丁家鐸，陳思源，龍躍，林之岳

(江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 德興市 334201)

0 引言

切割天井是礦塊采準(zhǔn)切割的關(guān)鍵工程，也是采準(zhǔn)切割工程中的難點(diǎn)[1-3]。銀山礦業(yè)一直采用傳統(tǒng)的普通上掘法掘進(jìn)天井，由于淺孔掘進(jìn)效率低，同時(shí)施工過程中鑿巖人員直接暴露在作業(yè)面下，存在作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、粉塵濃度高、作業(yè)環(huán)境差、材料消耗大、安全性差等缺點(diǎn)。在銀山礦業(yè)井下產(chǎn)能增大的需求背景下，傳統(tǒng)的淺孔掘進(jìn)天井方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求，亟需一種新的天井掘進(jìn)方式解決切割天井的施工瓶頸。

目前，爆破一次成井技術(shù)在越來越多的礦山得到了廣泛應(yīng)用[4-6]，爆破一次成井技術(shù)按照爆破工藝可以歸納的平行空孔掏槽法[7]、平行空孔分段掏槽法[8]以及球形藥包倒置漏斗法[9]，其中掏槽法可操作性強(qiáng)，適用于中短型切割天井的爆破施工成井，同時(shí)采用掏槽法一次爆破成井的方式施工切割天井，具有安全性高、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率以及保證生產(chǎn)質(zhì)量等優(yōu)勢。

為了探索出適用于銀山礦業(yè)的中深孔一次成井工藝，基于平行空孔掏槽法設(shè)計(jì)了2種一次成井的掏槽孔布置方案，采用LS-DYNA軟件[10-11]開展掏槽布孔方式的數(shù)值分析，優(yōu)選出一次成井的掏槽布孔方案，并在銀山礦業(yè)-288 m中段開展中深孔一次成井工業(yè)試驗(yàn)。

1 工程概況

銀山礦業(yè)一直采用傳統(tǒng)的人工掘進(jìn)方式，采用YT-28手持鉆機(jī)鉆鑿淺孔掘進(jìn)天井，其鑿巖效率與一次爆破成井的效率對比見表1，其中一次爆破成井效率參考其他礦山經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。由表1可以看出，一次爆破成井的臺班效率約是傳統(tǒng)人工掘進(jìn)方式的 6～7倍，且一次爆破成井具有安全系數(shù)高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢，采用一次爆破成井技術(shù)可大幅度提高銀山礦業(yè)的生產(chǎn)效率。

表1 不同掘進(jìn)天井方式對比

2 一次成井掏槽爆破數(shù)值分析

2.1 一次成井掏槽爆破方案設(shè)計(jì)

為了更好地保障一次成井施工中的掏槽爆破效果，采用LS-DYNA軟件開展掏槽布孔方式的數(shù)值分析與對比。掏槽爆破過程中孔口及孔底部分均有上下自由面，而炮孔中部的爆破條件最差，其僅可以利用旁邊空孔的補(bǔ)償空間及自由面，因此炮孔中間部分能否形成較大空腔至關(guān)重要，這直接決定了掏槽爆破效果是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為此，綜合考慮理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)際工況，基于平行空孔掏槽法設(shè)計(jì)了2種掏槽布孔方案（見圖1），相對于方案二，方案一在空孔周圍多設(shè)計(jì)了 4個(gè)輔助炮孔，2種方案的炮孔直徑均為76 mm，空孔直徑均為 127 mm。

圖1 掏槽孔布置方案

2.2 數(shù)值分析模型構(gòu)建

為了加快計(jì)算速度，提高模擬準(zhǔn)確性，此次模型采用準(zhǔn)二維方式對炮孔中間部分進(jìn)行建模，所構(gòu)建的方案一與方案二模型及邊界處理情況如圖2所示。在數(shù)值分析中以內(nèi)圈孔為先爆孔，后一段位炮孔延遲1 ms后起爆（掏槽炮孔爆破1 ms內(nèi)爆生裂紋已基本發(fā)育完成），2個(gè)模型的尺寸均設(shè)置x方向長度為10.0 m，y方向長度為10.0 m，z方向?yàn)閱卧穸龋?.02 m），由于外部設(shè)置了無反射邊界條件，等效于模擬無限大礦巖邊界，計(jì)算時(shí)間為5 ms，整個(gè)模擬過程中采用的單位制為kg-m-s。

圖2 數(shù)值模型

2.3 數(shù)值分析材料賦值

數(shù)值分析中巖體采用塑性動(dòng)力學(xué)模型 MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該模型是各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，與應(yīng)變率相關(guān)，非常適用于爆炸分析中的巖石材料[12]，其計(jì)算原理參考式（1），根據(jù)礦山先前所進(jìn)行的巖石力學(xué)試驗(yàn)，選取巖石的材料參數(shù)見表2。

表2 巖體模型材料參數(shù)

式中，σy為屈服強(qiáng)度；σ0為初始屈服強(qiáng)度；EP為塑性硬化模量；εPeff為有效塑性應(yīng)變；參數(shù)C、P是與巖石應(yīng)變率相關(guān)的參數(shù)；β=1表示巖體服從各項(xiàng)同性硬化的特征。

炸藥材料選用LS-DYNA3D內(nèi)部高能材料本構(gòu)模型 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，該本構(gòu)模型主要輸入的參數(shù)包括炸藥的材料參數(shù)及炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)[13]，JWL狀態(tài)方程原理參考式（2），炸藥材料常用的二號巖石乳化炸藥，見表3。

表3 二號巖石乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

式中，p為爆轟產(chǎn)生的壓力；V是相對體積；A、B、R1、R2、ω均為JWL狀態(tài)方程的參數(shù)。

對于存在自由面的爆破，巖石的破壞方式有壓縮破壞及拉伸破壞，但以拉伸破壞為主，而且，爆破后形成的均勻塊度主要是由拉伸破壞形成的[14-15]。所以本模擬還添加了材料失效的模型，通過定義關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION來定義礦體受到拉伸應(yīng)力的失效條件，通過此關(guān)鍵字可以近似模擬掏槽過程礦體的破壞、空腔的形成過程以及裂隙的形成過程。此外，巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度一般為靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的3倍，即取礦巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度為16.4 MPa。

2.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析與對比

2.4.1 方案一數(shù)值分析

為便于觀察掏槽爆破過程中巖體的應(yīng)力破巖過程，選取 0.1 ms、0.12 ms、0.22 ms、0.4 ms、1.0 ms、1.06 ms、1.4 ms、2.4 ms、3.4 ms、4.4 ms 10個(gè)時(shí)刻的掏槽區(qū)域附近爆炸應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 方案一掏槽爆破過程應(yīng)力云圖

通過圖3可以看出，在t=0.1 ms時(shí)刻，中心炮孔先起爆，在極高的爆炸應(yīng)力波荷載和爆生氣體的綜合作用下造成炮孔周圍巖體的壓剪破壞，形成了壓碎區(qū)；t=0.12 ms時(shí)刻，爆炸應(yīng)力波到達(dá)空孔附近，并在空孔附近形成反射拉伸應(yīng)力波，造成空孔孔壁破壞，進(jìn)而與中心槽區(qū)貫通；t=0.22 ms時(shí)刻，爆炸應(yīng)力波已傳播至第2圈的輔助孔，隨著應(yīng)力波向外傳遞以及爆生氣體的擴(kuò)腔作用，中心槽腔的直徑已擴(kuò)至 0.6 m，且在槽腔外圍初步形成了徑向裂紋；t=0.4 ms時(shí)刻，中心單個(gè)炮孔的爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了直徑為0.8 m左右的槽腔；t=1.0 ms時(shí)刻，第 2圈的 2個(gè)輔助孔開始起爆；t=1.06 ms時(shí)刻，2個(gè)輔助孔爆破形成的爆腔與中心主爆腔開始貫通；t=1.4 ms時(shí)刻，2個(gè)輔助孔爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了1.8 m×0.8 m左右的槽腔；t=2.4 ms時(shí)刻，另外2個(gè)輔助孔爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了 1.4 m×1.4 m 左右的槽腔；t=3.4 ms時(shí)刻，4個(gè)周邊孔爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了 1.5 m×1.5 m左右的槽腔；t=4.4 ms時(shí)刻，另外4個(gè)周邊孔爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了2.0 m×2.0 m左右的槽腔。

2.4.2 方案二數(shù)值分析

選取方案二在 0.1 ms、0.12 ms、0.22 ms、0.4 ms、1.0 ms、1.1 ms、1.4 ms、2.4 ms 8 個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的槽區(qū)附近爆炸應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 方案二掏槽爆破過程應(yīng)力云圖

通過圖4可以看出，在t=0.1 ms時(shí)刻，中心炮孔先起爆，在極高的爆炸應(yīng)力波荷載和爆生氣體的綜合作用下造成炮孔周圍巖體的壓剪破壞，形成了壓碎區(qū)；t=0.12 ms時(shí)刻，爆炸應(yīng)力波到達(dá)空孔附近，并在空孔附近形成反射拉伸應(yīng)力波，造成空孔孔壁破壞，進(jìn)而與中心槽區(qū)貫通；t=0.22 ms時(shí)刻，爆炸應(yīng)力波已傳播至第2圈的輔助孔，隨著應(yīng)力波向外傳遞以及爆生氣體的擴(kuò)腔作用，中心槽腔的直徑已擴(kuò)至 0.6 m，且在槽腔外圍初步形成了徑向裂紋；t=0.4 ms時(shí)刻，中心單個(gè)炮孔的爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了直徑為0.8 m左右的槽腔；t=1.0 ms時(shí)刻，第2圈的4個(gè)周邊孔開始起爆；t=1.1 ms時(shí)刻，4個(gè)輔助孔爆破形成的爆腔與中心主爆腔開始貫通；t=1.4 ms時(shí)刻，2個(gè)輔助孔爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了 1.7 m×1.7 m 左右的槽腔；t=2.4 ms時(shí)刻，另外4個(gè)周邊孔爆破擴(kuò)腔過程基本完成，形成了2.1 m×2.1 m左右的槽腔。

2.4.3 方案對比

從上述應(yīng)力云圖中可以看出，采用方案一時(shí)，雖然掏槽爆破效果可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但由于輔助孔布置較多，在周邊孔起爆時(shí)槽腔已擴(kuò)至 1.5 m×1.5 m，這極易導(dǎo)致周邊孔爆破能量的浪費(fèi)，也造成了鑿巖量的浪費(fèi)，因此方案一還需進(jìn)行炮孔布置參數(shù)優(yōu)化才能更大程度地利用鑿巖、炸藥等資源；采用方案二時(shí)，掏槽爆破效果可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且所有炮孔的能量均能夠?qū)崿F(xiàn)充分利用，相比方案一，方案二的炮孔布置方式與參數(shù)更為合理，更能充分發(fā)揮每個(gè)掏槽炮孔的作用。

對 2種方案的爆破擴(kuò)腔體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析，如圖5所示。2個(gè)方案在0～1 ms期間的破巖體積是最小的，該階段主要是為了與空孔貫通，起到開腔作用；在1～4 ms期間，方案一的破巖體積明顯較小，說明炮孔布置參數(shù)過小，造成爆炸能量過多地浪費(fèi)，而在方案二中，8個(gè)周邊孔起爆階段均能保證具有較大的破巖體積，說明該方案的爆炸能量能夠充分用于掏槽破巖，對爆炸能量具有較高的利用率。綜上所述，方案二的掏槽方式能量利用率更高、鑿巖量更少。

圖5 擴(kuò)腔體積時(shí)程曲線

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場施工

根據(jù)數(shù)值分析所確定的掏槽孔布置方案，選擇銀山礦業(yè)-288 m中段二分層 6-4采場作為試驗(yàn)區(qū)域，開展中深孔一次成井現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)。

（1）穿孔作業(yè)。采用Simba 1254中深孔鑿巖臺車進(jìn)行穿孔作業(yè)，考慮到臺車穿孔存在一定的偏斜率，為保證穿孔質(zhì)量，在單個(gè)穿孔鉆鑿?fù)戤吅?，需逐一檢查其偏斜率。最終實(shí)際的貫通孔位與設(shè)計(jì)孔位對比如圖6所示，除了實(shí)測的空孔K4、炮孔8以及炮孔 9與設(shè)計(jì)孔位偏移，其余成孔質(zhì)量較為理想。

圖6 孔位對比

（2）裝藥作業(yè)。確定好鉆孔孔深與斜率后，采用自上而下裝藥方式進(jìn)行裝藥，一是為了極大地減少勞動(dòng)強(qiáng)度，二是可以更好地控制裝藥深度。為提高試驗(yàn)成功率，試驗(yàn)方案采用分段掏槽法，第 1段爆破5.5 m，第2段爆破5 m，均采用從上往下裝藥方式，每次裝藥前將提前準(zhǔn)備好的水泥塞用鋼絲吊到距離下部孔口0.2～0.3 m處，到達(dá)位置后用截好的廢棄管縫錨桿橫放在上部孔口固定，再使用適量石砂進(jìn)行填塞（約1.5 m），即可順利裝藥。達(dá)到裝藥深度后再采用石砂填塞 2～2.5 m（第 1次裝藥），以防止對下一次爆破造成影響。

3.2 試驗(yàn)效果

試驗(yàn)完成后，第1段爆破形成進(jìn)尺6 m、斷面2.88 m2的切割井，切割井上部形成一個(gè)爆堆，爆堆中部分廢渣進(jìn)入中深孔內(nèi)，造成3個(gè)周邊眼未貫通；第2段爆破進(jìn)尺4.5 m，最終形成深10.5 m、斷面2.88 m2的切割井，從最后的爆破效果來看，本次試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了2種中深孔一次成井的掏槽方案，并采用LS-DYNA非線性動(dòng)力分析軟件對2種不同掏槽方案進(jìn)行數(shù)值分析，對比優(yōu)選出方案二能更好地利用爆炸能量，提高鑿巖效率。

（2）基于數(shù)值分析優(yōu)選出的掏槽方案，選取銀山礦業(yè)-288 m中段二分層6-4采場開展現(xiàn)場中深孔一次成井工業(yè)試驗(yàn)，盡管部分裝藥孔被堵塞，但天井貫通效果較為理想。

（3）由于本次現(xiàn)場試驗(yàn)采用分段掏槽法，在后續(xù)試驗(yàn)中將嘗試一次爆破方式進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化孔口參數(shù)，為一次成井技術(shù)在銀山礦的實(shí)踐應(yīng)用提供技術(shù)支撐。