huì)明顯上升。根底主要存在于底盤抵抗線過大的區(qū)域，底盤傾斜角過小的區(qū)域，鉆孔超深不夠的部位，采用擠壓爆破時(shí)抵抗線過大區(qū)段及產(chǎn)生盲炮的位置等，均為易產(chǎn)生根底的部位。產(chǎn)生根底的原因主要有：①底盤抵抗線過大；②礦巖傾角??；③鉆孔深度或超深不足；④擠壓爆破；⑤盲炮。

綜上結(jié)合東溝露天礦水文地質(zhì)條件及現(xiàn)有臺(tái)階爆破參數(shù)分析結(jié)果表明，單耗、孔距排距、底盤抵抗線以及超深是影響該礦大塊率和根底率的最主要因素，為了既優(yōu)化該礦山的臺(tái)階爆破參數(shù)，又最大限度地保證經(jīng)濟(jì)效益，在本研究中控制深孔臺(tái)階爆破參數(shù)的單耗作為定量不變，將炮孔排距、底盤抵抗線和超深作為后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算的3個(gè)變量予以考慮。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 建立模型

由于該模型具有對(duì)稱性，為了盡可能模擬工程實(shí)際，減少計(jì)算量，只建立1/2模型，通過在對(duì)稱面加載約束實(shí)現(xiàn)，整個(gè)模型是尺寸為2 000 cm×1 800 cm×1 000 cm的臺(tái)階。為了控制單耗不變，令a為孔距，根據(jù)不同的排距b及密集系數(shù)m，單孔負(fù)擔(dān)面積固定為a×b=22.5 m2，m=a/b。該模型中，臺(tái)階高度為1 200 cm，裝藥長(zhǎng)度為900 cm，炮孔設(shè)計(jì)成方形，等效直徑為14 cm，孔距a和排距b、底盤抵抗線Wd和超深h均為數(shù)值模擬變量。為了研究排距的影響，模型中設(shè)計(jì)2個(gè)孔，由于延遲時(shí)間不是此次模擬的變量，2個(gè)孔并未設(shè)計(jì)微差，采用孔底同時(shí)起爆。如圖1實(shí)體模型尺寸圖所示，單位cm。臺(tái)階的頂面、坡面和下坡面為自由面，正面為約束面，其他面均為無反射面。

2.2 材料參數(shù)

（1）炸藥參數(shù)。東溝鉬礦露天臺(tái)階爆破主要采用乳化炸藥進(jìn)行爆破。由于ANSYS前處理中的材料模型里沒有炸藥模型，因此，需要在之后生成的K文件里進(jìn)行修改。在K文件的MATERIAL DEFINITIONS里用命令*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN對(duì)材料的屬性進(jìn)行修改，用命令*EOS_JWL定義炸藥的狀態(tài)方程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，東溝鉬礦使用的乳化炸藥的密度為1 310 kg/m3，爆速為4 500 m/s。

（2）巖石參數(shù)。將巖石假設(shè)為理想的彈塑性材料，選取*MAT_PLASTIC_KINEMATIC為臺(tái)階爆破模擬實(shí)驗(yàn)的主體。東溝鉬礦當(dāng)前3種主要巖石的材料參數(shù)見表1。

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（3）土壤參數(shù)。土壤模型選取*MAT_SOIL_AND_FOAM，該模型較好地反映了堵塞段的力學(xué)參數(shù)，堵塞段模型密度取1.8 g/cm3

2.3 正交因素確定水平選擇

根據(jù)理論分析，坡頂是最易產(chǎn)生大塊的區(qū)域，因此選取坡頂距離2個(gè)炮孔之間a/2處的單元D（大塊）作為考察爆破大塊的試驗(yàn)對(duì)象；坡底是最易產(chǎn)生根底的區(qū)域，選取坡底距離2個(gè)炮孔之間a/2處的單元G（根底）作為考察爆破根底的試驗(yàn)對(duì)象。通過比較D、G單元的最大主應(yīng)力峰值與巖石抗拉強(qiáng)度來分析D、G單元是否破壞，即是否有大塊和根底產(chǎn)生，因此分別將模擬結(jié)果中得到的D、G單元的最大主應(yīng)力峰值作為此次數(shù)值模擬正交試驗(yàn)方案的試驗(yàn)指標(biāo)。

現(xiàn)礦山使用的孔距、排距、底盤抵抗線和超深分別為5.0 m、4.5 m、4.7 m、1.0 m。為了保證單耗不變，已確定單孔負(fù)擔(dān)面積固定為a×b=22.5 m2，則可將孔距和排距簡(jiǎn)化為1個(gè)變量，采用排距b作為實(shí)驗(yàn)變量，可通過a=22.5/b，m=a/b算出孔距a和密集系數(shù)m。根據(jù)排距、超深、底盤抵抗線設(shè)計(jì)5個(gè)水平，其中排距和底盤抵抗線較現(xiàn)使用數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)3個(gè)偏小和1個(gè)偏大的水平，而超深較現(xiàn)使用數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)3個(gè)偏大和1個(gè)偏小的水平。設(shè)計(jì)的水平如下表2所示。

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根據(jù)以上因素和水平設(shè)置指標(biāo)A（大塊）與指標(biāo)B（根底）制定正交試驗(yàn)方案表可知1共有25組數(shù)值模擬方案，試驗(yàn)編組如表3所示。通過讀取25組試驗(yàn)D、G單元的最大主應(yīng)力峰值，并將其統(tǒng)計(jì)在表中作為模擬結(jié)果的分析依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果分析見表4。

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根據(jù)表4，繪制指標(biāo)A、指標(biāo)B與各因素關(guān)系見圖2。圖2中縱坐標(biāo)為在3個(gè)不同因素下的D、G單元的最大主應(yīng)力峰值平均值，即表4中的k1～k5的值，橫坐標(biāo)為3個(gè)不同因素的5個(gè)水平1、2、3、4、5。

分析表3、表4可得出：

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（1）對(duì)于大塊（D單元最大主應(yīng)力峰值）這個(gè)指標(biāo)，1號(hào)試驗(yàn)最好，結(jié)果為13.2 MPa，條件為①1②1③1即排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×0.8 m，對(duì)于根底（G單元最大主應(yīng)力峰值）這個(gè)指標(biāo)，21號(hào)試驗(yàn)最好，結(jié)果為13.20 MPa，條件為①5②1③5即排距×底盤抵抗線×超深=4.7 m×4.1 m×1.6 m。

（2）3個(gè)因素對(duì)2個(gè)指標(biāo)影響的主次關(guān)系：大塊（D單元最大主應(yīng)力峰值）③＞①＞②；根底（G單元最大主應(yīng)力峰值）②＞③＞①。

從A、B2個(gè)指標(biāo)的分析計(jì)算可以看出，3個(gè)因素對(duì)A、B2個(gè)指標(biāo)的影響：

（1）排距對(duì)大塊影響較大，對(duì)根底影響最小，所以可以選取排距的水平為①1。

（2）底盤抵抗線對(duì)大塊幾乎沒有影響，對(duì)根底影響最大，所以可以確定底盤抵抗線水平取②1。

（3）超深對(duì)大塊和根底都有很大的影響，且成反比，綜合選取超深的水平為③4。

（4）最后用綜合平衡法選取3個(gè)因素在5個(gè)水平下最好的條件為①1②1③4，即排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m。

3 參數(shù)結(jié)論驗(yàn)證

3.1 結(jié)論驗(yàn)證

東溝鉬礦礦山露天臺(tái)階爆破現(xiàn)場(chǎng)使用3個(gè)因素排距×底盤抵抗線×超深為4.5 m×4.7 m×1.0 m，即水平①4②4③2，用數(shù)值模擬正交試驗(yàn)法優(yōu)化后3個(gè)因素的水平為①1②1③4，即（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m），這2組水平都是25個(gè)正交試驗(yàn)方案不存在的組合，為了驗(yàn)證結(jié)論的正確性，將2組水平的數(shù)據(jù)重新建立模型，用數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3：

從圖3中可以看出：礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的3個(gè)參數(shù)模擬出來的指標(biāo)A為7.98 MPa，指標(biāo)B為7.81MPa，均遠(yuǎn)小于安山巖的抗拉強(qiáng)度11.2 MPa；而優(yōu)化后的3個(gè)參數(shù)模擬出來的指標(biāo)A為11.55 MPa，指標(biāo)B為12.41 MPa，都大于安山巖的抗拉強(qiáng)度11.2 MPa。模擬結(jié)果驗(yàn)證表如下表5。

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可知以安山巖作為臺(tái)階爆破數(shù)值模擬的巖石主體，優(yōu)化后的參數(shù)（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m）建立模型，計(jì)算得到的指標(biāo)A、指標(biāo)B均大于安山巖的抗拉強(qiáng)度，坡頂和坡底的巖石均會(huì)產(chǎn)生拉裂破壞，因此可認(rèn)為用數(shù)值模擬正交實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化后的參數(shù)有效地降低了大塊和根底，優(yōu)化效果良好，達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。

3.2 3種不同巖石條件下臺(tái)階爆破數(shù)值模擬

根據(jù)表2，將K文件中用于定義巖石特性的關(guān)鍵字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC相應(yīng)參數(shù)修改成英安巖和火山角礫巖對(duì)應(yīng)的值，重復(fù)正交試驗(yàn)方案，得到最優(yōu)方案依然是①1②1③4，即（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m），但由于英安巖和火山角礫巖巖性較軟，彈性模量和抗拉強(qiáng)度都小于安山巖，為了防范巖石爆破后過于粉碎以及產(chǎn)生飛石，可將排距和底盤抵抗線適當(dāng)增大，超深減小，將能夠使得指標(biāo)A、指標(biāo)B剛好超過巖石的抗拉強(qiáng)度的方案作為最優(yōu)方案。根據(jù)以上原則反復(fù)修改參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，在英安巖條件下，選擇排距×底盤抵抗線×超深最優(yōu)參數(shù)為4.1 m×4.3 m×1.4 m；在火山角礫巖條件下，選擇排距×底盤抵抗線×超深最優(yōu)參數(shù)為4.1 m×4.5 m×1.2 m模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，只有英安巖條件下模擬的指標(biāo)B為9.98 MPa，略小于英安巖的抗拉強(qiáng)度10.4 MPa，其他的3個(gè)指標(biāo)均略超過了相應(yīng)巖石的抗拉強(qiáng)度，表明該參數(shù)下臺(tái)階爆破數(shù)值模擬效果較好。

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3.3 原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)于東溝鉬礦680工作平盤進(jìn)行2次試爆試驗(yàn)，1號(hào)試驗(yàn)采用原設(shè)計(jì)方案，2號(hào)試驗(yàn)采用優(yōu)化后的方案，待試爆結(jié)束后對(duì)2次試爆的爆破效果進(jìn)行對(duì)比分析。從圖5可明顯看出1號(hào)試驗(yàn)清運(yùn)前大塊較多爆破效果較差，而2號(hào)試驗(yàn)清運(yùn)前塊度較為均勻爆破效果良好。在清運(yùn)場(chǎng)地后測(cè)量得到1號(hào)試驗(yàn)爆破礦巖的總方量為48 392 m3，根底方量為361.7 m3，根底率=361.7/48 392=0.74%；2號(hào)試驗(yàn)爆破礦巖的總方量為49 251.7 m3，根底方量為169.2 m3，根底率=169.2/49 251.7=0.34%；通過計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，2號(hào)試驗(yàn)根底率明顯下降。

4 結(jié)論

（1）在東溝鉬礦露天臺(tái)階爆破中，排距、底盤低抗線、超深3個(gè)因素對(duì)2個(gè)指標(biāo)影響的主次關(guān)系：大塊（D單元最大主應(yīng)力峰值）③＞①＞②；根底（G單元最大主應(yīng)力峰值）②＞③＞①。

（2）在安山巖為巖石主體條件下，礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的3個(gè)參數(shù)（排距×底盤抵抗線×超深=4.5 m×4.7 m×1.0 m）模擬出來的指標(biāo)A為7.98 MPa，指標(biāo)B為7.81 MPa，均遠(yuǎn)小于巖石的抗拉強(qiáng)度11.20 MPa；坡頂和坡頂?shù)膸r石都沒有破壞；而優(yōu)化后的3個(gè)參數(shù)（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m）模擬出來的指標(biāo)A為11.55 MPa，指標(biāo)B為12.41 MPa，都大于巖石的抗拉強(qiáng)度11.20 MPa，坡頂和坡頂?shù)膸r石都產(chǎn)生了拉裂破壞。

（3）在安山巖、英安巖和火山角礫巖3種不同巖石條件下，東溝鉬礦深孔臺(tái)階爆破數(shù)值模擬優(yōu)化后的排距×底盤抵抗線×超深3個(gè)參數(shù)的推薦值分別為3.9 m×4.1 m×1.4 m、4.1 m×4.3 m×1.4 m、4.1 m×4.5 m×1.2 m。上述推薦參數(shù)條件下使得大塊率明顯降低且根底率由0.74%降低到0.34%。