露天爆破LS—DYNA數(shù)值模擬分析

張世琛

摘要：爆破是露天礦山開采的主要手段之一，影響爆破效果的因素主要有巖石特性、炸藥特性、藥包起爆位置以及爆破參數(shù)等。根據(jù)巖石爆破機(jī)理并借鑒某礦山工程實(shí)況參數(shù)，利用LS-DYNA軟件模擬并研究了現(xiàn)爆破參數(shù)的選取對(duì)易出現(xiàn)大塊部位的應(yīng)力的影響。模擬結(jié)果表明：模擬結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)果相吻合，軟件模擬對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)性作用。

關(guān)鍵詞：爆破工程；深孔爆破；LS-DYNA；數(shù)值模擬

[中圖分類號(hào)]TD235[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

深孔臺(tái)階爆破是目前露天礦山開采的主要手段之一，合理的爆破參數(shù)可以方便后續(xù)的開采和運(yùn)輸工作。因爆破開采工程大不便頻繁試驗(yàn)爆破參數(shù)，因此可運(yùn)用軟件模擬得到最優(yōu)參數(shù)。張等[1]采用LS-DYNA軟件模擬起爆方式對(duì)爆破結(jié)果的影響。余等[2]通過模擬得出孔徑與孔網(wǎng)參數(shù)適應(yīng)時(shí)爆破效果最好的結(jié)果。周等[3]針對(duì)臺(tái)階爆破不同起爆方式利用LS-DYNA軟件進(jìn)行了模擬研究。此類研究表明運(yùn)用LS-DYNA軟件模擬礦山爆破的可行性和有效性。因此，采用LS-DYNA軟件進(jìn)行模擬，模擬的結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

本文針對(duì)某礦山開采大塊較多的問題，根據(jù)實(shí)際工程的爆破參數(shù)進(jìn)行了LS-DYNA軟件模擬。對(duì)比結(jié)果表明：LS-DYNA軟件可以準(zhǔn)確的模擬出工程實(shí)況，模擬結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)果相吻合，模擬結(jié)果對(duì)今后的工程實(shí)踐有指導(dǎo)意義。

1.問題分析

1.1大塊產(chǎn)生部位及原因

根據(jù)工程實(shí)踐可知，露天礦山深孔爆破大塊一般產(chǎn)生的位置主要在臺(tái)階頂部和坡面、底部以及地質(zhì)條件特殊的區(qū)段等，產(chǎn)生大塊的原因主要分為以下兩方面。

1.1.1爆破參數(shù)選取不合理

一般來說，爆破參數(shù)主要包括炸藥特性、巖石特性、超深、堵塞以及孔網(wǎng)參數(shù)等。炸藥與巖石不匹配通常會(huì)產(chǎn)生很多大塊與根底。堵塞過大，由于臺(tái)階上部表面巖石得不到足夠炸藥能量而使其不能充分破碎；堵塞過小，由于爆轟產(chǎn)物提前逸出嚴(yán)重甚至?xí)霈F(xiàn)沖炮?？拙W(wǎng)參數(shù)不合理，由于炸藥能量分布不均勻，巖石得不到充分破碎，在孔與孔之間會(huì)出現(xiàn)大塊。

1.1.2地質(zhì)條件特殊原因

主要分為兩類。一類為難爆的礦巖，由于爆轟氣體很難侵入巖體，容易產(chǎn)生大塊[4]；另一類為礦巖結(jié)構(gòu)，主要有節(jié)理、裂隙發(fā)育地段等，炸藥爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波在傳播過程中不斷衰減，使得巖體沒有足夠的爆炸能量來破裂，易產(chǎn)出大塊[5]。

1.2 起爆點(diǎn)選取

在炮孔連續(xù)耦合裝藥的情況下，起爆位置不同，炸藥爆炸生成的爆轟產(chǎn)物與應(yīng)力波在巖體中作用時(shí)間與能量損耗會(huì)不同[6]，從而產(chǎn)生大塊的部位也就不相同。

當(dāng)前礦山爆破起爆方式采用反向起爆，爆轟產(chǎn)物由孔底向孔口傳播，由于炮孔周圍巖石的約束作用，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波與爆生氣體全部作用在巖石內(nèi)部，避免爆轟產(chǎn)物部分向孔外擴(kuò)散造成的能量迅速散失，從而提高了能量利用率。

2.模型與計(jì)算參數(shù)

2.1 實(shí)際工況

模型中含有炸藥、空氣、巖石和填塞物4種材料。模型選用實(shí)體單元3D-SOLID164，利用體分割技術(shù)，炸孔周圍進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分，其余部分采用映射網(wǎng)格劃分。炸藥和空氣采用多物質(zhì)ALE算法，巖石和填塞物采用Lagrange算法，進(jìn)行流固耦合。數(shù)值模擬采用cm-g-μs單位制。

模型總高度為2000cm，底面積為2000cm×1500cm，此為空氣尺寸，與之耦合的巖土高度為1750cm，同心底面積為1750cm×1200cm，藥柱半徑為31cm，總高度為1000cm，其余高度為填塞高度。

炸藥采用耦合裝藥，起爆點(diǎn)在底部。建模時(shí)采用全尺寸建模。模型的外表面和上表面采用透射邊界。乳化炸藥及巖石參數(shù)如表2、表3。

表2乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

密度ρ

/（kg/m3）爆速D

/（m/s）爆壓PCJ

/GPaA/GPaB/GPa120045007.62326.425.8089R1R2ωE0/GPaV05.801.560.572.67281.0表3巖石的巖石力學(xué)參數(shù)

密度ρ/

（kg/m3）楊氏模量

E/ GPa泊松比μ屈服強(qiáng)度

M/Pa330032.500.2570切線模量ET/GPaβ參數(shù)C/（S-1）參數(shù)P6.710.52.54.03.模擬結(jié)果及分析

圖1、圖2、圖3分別為巖體底部炮孔中心監(jiān)測點(diǎn)（A點(diǎn)）、底部巖體表面易出現(xiàn)大塊部位（B點(diǎn)）和頂部巖體表面易出現(xiàn)大塊部位（C點(diǎn)）的應(yīng)力時(shí)程圖。

圖1A點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程

從圖中可以看出，底部巖體由于在起爆點(diǎn)附近，受到的應(yīng)力大，達(dá)到108MPa，因此爆破效果好，大塊少；底部巖體表面與頂部巖體表面由于爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖體內(nèi)反射與疊加，隨著傳播距離的變大而衰減，因此所受到的應(yīng)力較小，約20～30MPa，所以，底部表面與頂部表面易出現(xiàn)大塊。

模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果相吻合，在巖體底部表面和頂部表面易出現(xiàn)大塊。

圖2B點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程

圖3C點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程

4.結(jié)論

當(dāng)前，爆破仍然是露天礦開采的主要手段，合理的爆破參數(shù)選取可以有效避免爆破飛石、爆破沖擊波以及爆破振動(dòng)帶來的危害，同時(shí)可以降低后續(xù)二次開采的成本，因此，爆破參數(shù)的選取至關(guān)重要。通過軟件模擬可以判斷爆破參數(shù)的選取是否合理，從而節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，降低了二次爆破開采帶來的安全隱患。

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