徐曉東 杜文秀

(內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司,內蒙古 包頭 014000)

預裂爆破是露天礦山進行爆破邊界控制的主要手段,在一定程度上能夠減小因爆破產生的裂隙擴展,降低炸藥能量對臺階邊坡的沖擊和損害,有效地控制邊坡穩(wěn)定。 在高臺階并段區(qū)域進行靠界預裂爆破作業(yè)時,由于炮孔深度加大,底部的夾制作用對預裂爆破效果影響較大。 若僅通過縮小孔網參數(shù),增大裝藥量來克服底部夾制作用,不但造成成本急劇攀升,預裂面的形成效果往往并不理想,最終導致保護區(qū)巖體的超、欠挖,傘巖及掛幫形成,達不到預期的爆破效果。

近年來,針對預裂爆破邊界控制,不少學者采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等方法研究了預裂成縫機理及爆破參數(shù)對預裂效果的影響程度[1-5]。 王亞強等[6]通過對線裝藥密度公式進行理論推導,得出了預裂孔開裂及預裂縫貫通時的合理線裝藥密度;王和平等[7]以大孤山鐵礦為例,利用LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件分析了耦合與不耦合裝藥條件下的預裂爆破效果,發(fā)現(xiàn)不耦合條件下的預裂效果更加理想;崔正榮等[8]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗,分析和驗證了底部加強裝藥對預裂效果的影響程度,結果表明:在深孔預裂爆破中采用底部加強裝藥能夠明顯改善預裂效果,提高保護區(qū)巖體的穩(wěn)定性。

上述針對提高預裂效果的研究側重于調整預裂爆破參數(shù)、改變裝藥結構,較少涉及改變預裂炮孔裝藥結構時的預裂爆破效果。 而在實際工程中為達到控制爆破邊界、保護邊坡圍巖穩(wěn)定性的目的,適當改變預裂孔結構,使之按預定方向擴展,同時抑制其他方向的裂紋生成,從而達到更加理想的控制效果。 為此,本研究提出了高臺階并段半隔孔預裂爆破邊界控制技術,利用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等方法,研究半隔孔預裂爆破技術時的圍巖應力分布及預裂爆破效果,為礦山生產提供參考。

1 半隔孔導向預裂爆破技術

預裂成縫機理分為兩個過程,即應力波的作用過程和高壓氣體的作用過程[9-11]。 炸藥爆炸后,炮孔爆炸應力波向四周傳播,產生的切向拉應力超過巖石的抗拉強度而使巖石破裂,在兩個炮孔連線方向出現(xiàn)裂縫。 如果相鄰炮孔間的應力波在兩孔之間能夠發(fā)生疊加,那么在該區(qū)段內,合成拉應力也能使巖石產生有利于預裂縫導向產生的裂縫;在爆生氣體進一步作用下,裂縫延伸擴大,最后形成炮孔間貫通的平整開裂面。

在露天礦山高臺階并段邊坡靠界工程背景下,并段臺階高度達到24～28 m,預裂炮孔最深可達30 m左右,巖體初始應力在炮孔底部周圍產生的環(huán)向應力集中愈發(fā)明顯,不利于孔壁處形成初始裂縫,進而抑制了貫通裂縫的形成。 基于此,本研究提出了半隔孔預裂爆破技術,其炮孔、裝藥結構布置如圖1、圖2 所示。

圖1 高臺階并段預裂爆破炮孔布置Fig.1 Layout of boreholes for high step presplitting blasting

圖2 預裂半隔孔裝藥結構布置Fig.2 Arrangement of presplit half-hole charge structure

半隔孔裝藥結構上部未裝藥部分可視為兩個預裂孔間布置空孔,利用空孔導向及應力集中效應,使兩個預裂孔間巖體進行貫通。 隨著正?？最A裂爆破應力波向孔外傳播并到達半隔孔,發(fā)生空孔應力集中效應,使巖體產生微裂隙并且不斷擴展。 根據(jù)彈性力學理論確定的空孔峰值應力狀態(tài)為[12-14]

式中,σrr為空孔應力集中后巖石中的徑向應力,MPa;σθ為巖石中某一點的徑向應力,MPa;σr為巖石中某一點的切向應力,MPa;k=r2/rb;r2為空孔半徑,cm;rb為巖石中某一點與空孔中心的距離,cm;θ為任意方向與孔間連線的夾角,(°);σθθ為空孔應力集中后巖石中的切向應力,MPa。

由式(1)和式(2)可知,當k=1 時,σrr=0,θ=0±π 時,σθθ=3σθ+σr為極大值(拉應力為正,壓應力為負),最大拉應力出現(xiàn)在相鄰炮孔連線方向,半隔孔的存在改變了相鄰炮孔之間的應力分布,證明了空孔的導向作用。

綜合分析影響巖體爆破破裂的各種因素發(fā)現(xiàn),所謂炮孔底部夾制作用,即為巖體初始應力對破裂成縫的影響。 巖體初始應力在孔壁周圍產生的環(huán)向應力集中將抵消爆炸應力波而產生環(huán)向拉應力集中,在這種情況下,不利于孔壁形成初始裂縫。 在裂縫擴展過程中,巖體初始應力的存在也將會抑制裂縫擴展,使表征裂縫擴展能力的應力強度因子降低。 平均水平應力與垂直應力的比值稱為側壓比,其值隨深度增加而減小。 該值變化范圍可進行如下計算:

式中,σh為水平應力,MPa;σv為垂直應力,MPa;H為賦存深度,m。

在均質、等密度的情況下,垂直應力可進行如下計算:

式中,γ為巖土體容重,取25 000 N/m3。

埋深5～50 m 內的水平應力分布如圖3 所示。

圖3 水平應力隨深度變化特征Fig.3 Variation characteristics of horizontal stress with depth

由圖3 可知:對于淺部巖體來說,隨著埋深增大,水平應力逐漸增大,埋深30 m 的白云巖水平應力為2.725～37.8 MPa,受水平應力影響裂紋擴展受到抑制,裂紋數(shù)量減少,預裂縫的貫通效果越差,即為底部夾制作用的主要原因。 半隔孔底部加強裝藥及上部空孔段一方面發(fā)揮空孔導向作用,形成拉應力集中,另一方面在炮孔底部加強裝藥段形成壓應力集中,彌補正?？籽b藥的不足,克服炮孔深部水平應力,可以達到改善底部爆破效果的作用。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及試驗方案

參考某露天礦山實際采場參數(shù)建立二維數(shù)值分析模型(圖4),高臺階并段模型單孔深度為26 m,兩個常規(guī)預裂孔間布置半隔孔。 本研究選取節(jié)點H82000、H81525 分析應力變化特征。

圖4 高臺階并段預裂爆破半隔孔裝藥結構計算模型Fig.4 Calculation model of charging structure of half hole in high-step parallel pre-cracking blasting

結合爆破漏斗理論及礦山常規(guī)預裂爆破生產實踐參數(shù)[15-17],設置1.5、2.0、2.5、3 kg 4 種半隔孔裝藥量方案,對應的裝藥高度分別為3. 5、5. 0、6. 0、7. 0 m;在合理的半隔孔裝藥高度方案基礎上,設置0.6、0.7、0.8、0.9 m 4 種相鄰孔間距方案,分析不同半隔孔裝藥量及孔間距下的應力變化及裂隙擴展規(guī)律。

2.2 半隔孔裝藥結構應力分析

選取半隔孔1.5 kg 裝藥量方案,選取4 種典型時刻的應力云圖(圖5),以及對應的裂隙擴展情況(圖6),并提取節(jié)點H82000,H81525 的應力—時程曲線(圖7)進行深入分析。

圖5 不同時刻應力云圖Fig.5 Stress nephograms at different time

圖6 不同時刻裂隙擴展情況Fig.6 Fracture propagation at different time

圖7 監(jiān)測節(jié)點應力—時程曲線Fig.7 Stress-time history curves of monitoring nodes

結果顯示:孔口的預裂藥柱首先被引爆,爆炸應力波主要向孔間連線方向傳播,0.13 ms 時刻應力波到達空孔壁并反射形成拉應力集中(圖5(b)),空孔壁處的應力波在反射拉伸作用下形成拉伸裂紋(圖6(b)),0.63 ms 時刻應力波到達孔口自由面并反射形成拉應力集中(圖5(c)),頂部自由面在應力波反射拉伸作用下形成拉伸裂紋(圖6(c))。 可見,由于空孔導向作用,空孔孔壁附近存在明顯的應力集中效應,有利于巖石破碎。

由圖7 可知:由于半隔孔預裂藥柱起爆,節(jié)點H81525 峰值應力遠大于節(jié)點H82000,超出了巖石的破壞極限,有效克服了底部夾制作用,在爆生氣體作用下裂紋進一步擴展,保證了底部的炮孔貫穿。

2.3 裝藥量方案數(shù)值分析

本研究根據(jù)裝藥量方案爆破終了時刻(4.5 ms)數(shù)據(jù)計算了模型裂紋擴展面積(圖8),提取的監(jiān)測點應力—時程曲線如圖9 和圖10 所示。

圖8 裝藥量方案計算終了裂紋面積Fig.8 Crack areas at the end of calculation of charge scheme

圖9 裝藥量方案節(jié)點H82000 應力—時程曲線Fig.9 Stress-time history curves of charge scheme of H82000 node

圖10 裝藥量方案節(jié)點H81525 應力—時程曲線Fig.10 Stress-time history curves of charge scheme of H81525 node

4 種裝藥量方案裂紋擴展面積分別為19.26、19.22、19.50、19.47 m2。 其中方案一、二裂紋面積相差不大,方案三、四裂紋面積明顯增大,且炮孔間底部巖石裂紋分布明顯增多,孔底巖石破碎效果明顯改善;4 種方案節(jié)點H82000 峰值應力分別為15.0、13.7、15.3、13.6 MPa;節(jié)點H81525 峰值應力分別為22.0、14.5、22.4、14.6 MPa,兩節(jié)點均在方案三出現(xiàn)最大峰值應力,與裂紋擴展面積優(yōu)選方案相符,綜合考慮孔底破巖效果及炸藥成本,優(yōu)選方案三。

2.4 孔間距方案數(shù)值分析

本研究根據(jù)孔間距方案爆破終了時刻(4.5 ms)數(shù)據(jù)計算了模型裂紋擴展面積(圖11),提取的監(jiān)測點應力—時程曲線如圖12 和圖13 所示。

圖11 孔間距方案計算終了裂紋面積Fig.11 Final crack areas calculated by hole spacing scheme

圖12 孔間距方案節(jié)點H82000 應力—時程曲線Fig.12 Stress-time history curves of hole spacing scheme of H82000 node

圖13 孔間距方案節(jié)點H81525 應力—時程曲線Fig.13 Stress-time history curves of hole spacing scheme of H81525 node

隨著孔間距增大,裂紋統(tǒng)計區(qū)域越大,孔間裂紋面積逐漸增大。 為此,以單位孔距裂紋面積為指標對各個方案進行優(yōu)選,4 種方案單位孔距裂紋面積分別為32.46、32. 71、32. 6、32. 23 m2。 方案四由于孔間距較大,單位孔距裂紋面積最小,孔間巖石破碎效果最差;方案二單位孔距裂紋面積最大,且炮孔間底部巖石裂紋分布較多,孔間巖石破碎效果較好;方案一與方案二、三相比,單位孔距裂紋面積更小,這是由于孔距過小造成了炸藥能量浪費;4 種方案節(jié)點H82000 峰值應力分別為12.8、13.7、11.3、7.9 MPa;節(jié)點H81525 峰值應力分別為13.3、14.5、12.6、9.1,兩節(jié)點均在方案二出現(xiàn)最大峰值應力,與裂紋擴展面積優(yōu)選方案相符,綜合考慮孔間巖石破碎效果及炸藥能量利用率,優(yōu)選方案二。

3 現(xiàn)場試驗

本研究在包鋼股份巴潤礦業(yè)分公司采場進行現(xiàn)場試驗,采取預裂孔雙段穿孔,雙臺階高度約24 m。緩沖孔和主爆孔采用液壓潛孔鉆機穿孔,單臺階穿孔,與預裂孔一次爆破。 預裂孔和緩沖孔傾斜角度與設計坡面角一致,傾角為65°,預裂孔、緩沖孔直徑為120 mm,主爆孔直徑為165 mm,傾角為90°。

3.1 試驗方案

由于礦山地質條件復雜,礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖性多變,炮孔底部存在夾制作用影響,易出現(xiàn)孔口部位爆破大塊多、炮孔底部根底現(xiàn)象突出。 為確定最佳的半隔孔裝藥參數(shù),結合數(shù)值分析結果,開展了半隔孔裝藥高度分別為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 m 共5 種方案的現(xiàn)場爆破試驗。 現(xiàn)場試驗爆破參數(shù)取值見表1。

表1 現(xiàn)場試驗炮孔參數(shù)Table 1 Parameters of boreholes in field test

3.2 爆破參數(shù)選取

(1)不耦合系數(shù)。 為保證預裂孔壁不出現(xiàn)壓碎,孔壁壓力應小于巖石靜態(tài)抗壓強度,同時應大于巖體的動態(tài)抗拉強度,預裂孔周圍才能形成一定數(shù)量的微小裂紋,預裂孔連線方向才能形成預裂縫。 不耦合系數(shù)Kd可進行如下計算:

式中,Kd為不耦合系數(shù);σ壓為巖石的靜態(tài)抗壓強度,MPa。

(2)線裝藥密度(qL)。 線裝藥密度對于改善爆破效果、維護采場邊坡穩(wěn)定具有關鍵作用,其計算公式為

式中,ρ為炸藥密度,取1.25 g/cm3;D為炮孔直徑,12 cm;K為裝藥長度與直徑的比值。

(4)孔口余高。 正常情況下,一般孔口部分余高2.5 m 不裝藥。 對于松軟巖體,不裝藥高度可以適當加大,深度為3～5 m。 此外,半隔孔間距及裝藥量按照模擬方案選取。

3.3 試驗結果

在礦山采場北幫+1 596～+1 560 m 水平共進行了5 次固定幫現(xiàn)場靠界爆破試驗,試驗結果見表2。

表2 現(xiàn)場試驗結果統(tǒng)計Table 2 Statistics of field test results

試驗結果表明,半隔孔間距0.8 m、裝藥高度6 m時,炮孔半壁孔率達85%,沒有出現(xiàn)明顯的傘巖掛幫及下部根底現(xiàn)象(圖14)。 隨著孔距增大及裝藥高度減小,逐漸出現(xiàn)半壁孔率降低、上部傘巖掛幫及下部根底現(xiàn)象,與前文進行的理論分析結果相吻合,既避免了超深孔孔底夾制作用下的根底突出現(xiàn)象,又最大限度地減少了炸藥用量及穿孔成本。

圖14 半隔孔裝藥爆破效果Fig.14 Effects of half hole charge blasting

4 結 論

(1)露天礦山高臺階并段預裂孔由于受到較強的底部夾制作用,裂紋擴展受到抑制,裂紋數(shù)量減少,預裂縫的貫通效果越差,基于此提出了預裂爆破半隔孔裝藥結構,一方面發(fā)揮上部未裝藥段空孔導向作用,形成拉應力集中;另一方面在炮孔底部加強裝藥段形成壓應力集中,彌補正?？籽b藥情況不足,克服炮孔深部水平應力,可以達到改善底部爆破效果、降低生產成本的作用。

(2)建立了高臺階并段預裂爆破半隔孔裝藥結構數(shù)值分析模型,對模型孔網參數(shù)(裝藥量、孔距)進行了優(yōu)化研究。 結果表明:半隔孔裝藥量2.5 kg,裝藥高度5 m,孔距選定0.8 m,此時可使能量利用率最大,并開展了現(xiàn)場試驗進行驗證。

(3)在試驗礦山開展靠界現(xiàn)場預裂爆破試驗,結果表明:裝藥高度6 m、孔間距0.8 m 時,炮孔半壁孔率達85%,沒有明顯的傘巖掛幫及下部根底現(xiàn)象出現(xiàn)。 隨著孔距加大及裝藥高度減小,逐漸出現(xiàn)半壁孔率降低、上部傘巖掛幫及下部根底現(xiàn)象,與理論分析結果相吻合,既避免出現(xiàn)超深孔孔底夾制作用下的根底突出現(xiàn)象,又最大限度地減少了炸藥用量以及穿孔成本。

(4)本研究在傳統(tǒng)預裂爆破工藝基礎上,提出了針對高臺階并段超深預裂爆破工藝半隔孔裝藥結構,可為露天礦山靠界爆破參數(shù)優(yōu)選提供參考,但受限于試驗礦山單一的巖性,后續(xù)將選取多種巖性進行試驗驗證分析。