金堆城鉬礦小孔徑減震爆破試驗(yàn)研究

葉海旺 何成斌 王 亮 徐文文 張迎吉 王建軍

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

金堆城鉬礦小孔徑減震爆破試驗(yàn)研究

葉海旺1何成斌1王 亮1徐文文1張迎吉2王建軍2

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

為降低爆破震動對東川河隧洞的影響，在金堆城南露天礦1 200 m平臺進(jìn)行140 mm小孔徑爆破試驗(yàn)，并分別對震動數(shù)據(jù)和爆破塊度分布進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：與常規(guī)生產(chǎn)爆破相比，小孔徑爆破振速明顯減小，減震率達(dá)到60%～75%；小孔徑爆破具有大塊率低、平均塊度小、破碎效果好等優(yōu)點(diǎn)，并找出了小孔徑爆破下的安全距離。用ANSYS建立臺階爆破的有限元模型，通過數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了小孔徑爆破試驗(yàn)所得安全距離和減震率的可信度。

小孔徑爆破 安全距離 減震率 破碎效果 數(shù)值模擬

金堆城南露天礦采場下即為東川河引水隧洞，在以往生產(chǎn)爆破中，隧洞內(nèi)置測點(diǎn)已檢測到質(zhì)點(diǎn)振動峰值速度達(dá)到9.85 cm/s。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 6722—2011 爆破安全規(guī)程》，該振動速度值已接近水工引水隧洞的安全警戒值。而此時(shí)隧洞與采場爆源中心的相對位置為129 m；隨著采場進(jìn)一步向下延伸，采場爆源與隧洞之間的距離會越來越近，最近距離僅有約40 m。為了確保東川河引水隧洞的安全，很有必要尋求一種或多種行之有效的減震控制爆破方法。鑒于小孔徑爆破以其爆破粒度均勻且小，爆破震動小等優(yōu)點(diǎn)[1]，此處采用小孔徑爆破方法在南露天進(jìn)行試驗(yàn)，探索其實(shí)際適用性[2]。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案簡介

南露天常規(guī)生產(chǎn)爆破采用的是直徑為250 mm的炮孔，孔網(wǎng)參數(shù)為孔距9 m、排距為7 m、堵塞長度5.5～6 m，微差時(shí)間孔間25 ms、排間65 ms。小孔徑爆破試驗(yàn)在1 200 m平臺上進(jìn)行，采用140 mm炮孔，分2個爆區(qū)進(jìn)行，每個爆區(qū)均為7個炮孔，分2排布置，第一排4孔，第二排3孔。由于2爆區(qū)的巖體完整性不同，一爆區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)為孔距5 m、排距4 m、堵塞長度5 m，二爆區(qū)孔距5.5 m、排距4 m，堵塞長度5 m，微差時(shí)間均為孔間25 ms、排間65 ms。在每個爆區(qū)平臺及其上下相鄰臺階布置測點(diǎn)。利用塊度分析軟件Split-Desktop3.0對爆破后巖石塊度進(jìn)行分析。將震動測試和塊度分析結(jié)果與常規(guī)生產(chǎn)爆破做比較，探討小孔徑爆破破碎以及減震效果。

臺階上共布置10臺TC-4850動態(tài)測試儀，在1 200 m平臺上布置14#、15#、16#、17#、18#、20#6個測點(diǎn)，2爆區(qū)中線上布置4個測點(diǎn)19#、13#(1 188 m平臺上)、21#(1 212 m平臺上)、22#(1 224 m平臺上)。傳感器Y方向指向爆區(qū)，X方向與破底線平行。

2 爆破震動數(shù)據(jù)分析

2.1 安全距離確定

試驗(yàn)工況條件為爆區(qū)臺階高度12 m，爆區(qū)采用垂直孔，孔距5 m，排距4 m。單孔裝藥量為116～128 kg，采用混裝乳化炸藥，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥長度8 m，堵塞長度為5 m，炮孔直徑為140 mm[3-4]。測得震動數(shù)據(jù)按爆心距從小到大排列，見表1。

表1 測得小孔徑爆破震動數(shù)據(jù)Table 1 Measured small diameter blasting vibration data

《GB 6722—2003 爆破安全規(guī)程》對爆破振動允許安全振速的規(guī)定：水工隧洞爆破振動頻率f≤10 Hz時(shí)，安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度在7～8 cm/s；10 Hz≤f≤50 Hz時(shí)，安全振速為8～10 cm/s；f>50 Hz時(shí)，安全振速為10～15 cm/s。以此為依據(jù)，從表1中讀出振動速度在7、8、10、15 cm/s時(shí)對應(yīng)的安全距離(爆源與保護(hù)對象間的最小距離)見表2。

表2 小孔徑爆破安全距離Table 2 Safety distance of small diameter blasting

為了保證安全，X、Y、Z3方向?qū)?yīng)的安全距離取最大值，15 cm/s振速下對應(yīng)的Z方向安全距離較小，為了保證儀器安全，未檢測出來。振動速度在7、8、10 cm/s時(shí)，對應(yīng)的安全距離為42、39、36 m。采用同樣的方法，常規(guī)生產(chǎn)爆破的爆破振速按7、8、10 cm/s進(jìn)行控制，所對應(yīng)的安全距離分別為108、93、70 m。由此可見，常規(guī)生產(chǎn)爆破是小孔徑爆破安全距離的2～2.5倍，說明小孔徑爆破減震效果明顯，可滿足臨近隧洞區(qū)域安全爆破要求。

2.2 減震率分析

減震率是相同距離下振動速度減小的比率，計(jì)算公式為

(1)

式中，v2為常規(guī)生產(chǎn)爆破的合速度，m/s；v1為小孔徑爆破的合速度，m/s。合速度即X、Y、Z3個方向速度的矢量和。

由爆心距在30、40、50、60、70、80、90 m時(shí)小孔徑爆破與常規(guī)爆破的合速度值算出減震率[5]，列于表3中。

表3 小孔徑爆破的減震率Table 3 Damping rate of small diameter blasting

在相同爆心距下，小孔徑爆破與常規(guī)生產(chǎn)爆破相比，振動速度明顯降低，減震效果明顯，減震率達(dá)到60%～75%。在采場臨近東川河隧洞時(shí)，采用小孔徑爆破，可以明顯降低震動。

3 爆破塊度分析

在爆破后拍攝爆堆圖片，利用數(shù)字圖片塊度分析軟件Split-Desktop3.0進(jìn)行分析，得到2種爆破方式下巖石塊度分布，將塊度大小與所占比例關(guān)系繪成圖1。

圖1 小孔徑爆破與常規(guī)生產(chǎn)爆破后巖石塊度分布Fig.1 Rock fragment distribution of small diameter and conventional production blasting□—常規(guī)生產(chǎn)爆破；■—小孔徑爆破

小孔徑爆破后，巖石塊度主要集中在30 cm以下，比例達(dá)到87%以上，平均塊度13.69 cm，最大塊度為71.4 cm；常規(guī)生產(chǎn)爆破塊度小于75 cm的比例在83%左右，平均塊度40.54 cm，最大塊度達(dá)到112.33 cm。可見，小孔徑爆破巖石充分破碎，從破碎效果角度分析，對臨近隧洞需要重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域，采用小孔徑爆破，不但安全而且破碎效果較好，可有效降低大塊率。

4 小孔徑減震爆破數(shù)值模擬分析

4.1 模型的建立

數(shù)值模擬工況條件與現(xiàn)場試驗(yàn)條件相同，用ANSYS建立臺階爆破的有限元模型。用顯式動力分析程序LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算[6]，巖體計(jì)算采用程序中的RHT模型，堵塞段采用mat_soil_concrete材料模型。爆區(qū)在臺階邊緣，以爆區(qū)為中心，上下臺階各布置5個測點(diǎn)。

4.2 模擬數(shù)據(jù)及分析

LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算后，所得數(shù)據(jù)列于表4中。

表4 模擬所得峰值振速Table 4 The simulated peak of vibration velocity

爆心距在30、40、50、60、70、80、90 m時(shí)的合速度見表5。

表5 數(shù)值模擬定點(diǎn)合速度Table 5 Numerical Simulation of fixed resultant velocity

4.3 小 結(jié)

由表2中數(shù)據(jù)可知，小孔徑爆破數(shù)值模擬所得安全距離，除了個別與現(xiàn)場試驗(yàn)所得安全距離不同，但最終安全距離取最大值，與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果一致，因此在臨近隧洞42 m處，采用小孔徑爆破是安全的。振速在15 cm/s時(shí)安全距離離爆區(qū)太近，現(xiàn)場試驗(yàn)為保證儀器安全未檢測出，但在數(shù)值模擬中得出為30 m，對現(xiàn)場爆破有一定的指導(dǎo)作用。

表5中為數(shù)值模擬所得定點(diǎn)震動合速度，與表3中現(xiàn)場試驗(yàn)所得定點(diǎn)合速度基本相同。與常規(guī)生產(chǎn)爆破震動合速度相比，減震率同樣在60%～75%，小孔徑爆破數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了現(xiàn)場爆破試驗(yàn)所得結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

(1)小孔徑爆破條件下以7、8、10 cm/s振速為基準(zhǔn)得出的安全距離分別為42、39、36 m。常規(guī)生產(chǎn)爆破對應(yīng)安全距離(108、93、70 m)是小孔徑爆破安全距離的2～2.5倍，小孔徑爆破安全距離明顯減小，可以滿足臨近隧洞部分區(qū)域安全生產(chǎn)要求。

(2)小孔徑爆破與常規(guī)生產(chǎn)爆破相比，振動速度明顯降低，減震效果明顯，減震率達(dá)到60%～75%。

(3)小孔徑爆破平均塊度13.2 cm左右，最大塊度為71.4 cm，與常規(guī)生產(chǎn)爆破(平均塊度40.54 cm，最大塊度達(dá)到112.3 cm)相比，大塊率降低，破碎效果好。

[1] 葉小勇.小孔徑深孔爆破技術(shù)及其應(yīng)用[J].福建建材，2001(4):27-28. Ye Xiaoyong.Small diameter blasting technology and its application[J].Fujian Building Materials，2001(4):27-28.

[2] 趙亞軍,王 軍.露天礦小孔徑削坡爆破實(shí)踐[J].金屬礦山，2011(6):189-190. Zhao Yajun，Wang Jun.Practice of small diameter blasting in cutting slope of open pit mine[J].Metal Mine，2011(6):189-190.

[3] 王淑亮，呂士誠，康 斌.小孔徑中深孔爆破在蟒山灰?guī)r礦中的應(yīng)用[J].水泥，2011(12):32-33. Wang Shuliang，Lv Shicheng，Kang Bin.Deep hole blasting of Small diameter in Mangshan limestone mine[J].Cement,2011(12):32-33.

[4] 劉 軍.小孔徑深孔爆破在石灰石礦山開采中的應(yīng)用[J].礦山技術(shù)，2005(3):93-94. Liu Jun.Deep hole blasting of Small diameter in limestone mine[J].Mining Technology，2005(3):93-94.

[5] 徐成光.小孔徑深孔預(yù)裂爆破在高邊坡開挖中的應(yīng)用[J].爆破，1999(4):36-37. Xu Chengguang.Application of slim-hole blasthole presplitting blasting in the high-slope excavation[J].Blasting，1999(4):36-37.

[6] 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行顯式動力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005. Shi Dangyong，Li Yuchun，Zhang Shengming.The Explicit Dynamic Analysis Based on ANSYS/LS-DYNA8.1[M].Beijing：Tsinghua University Press，2005.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Small Diameter Damping Blasting in Jinduicheng Molybdenum Mine

Ye Haiwang1He Chengbin1Wang Liang1Xu Wenwen1Zhang Yingji2Wang Jianjun2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070，China；2.JinduichengMolybdenumCo.，Ltd.,Xi′an710077,China)

In order to reduce the impact of mining blasting vibration on Dongchuan River tunnel，140 mm small diameter blasting test was carried out on 1 200 m plate of southern Jinduicheng molybdenum surface mine.The detected blasting vibration data and rock fragmentation were analyzed in accordingly.The results showed that the blasting vibration velocity of small diameter blasting was significantly reduced compared with conventional production blasting of the mine，and the damping rate arranged from 60% to 75%.The small diameter blasting has advantages of low bulk rate，small average fragmentation and good rock fragmentation.At the same time，the safe distance of small diameter blasting was obtained.The finite element model of bench blasting was established with ANSYS，and the numerical simulation results confirmed the credibility of safety distance and damping rates from small diameter blasting experiments.

Small diameter blasting，Safe distance，Damping rate，Rock fragmentation，Numerical simulation

2013-11-21

葉海旺(1971—)，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士。

TD235.39

A

1001-1250(2014)-01-043-03