李紅鵬

（江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司）

我國(guó)的金屬資源稟賦勘察數(shù)據(jù)表明，金屬礦脈中，急傾斜礦脈（傾角＞55°）約占62%，極薄到薄礦體（厚度＜4m）約占58.6%。針對(duì)急傾斜薄礦脈的賦存特點(diǎn)，目前主流的采礦方法依舊是淺孔留礦法（約占47%）、充填法（約占28%）、空?qǐng)龇ǎs占22.4%）這三大類，其中淺孔留礦法占較大比重［1］。銀山礦礦體為典型的急傾斜薄礦脈，在多年的開采過(guò)程中，一直采用淺孔留礦法進(jìn)行開采，但由于其產(chǎn)能低、安全性差、工作量繁重及機(jī)械化難度高等缺陷［2］，造成了銀山礦礦石積壓量大及存窿礦易結(jié)死等大量生產(chǎn)難題［3］。因此，礦山根據(jù)礦體賦存條件、地質(zhì)特征、爆破工藝等對(duì)采礦方法及工藝進(jìn)行研究，確定銀山礦的采礦方法為分段空?qǐng)龇?，此方法具有開采強(qiáng)度大、勞動(dòng)生成率高、通風(fēng)條件好及管理簡(jiǎn)單等優(yōu)良特性［4］。然而，由于分段空?qǐng)龇ㄅ涮撞捎玫纳舷蛑猩羁茁涞V工藝經(jīng)常因爆破參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致爆破能量分布不均勻，從而給井下礦石回采帶來(lái)超采及大塊率高等問(wèn)題［5-6］。

針對(duì)以上狀況，本研究基于銀山礦井下礦巖體賦存條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及分段空?qǐng)龇ɑ夭晒に囂攸c(diǎn)，利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件建立礦巖體爆破耦合模型［7-10］，對(duì)現(xiàn)有爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到適用于銀山礦分段空?qǐng)龇ǖ淖顑?yōu)爆破參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破漏斗試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程背景

1.1 開采技術(shù)及條件

銀山礦區(qū)位于江西省德興市銀城鎮(zhèn)。礦區(qū)南北長(zhǎng)約2.7 km，東西寬約2.5 km，面積約6.75 km2。礦體傾角為60°~85°，礦體長(zhǎng)為25~1 580 m，厚度為1~6 m，形態(tài)為脈狀。礦山經(jīng)過(guò)近50 a的留礦法開采，在上部形成大量采空區(qū)，且圍巖賦存條件差，極易造成安全生產(chǎn)事故?，F(xiàn)經(jīng)科研攻關(guān)，已轉(zhuǎn)入分段空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行回采。

礦塊沿礦體走向布置，長(zhǎng)度為100 m，寬為2 m，階段高度為50 m，沿垂直方向劃分為3個(gè)分段，分段高度為15~20 m，間柱為6 m，頂柱高為5 m。

回采作業(yè)順序?yàn)槁涞V→出礦→裝藥→落礦；在分段巷道與切割槽形成后由切割槽后退式回采，為保障作業(yè)安全，各分段間應(yīng)同時(shí)后退并形成下向階梯式工作面，即上部分段超前爆破2排炮孔。分段巷施工后，采用311鑿巖臺(tái)車、向上穿垂直孔，孔徑為76 mm，孔深為10~14 m，排距為1.5 m，邊孔距礦巖分界線0.1 m，最小抵抗線為1.5 m。

1.2 爆破現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前爆破采用粒狀乳化銨油炸藥，用裝藥車裝藥，將炸藥送入炮孔，堵塞長(zhǎng)度1.8 m，穿孔完畢后以切割井為自由面進(jìn)行爆破。爆破為分層爆破，上部分層超前爆破2排炮孔，各分層同時(shí)爆破。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于爆破參數(shù)（主要為布孔方式及排距）設(shè)置的不合理，導(dǎo)致爆破效果不理想，超前爆破情況明顯，大塊率高（＞10%）等情況頻發(fā)。因此，為得到當(dāng)前單段藥量下的最優(yōu)爆破效果，有必要針對(duì)爆破作業(yè)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而提高綜合生產(chǎn)效益。

2 數(shù)值模擬及分析

雖然急傾斜薄礦脈分段空?qǐng)龇ń鉀Q了銀山礦極薄至薄礦脈開采面臨技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全難題，但其對(duì)爆破技術(shù)的高要求進(jìn)一步倒逼礦山對(duì)現(xiàn)有爆破技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。建立動(dòng)力學(xué)爆破數(shù)值仿真模型，在炮孔直徑一定的情況下（76 mm），探索契合銀山礦生產(chǎn)現(xiàn)狀的布孔方式及排距。

2.1 計(jì)算模型

在炮孔直徑為76 mm的實(shí)際礦山爆破方案中，爆破網(wǎng)格尺度多集中在1.5 m附近。因此，本次研究設(shè)計(jì)排距為1.0~2.0 m的4組模型，以及2種布孔方式（表1），探索出最優(yōu)爆破方案。

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建立3孔側(cè)向崩礦爆破模型，由于側(cè)向爆破礦體時(shí)縱向高度較高，且爆破時(shí)主要依靠側(cè)向自由面，爆破實(shí)際工程中爆破主區(qū)集中在炮孔中部，本次研究采用平面模型，不考慮炮孔上下部的端部效應(yīng)。方案一的模型尺寸參數(shù)為3 m×6 m×0.02 m（X×Y×Z），工程爆破的自由面采用自由邊界條件，其余邊界采用全透射邊界條件，礦體右側(cè)為自由面。模型實(shí)體圖如圖1所示，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1 ms。

方案二~方案四均采用梅花形布孔，其模型尺寸為（3.5~5.0）m×6 m×0.02 m（X×Y×Z），工程爆破的自由面采用自由邊界條件，其余邊界采用全透射邊界條件，礦體右側(cè)為自由面。以方案二為例，具體模型實(shí)體圖如圖2所示，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1 ms。

2.2 材料參數(shù)

2.2.1 巖石材料模型及參數(shù)

本研究選擇塑性動(dòng)力學(xué)模型MAT-PLASTICKINEMATIC，是各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，與應(yīng)變率相關(guān)，適用于爆炸分析中的巖石材料，表2給出了礦體的材料參數(shù)。

2.2.2 炸藥材料模型及參數(shù)

本研究采用地下礦山采場(chǎng)爆破常用的二號(hào)巖石乳化炸藥，選用LS-DYNA3D內(nèi)部高能材料本構(gòu)模型MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN。表3為該炸藥的材料參數(shù)及炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)。

2.3 評(píng)價(jià)方法及結(jié)果分析

工程爆破評(píng)價(jià)方法主要分析模型實(shí)體的關(guān)鍵單元的有效應(yīng)力與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度變化方式及峰值狀態(tài)。本次試驗(yàn)研究采用對(duì)被爆實(shí)體設(shè)定2組關(guān)鍵單元，單元的位置如圖3所示，通過(guò)分析A、B、C、D在自由面及自由面與炮孔中心面上分布的關(guān)鍵單元的有效應(yīng)力峰值，得出在不同網(wǎng)格參數(shù)條件下模型受爆體爆破后的爆破效果。通過(guò)分析A1、B1、C1、D1、E1、F1在采場(chǎng)邊幫上的關(guān)鍵單元的有效應(yīng)力峰值，得出在不同網(wǎng)格參數(shù)條件下模型采場(chǎng)邊幫的破壞情況。其中巖體的單軸抗拉強(qiáng)度為5.45 MPa，在本研究中動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度取靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的3倍，即動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度為16.4 MPa。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

為具體分析巖體的爆破破碎效果，提取出A、B、C、D關(guān)鍵監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力曲線及峰值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值見(jiàn)表4。為具體分析采場(chǎng)邊幫巖體的破壞情況，提取出了前述A1、B1、C1、D1、E1、F1關(guān)鍵監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力曲線及峰值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值見(jiàn)表5。圖4、圖5分別為自由面和邊幫上典型監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)。

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由表4可知，方案一、二、三均能達(dá)到破巖應(yīng)力要求，且相較于方案一，其他方案的A、B兩點(diǎn)爆炸應(yīng)力峰值普遍大于C、D兩點(diǎn)的爆炸應(yīng)力峰值，這說(shuō)明采用梅花形炮孔布置方式時(shí)，爆破自由面可以被充分利用，更好地誘導(dǎo)爆炸能量作用于開挖區(qū)礦巖，而減少地震波危害以及超挖問(wèn)題。此外，方案一的爆炸應(yīng)力峰值太大，也易造成粉礦增多，從而降低礦石回收率。而方案四由于排間距太大，導(dǎo)致排間巖體受到的爆炸應(yīng)力峰值大幅降低，難以達(dá)到破巖要求，易產(chǎn)生大塊，應(yīng)該排除此方案。因此，在爆破破巖效果方面，方案二與方案三均能達(dá)到較好的效果。

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由表5可知，方案一會(huì)對(duì)采場(chǎng)邊幫巖體造成一定破壞，對(duì)比方案二可看出，采用梅花形布孔后，盡管兩者的孔網(wǎng)密度相同，方案二因炮孔布置方式更有利于發(fā)揮自由面的作用，因此，邊幫巖體的破壞情況有明顯改善。方案三能更好地保持邊幫的整體性。

綜合以上分析可得，建議銀山礦薄礦脈中深孔選用方案三的爆破參數(shù)（表6），在該參數(shù)條件下，模型的開挖區(qū)破巖效果及采場(chǎng)邊幫控制效果均較好。

3 工業(yè)試驗(yàn)

為使薄礦脈中深孔爆破參數(shù)更加適合銀山礦礦巖爆破，在數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行爆破漏斗試驗(yàn)。通過(guò)爆破漏斗試驗(yàn)佐證數(shù)值模擬推薦的爆破參數(shù)。

3.1 爆破破巖理論

中深孔爆破的核心在于布孔參數(shù)、裝藥參數(shù)、微差時(shí)間3個(gè)因素的選取。其中布孔參數(shù)的確定很大程度上依據(jù)巖石爆破理論進(jìn)行確定。

根據(jù)球狀藥包在巖石中破碎情況一般將破碎區(qū)分為三部分，即粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)。根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則［11-12］，粉碎區(qū)半徑rc和裂隙區(qū)半徑rt分別為

式中，?為巖石內(nèi)摩擦角，（°）；C為巖石黏聚力，MPa；rb為炮孔半徑，m；

采用耦合裝藥時(shí)沖擊壓力為

式中，ρm為巖石密度，g/m3；Cρ為縱波在巖石中的傳播速度，千枚巖一般取4.5~5.5 m/s；ρ0為炸藥密度，g/m3；D為炸藥爆速，m/s；n為爆轟產(chǎn)物與炮孔壁碰撞時(shí)反射壓力為入射壓力的倍數(shù)，n=4~20，與不耦合系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

3.2 炮孔參數(shù)

試驗(yàn)炮孔采用單孔形式布置，其孔徑為40 mm，共計(jì)7個(gè)炮孔，炮孔均布在底板較平整的地方，各相鄰炮孔間距大于3 m，具體爆破漏斗試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表7。

3.3 爆破漏斗參數(shù)測(cè)量

爆破漏斗的主要參數(shù)為平均漏斗半徑和漏斗體積，其中漏斗平均半徑以試驗(yàn)孔為中心，每間隔45°直接量取8個(gè)方向的漏斗半徑R并加權(quán)運(yùn)算，取平均值，漏斗體積采用圓錐體體積計(jì)算公式近似計(jì)算。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，各炮孔爆破后均未出現(xiàn)明顯拋擲作用，其爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

根據(jù)最小二乘法原理，利用excel軟件對(duì)上述爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行4次項(xiàng)回歸，所得的爆破漏斗體積V以及爆破漏斗半徑R與藥包埋深L之間的多項(xiàng)表達(dá)式分別為

根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得出炸藥的最佳埋深Lj=1.12 m，臨界埋深Le=1.49 m，應(yīng)變能系數(shù)E=Le/Q1=2.22，最佳埋深比△i=Lj/Le=0.751，結(jié)合式（4）、式（5），最佳漏斗半徑Rj=0.64 m，最佳漏斗體積Vj=0.13 m3，炸藥單耗g=0.785 kg/t。

根據(jù)一個(gè)深孔能裝入的藥量和一個(gè)深孔需要的裝藥量相等的原則，求得單孔裝藥量為51.9 kg，中深孔最小抵抗線W=1.51 m，排距通常等于最小抵抗線，取排距為1.5；取孔間距為1.80 m；根據(jù)裝藥系數(shù)，堵塞長(zhǎng)度為L(zhǎng)2不小于1.73 m，取堵塞長(zhǎng)度為1.80 m。后期爆破模擬和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)可參考此數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

對(duì)采礦場(chǎng)爆破過(guò)程進(jìn)行模擬，優(yōu)化采礦場(chǎng)爆破參數(shù)，得出了適合銀山礦的井下爆破參數(shù)。為使薄礦脈中深孔爆破參數(shù)更加適合銀山礦礦巖計(jì)算條件，在數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行爆破漏斗試驗(yàn)，通過(guò)爆破漏斗試驗(yàn)佐證數(shù)值模擬推薦的爆破參數(shù)，最后得到單孔裝藥量為51.9 kg，中深孔最小抵抗線為1.51 m，排距為1.5，取孔間距為1.80 m，取堵塞長(zhǎng)度為1.80 m。