何 澤,李子玉

(湖南鐵軍工程建設(shè)有限公司， 湖南 長沙 412100)

古丈南方水泥有限公司茄通水泥用石灰?guī)r礦位于湖南湘西自治州古丈縣紅石林鎮(zhèn)茄通村，礦山緊鄰遷河公路，采用公路開拓，汽車運(yùn)輸。礦山起伏不大，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，生產(chǎn)能力為年產(chǎn) 1 20萬 t。礦區(qū)目前分為東西采場，與巖層傾向基本一致，為順向坡結(jié)構(gòu)，采礦場邊坡巖體質(zhì)量一般較好，邊坡整體穩(wěn)定性較好，無崩塌、滑坡現(xiàn)象發(fā)生，礦區(qū)臺階高度為15 m，階段最終坡面角為75°。孔排距及底盤抵抗線為4 m，鉆孔深度為16 m（含超深1 m），裝藥長度12 m，單孔裝藥量約96 kg，填塞長度4 m，炮孔直徑115 mm，裝填直徑為90 mm的乳化炸藥，采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，毫秒延期雷管引爆。爆破后要求礦石粒度不得大于700 mm。

1 臺階爆破數(shù)值模擬

古丈石灰石礦山在施工過程中發(fā)現(xiàn)爆破產(chǎn)生的根底較多，嚴(yán)重影響了礦石的開挖及運(yùn)輸效率，因為根底清除需要二次爆破或者機(jī)械清除，一方面影響了施工進(jìn)度，另一方面也增加了經(jīng)濟(jì)成本。造成根底的因素有很多，比如底盤抵抗線過大、孔排距過大，炮孔欠深等。但是在古丈礦山的施工中發(fā)現(xiàn)，在其他孔網(wǎng)參數(shù)不變的情況下，鉆孔深度不夠或者過深的情況下，出現(xiàn)根底的頻率就會過高，因此合理的炮孔超深對爆破效果有一定的影響。本次對古丈礦山炮孔超深進(jìn)行模擬驗證。

1.1 動力分析邊界處理方法

當(dāng)采用數(shù)值法對爆破荷載作用下巖體的破壞情況進(jìn)行動力分析時，為保證數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況盡可能相同，必須把實際上接近于無限大的計算域用一個人為的人工邊界截斷，取一個有限大的區(qū)域進(jìn)行離散化。

本設(shè)計的自由邊界為臺階面和臺階坡面以及前端臨空面，剩余的邊界都施為透射邊界條件。因此在選擇邊界條件的時候，該設(shè)計選擇透射邊界。

1.2 爆破優(yōu)化方案的數(shù)值分析

炸藥材料一般采用 JWL狀態(tài)方程和 HIGHEXPLOSIVEBURN模型進(jìn)行描述：

式中，爆轟壓力為P；相對體積為V；單位體積內(nèi)能為E；材料常數(shù)為w，A，B，R1，R2。

空氣采用LINERA-POLUNOM IAL狀態(tài)方程，材料模型NULL進(jìn)行描述，線性多項式狀態(tài)方程為以下公式：

式中，V用于空氣時，取1.0，且有C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。

1.3 模擬參數(shù)

該模擬采用不耦合裝藥爆破，不考慮應(yīng)力波疊加作用，該模型中設(shè)置的材料主要是炸藥、空氣、巖石3種材料，模型選用3D-SOLID164實體單元，在網(wǎng)格劃分方面，主體采用體分割技術(shù)，掃掠式網(wǎng)格劃分主要對炮孔周圍進(jìn)行，剩余的部分采用映射網(wǎng)格劃分。巖石采用lagrange算法，炸藥和空氣采用多物質(zhì)ALE算法。

模型總高度為1700 cm，底面為1700 cm×600 cm，藥柱半徑為45 mm，炸藥總高度為1400 cm，其余高度為填塞高度。以臺階橫向為X軸，豎向為

Y軸 ，縱向為Z軸。

在該模型中，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，起爆點設(shè)置在炮孔底部，建模時采用全尺寸建模，模型的外表面和上表面采用透射邊界。乳化炸藥及巖石參數(shù)見表1，表2。

表1 乳化炸藥材料參數(shù)及JW L狀態(tài)方程參數(shù)

表2 巖石的力學(xué)參數(shù)

1.4 模擬結(jié)果及分析

時間為0.0025時，坡度模型單元開始失效，最大應(yīng)力集中在炸藥區(qū)域周圍，最大應(yīng)力達(dá)到2.055e7 Pa，坡度單元由炸藥周圍慢慢的向坡面實體四周擴(kuò)散形成爆破區(qū)域。

時間為0.005時，坡度模型由炸藥區(qū)域單元失效開始蔓延到坡度表面失效，最大應(yīng)力達(dá)到1.779e7 Pa，相比上一時間應(yīng)力有減小的趨勢，這是因為坡度模型的沖擊波傳遞是阻尼的，這也與爆炸的趨勢相符合。

時間為0.0075時，坡度模型單元失效有向抵抗線方向發(fā)展的趨勢，最大應(yīng)力為1.747e7 Pa。

時間為0.01時，坡度模型單元失效繼續(xù)向抵抗線方向發(fā)展，最大應(yīng)力為1.689e7 Pa；在坡度模型上設(shè)置有空氣，坡度模型與空氣是采用流固耦合連接。

在坡度模型底部取其單元查看應(yīng)力-時間曲線，從圖1可以看出，波峰最大值出現(xiàn)在0.004～0.005 s時間段，隨后曲線處于上下震動。

時間為0.0025時，位移出現(xiàn)在坡度外表面層，此時單元也出現(xiàn)失效。時間為0.005時，斜坡表面層伴隨著位移增大，同時出現(xiàn)大面積的單元失效（見圖 2）。在坡度模型底部取其節(jié)點查看位移-時間曲線，從圖3可以看出，在0.0025出現(xiàn)位移，在0.042時出現(xiàn)峰值，隨后時間歷程中開始衰減。

圖1 底部節(jié)點應(yīng)力-時間曲線

圖2 0.005 s時的邊坡位移

圖3 底部節(jié)點位移-時間曲線

圖4 為坡度模型整體位移-時間圖，從圖中可以看出，與節(jié)點時間歷程圖的曲線相符，2個波峰后，整體變形開始衰減。

圖4 模型整體衛(wèi)浴位移-時間曲線

圖5 破碎單元數(shù)與時間的關(guān)系

小單元的破裂個數(shù)曲線如圖5所示，從圖5可以看出，在時間為0.002 s時單元發(fā)生失效，時間0.01 s時為1.75×106個左右，且一直呈增長趨勢。說明炮孔超深后能使爆炸形成的爆破漏斗下破裂線達(dá)到臺階坡底線，爆破能量可以作用到坡底線以下的巖石，從而避免或者減少根底的形成。

2 結(jié) 論

超深對于露天礦臺階深孔爆破效果具有很大的影響，是解決根底最有效的措施，在合理的超深范圍內(nèi)，坡底應(yīng)力值隨著超深的大小而不斷增大，巖體單元破壞程度也會隨著不斷增大，巖體破壞效果明顯，與實際爆破效果基本吻合。超深參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場實際情況在范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，從而降低爆破成本，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)利潤最大化。