覃 凱,張鵬飛,盧二偉,李延龍,祁澤鋒
(中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司,銅帶省 基特韋 2259)
下向平行中深孔爆破是地下礦山開采中常用的破巖方法之一,已被廣泛應(yīng)用于謙比希銅礦東南礦體[1-2]。該方法類似于露天臺階爆破,在工作面底部的巖石夾制作用下,容易在臺階面上留下難以清理的巖埂根底,這會降低鏟裝運輸效率,并對后續(xù)的爆破作業(yè)造成影響。
為了提高爆破作業(yè)中底板礦巖破碎效率,常常需要增加炮孔底部炸藥量,即需要在底板位置以下鉆鑿一定深度炮孔以填裝炸藥[3-4]。通過炮孔超深段的炸藥可以提高爆炸能量對底板礦巖的破碎作用。當(dāng)炮孔超深較少時,超深段藥包長徑比較小,其爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律類似于球面波,衰減較快,破壞范圍較小,容易導(dǎo)致底部留下明顯的根底。當(dāng)炮孔超深較大時,超深段藥包長徑比較大,其爆炸應(yīng)力傳播規(guī)律類似于柱面波,衰減較慢,破壞范圍更大,當(dāng)滿足爆破設(shè)計所需的破壞范圍時即可防止根底產(chǎn)生,實現(xiàn)底板平整控制目的。因此,有必要開展謙比希銅礦下向孔爆破底板控制技術(shù)研究以優(yōu)化炮孔超深,進而確保爆破作業(yè)效率和礦山安全生產(chǎn)。
本研究采用LS-DYNA建立了不同炮孔超深下的底板控制爆破模型,通過對比分析不同模型的爆破損傷范圍及應(yīng)力峰值分布,得出最優(yōu)炮孔超深,進一步開展現(xiàn)場工程試驗驗證底板控制效果,為現(xiàn)場設(shè)計施工提出相應(yīng)的底板控制措施。
根據(jù)謙比希銅礦實際情況,在下向孔采場爆破設(shè)計中中間炮孔直徑為76 mm,采用裝藥臺車對乳化炸藥進行耦合裝藥,抵抗線長度為2 m,頂板堵塞為2 m,臺階高度為12 m。本文主要研究孔底根底問題,為降低計算成本僅建立1個中間炮孔進行研究。根據(jù)76 mm直徑炮孔的相關(guān)超深爆破設(shè)計,對0、0.6、1.2、1.8 m四種炮孔超深方案開展數(shù)值模擬。
根據(jù)上述爆破參數(shù)進行實體建模,模型方案示意圖如圖1所示。其中被爆礦體尺寸為長×高×寬(8 m×12 m×6 m),基巖尺寸為長×高×寬(8 m×6 m×10 m),在模型左側(cè)、右側(cè)、后側(cè)和基巖前側(cè)設(shè)置為無反射邊界條件,其他面為自由面,計算時長設(shè)置為6 ms,單位制采用kg-m-s。
圖1 底板控制爆破數(shù)值模型圖
RHT本構(gòu)模型已經(jīng)廣泛用于模擬混凝土、巖石、玻璃等脆性材料在爆炸沖擊荷載下的動力響應(yīng)及損傷發(fā)育等問題[5]。本文基于謙比希銅礦礦巖物理力學(xué)參數(shù),確定了相應(yīng)的RHT模型材料參數(shù),見表1。炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥材料模型,密度為1 200 kg/m3,爆速為4 000 m/s。
表1 謙比希銅礦礦巖RHT材料參數(shù)
在爆破損傷分析中,較多學(xué)者采用D≥0.2~0.7為破壞判據(jù),即損傷值大于0.2~0.7則認(rèn)為巖體完全破壞[6-7]。本文選取D=0.5作為巖體是否破壞的臨界損傷值。在不同超深的三維模型中,為更好地觀察炮孔底部巖體的損傷破壞,將破壞巖體進行了刪除,如圖2所示。
圖2 巖體損傷分析方法示意圖
此外,為了更好地觀察炮孔底部的破壞損傷,在最終時刻t=6.0 ms損傷云圖的基礎(chǔ)上,在炮孔孔底建立了剖面,以分析炮孔底部巖體的損傷分布,剖面切割示意圖如圖3所示。
圖3 炮孔底部剖面位置
在不同炮孔超深三維模型中計算得到的巖體損傷破壞情況如圖4所示??梢钥闯?,相比于上部礦巖,底部巖石由于受到夾制作用,破壞所需能量大,因而破壞范圍普遍偏小。當(dāng)炮孔超深為0 m時,只有炮孔底部的少量炸藥能量被用于破碎底部巖石,導(dǎo)致破壞范圍有限并留下根底。當(dāng)采用炮孔超深方案時,超深段炸藥可用于破碎臺階底部巖石,有利于消除根底。此外,隨著炮孔超深的增大,孔底處的巖石根底越來越小,底板越來越平整。
圖4 不同炮孔超深下巖體損傷破壞圖
為清晰觀測孔底根底情況,繪制了各方案孔底剖面破壞圖,如圖5所示。
圖5 孔底剖面巖體損傷破壞圖
對炮孔底部剖面位置的巖石損傷破壞進行測量,可以得出炮孔超深為0、0.6、1.2、1.8 m時,破壞區(qū)域的寬度分別為0.3、1.92、2.73、2.88 m。
對以上結(jié)果進行統(tǒng)計,如圖6所示。
圖6 不同炮孔超深下底板剖面巖體損傷破壞范圍寬度
可以看出,隨著炮孔超深的增加,損傷破壞范圍寬度迅速增大,且在超深達(dá)到1.2 m以后,曲線變化較為平穩(wěn)。無超深和1.2 m超深的破壞區(qū)域?qū)挾炔钪禐?.4 m左右,可以看出超深對于底板控制的重要性。在中深孔臺階爆破中,為獲得充足的破巖能力,克服底板位置爆破夾制性,提高孔底巖體損傷范圍,減少根底問題,炮孔超深應(yīng)在1.2 m以上。此外,考慮到鑿巖成本和炸藥成本問題,最優(yōu)超深為1.2 m。
為了驗證數(shù)值模型分析結(jié)果,在謙比希銅礦下向孔爆破采場開展了試驗研究。以數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場常用鑿巖參數(shù)為參考,在756-1-W6L、800-1-2L和732-1-W7L試驗采場分別采用0.8、1.2、1.6 m炮孔超深進行了對比試驗,并對爆后底板進行記錄分析,爆破參數(shù)及結(jié)果統(tǒng)計見表2。
表2 試驗采場爆破參數(shù)及試驗結(jié)果 m
不同炮孔超深底板現(xiàn)場圖如圖7所示,當(dāng)炮孔超深為0.8 m時,采場底板平整度較差,存在明顯根底且根底高度超過0.4 m;當(dāng)炮孔超深增加到1.2 m時,根底情況明顯改善,根底高度小于0.2 m且根底出現(xiàn)概率明顯降低;當(dāng)炮孔超深增加到1.6 m時,采場底部無根底出現(xiàn)。以上試驗結(jié)果與模擬結(jié)果中炮孔超深應(yīng)大于1.2 m的結(jié)論基本一致,表明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。此外,考慮到較大炮孔超深會造成鑿巖成本和炸藥成本的浪費,同時過大炮孔超深不會明顯提升底板平整度,因此應(yīng)根據(jù)工程實際中底板控制效果選取合適的炮孔超深。
圖7 不同炮孔超深底板現(xiàn)場圖
基于現(xiàn)場多次試驗,提出了底板控制措施:
1.炮孔超深應(yīng)到達(dá)1.2 m以上能有效控制地板平整性,需要注意的是為了避免存放時間較長的采場中鑿巖巖粉沉淀變干導(dǎo)致超深不足的問題,還需要適當(dāng)增加0.5~1 m的超深。
2.對于采取不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的邊幫炮孔,其底部應(yīng)留有3 m高度采用徑向耦合裝藥以防止炸藥能量不足導(dǎo)致的邊幫根底問題。
3.在爆破作業(yè)前需提前清理臨空面底部殘余爆堆及殘余根底,以減弱底板附近礦巖爆破夾制性。
本文以底板控制爆破為研究對象,采用ANSYS/LS-DYNA進行了不同炮孔超深下底板巖石破碎效果和根底情況的數(shù)值模擬,并在現(xiàn)場開展底板控制爆破試驗,得到以下結(jié)論:
1.參考巖體損傷破壞數(shù)值模擬結(jié)果可知,隨著炮孔超深增大,底板附近巖體破碎效果越好,根底留存越少,且當(dāng)炮孔超深超過1.2 m后,底板附近破巖效果趨于穩(wěn)定。
2.現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,當(dāng)炮孔超深大于1.2 m時,根底高度普遍小于0.2 m且出現(xiàn)概率明顯降低,因此炮孔超深應(yīng)到達(dá)1.2 m以上從而有效控制地板平整性。