常建平 張鵬飛 段 軍 王夢瑤 寶音吉雅

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙 古包頭 014010；2.包鋼集團(tuán)巴潤礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙 古包頭 014080）

隨著國內(nèi)冶金露天礦山開采效率的提高，8～16 m的臺階爆破高度達(dá)不到礦山開采規(guī)模。按照國內(nèi)大型露天礦鏟裝機(jī)械電鏟對爆堆的最大挖掘高度計算，臺階高度大于18 m為高臺階爆破［1］。高臺階爆破通過增加裝藥長度提高露天礦爆破規(guī)模及開采效率。由于露天礦山開采爆破技術(shù)理論的影響，臺階高度加大，相應(yīng)炮孔加深，單孔裝藥量不變的情況下，高臺階爆破和普通臺階爆破相比困難重重。為了解決這一困難，毫秒微差爆破目前在我國爆破工程當(dāng)中得到了大量的應(yīng)用和廣泛的認(rèn)可?？變?nèi)微差爆破不僅可以改善巖石爆破破碎效果，而且也可以降低爆破振動［2-4］。樓曉明等［5］通過不同角度分析孔內(nèi)參數(shù)對爆破振動方面的影響并得出相應(yīng)結(jié)論。曾慶偉等［6］通過現(xiàn)場試驗和分析計算得出一定爆破參數(shù)條件下最佳的爆破微差時間。以上文獻(xiàn)大多都圍繞不同微差時間對爆破振動影響方面進(jìn)行研究并得到了各自結(jié)論，關(guān)于爆破破碎巖石方面也多是孔間微差時間的作用機(jī)理和試驗分析研究，高臺階柱狀藥包孔內(nèi)微差起爆的應(yīng)力場分布規(guī)律和破巖機(jī)理尚缺少相關(guān)研究分析［7-9］。以往由于雷管精度誤差大，難以實現(xiàn)對微差時間的精細(xì)化控制。近年來數(shù)碼電子雷管應(yīng)用的普及為孔內(nèi)微差爆破技術(shù)的實現(xiàn)提供了條件，國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)碼電子雷管［10-12］已經(jīng)實現(xiàn)了延期精度為 0～150 ms、誤差≤1.5 ms，毫秒間隔151～1 600 ms、相對誤差≤1%，可實現(xiàn)延期時間0～1 600 ms范圍內(nèi)以最小間隔時間為1 ms任意設(shè)置，為實現(xiàn)高臺階孔內(nèi)微差提供了基礎(chǔ)條件。本研究以巴潤礦24 m高臺階擴(kuò)幫高臺階爆破實際工況為模型，從爆破破巖機(jī)理角度出發(fā)，借助數(shù)值仿真模擬軟件對孔內(nèi)中部間隔裝藥炮孔，上下部分藥包的不同起爆點的先后起爆順序組合參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示出巴潤礦高臺階孔內(nèi)微差爆破的巖石中爆破應(yīng)力場分布規(guī)律。

1 工程概況

巴潤礦是包頭鋼鐵集團(tuán)下屬子公司，巴潤礦主體開采設(shè)備為KY-310型牙輪鉆機(jī)、采掘設(shè)備主要有ER9350大型利勃海爾液壓鏟、4410大型電動輪礦車等，是一座超大型現(xiàn)代化露天礦山。采場內(nèi)巖性主要為白云巖、板巖、第四系等，由于采場境界優(yōu)化的需要，采場需向北部擴(kuò)幫，為提高擴(kuò)幫效率，巴潤礦決定利用上部12 m高臺階的現(xiàn)有條件，通過改造鉆機(jī)和調(diào)整生產(chǎn)工藝，在不改變原有礦山設(shè)計參數(shù)的條件下，將上部巖石12 m臺階合二為一成24 m的高臺階，變成一次性穿孔2個臺階，大大提高了穿爆生產(chǎn)效率。因巴潤礦臺階高度大，考慮到提高炮孔的起爆可靠性等因素，一般采用炮孔上部和下部都設(shè)置起爆點的方式起爆。但是由于臺階高度的加大，隨之炮孔內(nèi)藥柱長度也增加，炮孔上下分段藥柱微差參數(shù)有待進(jìn)一步確定。

2 爆破參數(shù)確定

孔內(nèi)微差間隔裝藥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場采用的分層分段毫秒延時起爆方式，圖1中D區(qū)炸藥經(jīng)過毫秒雷管率先起爆，B區(qū)底部雷管延時后引爆炸藥，中間填塞段則采用炮泥進(jìn)行填塞。

結(jié)合可壓縮介質(zhì)的不定常運動理論，確定圖1中D區(qū)先起爆，B區(qū)底部數(shù)碼電子雷管延時后引爆炸藥。在極短的時間內(nèi)爆轟波在底部炸藥內(nèi)部傳播，爆區(qū)白云巖內(nèi)徑向峰值應(yīng)力可表示為

式中，pb為孔內(nèi)受到的壓力；xb為孔徑；x為距離炮孔軸向點距離；β為爆炸應(yīng)力波衰減系數(shù)；μd為巖石動態(tài)泊松比。

隨著徑向應(yīng)力出現(xiàn)并衍生出環(huán)向應(yīng)力，使得應(yīng)力波向外擴(kuò)展并使巖石破壞。當(dāng)應(yīng)力波從臨空面反射后，在臨空面處巖石發(fā)生剝離。應(yīng)力波朝著藥包方向繼續(xù)擴(kuò)展，被壓碎的巖石呈棱柱體被殘余壓力拋出形成新的臨空面。上部藥包延期起爆，由于孔中仍有應(yīng)力，使得原本衰減的應(yīng)力出現(xiàn)疊加，爆破效果更佳。受限于傳統(tǒng)雷管精度低，沒有充分利用高臺階炮孔內(nèi)藥柱長度長、炮孔間隔裝藥結(jié)構(gòu)的特點進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)置技術(shù)參數(shù)，通常的做法是采用普通雷管在炮孔內(nèi)設(shè)置1個或2個起爆點同時起爆實現(xiàn)炮孔內(nèi)炸藥的爆轟。為確定最佳延期時間，對哈努卡耶夫公式進(jìn)行修正，提出最佳孔內(nèi)微差時間的計算理論方法：

式中，W為底盤抵抗線；cp為體積變形的傳播速度；ut為裂縫傳播速度；k為破裂能力系數(shù)，針對白云巖一般取0.6～0.9；α為拋擲角度；s為中間間隔距離；ur為應(yīng)力波平均速度。

根據(jù)常建平，張鵬飛等［16］研究發(fā)明的一種孔內(nèi)微差起爆方式專利，得出底部裝藥段的長度為炮孔深度的30%～35%；頂部裝藥段長度為炮孔的深度的23%～25%；中間間隔段長度為炮孔深度的17%～23%；藥柱的總長度為炮孔深度的53%～60%；對不同的起爆點實施微差間隔起爆。確定爆區(qū)白云巖的裝藥結(jié)構(gòu)為炮孔填塞7 m，上部裝藥長度6 m，中間空氣間隔5 m，下部8 m裝藥，炮孔超深2 m，總長度26 m，孔徑310 mm。

3 微差爆破模擬與現(xiàn)場驗證

3.1 爆破模型簡介

為更好研究分析不同起爆參數(shù)組合方式爆破效果，模型建立統(tǒng)一的裝藥結(jié)構(gòu)（圖2（a））和其他爆破參數(shù)，借以比較在其他條件相同的情況下不同起爆參數(shù)組合方式的炮孔應(yīng)力場。在下部藥柱段的位置處設(shè)置數(shù)碼電子雷管作為起爆點；在上部裝藥段的位置處設(shè)置數(shù)碼電子雷管作為另一個起爆點（圖2（b）），依次孔內(nèi)微差爆破模型1、2、3、4設(shè)置起爆位置組合為下部底端起爆—上部頂端起爆、下部底端起爆—上部底端起爆、下部頂端起爆—上部頂端起爆、下部頂端起爆—上部底端起爆，通過改變微差起爆參數(shù)來模擬4種模型位置起爆工況。

為了便于模擬計算，模型介質(zhì)設(shè)置為均質(zhì)、連續(xù)、無初始應(yīng)力、各向同性的彈塑性材料，建立模型以z軸為對稱面建立1/2的模型，臺階高度24 m、寬度12 m、縱向深度15 m，設(shè)計的坡角75°，采用cm-g-us單位制。采用Hypermesh14.0劃分六面體實體單元網(wǎng)格，為了便于觀察爆破效果過程的應(yīng)力場規(guī)律，炸藥和填充處網(wǎng)格劃分較細(xì)。定義邊界條件時，把模型的剖面（炮孔面）作為對稱邊界，除剖面外其余面均為無投射邊界，臺階上頂、坡面和坡腳面設(shè)為臨空面，模型如圖2（a）。以圖2（a）為基本設(shè)計，按現(xiàn)場實際建立3個計算模型，通過炮孔內(nèi)微差間隔爆破的方法，并合理設(shè)置孔內(nèi)微差間隔時間、間隔裝藥結(jié)構(gòu)、起爆點位置和起爆順序，對爆破動態(tài)荷載、持續(xù)達(dá)到巖石屈服時間進(jìn)行量化分析并進(jìn)行如下研究：①3 ms微差下起爆點位置組合爆破（模型1、2、3、4，起爆距離0 m）；②3 ms微差下起爆距離（模型5，起爆距離0.5 m）；③數(shù)碼電子雷管條件下微差時間有限變化（模型6，微差時間6 ms，低端起爆距離0.5 m）。

多材料的動力實驗表明，動態(tài)屈服應(yīng)力比靜態(tài)屈服應(yīng)力有明顯的提高。Cowper-Symonds關(guān)系式是基于大量實驗基礎(chǔ)上提出的關(guān)于動態(tài)極限屈服應(yīng)力和應(yīng)變率之間的簡單經(jīng)驗公式，本項目的巖石材料采用基于Cowper-Symonds關(guān)系式建立的雙線性隨動硬化模型（Plastic Kinematic本構(gòu)模型），該模型是用來模擬巖土較為常用的一種材料模型［13～15］。表達(dá)式如下：

式中，σ0為初始屈服強(qiáng)度；C、P為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，C=35，P=3；為應(yīng)變率；β為為可調(diào)參數(shù)，β=1；EP為塑性硬化模量，取23.7 MPa；為塑性應(yīng)變率；為等效塑性應(yīng)變，其計算公式為

巖石和炮孔填充的實體單元為*sect-lag，巖石和堵塞材料采用常應(yīng)力實體單元算法，堵塞物與臺階巖體采用同一種材料模型，具體參數(shù)設(shè)置見表1、表2。

炮孔內(nèi)間隔氣體的空氣實體單元是*sect-ale，空氣采用ELFORM為11的多物質(zhì)單元算法（ALE）；空氣密度設(shè)為1.29 g/L，其他參數(shù)使用默認(rèn)，狀態(tài)方程*EOS-Air（*EOS-001），該狀態(tài)方程為線性多項式和熱力學(xué)的初始狀態(tài)材料定義參數(shù)，表達(dá)形式為

當(dāng)μ＜0 時，C2μ2及C6μ3為 0；C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=γ-1，γ為2種壓強(qiáng)和體積比熱之比。

乳化炸藥采用JWL狀態(tài)方程，狀態(tài)方程能夠比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動過程，并且具有面向各種炸藥的特別廣泛的原始數(shù)據(jù)庫。JWL方程形式為

式中，P為所要求的壓力值；E為單位體積爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；V為爆轟產(chǎn)物的體積大??；A、B、R1、R2及w為經(jīng)驗參數(shù)，通過米海里遜線以及炸藥的密度、爆速和絕熱系數(shù)3個參數(shù)求得，見表3。

3.2 起爆點位置組合的確定

孔內(nèi)微差時間間隔為3 ms時起爆，不改變微差時間的長短，只改變起爆點的位置，即采用單一變量法進(jìn)行分析。因下部巖體夾制作用大，雖說采用同時起爆方式最有利于增強(qiáng)臺階爆破效果，在實際工程同時起爆很難加以實現(xiàn)；而采用中間起爆和兩端起爆方式時，從深孔爆破的裝藥長度及其爆轟波疊加情況考慮，臺階爆破效果較采用孔底起爆方式好。結(jié)合實際工程，本研究模擬采用孔底下部先起爆的順序單點起爆。本小節(jié)研究微差時間間隔為3 ms時，空氣間隔在中部的變化情況。對巴潤礦主要礦巖的巖石抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究，本模型白云巖體的靜態(tài)抗拉強(qiáng)度為4 MPa，動態(tài)抗拉強(qiáng)度取12 MPa，以該值作為臨界值作為巖體破壞的判據(jù)，即對應(yīng)的應(yīng)力區(qū)域的巖體處于臨界或塑性應(yīng)變狀態(tài)。圖3為高臺階爆破在不同時刻的Mises應(yīng)力云圖的變化情況，本模型中，炮孔下部藥柱先起爆，爆轟波由下而上傳播，應(yīng)力波在巖體中擴(kuò)散。以模型1起爆描述，當(dāng)t=2 199 us時，底部8 m藥柱已起爆完成，底部藥柱的應(yīng)力波開始在5 m空氣間隔中傳播，同時，上部藥柱起爆，爆轟波由上部藥柱向下開始傳播；當(dāng)t=2 895 us時上下藥柱應(yīng)力波發(fā)生疊加碰撞，下半部分原本呈衰減趨勢的應(yīng)力區(qū)域又得到增強(qiáng)并擴(kuò)大，一直持續(xù)到應(yīng)力區(qū)域衰減小于巖體屈服強(qiáng)度為止。由高臺階爆破在不同時刻的Mises應(yīng)力云圖的變化情況可知，模型4參數(shù)起爆下，上下藥柱爆轟波疊加效果不好，應(yīng)力衰減速度快，大塊較多；模型1、2效果最佳，提高了爆破效果、降低了爆破振動有害效應(yīng)。其孔內(nèi)采用同時起爆，不能產(chǎn)生高臺階炮孔內(nèi)爆破應(yīng)力場的疊加效應(yīng)，而且爆炸應(yīng)力波在巖體內(nèi)沒作用時間也相對較短，爆破效果其次為模型3。

因為高臺階爆破采用中間氣體間隔裝藥結(jié)構(gòu)，空氣間隔部位沒有炸藥，能量分布相對較少容易出現(xiàn)大塊，為方便比較4種起爆方式應(yīng)力場特點，取臺階中間部位巖體考查點進(jìn)行對比研究。在臺階空氣間隔部位距離炮孔每隔1.5 m各取出一個監(jiān)測單元，如圖4從左向右黑色的單元體為A～E考察點。通過LS-PREPOST后處理器計算得到不同監(jiān)測單元的History應(yīng)力時程曲線，得到各單元應(yīng)力峰值，從而得到模型爆破過程中臺階空氣間隔位置監(jiān)測單元的Mises應(yīng)力發(fā)展趨勢。

分析典型的模型1、2各點應(yīng)力時程曲線（圖5）可知，隨著時間推移，整體波形峰值均為先出現(xiàn)上升，隨后降低的趨勢，但各時程曲線的考察點應(yīng)力極值點大于巖體強(qiáng)度應(yīng)力的持續(xù)時間不盡相同。隨著考察點距空氣柱的距離增大，所有考察點應(yīng)力先達(dá)到最高點，然后呈現(xiàn)下降趨勢。

3.3 起爆位置距離的確定

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗結(jié)合以上研究得出的起爆組合方式，首先取起爆位置距底部藥柱為0.5 m，然后將底部起爆位置距離增加0.5 m，本次模擬選取底部起爆位置距離分別為0.5 m、1.0 m。

3.4 微差時間的確定

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合巴潤礦實際情況及孔內(nèi)微差爆破工程經(jīng)驗，孔內(nèi)上下裝藥部分起爆微差時間取3 ms短時差間隔，首先孔內(nèi)微差取3 ms，再將孔內(nèi)微差時間增加3 ms，微差時間可通過數(shù)值模擬設(shè)置，通過觀察有效應(yīng)力變化可得知合理微差時間。根據(jù)以上參數(shù)模擬，統(tǒng)計各監(jiān)測單元持續(xù)達(dá)到巖石動抗拉強(qiáng)度時間，見表4。由表4孔內(nèi)微差爆破不同起爆參數(shù)下考察點達(dá)到有效應(yīng)力持續(xù)時間可知，模型1，起爆位置距離考察點近，有效應(yīng)力平均持續(xù)時間1 060 us；模型4起爆方式，有效應(yīng)力平均持續(xù)時間838 us，在4種參數(shù)起爆中，持續(xù)時間最短；模型1、2起爆后考察單元出現(xiàn)有效應(yīng)力平均持續(xù)時間較長，其模型1起爆參數(shù)下長達(dá)2 018 us，各單元有效應(yīng)力平均持續(xù)時間比模型2起爆持續(xù)時間長358 us，在微差起爆位置組合中起爆方式大于巖石屈服強(qiáng)度持續(xù)時間最長。模型5在采用下部先起爆，微差間隔3 ms，上部再起爆基礎(chǔ)上，將下部起爆位置點設(shè)置為0.5 m，模型5有效應(yīng)力持續(xù)時間較模型1增加44.50%；模型5平均有效應(yīng)力峰值較模型1增加6.68%。模型6有效應(yīng)力持續(xù)時間較模型1增加24.48%，平均有效應(yīng)力峰值減小4.97%，發(fā)現(xiàn)如只增加微差時間對降低大塊效果則不明顯。研究表明:微差起爆順序是影響爆破效果關(guān)鍵因素。模型5作用時間比模型1、6組合方式延長44.50%、16.08%，監(jiān)測點平均有效應(yīng)力極值點分別要高6.68%、12.26%。結(jié)合間隔空氣藥柱周圍各考察點有效應(yīng)力峰值的大小變化、全應(yīng)力場的強(qiáng)度以及持續(xù)時間綜合考慮，最佳微差起爆參數(shù)為模型5，即下部距離底端起爆位置點0.5 m先起爆，上部頂端延期3 ms起爆。

3.5 現(xiàn)場試驗結(jié)果

本次爆區(qū)位于采場1 876水平北幫，爆區(qū)臺階巖性主要為強(qiáng)度中等的白云巖，按孔徑310 mm、底盤抵抗線10 m設(shè)計現(xiàn)場工業(yè)試驗。為減弱爆破振動的影響，孔內(nèi)微差時間按3 000 us，排間施行分段起爆，裝藥方式為間隔裝藥，炮孔填塞7 m，共有炮孔71個，巖石爆破量66 134.88 t，使用乳化炸藥128袋，銨油炸藥122袋。由現(xiàn)場試驗結(jié)果可看出，爆破后塊度均勻，爆堆整體塊度破碎效果較好，滿足采裝設(shè)備的采掘要求，爆堆拋擲距離大于25 m，現(xiàn)場爆破效果如圖7所示。

4 結(jié)論

在巴潤礦24 m高臺階大孔徑垂直鉆孔條件下，采用了多組模型分析不同起爆點的時間起爆順序組合下，炸藥的爆炸應(yīng)力在巖體中的分布規(guī)律，為進(jìn)一步確定孔內(nèi)微差起爆參數(shù)提供了理論依據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)合實際工程分析問題，得出有效應(yīng)力持續(xù)時間較長起爆方式應(yīng)采用下部藥柱底端0.5 m先起爆，間隔3 000 us，上部藥柱頂端再起爆的方式合理，可以將巖石充分破毀，為巴潤礦孔內(nèi)微差起爆工作的開展提供了技術(shù)支撐。

（2）今后應(yīng)根據(jù)具體工況條件進(jìn)一步利用電子雷管的優(yōu)勢開發(fā)出相匹配的技術(shù)參數(shù)。此外，由于露天礦山尤其金屬露天礦的開采水平逐年下降，露天礦邊坡高度隨之增加，露天礦山邊坡滑坡失穩(wěn)造成重大地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險也逐步增加。爆破規(guī)模的增大，會增加炸藥的使用量，增加爆破振動有害效應(yīng)，而頻繁的生產(chǎn)爆破產(chǎn)生的振動效應(yīng)會誘發(fā)更多的邊坡滑坡。因此，提高露天礦開采爆破效果的同時，要研究合理降低生產(chǎn)爆破的振動有害效應(yīng)。