李明杰 張紅軍 秦鵬淵 王嘉慧 李江華

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430081；2.包鋼（集團(tuán)）公司白云鄂博鐵礦，內(nèi)蒙古包頭014080；3.深圳市佳保安全股份有限公司，廣東深圳518052）

白云鄂博鐵礦是一座大型露天礦山，采剝總量4 200萬t/a以上，鐵礦石生產(chǎn)能力1 200萬t/a，現(xiàn)已進(jìn)入深深部開采。隨著開采深度的加大，礦巖物理參數(shù)、工程地質(zhì)條件、礦床開采技術(shù)條件都已有很大變化。原有大直徑中深孔爆破參數(shù)等已不能滿足現(xiàn)有礦巖體的爆破。每個(gè)爆區(qū)幾十到上百個(gè)炮孔爆破時(shí)產(chǎn)生的爆破漏斗及相鄰爆破漏斗相互作用形成的爆堆，嚴(yán)重影響爆破質(zhì)量，制約著采礦成本。在不同礦巖條件和采場條件下，探索新的爆破參數(shù)，提高爆破質(zhì)量，降低成本對于礦山開采具有重要意義。利用有限元LS-DYNA技術(shù)，建立炮孔數(shù)值模擬模型，結(jié)合工程實(shí)際炸藥材料，進(jìn)而研究爆破漏斗成型過程的手段已被廣泛認(rèn)可［1］。王和平等［2］利用LS-DYNA軟件對不同爆破參數(shù)條件下的預(yù)裂爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模擬了大孤山鐵礦靠幫預(yù)裂爆破的最優(yōu)炮孔間距和不耦合系數(shù)等預(yù)裂爆破參數(shù)；張大寧［3］利用LS-DYNA對雙孔微差爆破進(jìn)行二維數(shù)值計(jì)算，確定了大孤山鐵礦微差爆破的合理微差延期時(shí)間；胡英國等［4］利用LS-DYNA的動(dòng)力有限元計(jì)算，研究了地震波中的剪切波（S波）的產(chǎn)生機(jī)制和傳播特征，驗(yàn)證了瞬時(shí)爆轟條件下柱狀藥包S波的形成機(jī)理；胡兆穎等［5］用LS-DYNA有限元軟件模擬了7.5 kgTNT爆炸的沖擊波傳播過程，揭示其能量衰減規(guī)律。但借助LS-DYNA軟件模擬炮孔間距和排距等爆破參數(shù)的研究相對較少。白云鄂博鐵礦開采技術(shù)條件復(fù)雜，單次爆破量大，利用LS-DYNA軟件模擬磁鐵礦區(qū)和白云巖區(qū)單孔爆破漏斗的形成過程，以及相鄰炮孔不同間距的爆破效果，可為深深部開采確定爆破參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程采場條件

主礦體和東礦體是白云鄂博鐵礦最主要礦體，礦體呈大透鏡狀或厚層狀，兩端順層尖滅于白云巖中，產(chǎn)狀與圍巖大體一致，走向東西，南傾，傾角45°～80°，平均長度為1 250 m和1 300 m，平均厚度為215 m和179 m，最大延深為1 030 m和870 m。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，工程巖體結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，工程地質(zhì)性質(zhì)及礦巖物理力學(xué)性質(zhì)總體較穩(wěn)定。但隨著采深加大，開采技術(shù)條件較為復(fù)雜。礦區(qū)干旱少雨，年均降水量僅為231.6 mm。

白云鄂博鐵礦已累計(jì)采出鐵礦石3.7億多t，采深達(dá)300多m，進(jìn)入深深部開采階段。采場臺階高度為14 m，臺階坡面角65°～75°。礦山使用Y310型牙輪鉆機(jī)，穿孔超深2 m，孔深16 m。起爆網(wǎng)絡(luò)為孔內(nèi)管—地表管連接的逐孔起爆。礦巖全年爆破平均單耗分別高達(dá)336.7 g/t（主礦體）和339.3 g/t（東礦體），高于國內(nèi)其他礦山單耗平均。爆破大塊較多，爆堆形狀好壞參半，使得電鏟采掘效率低下，牙尖磨損快，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。隨著采深加大，礦區(qū)礦巖工程地質(zhì)性質(zhì)已有較大變化，爆破參數(shù)未能根據(jù)采場實(shí)際做出適當(dāng)調(diào)整，工程地質(zhì)條件的變化是導(dǎo)致爆破效果差的直接原因之一。在給定礦巖物理力學(xué)性質(zhì)（表1）和炸藥參數(shù)的情況下，利用有限元軟件模擬采場爆破，能夠?qū)Ρ茀?shù)優(yōu)化起到指導(dǎo)作用。

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2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

為保證數(shù)值模擬效果，結(jié)合白云鄂博鐵礦爆破實(shí)際，建立單孔爆破漏斗模型，分析沖擊波壓力值，確定單孔爆破分別在礦巖區(qū)的作用范圍［6］；設(shè)計(jì)不同的孔間距進(jìn)行多孔同段的數(shù)值模型［7］，分析其對礦巖的最佳作用效果，選取較為精確的孔間距。

2.1 數(shù)值模型的建立

2.1.1 數(shù)值模型建立的條件

應(yīng)用有限元軟件LS-DYNA，按礦山實(shí)際1∶1比例建立數(shù)值模型，模擬爆破荷載下的本構(gòu)關(guān)系。但受計(jì)算機(jī)硬件限制，在盡可能接近礦山實(shí)際的基礎(chǔ)上，需對模型做出假設(shè)條件：礦巖按彈性體處理，不考慮內(nèi)部的裂隙和初始損傷；呈圓柱體的炸藥作用在孔壁上的爆炸應(yīng)力是均勻分布。爆破時(shí)模型中起爆方式采用2點(diǎn)式起爆，2起爆點(diǎn)相隔2 m，下端起爆點(diǎn)距離孔底距離為2 m。數(shù)值模型采用cm-g-μs單位制，爆破時(shí)間設(shè)置為5 000 μs。

2.1.2 建立數(shù)值模型

考慮到要建立與現(xiàn)實(shí)相同尺寸的數(shù)值模型，數(shù)值計(jì)算的工作量較大，設(shè)置網(wǎng)格劃分長度為7 cm，只建立以炮孔為中心1/4大小的單孔爆破有限元模型和以炮孔為中心1/2大小的不同孔間距多孔爆破有限元模型（圖1），網(wǎng)格劃分各有793 800和2 721 600個(gè)單元格。模型尺寸分別為700 cm×700 cm×1 620 cm和2 400 cm×700 cm×1 620 cm，炮孔半徑為15.5 cm?？咨? 600 cm，超深200 cm，裝藥長度為950 cm，填塞長度為650 cm。圖1頂部為自由面，單孔爆破有限元模型炮孔兩側(cè)的面作為對稱面，其他3個(gè)面設(shè)置無反射邊界的邊界條件［8］；不同孔間距多孔爆破有限元模型的不同孔間距依次為900 cm、800 cm和700 cm，含半壁孔的面為對稱面，其他四個(gè)面設(shè)置無反射邊界的邊界條件。

2.2 分析設(shè)置參數(shù)

2.2.1 巖石物理性質(zhì)參數(shù)

結(jié)合白云鄂博鐵礦地質(zhì)特征，本次數(shù)值模擬選取的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

2.2.2 炸藥狀態(tài)方程

炸藥的做功能力通過爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程來表示。JWL狀態(tài)方程是目前最廣泛應(yīng)用于表達(dá)爆轟產(chǎn)物膨脹驅(qū)動(dòng)過程的方程，精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動(dòng)過程，它能夠表示爆轟產(chǎn)物系統(tǒng)中各物理量在壓力、體積、溫度等之間的關(guān)系，表達(dá)炸藥的做功能力。JWL狀態(tài)方程為

式中，p為爆轟產(chǎn)物的壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對比容，V=ρ0/ρ是無量綱量；ρ0為爆轟前炸藥的密度，ρ為爆轟后炸藥的密度；E為爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能；A、B、R1、R2、w為JWL狀態(tài)參數(shù)。白云鄂博鐵礦長年干旱少雨，絕大多數(shù)使用銨油炸藥。故模擬中以銨油炸藥為材料模型，確定A、B、R1、R2、w、E、ρ0等參數(shù)見表2。

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3 有限元模擬結(jié)果及分析

3.1 單孔爆破有限元模擬結(jié)果及分析

相同的裝藥和起爆條件，分別建立磁鐵礦區(qū)和白云巖區(qū)單孔爆破有限元模型，模擬爆破漏斗形成過程。2點(diǎn)式起爆后幾十μs內(nèi)，以2個(gè)起爆點(diǎn)為中心，沖擊波呈柱面波形式傳播，后呈花生狀疾速向四周擴(kuò)散，在傳爆炸藥的同時(shí)起爆點(diǎn)周圍的巖石遭到破壞。至1 275 μs炸藥全部引爆，沖擊波呈橄欖球狀向外擴(kuò)散，應(yīng)力急速增長后迅速減小，且距離炮孔越遠(yuǎn)應(yīng)力越小，見圖2。

礦巖的爆破破壞是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程。爆炸瞬間，爆炸沖擊波產(chǎn)生強(qiáng)大的沖量和能量，以爆炸應(yīng)力波和爆生氣體壓力的形式作用于礦巖，其峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，從而破壞巖石的完整性。爆破過程中炮孔周圍巖石是由徑向和切向拉應(yīng)力破壞。應(yīng)力波經(jīng)自由面反射后，在孔底水平面到自由面之間的區(qū)域，以拉張應(yīng)力的形式拉裂礦巖，形成爆破漏斗。因此，通過過程模擬確定炮孔中的炸藥在磁鐵礦區(qū)和白云巖區(qū)的爆破漏斗半徑，可確定孔間距。

在磁鐵礦區(qū)距離炮孔350 cm處分別選取觀測單元A、C、E，450 cm處選取觀測單元B、D、F；在白云巖區(qū)距離炮孔350 cm處分別選取觀測單元A、B、C，450 cm處選取觀測單元D、E、F；讀取各觀測單元的時(shí)間歷程曲線見圖3。

應(yīng)力波是經(jīng)反射轉(zhuǎn)化為拉伸波，在拉應(yīng)力的作用下破壞爆區(qū)自由面的。在磁鐵礦和白云巖區(qū)模型中的自由面各選取觀測單元A、B和A、F，爆破模擬過程中經(jīng)歷的最大應(yīng)力值分別為45、68、50、80 MPa（表3），遠(yuǎn)大于白云鄂博鐵礦磁鐵礦和白云巖僅有的0.68 MPa和0.54 MPa抗拉強(qiáng)度。因此，爆破漏斗范圍內(nèi)的自由面完全能被破壞。在磁鐵礦區(qū)，距炮孔350 cm處的C、E觀測單元最大應(yīng)力值超過了磁鐵礦的抗壓強(qiáng)度，磁鐵礦可以被破壞；距炮孔450 cm處僅有D觀測單元最大應(yīng)力值超過了磁鐵礦的抗壓強(qiáng)度，F(xiàn)觀測單元處的最大應(yīng)力值未超過磁鐵礦的抗壓強(qiáng)度，無法破壞磁鐵礦；在白云巖區(qū)，距炮孔350 cm處的B、C觀測單元和距離炮孔450 cm處的D、E觀測單元最大應(yīng)力值均超過了白云巖的抗壓強(qiáng)度，白云巖可以被破壞，見表3。

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3.2 不同孔間距多孔爆破有限元模型結(jié)果及分析

影響爆破效果的關(guān)鍵因素有爆炸應(yīng)力波的傳播規(guī)律、疊加后應(yīng)力波的大小、持續(xù)時(shí)間與相鄰炮孔的間距［7］。根據(jù)單孔爆破有限元模擬結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)場施工情況，在磁鐵礦區(qū)和白云巖區(qū)分別設(shè)置模擬孔間距為900、800和700 cm的多孔爆破效果。模型中4個(gè)炮孔在同段2點(diǎn)式起爆后幾十μs內(nèi)，以2個(gè)起爆點(diǎn)為中心，沖擊波呈柱面波形式傳播，后呈花生狀迅速向四周擴(kuò)散。至1 275 μs炸藥全部引爆，相鄰炮孔連心線部位的沖擊波相遇、疊加，在巖體中重新分布應(yīng)力，將巖體破壞。沖擊波繼續(xù)向外擴(kuò)散，應(yīng)力急速增長后迅速減小，且距離炮孔越遠(yuǎn)應(yīng)力越小，但是疊加部分應(yīng)力明顯加強(qiáng)（圖4）。

為確定多孔爆破的最佳孔距，研究了不同孔間距的多孔爆破在應(yīng)力波的疊加作用下的爆破效果。在模型中的3條炮孔連心線上分別選擇了3個(gè)觀測單元（圖5），讀取各觀測單元的時(shí)間歷程曲線（圖6）。

通過對比多孔爆破有限元模型觀測單元經(jīng)歷的最大應(yīng)力值與磁鐵礦和白云巖的抗壓強(qiáng)度，可知模型中在磁鐵礦區(qū)孔距為8、7 m之間的B2、B3、C2、C3觀測單元的應(yīng)力值均超過了磁鐵礦的抗壓強(qiáng)度，可以破壞磁鐵礦。但是在孔距為9 m的C1觀測單元應(yīng)力值為140 MPa，小于磁鐵礦的抗壓強(qiáng)度，不能都導(dǎo)致磁鐵礦破壞。因此，在磁鐵礦區(qū)的孔間距為8～9 m，但不能超過9 m。在白云巖區(qū)孔距為9、8、7 m時(shí)的相鄰炮孔連心線上除自由面上的其他各單元的應(yīng)力值均已超過白云巖的抗壓強(qiáng)度，可以破壞白云巖（表4）。因此，在白云巖區(qū)的孔間距可大于9 m。由數(shù)據(jù)可以看出，在應(yīng)力波的疊加作用下多孔同段爆破中相鄰炮孔連心線上單元的應(yīng)力得到加強(qiáng)，中間部位應(yīng)力最大，兩端逐漸減小。

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從爆破工藝來看，爆破參數(shù)是影響爆破質(zhì)量的主要因素，但是不同的爆破條件以及爆破器材對爆破效果也有很大的影響。參照數(shù)值模擬結(jié)果，對比其他礦巖與磁鐵礦和白云巖的物理力學(xué)性質(zhì)，高磁比磁鐵礦抗壓強(qiáng)度大，高氧、低氧和低磁抗壓強(qiáng)度相近，云母板巖和板巖比白云巖抗壓強(qiáng)度小，但是云母板巖呈黏土質(zhì)。結(jié)合白云鄂博鐵礦采場爆破實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化了采場不同礦巖的爆破參數(shù)（表5）。

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4 爆破參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用

白云鄂博鐵礦根據(jù)中深孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，在主采場礦石區(qū)、巖石區(qū)和礦巖混爆區(qū)組織5次逐孔起爆形式的爆破試驗(yàn)（表6），礦石爆破量36.2萬t，巖石爆破量44.8萬t。利用爆破粒度分析系統(tǒng)對爆破大塊率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對電鏟裝車效率、滿斗系數(shù)和鏟斗牙尖用壞個(gè)數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。礦山使用鏟斗大小為16.8 m3的WK-10A電鏟和載重量為260 t的重型運(yùn)礦汽車。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，大塊率明顯降低，塊度較為均勻，滿斗系數(shù)更高，鏟裝與試驗(yàn)等量礦巖鏟斗牙尖用壞個(gè)數(shù)減少，電鏟裝車效率有所提高（表7）。

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5 結(jié)語

（1）LS-DYNA有限元模擬計(jì)算能可靠方便地分析爆破過程中對設(shè)定爆破材料作功的過程和結(jié)果，可以為礦山優(yōu)化爆破參數(shù)提供參照數(shù)據(jù)。

（2）針對白云鄂博鐵礦磁鐵礦和白云巖，分別進(jìn)行單孔爆破漏斗和不同間距的多孔爆破有限元數(shù)值模擬。模擬數(shù)據(jù)表明，磁鐵礦區(qū)的孔距為8～9 m，但不能超過9 m，白云巖區(qū)的孔距可大于9 m。綜合考慮礦巖性質(zhì)、爆破條件，對白云鄂博鐵礦中深孔爆破不同巖性的爆破參數(shù)給出具體優(yōu)化數(shù)據(jù)。

（3）白云鄂博鐵礦的現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)表明，模擬確定的爆破參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中可取得更大的效率。對比優(yōu)化前爆破大塊率降低0.5個(gè)/萬t，且爆破塊度更加均勻；電鏟滿斗系數(shù)提高了4個(gè)百分點(diǎn)，裝車時(shí)間快了3.5 s/臺，鏟裝與試驗(yàn)等量礦巖鏟斗牙尖用壞個(gè)數(shù)減少1個(gè)，整體優(yōu)化了鏟裝效率。