鄭宗棋

摘要：針對(duì)某骨料礦山的生產(chǎn)爆破現(xiàn)狀，從巖石破碎機(jī)理和爆破工藝方面分析了粉礦產(chǎn)生的原因，并結(jié)合合理選擇炸藥、調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)、選擇合理的毫秒延期時(shí)間等優(yōu)化措施來(lái)降低粉礦率。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，使用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)和不同毫秒延期時(shí)間進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果確定最佳的裝藥結(jié)構(gòu)和最佳延期時(shí)間。結(jié)果表明，40%空氣間隔裝藥和42ms延期爆破的效果最好。

關(guān)鍵詞：爆破;粉礦率;數(shù)值模擬;參數(shù)優(yōu)化

引言

在石灰石骨料礦山，對(duì)礦石產(chǎn)品塊度有嚴(yán)格的要求，巖石破碎粉礦率高低直接影響著礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，減少粉礦率尤為重要。骨料礦山巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，爆破過(guò)程中極易產(chǎn)生粉礦，造成粉礦率過(guò)高，骨料產(chǎn)品減少，影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，優(yōu)化爆破工藝，減少粉礦率，增加資源利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，裂隙巖體爆破研究得到了迅速發(fā)展。結(jié)合著數(shù)值模擬軟件工具廣泛應(yīng)用，為當(dāng)前研究爆破作用提供了全新的研究方法。由于方法基于系統(tǒng)的守恒方程、材料本構(gòu)模型和狀態(tài)方程，可以對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬和觀察，所以分析技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[4]。LS-DYNA是一個(gè)具有完整的功能非線性、材料非線性和接觸非線性的應(yīng)用程序。其中結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)態(tài)受力分析等分析功能結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況模擬為參數(shù)優(yōu)化提供重要的指導(dǎo)。

1.礦山爆破現(xiàn)狀

某骨料礦山是生產(chǎn)石灰石骨料的露天礦山，生產(chǎn)過(guò)程中采用露天深孔爆破的方式，要想確定最佳的爆破參數(shù)，降低粉礦率，必須從該礦山現(xiàn)有的爆破情況出發(fā)，分析其產(chǎn)生粉礦的原因，調(diào)整爆破參數(shù)，來(lái)達(dá)到降低粉礦率的目的。目前生產(chǎn)爆破使用的炸藥為銨油炸藥，其中表1是骨料礦山生產(chǎn)中某臺(tái)階的爆破參數(shù)。

2.骨料礦山粉礦產(chǎn)生原因分析

2.1.地質(zhì)條件

在集礦中，初始狀態(tài)下有大量的小塊巖石。當(dāng)應(yīng)力波在巖體中傳播時(shí)，在遇到結(jié)構(gòu)面時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。由于軟弱帶或弱面的存在，破壞了巖石的連續(xù)性。當(dāng)巖石受到作用力時(shí)，巖石就開(kāi)始從最小的薄弱區(qū)域或弱的表面斷裂。在開(kāi)裂過(guò)程中，應(yīng)力在裂隙尖端集中，由于巖石的破壞是瞬時(shí)的，在脆性狀態(tài)下，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯[5]。應(yīng)力集中處的應(yīng)力強(qiáng)度大于巖石抗拉強(qiáng)度，使巖石發(fā)生粉碎，造成粉礦率增加。

軟弱帶的巖石的各種力學(xué)參數(shù)都與兩側(cè)不同，當(dāng)波傳至軟弱帶和完整巖體的交界處時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波與原始波疊加，當(dāng)其為同相位時(shí)，反射波波峰與原始波波峰疊加，使應(yīng)力波增強(qiáng)，巖石破壞更嚴(yán)重，易產(chǎn)生粉礦，造成粉礦率增加。

2.2.爆炸過(guò)程的內(nèi)部作用

當(dāng)炸藥裝在巖體的深部位置時(shí)，認(rèn)為爆破作用不能到達(dá)自由表面，在這種情況下的爆破作用稱為爆破的內(nèi)部作用。根據(jù)爆破過(guò)程中巖石的破環(huán)特征，可將受破壞的巖石劃分為三個(gè)區(qū)域：粉碎區(qū)、破裂區(qū)和振動(dòng)區(qū)[6]。

2.3.爆破過(guò)程的外部作用

根據(jù)應(yīng)力波的反射原理，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播到兩個(gè)性質(zhì)不同介質(zhì)的接觸面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，變?yōu)樾再|(zhì)和方向相反的拉伸應(yīng)力波，拉伸應(yīng)力波可產(chǎn)生以下兩種效果：

（1）自由面附近的巖石會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的落石。根據(jù)霍普金森效應(yīng)，當(dāng)反射回來(lái)的波產(chǎn)生的應(yīng)變值高于巖石所能承受的極限范圍時(shí)，可以使脆性巖石發(fā)生拉伸破壞，造成自由面附近巖石發(fā)生破損。

（2）徑向裂隙延伸。當(dāng)波產(chǎn)生的應(yīng)變峰值小于巖石的極限范圍時(shí)，雖然不會(huì)對(duì)自由面處的巖石造成損傷，但是會(huì)與巖石徑向破裂縫尾端相互疊加，使得巖石沿半徑方向的裂隙向前發(fā)育。

3.數(shù)值模擬

3.1.模型材料和參數(shù)

采用ANSYS/LA-DYNA有限元分析軟件建立三維模型進(jìn)行爆破模擬，使用的單元類型是Solid164，采用六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。數(shù)值模擬中涉及的材料參數(shù)及模型尺寸的單位均采用g-cm-us。巖石采用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE簡(jiǎn)稱JHC。該材料在模擬大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高壓力時(shí)能取得較好的效果。

堵塞材料選用 SOIL_AND_FOAM;炸藥材料選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN，完整地定義炸藥模型，還需要設(shè)置JWL狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程公式為：

空氣材料選用NULL，要完整地定義空氣材料模型，還需要設(shè)置狀態(tài)方程LINEAR_POLYNOMIAL，狀態(tài)方程公式為：

3.2.建立模型

結(jié)合礦山的爆破現(xiàn)狀，其爆破參數(shù)為：孔徑為152mm，臺(tái)階高度為12m，孔深為14m，超深為2m，孔距為6m，堵塞長(zhǎng)度為4.5m，利用ANSYS軟件建立三維模型進(jìn)行爆破模擬。

3.2.1.裝藥結(jié)構(gòu)模型

為了研究裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破產(chǎn)生的粉礦率的影響，本文模擬在炮孔中部不同空氣間隔比例爆破時(shí)對(duì)炮孔周圍巖石的破壞作用，分別建立連續(xù)裝藥、10%空氣間隔比例、20%空氣間隔比例、30%空氣間隔比例和40%空氣間隔比例5種單孔爆破模型。模型尺寸為長(zhǎng)15m、寬15m、高20m的長(zhǎng)方體，炮孔位于模型中間，炮孔直徑為152mm。為了減少單元數(shù)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，根據(jù)模型的對(duì)稱性，可只建立1/4模型，對(duì)兩個(gè)對(duì)稱面施加垂直模型的無(wú)位移約束條件，對(duì)另外兩個(gè)側(cè)面和底加施加無(wú)反射邊界條件模擬無(wú)限介質(zhì)。整個(gè)模型采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為29478，如圖1所示。

3.2.2.毫秒延期模型

為了探究?jī)蓚€(gè)炮孔毫秒延期時(shí)間對(duì)爆破產(chǎn)生的粉礦率的影響，模擬炮孔正中部40%空氣間隔裝藥條件下兩個(gè)炮孔在不同毫秒延期時(shí)間下爆破對(duì)周圍巖石的破壞作用，分別建立無(wú)延期時(shí)間、25ms延期時(shí)間、42ms延期時(shí)間和65ms延期時(shí)間4種模型。模型尺寸為長(zhǎng)12m、寬6m、高20m的長(zhǎng)方體，炮孔直徑為152mm，兩炮孔之間的距離為6米。為了減少單元數(shù)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，根據(jù)模型的對(duì)稱性，可只建立1/2模型，對(duì)對(duì)稱面施加垂直模型的無(wú)位移約束條件，對(duì)另外三個(gè)側(cè)面和底面施加無(wú)反射邊界條件模擬無(wú)限介質(zhì)。整個(gè)模型采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)98940，如圖2所示。

3.3.空氣間隔裝藥爆破巖體損傷

3.3.1.巖體損傷云圖

JHC模型可以反映巖體在壓力、塑性體應(yīng)變下?lián)p傷情況，利用該種特性，可以觀察不同空氣間隔比例下炮孔周圍巖石的損傷范圍，比較不同空氣間隔比例裝藥爆破時(shí)對(duì)炮孔周圍巖石的破壞作用。

圖3表示不同空氣間隔比例單孔爆破的巖石損傷范圍，其中紅色區(qū)域表示粉碎區(qū)。根據(jù)巖石損傷范圍云圖，連續(xù)裝藥時(shí)，炮孔周圍紅色區(qū)域較大，說(shuō)明連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)在爆破時(shí)炮孔周圍的粉碎區(qū)較大，產(chǎn)生的粉礦較多。隨著間隔比例的增加，紅色區(qū)域面積不斷減小，炮孔周圍粉碎區(qū)不斷減小，粉礦率不斷降低，減小的區(qū)域主要為炮孔空氣間隔段周圍的巖石，在裝藥段粉碎區(qū)的減小不明顯。

3.3.2.最大應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步了解不同空氣間隔比例裝藥結(jié)構(gòu)爆破時(shí)對(duì)炮孔周圍巖石的破壞作用，在炮孔周圍選擇距離炮孔50cm、100cm、150cm三個(gè)單元對(duì)比其最大有效應(yīng)力，不同空氣間隔比例在三個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大有效應(yīng)力值如下表2：

從曲線圖中可以看出在距離炮孔50cm、100cm、和150cm的位置，最大有效應(yīng)力隨空氣間隔比例的增加而降低，隨著空氣間隔比例增加，最大有效應(yīng)力的減小幅度逐漸降低，空氣間隔比例在0～10%時(shí)，最大有效應(yīng)力減小最為明顯，空氣間隔比例在30%～40%時(shí)，最大有效應(yīng)力減小幅度最小。

3.4.毫秒延期爆破最大有效應(yīng)力分析

為了研究正中部40%空氣間隔裝藥條件下毫秒延期時(shí)間對(duì)爆破時(shí)周圍巖石的破壞作用，在后段起爆的炮孔周圍選擇距離炮孔50cm的單元進(jìn)行應(yīng)力分析。分別分析不同毫秒延期時(shí)間對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化，得到如下曲線圖5。

對(duì)比四張有效應(yīng)力曲線圖，在不設(shè)置延期時(shí)間時(shí)，測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值遠(yuǎn)高于毫秒延期爆破測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值。且5個(gè)測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力最大值的平均值也高于毫秒延期爆破測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力最大值的平均值，說(shuō)明采用毫秒延期爆破時(shí)，后段起爆的炮孔周圍巖石的有效應(yīng)力明顯減小。對(duì)比25ms延期、42ms延期和65ms延期有效應(yīng)力曲線，42ms延期爆破時(shí)，測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力峰值和有效應(yīng)力最大值的平均值都比25ms延期和65ms延期時(shí)的有效應(yīng)力小，在42ms延期時(shí)，對(duì)于減少粉礦率的爆破效果最好。

4.結(jié)論

（1）結(jié)合礦山地質(zhì)條件和礦山生產(chǎn)爆破現(xiàn)狀，分析了粉礦產(chǎn)生的原因，是因?yàn)楸茣r(shí)炮孔周圍存在粉碎區(qū)。為了減小粉碎區(qū)的大小，可從選擇猛度低的炸藥、采用空氣間隔裝藥的裝藥結(jié)構(gòu)和采用毫秒延期爆破來(lái)減小粉碎區(qū)的大小。

（2）裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)于減少爆破粉礦率具有重要作用，采取正中部空氣間隔裝藥時(shí)，炮孔周圍粉碎區(qū)的大小隨空氣間隔比例逐漸減小，主要減小區(qū)域?yàn)榭諝忾g隔段。當(dāng)空氣間隔比例增大時(shí)，粉碎區(qū)減小幅度逐漸減小，在空氣間隔比例達(dá)40%，粉碎區(qū)的減小趨勢(shì)已不明顯。

（3）毫秒延期爆破對(duì)于減少爆破粉礦率也有一定影響，在采用毫秒延期爆破時(shí)，不論其延期時(shí)間長(zhǎng)短。在后段起爆炮孔周圍巖石的應(yīng)力都比同時(shí)起爆時(shí)炮孔周圍應(yīng)力顯著減小，毫秒延期爆破對(duì)于減小后段炮孔周圍粉碎區(qū)的大小有一定效果。對(duì)比25ms、42ms、和65ms延期，42ms延期時(shí)后段起爆的炮孔周圍應(yīng)力最小。

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