高臺(tái)階金屬礦山爆破研究與應(yīng)用

曹 俊

(山西中條山有色金屬集團(tuán)有限公司， 山西 垣曲 043700)

1 前言

由于爆破內(nèi)部的過程難以可視化，隨著科技的發(fā)展，計(jì)算模擬手段得到很大的應(yīng)用。相關(guān)研究學(xué)者對(duì)延期爆破效果進(jìn)行深入研究，陳士海，胡帥偉，初少鳳[1]根據(jù)振動(dòng)波的特點(diǎn)，研究裝藥結(jié)構(gòu)以及微差時(shí)間變化對(duì)爆破振動(dòng)的影響。岳中文，張士春，邱鵬，等[2]采用激光動(dòng)態(tài)焦散線對(duì)不同組切縫藥包微差爆破孔間裂紋的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行研究。以上文獻(xiàn)[3-7]大多都圍繞爆破振動(dòng)波、沖擊波與爆轟波對(duì)破碎方面進(jìn)行各自的研究分析，并多以孔內(nèi)起爆位置的作用機(jī)理和試驗(yàn)分析研究為主，針對(duì)高臺(tái)階柱狀藥包孔內(nèi)微差起爆的應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律的變化研究較少。因此，通過合理設(shè)置孔內(nèi)延期時(shí)間，充分利用爆轟波、沖擊波碰撞進(jìn)行調(diào)整炸藥爆炸能量的分布，分析孔內(nèi)起爆應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律指導(dǎo)不同工程的實(shí)際需要很有必要性。結(jié)合山西某金屬礦高臺(tái)階擴(kuò)幫爆破，引用文獻(xiàn)[3]中的沖擊波經(jīng)驗(yàn)公式表示爆炸過程中沖擊波超壓變化規(guī)律，分析其破巖機(jī)理，揭示應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律。

2 延期時(shí)間以及破巖理論

面的形成時(shí)間為基礎(chǔ)，對(duì)哈努卡耶夫公式進(jìn)行孔內(nèi)延期的計(jì)算

t=2w/cp+w/utr+s/ur

(1)

式中：t——孔內(nèi)延期時(shí)間；

w——底盤線；

cp——縱波速度；

utr——裂縫傳播速度；

s——裂縫寬度；

ur——拋擲巖石的平均速度。

從整體分析巖石破碎：炸藥起爆后，瞬間產(chǎn)生沖擊波，孔壁處形成粉碎；短時(shí)間內(nèi)衰減為爆炸應(yīng)力波，應(yīng)力波作用于巖體中，發(fā)生巖體的壓縮、剪切和拉伸破壞；在此期間伴有熱能的傳輸，在爆生氣體作用下貫通裂隙使得巖體發(fā)生膨脹、對(duì)裂隙的擠壓等綜合作用。巖石發(fā)生破壞應(yīng)該滿足Mises屈服條件為σs≤[σ]，巖石屈服強(qiáng)度為

(2)

式中：σs——巖石屈服強(qiáng)度；

σ1——第一主應(yīng)力；

σ2——第二主應(yīng)力；

σ3——第三主應(yīng)力；

[σ]——Mises應(yīng)力。

3 延期爆破模擬與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

建立1/2的高臺(tái)階模型尺寸：高度30 m、寬度20 m、縱向深度15 m，坡角75°，具體模型如圖1所示。采用cm-g-us單位制，劃分約40多萬個(gè)實(shí)體單元網(wǎng)格，并按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立起爆組合模型：B段延期(3 ms、5 ms、7 ms )+D段底部+B段頂部起爆方式，對(duì)爆破后不同時(shí)刻沖擊波作用巖石的范圍、持續(xù)達(dá)到巖石屈服時(shí)間進(jìn)行定量分析。A是上部堵塞段7 m，B是上部裝藥段6 m，C是中間填塞段5 m，D是下部裝藥段8 m。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)模型

由許多材料的動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究表明[12]，巖石的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力比靜態(tài)屈服應(yīng)力呈指數(shù)倍的增加。本文選取Cowper-Symonds關(guān)系式建立起Plastic Kinematic本構(gòu)模型，表達(dá)式為

(3)

式中:σY——巖石動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度；

ε*——應(yīng)變率；

C、P——與材料有關(guān)的常數(shù)，C=40，P=3；

σ0——初始屈服強(qiáng)度；

β——可調(diào)參數(shù)，β=1；

EP——塑性硬化模量，EP=24 MPa；

堵塞物密度ρ為1.85 g/cm3，抗拉強(qiáng)度E1=1.2 MPa，泊松比μ1=0.38，切線模量E2=0.1 MPa，屈服強(qiáng)度σp=0.8 MPa；巖石實(shí)體單元設(shè)置為*sect-lag，巖石容重ρ=2.43 g/cm3，彈性模量E3=5 MPa，泊松比μ2=0.30，抗拉強(qiáng)度E4=5.0 MPa，抗壓強(qiáng)度E5=80 MPa；孔內(nèi)間隔充填氣體采用*sect-ale，采用Mat-Null材料模型[13-15]，其他參數(shù)使用默認(rèn)，狀態(tài)方程為*EOS-001，表達(dá)形式為

p=(γ-1)ρE/ρ1

(4)

式中：p——壓強(qiáng)，MPa；

γ——絕熱指數(shù)，γ=1.4；

ρ1——空氣密度，ρ1=1.29 g/L；

ρ——此時(shí)密度；

E——比內(nèi)能。

通過米海里遜線求得炸藥密度ρ=1.2 g/cm3、爆速v=0.4 cm/μs。乳化炸藥采用JWL狀態(tài)方程，JWL方程形式為

P=A[1-w/(R1V)]e-R1V+B[1-w/(R2V)]e-R2V+wE/V

(5)

式中:P——所要求的壓力值；

E——單位體積爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能，E=50 GPa；

V——爆轟產(chǎn)物的體積大小；

A=2.14×1011，軟件中的字母代表常數(shù)；

B=1.82×109，軟件中的字母代表常數(shù)；

R1=4.15，軟件中的字母代表常數(shù)；

R2=0.95，軟件中的字母代表常數(shù)；

w=0.5，軟件中的字母代表常數(shù)。

3.1 孔內(nèi)延期的確定

模擬參數(shù)調(diào)試完好，通過改變DYNA中LS功能鍵進(jìn)行延期時(shí)間間隔為3～8 ms任意設(shè)置。為了準(zhǔn)確判斷巖石能夠破壞，根據(jù)采場(chǎng)巖樣的物理力學(xué)測(cè)試白云巖平均抗拉強(qiáng)度為5 MPa，并以此抗拉強(qiáng)度值作為Mises應(yīng)力云圖中巖體處于臨界或塑性應(yīng)變狀態(tài)的判據(jù)。圖2所示為高臺(tái)階孔內(nèi)延期3 ms起爆后，不同時(shí)刻有效應(yīng)力變化云圖。其他模型應(yīng)力云圖類似，以圖2起爆描述有效應(yīng)力云圖變化。炸藥起爆后，瞬間0.3 ms下部藥柱出現(xiàn)爆轟源,隨后爆轟波自下而上向孔頂呈梨形傳播，并且保持于坡面一定角度向坡面?zhèn)鞑?，伴隨爆轟波能量的增加到一定值后衰減，正值應(yīng)力衰減小于巖石屈服強(qiáng)度的一刻，上部裝藥段延期3 ms起爆，3.5 ms時(shí)圖中紅色代表爆轟波的能量彌補(bǔ)下部應(yīng)力衰減區(qū)域，應(yīng)力波發(fā)生碰撞持續(xù)到4.2 ms后應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，最終達(dá)到平衡。高臺(tái)階孔內(nèi)延期爆破在不同時(shí)刻的Mises應(yīng)力云圖的變化情況可知，上、下藥柱爆轟波的疊加使得巖體內(nèi)的應(yīng)力衰減的速度較前期慢，再加上炮孔內(nèi)的空氣間隔起到延長爆轟作用巖體的時(shí)間，使得巖體屈服時(shí)間得以延長，達(dá)到完美的破巖效果。

圖2 延期3 ms爆破的不同時(shí)刻等效應(yīng)力云圖

為定量分析沖擊波作用巖體變化規(guī)律，在空氣間隔段等距間隔取點(diǎn)H12021～H11981，具體如圖3所示。而空氣間隔段主要起均衡上下兩段爆轟氣體壓力峰值，引導(dǎo)上下藥柱段爆炸能量向中間擴(kuò)展，但氣體相對(duì)巖體阻力小，所以將能量有效儲(chǔ)存在空氣段中直到極限釋放能量用于破巖，起到延長爆轟氣體作用時(shí)間；由于該段沒有炸藥，爆轟能量不足，應(yīng)力分布相對(duì)較少。

圖3 空氣間隔部位等距監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖4所示為監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力曲線變化圖，孔內(nèi)延期3 ms可以達(dá)到延期5 ms、7 ms同等效果，根據(jù)圖中考察單元的整體變化，炸藥起爆后2 ms考察單元有效應(yīng)力出現(xiàn)急劇增長的趨勢(shì)，大約在2.3～2.5 ms時(shí)達(dá)到最大值，隨后呈下降變化，呈現(xiàn)波浪趨勢(shì)。3 ms后，考察單元的有效應(yīng)力再次出現(xiàn)較第一次峰值大的二次峰值，處于該位置的巖石出現(xiàn)二次破碎，該處巖石原本受到衰減的有效應(yīng)力再次出現(xiàn)疊加增強(qiáng)，起到充分的破巖的效果。4 ms后，以水波的形式繼續(xù)傳播直至衰減為0。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力時(shí)程曲線變化圖

根據(jù)三組模型得出各點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線，并將考察點(diǎn)達(dá)到有效應(yīng)力峰值采用Origin畫出變化規(guī)律，具體如圖5所示。隨著等距監(jiān)測(cè)單元距炮孔距離的增加，有效應(yīng)力峰值的整體波形均為降低的趨勢(shì)，直至某點(diǎn)達(dá)到平衡，但各考察點(diǎn)有效應(yīng)力峰值點(diǎn)不盡相同，延期3 ms下考察單元有效應(yīng)力峰值較延期5 ms、7 ms大；在0～5 m整體波形考察單元的有效應(yīng)力峰值衰減較5～12 m快，極值點(diǎn)均大于巖體屈服強(qiáng)度。隨著考察點(diǎn)距空氣柱的距離增大，考察點(diǎn)有效應(yīng)力峰值下降速率即曲線平緩程度不同，在0～6 m，延期3 ms較5 ms、7 ms曲線斜率大；6～12 m，三條曲線變化基本一致，爆炸后能量的均勻程度最為均勻，有利于爆炸能量的充分利用，結(jié)合Mises應(yīng)力云圖，最終選取延期3 ms參數(shù)進(jìn)行起爆。

圖5 等距監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效應(yīng)力峰值變化圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

將理論研究成果運(yùn)用在現(xiàn)場(chǎng)，達(dá)到理論與實(shí)踐進(jìn)行聯(lián)系。爆破效果的提升源于技術(shù)的提升，山西某金屬礦是一座國內(nèi)超大型現(xiàn)代化露天礦，以KY- 310型牙輪鉆機(jī)開采礦山，以4410大型電動(dòng)輪礦車采掘設(shè)備為主。為了達(dá)到年開采量計(jì)劃，現(xiàn)需要向北進(jìn)行擴(kuò)幫，為提高擴(kuò)幫效率，通過改造設(shè)備，1536- 1510段為原來12 m和14 m生產(chǎn)臺(tái)階并段形成的26 m高臺(tái)階，平臺(tái)寬度為8 m，一次性穿孔。此時(shí)孔內(nèi)裝藥長度隨臺(tái)階高度的加大也增加，孔內(nèi)延期起爆的參數(shù)設(shè)置僅憑經(jīng)驗(yàn)確定缺乏理論支撐。本次延期爆破參數(shù)采用有限元模擬的最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行起爆。為減弱爆破振動(dòng)的影響，孔內(nèi)延期時(shí)間設(shè)置為3 ms，排間施行分段起爆。起爆后，現(xiàn)場(chǎng)效果如圖6所示。

圖6 高臺(tái)階爆破效果效果圖

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可看出，大塊沒有，爆破后塊度均勻，整體的塊度滿足鏟車的鏟裝要求，裝車效率由原來的4′23″加快到3′30″。前沖在20 m左右，后沖和側(cè)沖由于其它未爆巖體的限制，距離比較小，在3 m左右。爆堆整體塊度破碎效果較好，爆堆拋擲距離大于25 m，現(xiàn)場(chǎng)爆破效果具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 爆破效果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

在山西某金屬礦26 m高臺(tái)階孔內(nèi)微差爆破條件下，采用有限元分析三組不同延期時(shí)間起爆的模型，得到爆炸后應(yīng)力場(chǎng)在巖體中的分布規(guī)律，并為孔內(nèi)微差起爆參數(shù)的確定提供了強(qiáng)有力的依據(jù)，并得到如下結(jié)論：

(1)有效應(yīng)力持續(xù)時(shí)間較長孔內(nèi)間隔延期3 ms起爆方式，各個(gè)考察單元有效應(yīng)力峰值最大，衰減較慢，作用巖體的時(shí)間較充分，可以將巖石充分破毀，達(dá)到理論指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

(2)由于露天礦山尤其金屬露天礦的開采水平逐年下降，露天礦邊坡高度隨之增加，露天礦山邊坡滑坡失穩(wěn)造成重大地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也逐步增加。爆破規(guī)模的增大，不可避免的會(huì)增加炸藥的使用量，爆破振動(dòng)有害效應(yīng)也會(huì)同時(shí)增加，今后的研究應(yīng)該結(jié)合邊坡進(jìn)行參數(shù)的確定。