王遠(yuǎn)來，史秀志，王發(fā)民，邱賢陽(yáng)

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

地下礦山開采在巷道掘進(jìn)和采場(chǎng)回采過程中都需要進(jìn)行掏槽爆破，并根據(jù)不同的要求選擇不同的掏槽布孔方式。直眼掏槽因其眾多優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用到礦山實(shí)際生產(chǎn)中［1－6］。

目前，凡口鉛鋅礦的主要采礦方法為盤區(qū)機(jī)械化水平分層充填法，該法存在采場(chǎng)鉆孔數(shù)量多、雷管炸藥消耗高等缺點(diǎn)，不利于礦山安全高效開采。因此，優(yōu)化上向水平充填法回采爆破參數(shù)對(duì)礦山很有必要，而其關(guān)鍵點(diǎn)就在于優(yōu)化拉槽的掏槽形式和爆破參數(shù)。本文采用常用的九孔掏槽進(jìn)行采場(chǎng)拉槽爆破，首先根據(jù)理論計(jì)算，確定孔徑、裝藥孔與空孔距離等參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出最優(yōu)的孔徑及孔間距，最終在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。

1 掏槽爆破參數(shù)

1.1 孔 徑

參考采用上向水平分層充填采礦法的礦山經(jīng)驗(yàn)，采用直眼掏槽時(shí)，孔徑一般為0.051～0.076 m，目前凡口鉛鋅礦的孔徑為0.051 m。經(jīng)驗(yàn)表明，在掏槽區(qū)尺寸及布孔方式確定的情況下，孔徑越大，首響掏槽孔爆破破巖范圍越大，爆破形成的裂隙區(qū)越大，掏槽效果越好，但隨著孔徑增加，鑿巖速率會(huì)下降［7］。研究表明，在掏槽區(qū)尺寸固定的情況下，炮孔數(shù)量不會(huì)隨著孔徑增加而顯著減少，因此需合理選擇孔徑，以達(dá)到最優(yōu)的掏槽爆破效果。

1.2 裝藥孔與空孔間距

在拉槽爆破中，拉槽區(qū)裝藥孔與空孔間距主要受補(bǔ)償空間［8］、爆炸應(yīng)力波的有效破巖范圍［9］及炮孔偏斜率這3個(gè)因素影響，相應(yīng)的理論計(jì)算公式如下：

基于補(bǔ)償空間理論的計(jì)算公式：

式中L1為基于補(bǔ)償空間理論計(jì)算的空孔與裝藥孔距離，m；d為裝藥孔直徑，m；D為空孔直徑，m；K為巖石碎脹系數(shù)，取K＝1.3（拉槽區(qū)巖石較為破碎，在此取較小值）。

基于爆炸應(yīng)力波的有效破巖范圍理論計(jì)算公式：

式中L2為基于爆炸應(yīng)力波有效破碎范圍理論計(jì)算的空孔與裝藥孔距離，m。

基于炮孔偏斜率的計(jì)算公式：

式中L3為基于炮孔偏斜率計(jì)算的空孔與裝藥孔距離，m；H為炮眼深度，m；μ為炮孔偏斜系數(shù)，多取值0.5；η為炮孔偏斜率，取1%。

將本文所選的孔徑（空孔直徑與裝藥孔徑相同，孔深取6 m）分別代入式（1）～（3），求得孔間距L1、L2、L3的基本取值范圍如表1所示。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值，3種孔徑的拉槽區(qū)孔間距分別取0.30 m、0.30 m和0.35 m。

表1 3種孔徑槽孔與空孔間距計(jì)算結(jié)果及取值

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及材料參數(shù)

ANSYS／LS-DYNA顯示動(dòng)力分析程序被廣泛應(yīng)用于高速碰撞、爆炸、金屬加工等非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力沖擊問題的分析。該程序共提供了Lagrange、Euler及ALE三種算法［10］。該模型的巖體材料使用Lagrange算法，炸藥材料使用ALE算法，巖體失效判據(jù)采用Von Mises屈服準(zhǔn)則［11］。

2.1.1 礦體參數(shù)

礦體選用塑性動(dòng)力學(xué)材料模型（?MAT-PLASTIC-KINEMATIC），其參數(shù)如表2所示。

表2 礦體塑性動(dòng)力學(xué)模型材料參數(shù)

2.1.2 炸藥本構(gòu)模型及其參數(shù)

炸藥選用LS-DYNA內(nèi)部高能炸藥材料模型（?MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN），其材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示。

表3 2＃巖石乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

有研究表明［12］，炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波作用時(shí)間約為幾十微秒，爆生氣體作用時(shí)間約為幾毫秒。因此本文的數(shù)值模擬計(jì)算總時(shí)間取6 ms，求解過程中每隔60μs輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果。

2.1.3 模型建立

鑒于計(jì)算機(jī)求解速度，建立準(zhǔn)二維實(shí)體模型，即模型厚度取一個(gè)網(wǎng)格單元尺寸單位。圖1為簡(jiǎn)化模型示意圖。模型共建立5個(gè)孔徑相同的炮孔，其中中心孔為裝藥孔，其余4個(gè)孔為空孔。炸藥在裝藥孔的幾何中心瞬時(shí)起爆。模型在x方向長(zhǎng)1.5 m、y方向長(zhǎng)1.5 m，z方向長(zhǎng)0.001 m。模型中的單元均采用Solid164。模型的4個(gè)邊界均設(shè)置無反射邊界。炮孔孔徑尺寸分別為0.046 m、0.051 m、0.058 m、0.064 m、0.076 m和0.089 m，裝藥孔與空孔的間距分別為0.25 m、0.30 m、0.35 m和0.40 m。

圖1 空孔爆破效應(yīng)模擬模型及炮孔附近網(wǎng)格劃分

2.2 孔徑模擬過程及結(jié)果分析

為增加鑿巖效率，減少更換鑿巖設(shè)備工序，裝藥孔和空孔的孔徑保持一致；孔間距均為0.30 m。根據(jù)礦山經(jīng)驗(yàn)，建立6種孔徑模擬方案如表4所示。

表4 孔徑模擬方案參數(shù)

圖2為不同方案爆破時(shí)，應(yīng)力波到達(dá)空孔后的第4個(gè)計(jì)算時(shí)步時(shí)的有效應(yīng)力分布狀態(tài)。由圖2可看出，當(dāng)炸藥起爆后，應(yīng)力波均呈圓形向外傳播，且應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)應(yīng)力波傳至空孔時(shí)，在其孔壁發(fā)生反射，形成拉伸波，且與后續(xù)傳來的應(yīng)力波發(fā)生疊加作用，在裝藥孔與空孔之間形成高應(yīng)力貫通區(qū)，應(yīng)力值明顯高于其他區(qū)域，說明空孔具有很強(qiáng)的應(yīng)力集中作用，且對(duì)應(yīng)力波具有一定的導(dǎo)向作用。對(duì)比各方案可看出，隨著空孔孔徑增大，空孔附近產(chǎn)生的應(yīng)力疊加區(qū)域越大，并且與爆破中心區(qū)域的貫通效應(yīng)越顯著，說明在掏槽爆破時(shí)，空孔孔徑越大，越有利于巖石破碎，掏槽效果越好。

圖2 不同空孔直徑爆破模擬應(yīng)力分布狀態(tài)

取裝藥孔與右側(cè)空孔中心連線上最靠近空孔的單元為監(jiān)測(cè)單元，得出的不同孔徑下監(jiān)測(cè)單元的有效應(yīng)力曲線如圖3所示。由圖3可看出，當(dāng)孔間距不變時(shí)，隨著空孔孔徑增大，應(yīng)力疊加區(qū)域監(jiān)測(cè)單元的有效應(yīng)力峰值逐漸增大，應(yīng)力波動(dòng)幅度也越大，較大的波動(dòng)有利于促進(jìn)裂隙發(fā)育和應(yīng)力波反射拉伸破巖。

圖3 應(yīng)力迭加區(qū)域監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力曲線

不同孔徑爆破模擬監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力峰值見表5。由表5可知，隨著空孔孔徑增大，監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力峰值也增大，說明空孔孔徑越大，產(chǎn)生的應(yīng)力波迭加作用越強(qiáng)，越有利于拉槽爆破，實(shí)際生產(chǎn)中在保證生產(chǎn)效率的情況下應(yīng)盡量選擇較大直徑的空孔。

表5 不同孔徑爆破模擬監(jiān)測(cè)單元有效應(yīng)力峰值

2.3 孔間距模擬結(jié)構(gòu)及分析

根據(jù)理論計(jì)算的取值范圍，保持裝藥孔與空孔孔徑一致，將孔徑與孔間距進(jìn)行組合，模擬方案如表6所示。

表6 孔間距模擬方案參數(shù)

選擇孔徑0.051 m的3個(gè)方案為代表進(jìn)行詳細(xì)介紹，各方案在裝藥孔與空孔應(yīng)力貫通狀態(tài)的有效應(yīng)力分布及裝藥孔至空孔中心線上所有單元應(yīng)力峰值的變化曲線分別見圖4和圖5。單元從裝藥孔孔壁處開始選取，至空孔孔壁處。

從圖4可以看出，當(dāng)孔徑0.051 m、孔距0.25 m時(shí)，裝藥孔與空孔之間形成很大的高應(yīng)力貫通區(qū)，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。隨著孔間距增大，高應(yīng)力貫通區(qū)越來越不連續(xù)，連通區(qū)應(yīng)力越來越?。豢拙?.35 m時(shí)，裝藥孔與空孔之間貫通區(qū)開始形成部分低應(yīng)力區(qū)，空孔附近的應(yīng)力集中作用減弱，不利于巖石破碎成較小的塊度，已無法形成較好的爆破效果；因此孔徑0.051 m時(shí)，孔間距不宜超過0.30 m。

圖4 不同孔間距時(shí)裝藥孔與空孔間應(yīng)力貫通區(qū)分布

由圖5可以看出，單元離裝藥孔越遠(yuǎn)，其應(yīng)力峰值越小。在相同孔徑下，隨著孔間距增大，有效應(yīng)力峰值整體均呈下降趨勢(shì)，且在靠近裝藥孔的位置，應(yīng)力值降低較快，靠近空孔時(shí)應(yīng)力降低較慢，說明炸藥爆炸的爆轟波在很近的范圍內(nèi)就衰減為了壓縮波。

圖5 不同孔間距炮孔連線上單元應(yīng)力峰值變化

其他各方案模擬過程與上述方案一致，其有效應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值變化趨勢(shì)相似，在此不再贅述。

綜上，孔徑0.051 m和0.058 m時(shí)，孔間距均取0.30 m為宜；孔徑0.064 m時(shí)，孔間距取0.35 m為宜。

3 工程應(yīng)用

選擇凡口鉛鋅礦Sh-550mN8＃N、Sh-500mN11＃和Sh-550mN1＃N共3個(gè)試驗(yàn)采場(chǎng)，爆破范圍僅為槽區(qū)中心孔及其外圍的三圈炮孔，均采用九孔直眼掏槽，孔深均為6 m。表7為各采場(chǎng)孔網(wǎng)參數(shù)。

表7 3種孔徑臺(tái)車鉆孔參數(shù)

各試驗(yàn)采場(chǎng)爆破后礦堆現(xiàn)場(chǎng)可以看出炮效均基本滿足預(yù)期，大塊率低，均可滿足出礦要求。各采場(chǎng)塊度尺寸累積分布曲線見圖6。

圖6 各采場(chǎng)塊度尺寸累積分布曲線

從圖6可以看出，Sh-500mN11＃采場(chǎng)的礦石塊度均在19 cm以內(nèi)，且主要分布在5～10 cm范圍內(nèi)，整體塊度較粉；Sh-550mN8＃N和Sh-550mN1＃N采場(chǎng)塊度累積分布曲線較相似，礦石塊度均在30 cm以內(nèi)，且主要分布在10～25 cm范圍內(nèi)，塊度分布較合理。

3種孔徑臺(tái)車鉆孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表8。從表8可以看出，在相同孔深條件下，孔徑越大，單孔平均耗時(shí)越長(zhǎng)，每班平均進(jìn)尺越小，且相差較大，可見孔徑增大對(duì)每班鉆孔進(jìn)尺的影響較大。而在采場(chǎng)大小一定的情況下，增加孔徑并不能顯著減少孔數(shù)。綜上，基于爆破塊度和鉆孔效率，炮孔直徑取0.051 m為宜。

表8 3種孔徑臺(tái)車鉆孔參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

1）基于礦山現(xiàn)有鑿巖設(shè)備，根據(jù)理論分析計(jì)算，確定了裝藥孔和空孔的孔徑及二者之間間距的取值范圍。

2）通過各方案數(shù)值模擬的應(yīng)力分布狀態(tài)以及選取的監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力值情況得出，空孔具有應(yīng)力集中作用，孔距不變時(shí)，空孔直徑越大，空孔附近的應(yīng)力集中作用越強(qiáng)，爆破效果越好；模擬確定了炮孔直徑0.051 m和0.058 m時(shí)孔間距均取0.30 m，炮孔直徑0.064 m時(shí)孔間距取0.35 m。

3）將模擬得出的爆破參數(shù)運(yùn)用到試驗(yàn)采場(chǎng)生產(chǎn)中，分別對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)的爆破效果進(jìn)行查看及評(píng)估后，確定各方案均能達(dá)到預(yù)期爆破效果，綜合爆破后礦石塊度及生產(chǎn)組織鑿巖效率，炮孔直徑0.051 m時(shí)塊度合理且鑿巖速率較快，因此直眼掏槽的爆破參數(shù)最終確定為孔徑0.051 m、裝藥孔與空孔間距0.30 m。