楊 日，邢博康，丁小華，黃月軍，聶守虎，秦 浩

（1.國能北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026015；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

如今露天開采作業(yè)中，盡管開采的設(shè)備早已更新?lián)Q代，提高了礦山開采的工作效率，但在爆破工作中，爆破的質(zhì)量卻依舊不理想，炮孔周圍過度粉碎，煤層爆破末煤率高，無法為礦山帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。對同一種煤，末煤與塊煤之間的價(jià)格有很大差距，以某礦6 200 大卡煤炭價(jià)格舉例，2022 年11 月29 日，6 200 大卡末煤價(jià)格為1 130 元/t，塊煤價(jià)格為2 040 元/t，兩者相差近1 倍。所以如何改善爆破質(zhì)量，增加塊煤率，是提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的1個(gè)方向。研究發(fā)現(xiàn)，不耦合裝藥結(jié)構(gòu)可以起到緩沖爆炸沖擊力的作用，有效降低爆轟波對炮孔及其周圍巖體的破壞[1]。

傳統(tǒng)爆破優(yōu)化研究需要前往現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，得出結(jié)論。但是現(xiàn)場操作復(fù)雜、不確定因素多、無法近距離觀察爆破過程，同時(shí)也會妨礙礦山正常作業(yè)，這些因素限制著爆破機(jī)理的深入研究。隨著科技發(fā)展，數(shù)值模擬漸漸運(yùn)用到了各項(xiàng)研究中，諸多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬對爆破問題進(jìn)行研究。丁小華等[1]分析并模擬了不耦合裝藥對預(yù)裂爆破的影響；史維生[2]探究了不耦合裝藥條件下爆破的機(jī)理；楊文敬等[3]探究不同填充物對爆破質(zhì)量的影響；崔年生[4]通過設(shè)置不同的不耦合系數(shù)，探究其對爆破質(zhì)量的影響，找出最佳的爆破參數(shù)；洪歡等[5]改變不耦合系數(shù)，探究其對巖石損傷過程的影響；YUAN 等[6]設(shè)置不同不耦合系數(shù)，探究其對低滲透砂巖爆破增強(qiáng)滲透率的影響機(jī)理；程平等[7]提出不耦合裝藥和逐孔毫秒延時(shí)起爆技術(shù)相結(jié)合，解決破碎礦體開采出現(xiàn)的問題；陳亞軍等[8]研究單側(cè)或雙側(cè)自由面不耦合分段裝藥，配合分區(qū)、分間段爆破方法，并采用非電導(dǎo)爆管引爆，解決干旱地區(qū)露天礦山大塊率高的問題。

但是，學(xué)者在不耦合裝藥的優(yōu)化研究中，只是固定炮孔直徑，改變藥包直徑，這樣同時(shí)會改變裝藥量這一因素。為此，運(yùn)用ANSYS/LS－DYNA 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，固定藥包直徑，改變炮孔直徑，深入研究不耦合系數(shù)變化對爆破質(zhì)量的影響。

1 材料模型

選擇內(nèi)蒙古錫林浩特勝利露天煤礦作為工程研究案例，模擬使用銨油炸藥進(jìn)行爆破，在LS－DYNA軟件中采用＊MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN 高能炸藥模型。

臺階采用＊MAT＿RHT 模型進(jìn)行模擬，RHT 模型共計(jì)包含34 個(gè)參數(shù)，其中部分參數(shù)可以通過試驗(yàn)和理論計(jì)算獲得，部分參數(shù)為模型給定值[10]。本次模擬采用的材料參數(shù)來自勝利露天煤礦，煤的參數(shù)密度為1 260 kg/m3，彈性模量為5.3，泊松比為0.369，抗壓強(qiáng)度為5.20 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.86 MPa。

模型的具體參數(shù)、布孔位置及裝藥結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 模型具體參數(shù)圖

2 數(shù)值模擬

2.1 爆炸應(yīng)力云圖

運(yùn)用LS－DYNA 求解器對模型進(jìn)行計(jì)算，模擬采用1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 5 種不耦合系數(shù)。各個(gè)不耦合系數(shù)模型在150 μs 時(shí)的應(yīng)力云圖如圖2。

圖2 150 μs 時(shí)各模型的受力云圖

如圖2，爆炸產(chǎn)生后，爆轟波由上下兩端產(chǎn)生，傳播至藥柱中間處，匯集后沿藥柱兩側(cè)方向傳播，藥柱周圍的應(yīng)力明顯大于兩側(cè)，并且可以明顯看出，隨著炮孔裝藥的不耦合系數(shù)的逐漸增大，炮孔周圍巖石對爆炸應(yīng)力響應(yīng)范圍[4]和強(qiáng)度均有減小的趨勢。距離炮孔較近的高應(yīng)力區(qū)變化最明顯，距離炮孔較遠(yuǎn)的低應(yīng)力區(qū)變化較微弱。即不耦合系數(shù)為1.0～1.8，不耦合系數(shù)越大，炮孔周圍煤層應(yīng)力最高處應(yīng)力越小，炮孔周圍容易產(chǎn)生末煤的分布范圍也越小。因此可以認(rèn)為，適當(dāng)?shù)卦龃蟛获詈舷禂?shù)，可以在一定程度上降低爆炸對炮孔內(nèi)壁的沖擊強(qiáng)度，減少過強(qiáng)爆炸帶來的大量末煤生成，優(yōu)化臺階爆破效果，提高爆破生產(chǎn)的塊煤率。

2.2 炮孔底部單元壓應(yīng)力

為了進(jìn)一步了解不耦合裝藥對爆破效果的影響，在各個(gè)模型的炮孔底部選取單元進(jìn)行分析。底部單元壓應(yīng)力圖如圖3，底部單元壓應(yīng)力變化圖如圖4。

圖3 底部單元壓應(yīng)力圖

圖4 底部單元壓應(yīng)力變化圖

如圖3，底部單元壓應(yīng)力在爆炸開始后快速上升至頂峰后快速下降，最后趨于平穩(wěn)。在未采用不耦合裝藥時(shí)，壓應(yīng)力最大值為52.742 15 MPa，遠(yuǎn)超其通過單軸抗壓試驗(yàn)測得的抗壓強(qiáng)度5.20 MPa，對煤造成了巨大損傷。在采用不耦合裝藥時(shí)，該單元的最大壓應(yīng)力從不耦合系數(shù)1.0 的52.742 15 MPa 降低為不耦合系數(shù)1.8 的20.272 47 MPa，降幅為61.563%，這是由于炮孔內(nèi)壁和藥柱之間存在空氣間隙，在炸藥爆炸后，爆炸產(chǎn)生的爆生氣體與間隙之中的空氣存在很大的溫差，兩者之間出現(xiàn)了熱傳遞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的能量大量損失，從而爆生氣體對孔壁的做功減小，峰值壓應(yīng)力下降。除此之外，由于空氣具有良好的壓縮性能，所以在爆炸發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的沖擊波并不是立刻作用在炮孔內(nèi)壁上，而是先壓縮間隙間的空氣，之后作用在炮孔內(nèi)壁，雖然空氣壓縮的時(shí)間很短，但是因?yàn)楸óa(chǎn)生的能量巨大，即使很短暫的時(shí)間也能導(dǎo)致結(jié)果的差異較大。由此可見，間隙內(nèi)的氣體起到了很好的緩沖作用，極大程度地降低了爆炸對煤的損傷，不讓其過度破壞，從而提高爆后的塊煤率。

如圖4，不耦合系數(shù)從1.0 增加到1.2 時(shí)，最大壓應(yīng)力減小了21.994 %；不耦合系數(shù)從1.2 增加到1.4 時(shí)，最大壓應(yīng)力減小了14.203%；不耦合系數(shù)從1.4 增加到1.6 時(shí)，最大壓應(yīng)力減小了11.311%；不耦合系數(shù)從1.6 增加到1.8 時(shí)，最大壓應(yīng)力減小了35.244 %?？梢婋S著不耦合系數(shù)的增大，最大壓應(yīng)力不斷減小，減小的速率呈現(xiàn)出先增大，后減小，再增大的趨勢。

2.3 模型損傷

在LS－Prepost 后處理軟件上，將模式調(diào)整為historyvar＃4，將可視范圍調(diào)整為0～0.1，0 代表沒有受到損傷的部分，0.1 代表受到輕微損傷的部分，變相地觀察爆破效果的區(qū)別，模型最終損傷圖如圖5。

圖5 模型最終損傷圖

在圖5（a）中爆破臺階的坡頂部分，坡面部分以及臺階的中間部分可見單元稀疏，表明在炮孔裝藥結(jié)構(gòu)為耦合裝藥的情況下，爆炸沖擊對煤層臺階產(chǎn)生了過度破壞，生成了大量的低質(zhì)量末煤。圖5（b）～圖5（e）與圖5（a）對比可以發(fā)現(xiàn)：隨著不耦合系數(shù)的逐漸增大，圖中藍(lán)色單元數(shù)量逐漸增多，在臺階坡面部分與坡頂部分，藍(lán)色單元的增加尤為明顯。而且，隨著不耦合系數(shù)的逐漸增大，臺階邊緣的煤層破碎塊度沒有過度增大。這說明，在一定的范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)脑龃蟛获詈舷禂?shù)，可以一定程度上降低爆炸對煤層的沖擊強(qiáng)度，減少過強(qiáng)爆炸帶來的大量末煤生成，優(yōu)化臺階爆破效果，提高爆破生產(chǎn)的塊煤率。

3 結(jié)語

1）從數(shù)值模擬的受力云圖可得，隨著不耦合系數(shù)的增大，爆炸應(yīng)力響應(yīng)逐漸減?。磺揖嚯x炮孔較近的高應(yīng)力區(qū)變化最明顯，距離炮孔較遠(yuǎn)的低應(yīng)力區(qū)變化較微弱；炮孔周圍煤層應(yīng)力最高處應(yīng)力越小，炮孔周圍容易產(chǎn)生末煤的過高應(yīng)力區(qū)分布范圍也越小。

2）從各不耦合系數(shù)底部單元壓應(yīng)力圖可得，在采用不耦合裝藥之后，該單元的最大壓應(yīng)力減小了61.563%，隨著不耦合系數(shù)的增大，最大壓應(yīng)力不斷減小，減小的速率呈現(xiàn)出先增大，后減小，再增大的趨勢。

3）增大不耦合系數(shù)可以改善爆破質(zhì)量，降低末煤率，增大塊煤率。