劉淑鵬，李祥龍，簡(jiǎn)錫明，郭曉強(qiáng)，唐紹輝，李文東

（1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.內(nèi)蒙古金陶股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024300；3.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200）

0 引言

在井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中，光面爆破是井巷掘進(jìn)常用的方法之一，相對(duì)于普通鉆爆法，井下巷道掘進(jìn)法打孔數(shù)量多，施工時(shí)間長(zhǎng)，但可以使爆破后巷道成型規(guī)整，降低對(duì)圍巖的損傷，所以選取合理的爆破參數(shù)可以降低掘進(jìn)成本和巷道維護(hù)成本。顧義磊等[1]提出以超欠挖量（50～100 mm）、炮痕率（>50%）及圍巖損傷程度作為隧道光面爆破質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)；王東旺等[2]運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 對(duì)隧道掘進(jìn)爆破中炮孔間距進(jìn)行模擬優(yōu)化；陳必港等[3]利用模擬的方法分析了不同位置空氣間隔對(duì)巖石振動(dòng)及應(yīng)力峰值的影響；關(guān)振長(zhǎng)等[4]利用模擬的方法驗(yàn)證了應(yīng)力峰值隨距離的增大逐漸衰減，空氣間隔部分有利于應(yīng)力波的傳播；耿立才等[5]認(rèn)為合適的光面爆破參數(shù)，可以有效控制超欠挖現(xiàn)象，提高施工效率，降低了初期支護(hù)成本；王振浩[6]認(rèn)為合理的光面爆破參數(shù)可以有效降低單耗，提高炮孔利用率，提高周邊孔的孔痕率；劉俊軒等[7]采用全斷面光面爆破技術(shù)，提高了巷道的掘進(jìn)速度和成巷質(zhì)量；劉國(guó)強(qiáng)等[8]通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)一步降低了單耗，有效控制了光面爆破的超欠挖現(xiàn)象；馬元磊等[9]在巖石破碎、整體性較差的巖石中采用光面爆破技術(shù)有效維護(hù)了圍巖的穩(wěn)定性，有效解決了斷層冒頂問(wèn)題；宗琦等[10]從理論上提出了軸向不耦合系數(shù)的一種計(jì)算方法，并在實(shí)踐中得到了應(yīng)用；閆國(guó)斌等[11]運(yùn)用模擬軟件比較了水與空氣間隔的應(yīng)力及位移的變化為光面爆破參數(shù)計(jì)算提供了理論依據(jù)。以上研究通過(guò)模擬和理論計(jì)算得出光面爆破的參數(shù)優(yōu)化至關(guān)重要，可以有效維護(hù)圍巖穩(wěn)定，提高成型效果。同時(shí)，對(duì)空氣間隔的分析研究得出空氣間隔裝藥可以有效降低爆轟波和爆生氣體的壓力，減少對(duì)孔壁巖石的沖擊壓縮破壞，延長(zhǎng)爆生氣體準(zhǔn)靜壓力作用時(shí)間，提高巖石光面爆破成縫的質(zhì)量。運(yùn)用LS-DYNA顯性有限元分析在不同空氣間隔長(zhǎng)度、不同孔間距、不同光爆層厚度的情況下巖石損傷的規(guī)律，并根據(jù)模擬計(jì)算對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)，可以為類(lèi)似爆破設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 光面爆破參數(shù)計(jì)算

光面爆破的影響因素主要有不耦合系數(shù)、光面孔孔間距、光爆層厚度、線(xiàn)裝藥密度，其中光爆孔孔間距、光爆層厚度與線(xiàn)裝藥密度對(duì)光面爆破效果影響最大，根據(jù)光爆經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算[4,12]。

1）周邊孔孔距計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：a為周邊孔孔距；d為炮孔直徑，取值50 mm。

2）光面爆破層厚度W。光面爆破層厚度一般取值大于或等于光面爆破層炮孔孔間距，見(jiàn)式（2）。

式中，W為光面爆破層厚度。

3）線(xiàn)裝藥密度。線(xiàn)裝藥密度是指單位長(zhǎng)度炮孔中的裝藥量，在保證炮孔連心線(xiàn)破裂的情況下盡量減少裝藥量。此礦山采用1#巖石乳化炸藥，炸藥直徑為3.2 cm，不耦合系數(shù)為1.56。因此，炮孔孔內(nèi)裝藥間隔距離會(huì)對(duì)孔內(nèi)裝藥量產(chǎn)生影響。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme

1.2 光面爆破數(shù)值模擬建立

研究建模采用cm-g-μs 單位制，使用solid-164 實(shí)體單元，采用巖石與炸藥、空氣接觸的流固耦合算法，尺寸360 cm×180 cm×120 cm，炮孔直徑5 cm，藥卷直徑3.2 cm，長(zhǎng)度35 cm，巖石部分共計(jì)650 000 個(gè)單元。模型前側(cè)為自由面，左右兩側(cè)和后側(cè)自由面采用無(wú)反射邊界，表明左右兩側(cè)和后側(cè)為無(wú)限介質(zhì)，不會(huì)發(fā)生應(yīng)力波反射。為觀(guān)測(cè)爆破后巖石向自由面方向（Y+方向）損傷變化，設(shè)置上下兩面相對(duì)于Z方向固定。模擬選用炸藥*MAT_HIGH_EXPLOSION_BURN，狀態(tài)方程使用關(guān)鍵字段*EOS_JWL 進(jìn)行定義，炸藥參數(shù)見(jiàn)表2，巖石參數(shù)選用RHT 巖石材料模型的參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Diagram of model grid partition

表2 炸藥參數(shù)Table 2 Explosives parameters

表3 RHT 巖石材料模型參數(shù)Table 3 Parameters of RHT model for rock material

2 模擬結(jié)果

2.1 巖石的損傷

模擬過(guò)程中通常用損傷值D（0

2.2 損傷演化過(guò)程

2.2.1 孔間損傷演變

以炮孔間距50 cm，光爆層厚度70 cm 為例，截取不同時(shí)刻損傷變化圖，如圖2 所示。由圖2 可知，炮孔起爆0.10 ms 時(shí)，炮孔周邊由于沖擊波的作用形成損傷擴(kuò)展區(qū)即粉碎區(qū)域，隨著沖擊波衰減為應(yīng)力波傳播；在0.12 ms 時(shí)，在兩孔中心線(xiàn)的中點(diǎn)上產(chǎn)生應(yīng)力波的疊加形成損傷區(qū)域，并隨時(shí)間逐漸延伸；在0.20 ms 時(shí)，兩孔中心線(xiàn)上形成貫穿性損傷破壞。在0.29 ms 時(shí)，在自由面處形成損傷破壞區(qū)。

2.2.2 軸向空氣間隔損傷演變

以光面爆破層厚度800 mm，間隔裝藥800 mm為例，截取不同時(shí)刻損傷變化，如圖3 所示。由圖3可知，炮孔起爆0.15 ms 時(shí)，炸藥起爆后裝藥部分產(chǎn)生損傷；隨之向空氣間隔區(qū)域及炮孔兩側(cè)傳播，損傷區(qū)域?qū)挾入S傳播距離增大而逐漸降低；損傷在0.80 ms 時(shí)向間隔中間位置匯聚，應(yīng)力波在間隔區(qū)域中間位置疊加，損傷厚度增大，應(yīng)力波向外擴(kuò)展過(guò)程中加劇了損傷的擴(kuò)展。對(duì)各間隔長(zhǎng)度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，各間隔損傷匯聚時(shí)間分別為0.31 ms、0.43 ms、0.54 ms、0.80 ms。損傷匯聚時(shí)間隨間隔距離增加逐漸延長(zhǎng)。

圖3 軸向間隔區(qū)域損傷變化圖Fig.3 Damage change diagram of axial spacing area

2.3 間隔距離對(duì)損傷的影響

以光面爆破層厚度800 mm 為例，間隔裝藥500 mm逐漸增大至800 mm，截取在1 ms 時(shí)不同間隔距離的損傷圖，如圖4 所示。炮孔的裝藥區(qū)域較空氣間隔區(qū)域巖石變形大，且在間隔裝藥距離為500 mm 時(shí)，在空氣間隔至自由面之間損傷擴(kuò)展較大，說(shuō)明空氣間隔可以有效降低孔壁巖石的過(guò)粉碎現(xiàn)象，有利于應(yīng)力波的傳播，促進(jìn)損傷的擴(kuò)展。隨著空氣間隔距離的增大，在中間炮孔連心線(xiàn)的垂直方向上產(chǎn)生破壞的區(qū)域面積逐漸減小說(shuō)明空氣間隔距離的增大，可以有效降低對(duì)巖石的損傷，此模型空氣間隔為500 mm 較為合適。

圖4 空氣間隔長(zhǎng)度對(duì)損傷影響圖Fig.4 Diagram of the effect of air spacing length on damage

2.4 光面爆破層厚度對(duì)巖石損傷變化影響

在光面爆破層厚度500～800 mm 的四個(gè)模型中，空氣間隔區(qū)域自由面上相同位置分別取單元44410、單元61306、單元78202 與單元316870 進(jìn)行壓力及有效應(yīng)力分析，如圖5 所示。

圖5 空氣間隔區(qū)域光面爆破層自由面處壓力及有效應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.5 Pressure and effective stress curves at free surface of smooth blasting layer in air spacing area

由圖5 可知，應(yīng)力峰值隨著光面爆破層厚度逐漸增大，壓力的峰值應(yīng)力逐漸降低，有效應(yīng)力峰值也逐漸降低，符合應(yīng)力波隨距離增大峰值逐漸減小的規(guī)律[15]。

圖6 展示了光爆層損傷的變化情況。結(jié)合圖5和圖6 可知，當(dāng)光爆層厚度為500 mm 時(shí)，在三個(gè)炮孔與自由面之間及兩個(gè)炮孔之間都產(chǎn)生了損傷，損傷區(qū)域較大；在光爆層厚度為600 mm 時(shí)，在中間炮孔及兩個(gè)炮孔之間產(chǎn)生了損傷，較500 mm 光爆層損傷區(qū)域減小；在光爆層厚度為700 mm 與800 mm 時(shí)，雖然在中間炮孔與自由面之間和兩個(gè)炮孔之間的損傷區(qū)域較600 mm 時(shí)有所降低，但在中間炮孔與自由面之間都形成了貫穿性的損傷（圖7）。

圖6 光爆層損傷變化圖Fig.6 Damage change diagram of smooth blasting layer

圖7 光爆層在中間炮孔至自由面間的損傷變化圖Fig.7 Damage change diagram of smooth blasting layer from middle blasthole to free surface

綜上所述，隨著光面爆破層厚度的增加，光面爆破層的損傷區(qū)域面積逐漸變小。光面爆破層厚度為500 mm 和600 mm 時(shí)，光面爆破層破碎區(qū)域較大，破碎程度較高；厚度為700 mm 和800 mm 時(shí)破碎程度較小，但形成了中間炮孔與自由面之間的貫穿性損傷破壞。比較這幾組試驗(yàn)可知，在光面爆破層厚度選取700 mm 時(shí)，可以充分利用炮孔間應(yīng)力波的疊加與反射拉伸破壞，又不會(huì)造成光爆層的過(guò)度破壞。在炮孔與自由面之間形成貫穿性損傷破壞，因此，在這幾組試驗(yàn)對(duì)比中選取700 mm 較為合理。如圖7所示，截取損傷值為0.75 以上的破碎狀態(tài)巖石，展示中間炮孔空氣間隔區(qū)域至自由面間損傷情況。

2.5 孔距變化對(duì)間隔裝藥中間部分損傷的影響

取500 mm、600 mm、700 mm、800 mm 孔間距，間隔裝藥長(zhǎng)度500 mm，以光爆層厚度800 mm 為例，對(duì)間隔部分原巖的損傷情況進(jìn)行分析。取相同位置單元分別為單元177200、單元305856、單元338137、單元400033 進(jìn)行壓力及有效應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖8 所示。

圖8 空氣間隔中心位置原巖的有效應(yīng)力及壓力曲線(xiàn)Fig.8 Effective stress and pressure curves of original rock at air spacing center

由圖8 可知，隨著孔間距的增大，疊加應(yīng)力峰值由35.48 MPa 降至0.483 MPa，有效應(yīng)力二次峰值由50.1 MPa 降至21.2 MPa。說(shuō)明隨著炮孔間距的增大，在垂直于炮孔連心線(xiàn)的方向上，應(yīng)力的疊加效果會(huì)逐漸減弱。

圖9 為中間炮孔在垂直于炮孔連心線(xiàn)方向的損傷圖。結(jié)合圖8 和圖9 可知，在中間孔垂直于炮孔連心線(xiàn)方向上，損傷程度逐漸降低，由此可知，增加炮孔間距可以降低爆破過(guò)程對(duì)原巖的損傷。

圖9 中間炮孔在垂直于炮孔連心線(xiàn)方向的損傷圖Fig.9 Damage diagram of middle blasthole in direction perpendicular to centerline of the blasthole

在原巖側(cè)，空氣間隔不變的情況下，空氣間隔區(qū)域炮孔近端破壞區(qū)域厚度基本維持不變，但隨著炮孔間隔距離的增大，破壞區(qū)域外側(cè)原巖，隨孔距變化損傷程度逐漸降低。

圖10 和圖11 展示了炮孔連心線(xiàn)方向的損傷情況以及空氣間隔區(qū)域中心線(xiàn)與炮孔連心線(xiàn)交點(diǎn)處有效應(yīng)力變化情況。由圖10 和圖11 可知，隨著炮孔間距的增大，在空氣間隔區(qū)域炮孔連心線(xiàn)上有效應(yīng)力峰值逐漸下降，說(shuō)明應(yīng)力波在兩孔之間疊加效果逐漸降低，損傷貫穿效果也逐漸減弱，當(dāng)孔間距為700 mm 和800 mm 時(shí)，無(wú)法形成貫穿效果。

圖10 炮孔連心線(xiàn)方向的損傷圖Fig.10 Damage diagram in the direction of centerline of blasthole

圖11 空氣間隔區(qū)域中心線(xiàn)與炮孔連心線(xiàn)交點(diǎn)處有效應(yīng)力變化圖Fig.11 Effective stress variation at intersection of the centerline of air spacing area and the centerline of blasthole

綜上所述，炮孔間距的增大，有利于降低空氣間隔區(qū)域原巖遠(yuǎn)端的損傷，同時(shí)也降低了兩孔間損傷的貫穿程度；在孔間距對(duì)空氣間隔區(qū)域損傷影響的試驗(yàn)中，炮孔間距為500 mm 與600 mm 時(shí)在炮孔連心線(xiàn)方向與炮孔與自由面方向都基本呈現(xiàn)出了良好的貫穿效果?？紤]降低周邊孔炸藥單耗可以降低爆破對(duì)原巖的損傷，并與其他幾組試驗(yàn)比較，炮孔間距選為600 mm 較為合理。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)選用參數(shù)：炮孔間距為600 mm，空氣間隔裝藥距離為500 mm，光爆層厚度為700 mm，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的效果，降低了巷道掘進(jìn)成本，把巷道的平整度降低至10 cm 以?xún)?nèi)，有效控制了超欠挖現(xiàn)象，降低了支護(hù)成本。效果展示圖如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.12 Diagram of field experiment

4 結(jié)論

1）增加孔間距可以有效調(diào)節(jié)中間炮孔垂直于炮孔連心線(xiàn)方向上空氣間隔區(qū)域遠(yuǎn)端的損傷區(qū)域厚度，增加空氣間隔距離可以有效降低中間炮孔垂直于炮孔連心線(xiàn)方向上空氣間隔區(qū)域近端的損傷厚度，隨著空氣間隔距離增大，應(yīng)力波峰值逐漸降低，對(duì)原巖與自由面方向上的損傷也都逐漸減小。選用優(yōu)化后的參數(shù)試驗(yàn)，巷道爆破質(zhì)量良好，巷道的平整度降低至10 cm 以?xún)?nèi)，有效控制了超欠挖現(xiàn)象。

2）通過(guò)改變炮孔間距與間隔裝藥距離，降低了炮孔數(shù)量與裝藥量，從而減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，降低了二次維護(hù)的成本。

3）結(jié)合理論計(jì)算，數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可獲得爆破的優(yōu)化方案，為礦山提供合理爆破參數(shù)。