爆破微差時(shí)間對(duì)頂柱回采效果的影響研究

曹勝祥，李小元，王發(fā)民，邱賢陽(yáng)，王遠(yuǎn)來(lái)

(1.廣西中金嶺南礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 來(lái)賓市 545999；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

研究表明，爆破過(guò)程中采用一定的延時(shí)時(shí)間，可以使依次起爆的藥包之間形成有力的相互作用，從而達(dá)到充分利用炸藥能量、改善爆破塊度、減弱爆破地震效應(yīng)的目的[1]。關(guān)于延時(shí)爆破技術(shù)增強(qiáng)爆破效果的原因，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是由于先爆藥包在爆破區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了一定的殘余應(yīng)力場(chǎng)，且先前出現(xiàn)裂隙得到充分?jǐn)U展，后續(xù)起爆的炮孔得以利用殘余應(yīng)力從而加強(qiáng)對(duì)礦巖的破碎效果，如果在間隔時(shí)間內(nèi)有新的自由面產(chǎn)生，后續(xù)炮孔爆破應(yīng)力波在自由面附近產(chǎn)生反射拉伸后會(huì)進(jìn)一步改善爆破效果[2]。

頂柱采場(chǎng)在井下主要起管理低壓地作用，其賦存環(huán)境十分復(fù)雜。其回采時(shí)產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對(duì)周邊充填體的穩(wěn)定十分不利，同時(shí)邊孔的爆破效果是影響控幫的主要因素，也展現(xiàn)了對(duì)邊幫充填體的保護(hù)能力。對(duì)于盤(pán)龍鉛鋅礦頂柱回采的爆破孔網(wǎng)參數(shù)已做過(guò)大量的優(yōu)化研究，而對(duì)爆破效果同樣影響較大的微差爆破時(shí)間還鮮少考慮。

因此，本文將采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同時(shí)間間隔下不同監(jiān)測(cè)單元的爆破振動(dòng)速度峰值以及有效應(yīng)力值進(jìn)行模擬分析，探究不同微差時(shí)間下監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力分布規(guī)律及振動(dòng)速度峰值特點(diǎn)，優(yōu)選出合理的微差爆破時(shí)間間隔范圍，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。

1 工程現(xiàn)狀

盤(pán)龍鉛鋅礦主要采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，為了維持圍巖穩(wěn)定性和管理地壓，開(kāi)采過(guò)程中遺留了大量框架式礦柱，其中頂柱礦體主要是為了支撐頂板。鑒于礦山?320 m 中段以上水平一步驟采場(chǎng)大部分已回采，導(dǎo)致井下可回采礦量逐年減少，而頂柱礦體賦存較多，在近期的采掘計(jì)劃中，頂柱采場(chǎng)占了相當(dāng)大的比例，且頂柱采場(chǎng)的礦石品位較高，頂柱采場(chǎng)的回采可調(diào)節(jié)出窿品位，平衡生產(chǎn)任務(wù)，因此頂柱采場(chǎng)的安全高效回采對(duì)礦山的整體效益及可持續(xù)發(fā)展具有積極的影響。

受開(kāi)采動(dòng)力擾動(dòng)和充填體穩(wěn)定性等因素影響，頂柱采場(chǎng)與其他采場(chǎng)相比開(kāi)采技術(shù)條件更為復(fù)雜，礦體回采難度大。頂柱回采的過(guò)程中，巖體受開(kāi)采擾動(dòng)的影響，呈現(xiàn)極其復(fù)雜的受力狀態(tài)，同時(shí)反復(fù)作用的爆破振動(dòng)較強(qiáng)、控幫質(zhì)量不高，極易造成邊幫充填體垮落或礦石損失，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)。此外，頂柱礦體開(kāi)采還面臨采切工作量大、貧化損失率較高、安全成本高、鑿巖爆破設(shè)備與出礦設(shè)備機(jī)械化智能化不高等技術(shù)難題。

2 微差爆破時(shí)間的確定原則和計(jì)算方法

眾多研究者對(duì)如何選取合理的微差間隔時(shí)間進(jìn)行了研究，取得了較多的成果[2?8]。Fish.B[2]、Kotai[3]和White H.H[4]研究得出最優(yōu)的微差間隔時(shí)間為5～25 ms；日野[5]綜合考慮自由面及爆破效果因素，得出最佳的微差間隔時(shí)間為爆生氣體的作用時(shí)間，約為10～100 ms；長(zhǎng)沙礦山研究院[6]研究得出，為了更好地利用先爆藥包產(chǎn)生的自由面及應(yīng)力波和爆生氣體的能量，最佳微差間隔時(shí)間為25～50 ms。目前對(duì)于毫秒延時(shí)間隔的選取還存在一定的爭(zhēng)議[7?8]。

本文將參考現(xiàn)有的研究結(jié)論，初步確定微差間隔時(shí)間的取值范圍，并通過(guò)LS-DYNA 模擬，比較分析不同間隔時(shí)間起爆時(shí)的應(yīng)力分布及爆破振動(dòng)，最終選出合理的微差時(shí)間。

3 微差爆破時(shí)間模擬分析

3.1 模型建立及監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取

綜合采場(chǎng)實(shí)際情況及計(jì)算機(jī)求解能力，建立了二維實(shí)體簡(jiǎn)化模型。模型尺寸為24 m×9.4 m（長(zhǎng)×寬），中間為8 m 寬的礦房采場(chǎng)，每排布置6 個(gè)Φ64 mm 的炮孔，兩側(cè)為礦柱。在模型中設(shè)置無(wú)反射邊界面，崩礦方向?yàn)樽杂擅妗Ｓ捎跓o(wú)法完全實(shí)現(xiàn)無(wú)反射，故在后處理分析時(shí)需選取合理的觀(guān)測(cè)位置和觀(guān)測(cè)點(diǎn)以達(dá)到滿(mǎn)意的結(jié)果[10?11]。在采場(chǎng)控制線(xiàn)上布置A?F 共6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在右側(cè)相鄰采場(chǎng)布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在靠近自由面處布置1～3 共3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 微差爆破模擬模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 爆破振動(dòng)分析

由表1 可知，離起爆炮孔最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)A 其振動(dòng)速度峰值變化較大，5 ms 間隔起爆時(shí)最大，為5.0511 m/s，25 m 間隔起爆時(shí)最小，為3.0860 m/s，相差超過(guò)2 m/s；通過(guò)對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)M 的振動(dòng)速度峰值可以發(fā)現(xiàn)20 ms 與25 ms 間隔時(shí)間下該單元的振速明顯小于其他間隔時(shí)間，所以在實(shí)際生產(chǎn)中選取25 ms 微差時(shí)間有利于減少爆破振動(dòng)。

表1 不同微差時(shí)間各監(jiān)測(cè)單元振動(dòng)速度峰值/（m·s?1）

由圖2 可看出，離爆破區(qū)域較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度顯著降低，而較遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度衰減較慢；隨著微差時(shí)間的變化，靠近爆破區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值變化較大，而較遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值變化較小，說(shuō)明一定的微差時(shí)間對(duì)爆破區(qū)域近處產(chǎn)生的影響較大，較遠(yuǎn)處則影響較小。由圖3可看出，較遠(yuǎn)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)維持較高振動(dòng)速度的時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明遠(yuǎn)區(qū)爆破能量主要作用在巖體的振動(dòng)上。

圖2 不同間隔時(shí)間采場(chǎng)邊幫監(jiān)測(cè)單元振速峰值

圖3 不同間隔時(shí)間采場(chǎng)邊幫監(jiān)測(cè)單元F 的振速曲線(xiàn)

3.3 微差爆破效果分析

（1）同段起爆。圖4 為同段起爆各時(shí)刻模型的爆破應(yīng)力分布狀態(tài)圖。由圖4 可知，在所有炮孔同時(shí)起爆后，爆破應(yīng)力波向四周傳播，并產(chǎn)生疊加作用，使得應(yīng)力波在炮孔與自由面之間分布均勻；在0.71 ms 時(shí)，應(yīng)力波傳至自由面并發(fā)生反射，形成拉伸波，且二者發(fā)生疊加作用；在4.73 ms 時(shí)，應(yīng)力波較大值主要集中在炮孔周?chē)?，其他區(qū)域發(fā)生很大的衰減。

圖4 同段起爆不同時(shí)刻模型的應(yīng)力分布

（2）25 ms 微差起爆。圖5 為25 ms 微差時(shí)間的模型爆炸應(yīng)力波各時(shí)刻在模型中的分布狀態(tài)圖。從圖5 可以明顯看出，在0，25 ms 時(shí)起爆的炮孔各自都產(chǎn)生了獨(dú)自的應(yīng)力波傳播圖；后起爆炮孔只在先起爆炮孔附近產(chǎn)生應(yīng)力波疊加作用，而在自由面附近的炮孔都是由爆破應(yīng)力波的作用進(jìn)行爆破，說(shuō)明25 ms 及以上的微差時(shí)間炮孔爆破可以互不干擾；模型爆破時(shí)上一次爆破的巖體應(yīng)力殘留較弱，基本保證了邊排炮孔在微差爆破時(shí)相鄰炮孔不存在應(yīng)力波疊加作用。

圖5 25 ms 起爆不同時(shí)刻模型的應(yīng)力分布

（3）關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力變化分析。由表2可以看出，從0 開(kāi)始，隨著微差時(shí)間的增加1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大有效應(yīng)力逐漸增加，間隔30 ms 時(shí)達(dá)到最大，為54.69 MPa，然后又逐漸減小，說(shuō)明一定的微差時(shí)間能改善邊排炮孔的爆破效果，保證采場(chǎng)邊幫的規(guī)整，不會(huì)產(chǎn)生鋸齒形起伏。2 號(hào)、3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力基本沒(méi)有變化，這說(shuō)明微差爆破并不會(huì)影響采場(chǎng)中間區(qū)域的爆破效果。實(shí)際中在微差時(shí)間25 ms 以上時(shí)炮孔爆破后為后爆炮孔形成了新的自由面，可以使后爆炮孔的應(yīng)力和爆生氣體得到較快的釋放，從而減少粉碎區(qū)半徑和爆破振動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到保護(hù)邊幫和減震效果。

表2 不同微差時(shí)間自由面附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力/MPa

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

將前文的研究成果應(yīng)用在頂柱回采的爆破設(shè)計(jì)中，并在井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在近期生產(chǎn)計(jì)劃中，選擇405 南—1 頂柱作為試驗(yàn)采場(chǎng)。

本次爆破炮孔的孔徑為64 mm，爆破范圍為正一排至正四排，共24 個(gè)中深孔。正排排距為1.8 m，孔底距1.3～1.8 m，排面傾角90°。采用多孔粒狀銨油炸藥，炮孔采用雙發(fā)毫秒差導(dǎo)爆管雷管起爆，孔內(nèi)全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索的裝藥結(jié)構(gòu)，雷管選擇三系列毫秒延期雷管，靠前的雷管段位延期時(shí)間為25 ms，炮孔布置如圖6 所示。

圖6 炮孔布置

爆破后，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)充填體垮落混入，頂板也較穩(wěn)固。采場(chǎng)邊幫齊整，無(wú)鋸齒狀礦體殘留，爆破塊度均勻、基本無(wú)大塊，塊度尺寸整體偏小，爆破效果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

（1）對(duì)不同微差時(shí)間爆破方案模型進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用有效應(yīng)力分析法與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度分析法對(duì)各模擬結(jié)果進(jìn)行分析及判定，得出微差爆破能降低爆破振動(dòng)，改善邊幫孔爆破效果，20～30 ms的間隔起爆時(shí)間較理想。

（2）將模擬得出的結(jié)果運(yùn)用到試驗(yàn)采場(chǎng)生產(chǎn)中，對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)的爆破效果進(jìn)行查看及評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，采場(chǎng)無(wú)充填體垮落混入，頂板也較穩(wěn)固。采場(chǎng)邊幫齊整，無(wú)鋸齒狀礦體殘留，爆破塊度均勻、基本無(wú)大塊，說(shuō)明25 ms 微差爆破時(shí)間具有很好的保護(hù)邊幫及減震效果。