崔正榮 張西良 潘祖瑛 李龍福
(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽,馬鞍山243000;2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司,安徽,馬鞍山243000)
露天礦山在邊坡靠界時(shí),通常使用靠界預(yù)裂控制爆破技術(shù)[1-2],因其可以在一定程度上較好地降低邊坡巖體裂隙的擴(kuò)展,削弱爆破對(duì)露天邊坡的損傷破壞,有效地避免邊坡發(fā)生滑坡[3-4]。這里定義直徑超過(guò)95 mm、孔深超過(guò)15 m的爆破稱(chēng)為超深孔爆破[5]。在超深孔預(yù)裂靠界爆破中,由于底部夾制作用較大,若不采取有效措施(如底部加強(qiáng)裝藥),將影響爆破效果;當(dāng)前超深孔預(yù)裂爆破底部加強(qiáng)高度僅為經(jīng)驗(yàn)值,綜合考慮影響巖石預(yù)裂爆破成縫的因素,對(duì)加強(qiáng)高度優(yōu)化研究,不僅能夠有效地克服底部夾制作用,而且能取得較好的爆破效果,對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益都有重要意義,也實(shí)現(xiàn)了爆破精細(xì)化[6]。
雖然預(yù)裂爆破技術(shù)在靠界邊坡治理中較常使用,然而對(duì)超深孔預(yù)裂爆破的研究正處在探索階段。徐成光[7]詳細(xì)分析了某電站進(jìn)水塔高邊坡的開(kāi)挖特點(diǎn),使用小孔徑超深孔預(yù)裂爆破技術(shù),一次預(yù)裂成型的垂直邊坡達(dá)到了20 m高,工程爆破效果較理想,可以作為相似爆破工程的經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。李萬(wàn)洲[8]在某水電站高邊坡開(kāi)挖過(guò)程中,預(yù)裂孔深達(dá)到了30 m,施工進(jìn)度得到了提高,經(jīng)濟(jì)效益顯著改善,施工質(zhì)量達(dá)到了良好標(biāo)準(zhǔn)。
本次研究以傳統(tǒng)預(yù)裂爆破技術(shù)為基礎(chǔ),以西北某露天鐵礦并段超深孔預(yù)裂爆破項(xiàng)目為背景,綜合運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法,優(yōu)化超深孔底部加強(qiáng)裝藥高度。
西北某露天鐵礦已開(kāi)采多年,臺(tái)階高度為12 m;開(kāi)采至最終境界位置每2個(gè)臺(tái)階并段;臺(tái)階坡面角65°;基于露天邊坡的安全考慮,采用靠界預(yù)裂爆破技術(shù)。預(yù)裂孔深達(dá)26.5 m,由于底部夾制作用較大,前期底部預(yù)裂爆破效果不太理想。目前預(yù)裂爆破后邊坡質(zhì)量較好的邊坡段依然較穩(wěn)定,而預(yù)裂爆破質(zhì)量較差的邊坡段容易發(fā)生失穩(wěn)甚至滑坡現(xiàn)象。怎樣獲得較好的預(yù)裂爆破質(zhì)量,從而在礦山靠界超深預(yù)裂孔爆破條件下獲取穩(wěn)定、平整的預(yù)裂面,是該礦亟待解決的難題。
超深孔預(yù)裂爆破的裝藥結(jié)構(gòu)包括底部加強(qiáng)裝藥段、正常裝藥段和上部減弱裝藥段,裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。國(guó)內(nèi)部分工程底部增加的裝藥量如表1所示,根據(jù)表1繪制的散點(diǎn)圖如圖2所示。
工程經(jīng)驗(yàn)表明,底部加強(qiáng)裝藥高度如果偏小,則底部預(yù)裂面不能完全拉開(kāi),因此會(huì)削弱預(yù)裂面的阻震和阻止爆破區(qū)裂縫延伸的作用,并且爆破后邊坡下部有巖根,還需要小爆破清理;反之如果底部加強(qiáng)裝藥高度過(guò)大,則下部保留基巖將受到破壞。
根據(jù)工程實(shí)例提出底部加強(qiáng)藥高度L1取值范圍0.1L~0.2L,其中L∈(15,30)為孔深,m。
本次研究的模型及其裝藥網(wǎng)格密度基本相同,使計(jì)算結(jié)果具有可比性。根據(jù)西北某露天鐵礦超深預(yù)裂孔爆破參數(shù)可知,模擬4種不同的加強(qiáng)藥高度,數(shù)值模型采用m-kg-s單位制,本次數(shù)值模擬炮孔直徑為120 mm,炮孔間距為1.3 m,炮孔深為26.5 m,不耦合系數(shù)為2.7,傾角為65°,底部加強(qiáng)段線(xiàn)裝藥密度為正常段的2倍,底部加強(qiáng)段裝藥高度分別為3,3.5,4,4.5,5,5.5 m。模型邊界條件為無(wú)反射邊界,可有效地避免邊界條件受求解結(jié)果的影響。因此模型的大小可取為:長(zhǎng)×寬×高=4 m×2 m×30 m,如圖3。
3.2.1 炸藥本構(gòu)模型及其參數(shù)
本次研究使用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。表2為該炸藥的材料和JWL狀態(tài)方程的參數(shù)。
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3.2.2 被爆結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型及參數(shù)
模擬巖性為白云巖,選取ANSYS/LS-DYNA材料庫(kù)中的動(dòng)力學(xué)塑性模型,然后用關(guān)鍵字(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)在.K文件中表示;使用炮泥作為孔口填塞材料,其物理性質(zhì)與砂土接近,本次模擬選取巖石模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)作為材料模型。
炸藥爆炸后,受動(dòng)載荷的影響,巖石達(dá)到了自身的屈服極限,就發(fā)生塑性破壞。此外,伴隨動(dòng)載荷作用的加大,其抗壓強(qiáng)度將變大,巖石的應(yīng)變率在炸藥爆炸作用下的變化特別大,巖體應(yīng)變過(guò)大導(dǎo)致了它的損壞,因此選取了應(yīng)變率能夠變化的塑性模型;通過(guò)查找資料開(kāi)展數(shù)值仿真、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn),對(duì)比研究得出選用該模型在某種意義上講是較好的[9]。選取C-S模型,對(duì)于應(yīng)變值D和P,參考Yang R等[10]的研究成果,即相異的應(yīng)變率下材料介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變之間的相互關(guān)系和應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)這一理論數(shù)據(jù),加上夏詳[9]對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行了更進(jìn)一步的求解。模擬所需巖石的力學(xué)參數(shù)經(jīng)折減處理后如表3所示。
選取MAT_NULL空模型模擬炮孔內(nèi)的空氣,使用線(xiàn)性多項(xiàng)式狀態(tài)方程LINEAR_POLYNOMIAL加以描述(其理論詳見(jiàn)軟件介紹部分),其參數(shù)即孔口填塞材料的參數(shù)如表4所示。
圖4所示的爆炸應(yīng)力分布表明,炸藥爆炸后,有效應(yīng)力以柱面波的形式從藥卷中心向四周擴(kuò)散;底部加強(qiáng)裝藥段的應(yīng)力波在疊加后,應(yīng)力波明顯增強(qiáng),有利于底部裂隙的擴(kuò)展。均勻分布的裝藥結(jié)構(gòu)使得巖石所受到的應(yīng)力也是較均勻的,疊加后的應(yīng)力達(dá)到了巖石強(qiáng)度,底部加強(qiáng)裝藥段完全貫通,有效地克服了底部夾制作用。
提取加強(qiáng)裝藥段關(guān)鍵點(diǎn)單元的相應(yīng)曲線(xiàn),記錄該單元所受應(yīng)力的最大值。運(yùn)用有效應(yīng)力屈服理論比較模擬出的結(jié)果,依托比較結(jié)果分析巖石在炸藥爆炸作用后的破碎情況。巖石個(gè)別單元在模型中的坐標(biāo)和其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線(xiàn),如圖5所示。
根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果表5~表8可知,底部加強(qiáng)段裝藥高度為4 m和4.5 m時(shí)能夠取得較好的預(yù)裂爆破效果。因此,超深孔預(yù)裂靠界爆破底部加強(qiáng)段裝藥高度滿(mǎn)足關(guān)系式:0.15L≤L1≤0.17L。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分4種方案,比較其爆破開(kāi)挖后的邊坡質(zhì)量,結(jié)合理論分析,為參數(shù)選擇提供直接依據(jù)。徑向不耦合裝藥有效地削弱了炸藥爆炸對(duì)炮孔壁四周巖石的破壞,同時(shí)相鄰炮孔壁受到其中一部分沖擊波的作用而產(chǎn)生拉應(yīng)力,形成預(yù)裂縫。本礦超深孔預(yù)裂爆破炮孔直徑為120 mm,孔距為1.3 m,孔深為26.5 m,預(yù)裂藥柱的直徑約45 mm,不耦合系數(shù)為2.7,正常裝藥段線(xiàn)裝藥密度0.6 kg/m,底部加強(qiáng)段線(xiàn)裝藥密度為1.2 kg/m,底部加強(qiáng)藥高度分別為3.5、4、4.5、5 m。軸向?yàn)椴获詈涎b藥,使用粘性較好的材料將炸藥固定在起爆器材上。由于炮孔下端受夾制作用的影響較大,對(duì)超深孔而言,炮孔底部的夾制作用不可忽視。為消除這一影響,增加的藥量均勻分布在炮孔底部加強(qiáng)裝藥段。上部為裝藥減弱段,最上面為不裝藥段,不裝藥段的長(zhǎng)度與該處的巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、裝藥量和預(yù)裂孔直徑等有關(guān),減弱段的線(xiàn)裝藥密度為正常段的1/3~1/2。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案參數(shù)見(jiàn)表9。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的分析,當(dāng)?shù)撞考訌?qiáng)裝藥高度為3.5 m,預(yù)裂爆破效果明顯變差,底部留有根底,半壁孔未露出。當(dāng)?shù)撞考訌?qiáng)裝藥高度為4 m和4.5 m時(shí),底部預(yù)裂爆破效果最好,預(yù)裂縫貫通,半壁孔保留完整。當(dāng)?shù)撞考訌?qiáng)裝藥高度5 m,預(yù)裂爆破效果也明顯變差,藥量的增加不再起到積極作用,而是圍巖受到更大的沖擊損傷。
(1)礦山并段預(yù)裂爆破,底部夾制作用較大,本研究采用了變換底部加強(qiáng)藥高度的方法,確保實(shí)現(xiàn)相鄰炮孔之間的巖體能完全貫通,并能避免炮孔壁受到破壞。
(2)以理論分析后的超深孔預(yù)裂爆破參數(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)使用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比模擬結(jié)果,分析底部加強(qiáng)藥區(qū)域部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)分布以及壓力峰值,結(jié)果表明底部加強(qiáng)藥高度為4~4.5 m時(shí)預(yù)裂爆破效果最好。提出了底部加強(qiáng)裝藥高度范圍公式0.15L≤L1≤0.17L,其中L∈(15,30)為孔深,m。
(3)在西北某礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),高度為4、4.5 m的預(yù)裂爆破試驗(yàn)效果均較理想,底部成縫效果較好,證明了超深預(yù)裂孔底部加強(qiáng)裝藥技術(shù)可行,有效地指導(dǎo)了礦山生產(chǎn),類(lèi)似工程也可以借鑒。