廟溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采爆破參數(shù)優(yōu)化

張亞賓 甘德清 盧宏建 侯永康

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009;2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全工程實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009)

上世紀(jì)60 年代我國(guó)從瑞典引入了無(wú)底柱分段崩落法，由于該采礦方法高效、高度機(jī)械化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)安全、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)地下金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用，尤其在地下鐵礦開(kāi)采中，用該方法所采礦石占地下礦總產(chǎn)量的一半以上［1］。無(wú)底柱分段崩落法采用扇形中深孔布置落礦，其爆破質(zhì)量的好壞直接影響到回采指標(biāo)的高低，爆破質(zhì)量的高低與巖石類別、炸藥類別、炸藥單耗以及爆破參數(shù)密切相關(guān)［2-6］。目前，大部分礦山根據(jù)本礦實(shí)際情況對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，來(lái)提高爆破質(zhì)量，對(duì)爆破參數(shù)優(yōu)化研究的方法主要包括數(shù)值模擬及進(jìn)行爆破漏斗物理實(shí)驗(yàn)和建立爆破參數(shù)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP 模型等［7-9］。

廟溝鐵礦是河北鋼鐵集團(tuán)的主采礦山之一，原為露天開(kāi)采礦山，經(jīng)過(guò)20 余a 的開(kāi)采，已進(jìn)入凹陷開(kāi)采階段。礦山目前生產(chǎn)規(guī)模245 萬(wàn)t/a，露天境界內(nèi)尚有資源儲(chǔ)量1 300 多萬(wàn)t，露天開(kāi)采還可以維持5 a。其深部還賦存礦石儲(chǔ)量為4 960 余萬(wàn)t，需轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。地下開(kāi)采設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為300 萬(wàn)t，采用中深孔無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù):進(jìn)路斷面尺寸寬×高=4.5 m×3.8 m;進(jìn)路間距為18 m，分段高度為20 m。設(shè)計(jì)中為了確定和優(yōu)化炮孔的爆破參數(shù)，采用數(shù)值模擬計(jì)算和模糊綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了研究。

1 爆破參數(shù)數(shù)值模擬分析

針對(duì)廟溝鐵礦設(shè)計(jì)地下開(kāi)采結(jié)構(gòu)參數(shù)，參考類似礦山經(jīng)驗(yàn)，選取抵抗線長(zhǎng)度為1.8 m。抵抗線長(zhǎng)度確定后，扇形炮孔設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮孔底距的大小對(duì)爆破效果的影響。設(shè)計(jì)了炮孔孔底距為1.98 m、2.16 m、2.34 m、2.52 m 這4 個(gè)中深孔爆破參數(shù)方案，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。圖1 為孔底距為1.98 m 爆破炮孔設(shè)計(jì)圖，表1 為4 個(gè)不同孔底距的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 孔底距為1.98 m 的爆破炮孔設(shè)計(jì)Fig.1 Blasting design when hole bottom distance at 1.98 m

表1 4 個(gè)方案的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the four schemes

根據(jù)上述4 種炮孔設(shè)計(jì)的炮孔參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。在有限元程序ANSYS 中加載命令流的方式建立實(shí)體模型，劃分網(wǎng)格(如圖2 所示)，設(shè)置邊界約束條件和無(wú)反射邊界，定義運(yùn)算時(shí)間、步長(zhǎng)等參數(shù)，最后輸出計(jì)算文件。計(jì)算選擇取的炸藥為巖石型粉狀乳化炸藥，其主要計(jì)算參數(shù):密度1.26 g/cm3，爆速0.55 cm/μs，爆壓3.43 GPa。礦石參數(shù):密度3.4 g/cm3，彈性模量40 GPa，泊松比0.27，抗拉強(qiáng)度12.3 MPa。

為了減少運(yùn)算時(shí)間，建立二分之一模型。在模型平面上設(shè)置5 個(gè)記錄點(diǎn)(5 個(gè)單元)，記錄點(diǎn)在2 條進(jìn)路中垂線上每隔5 m 取1 個(gè)單元，作為時(shí)間歷程記錄單元，用以記錄該單元有效應(yīng)力場(chǎng)的變化歷程。

以孔底距a=1.98 m 為例，以條形藥包的形式起爆，起爆后不同時(shí)刻爆炸應(yīng)力云圖如圖3 所示。

圖2 模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 Model and grid division

圖3 不同時(shí)刻爆炸應(yīng)力Fig.3 Explosion stress at different time

通過(guò)LS－DYNA 軟件的LSPOST 程序?qū)Y(jié)果文件進(jìn)行后處理，用有效應(yīng)力來(lái)表征介質(zhì)的應(yīng)力特征。從圖4 可得監(jiān)測(cè)線上的5 個(gè)單元最大有效應(yīng)力，具體數(shù)值見(jiàn)表2 所示。

圖4 監(jiān)測(cè)線上有效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The effective stress variation curves with time on monitoring line

表2 記錄單元最大有效應(yīng)力Table 2 The maximum effective stress of the record element

爆炸荷載作用下介質(zhì)所受的應(yīng)力狀態(tài)是非常復(fù)雜的，從表2 中記錄的最大有效應(yīng)力值可以看出，各單元最大有效應(yīng)力均遠(yuǎn)大于礦石的最大抗拉強(qiáng)度12.3 MPa，炸藥爆炸時(shí)能有效破壞炮孔之間的礦巖?？椎拙?.98 m 時(shí)，單元最大有效應(yīng)力值為108.2 MPa，孔底距為2.52 m 時(shí)，單元最大有效應(yīng)力值為107.9 MPa。

通過(guò)對(duì)4 種方案的相同單元最大有效應(yīng)力值進(jìn)行比較可以看出:增加孔底距長(zhǎng)度對(duì)有效應(yīng)力值的大小影響較小，當(dāng)孔底距增加時(shí)，質(zhì)點(diǎn)最大有效應(yīng)力值會(huì)降低，可能會(huì)增加大塊率，但都大于巖石屈服強(qiáng)度，都可以將炮孔間的巖石破碎，當(dāng)孔底距減小時(shí)，大塊率可能減小，但增加了炮孔數(shù)，使總裝藥量增加，增加了炸藥成本，所以對(duì)于上述4 種爆破參數(shù)設(shè)計(jì)需進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 爆破參數(shù)綜合評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)上述4 個(gè)爆破參數(shù)方案的爆破效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)礦山的實(shí)際情況，用于評(píng)價(jià)爆破效果的(U)主要有3 個(gè):炸藥成本(U1)、采幅(U2)、適宜塊度率(U3)，可歸納為

爆破效果分為3 個(gè)等級(jí)，分別為“好，一般，不好”，可歸納為

評(píng)價(jià)爆破效果的3 個(gè)因素都屬于好到不好之間，構(gòu)成一個(gè)模糊集合，可用0 ～1 區(qū)間中的某個(gè)數(shù)值來(lái)表示，這個(gè)數(shù)值稱為評(píng)價(jià)因素的隸屬度，一般用μ 來(lái)表示隸屬度的大小，作如下規(guī)定:

先確定各評(píng)價(jià)因素的隸屬函數(shù)，選擇合適函數(shù)形式，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料用待定系數(shù)法求出各函數(shù)的隸屬度，設(shè)待定系數(shù)為b，各因素的隸屬函數(shù)如下。

(1)炸藥成本:

(2)采幅:

(3)適宜塊度率:

表3 所示為4 個(gè)炮孔設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

表3 4 個(gè)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)Table 3 Eco-Tech indicators of the four blasting parameters

以2.52 m 為例，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)資料，分別將其代入上式，得出隸屬度μ 的值，根據(jù)隸屬度的大小對(duì)其進(jìn)行分級(jí)。得出爆破效果的評(píng)判矩陣可表示為

根據(jù)專家評(píng)分，可得權(quán)值A(chǔ) 為

A =[ 0.396 0.193 0. 133] ，

由此可得試驗(yàn)采場(chǎng)爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)模糊綜合評(píng)判值

B1= A·R = (0.396，0.193，0).

同理，可得孔底距為1.98 m 時(shí)，其他3 種炮孔設(shè)計(jì)的綜合評(píng)判值如下:

B2= (0.133，0，0.396);

當(dāng)孔底距為2.12 m 時(shí)，

B3= (0.133，0.396，0.193);

當(dāng)孔底距為2.34 m 時(shí)，

B4= (0，0.396，0.193).

根據(jù)最大隸屬度原則，可見(jiàn)綜合評(píng)判結(jié)果為2.52 m 好，2.12 m 和2.34 m 一般，1.98 m 不好。

綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)4 種爆破參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)得出:當(dāng)孔底距為2.52 m 時(shí)，爆破效果最好，所以建議廟溝鐵礦在實(shí)際生產(chǎn)中中深孔爆破采用2.52 m 的孔底距。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬分析得出，4 個(gè)不同孔底距的爆破參數(shù)，炸藥爆炸時(shí)均能有效破壞炮孔之間的礦巖，并且增加孔底距對(duì)有效應(yīng)力值影響不大，隨著孔底距的增加有小幅度的降低。

(2)針對(duì)4 種不同孔底距的爆破參數(shù)，根據(jù)它們的經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)，用模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)最大隸屬度原則，經(jīng)對(duì)比得出:孔底距2.52 m 時(shí)為最優(yōu)爆破參數(shù)。

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