湖北三鑫金銅礦扇形中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究*

殷錦訓(xùn)，王 維，游喻豪，柯 波，任高峰

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；2.湖北三鑫金銅股份有限公司，黃石 435100)

國(guó)內(nèi)外金屬礦山地下開(kāi)采廣泛采用扇形中深孔爆破方法進(jìn)行回采，此法具有機(jī)械化程度高、破巖效率高和回采成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[1]。湖北三鑫金銅礦深部開(kāi)采采用扇形中深孔爆破方法破巖，但是存在大塊率高、縮口嚴(yán)重等問(wèn)題，大大影響了開(kāi)采效率；爆破破巖效果是影響地下礦開(kāi)采效率的關(guān)鍵因素，而影響爆破效果的關(guān)鍵在于爆破參數(shù)的優(yōu)化。因此，十分有必要對(duì)三鑫金銅礦的扇形中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行細(xì)致研究。

一直以來(lái)，學(xué)者們都很關(guān)注對(duì)于爆破參數(shù)優(yōu)化的研究。傳統(tǒng)的研究方法一般為經(jīng)驗(yàn)類比法和爆破漏斗試驗(yàn)法，比如郭學(xué)庭等根據(jù)地質(zhì)調(diào)查得到的圍巖等級(jí)和考慮巖體節(jié)理分布經(jīng)驗(yàn)化的設(shè)計(jì)了掘進(jìn)巷道光面爆破的優(yōu)化方案[2]；文興等通過(guò)在井下現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展系列單孔爆破漏斗試驗(yàn)[3]，對(duì)深部采場(chǎng)大直徑深孔爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；羅旬良等通過(guò)長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定出高含水巖石爆破現(xiàn)場(chǎng)最佳參數(shù)[4]；祝自偉等依托杏山鐵礦中深孔機(jī)械化裝藥爆破工藝[5]，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法優(yōu)化了中深孔精準(zhǔn)爆破技術(shù)工藝，提高了爆破質(zhì)量；周宗紅等通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和礦山生產(chǎn)實(shí)際優(yōu)化了深孔爆破參數(shù)[6]，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。以上傳統(tǒng)方法對(duì)于爆破參數(shù)的優(yōu)化研究取得了良好的效果，但是其也存在著效率不高和研究成本高等先天缺陷。隨著計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬軟件建立炮孔布置方式數(shù)值模型，進(jìn)而研究爆破效果的方法愈發(fā)得到認(rèn)可。莫超等運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件對(duì)不同孔底距和不同最小抵抗線的深孔爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定了爆破參數(shù)的合理范圍[7]；劉益超等基于Floyd算法建立中深孔爆破扇形炮孔排面優(yōu)化設(shè)計(jì)算法模型優(yōu)化了炮孔布置方案[8]；李志鵬等利用數(shù)值模擬技術(shù)驗(yàn)證了可以利用淺孔改善深孔露天臺(tái)階爆破孔口部分爆破效果[9]，為減少孔口大塊提供了技術(shù)支持；劉愛(ài)興等運(yùn)用LS-DYNA軟件模擬不同孔底抵抗線扇形深孔爆破過(guò)程[10]，得出爆破對(duì)充填體的損傷規(guī)律；戴林等開(kāi)展不同孔距﹑坡頂距對(duì)爆破效果影響的數(shù)值模擬研究[11]，有效改善了黑山露天煤礦爆破效果,提高了采礦施工效率3%以上；Sofien等通過(guò)聚類分析對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)[12]，隨后通過(guò)主成分分析方法研究不同巖石參數(shù)對(duì)爆破的影響；Monjezi等借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、炸藥性能、孔網(wǎng)參數(shù)與爆破后沖的關(guān)系[13]，優(yōu)化爆破參數(shù)，減輕爆破后沖的破壞，優(yōu)化效果明顯。

綜上所述，在前人對(duì)于礦山爆破參數(shù)優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上，隨著現(xiàn)代化研究技術(shù)的發(fā)展，利用有限元模擬軟件結(jié)合礦山工程實(shí)際研究爆破效果的方法已經(jīng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用并取得了許多良好的研究成果，能夠高效、低成本的解決爆破參數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題。以降低三鑫金銅礦扇形深孔爆破后大塊率為核心，采用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件建立現(xiàn)場(chǎng)炮孔布置方式計(jì)算模型，并在模型關(guān)鍵位置設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)單元，全方位有針對(duì)性的對(duì)爆破過(guò)程中炮孔周圍應(yīng)力變化、損傷區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算研究，初步確定最優(yōu)爆破參數(shù)后在實(shí)際采場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，將得到驗(yàn)證后的參數(shù)應(yīng)用于礦山后續(xù)生產(chǎn)，提高礦山生產(chǎn)效率，帶來(lái)良好經(jīng)濟(jì)效益。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

1.1 模型參數(shù)選擇

孔底距和排間距是影響扇形中深孔爆破塊度分布的兩個(gè)關(guān)鍵因素，因此對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。根據(jù)爆破漏斗試驗(yàn)中初選的孔網(wǎng)參數(shù)，選取1.4 m、1.6 m、1.8 m三種不同孔底距和1.6 m、1.8 m、2.1 m三種不同排間距進(jìn)行爆破模擬分析。遵循最優(yōu)孔底距和最優(yōu)排間距設(shè)計(jì)原理，先模擬不同孔底距之間爆破效果優(yōu)劣確定出最優(yōu)孔底距，然后在最優(yōu)孔底距的情況下改變排間距大小進(jìn)行模擬，最終確定最優(yōu)排間距的大小。

在保證能夠達(dá)到計(jì)算精度和模擬目的的前提條件下，考慮節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間因素，建立一個(gè)準(zhǔn)三維模型，厚度為10 mm，網(wǎng)格劃分為一層單元，取單排炮孔中最具代表性的兩個(gè)炮孔進(jìn)行模擬，應(yīng)用軟件中的無(wú)反射邊界條件減小模型尺寸。圖1和圖2分別為扇形孔爆破孔底距計(jì)算模型簡(jiǎn)圖和排間距計(jì)算模型簡(jiǎn)圖。

圖 1 扇形孔爆破孔底距計(jì)算模型簡(jiǎn)圖(單位：m)

圖 2 扇形孔爆破排間距計(jì)算模型簡(jiǎn)圖(單位：m)

1.2 材料參數(shù)選擇

建立爆破數(shù)值模型需要選取炸藥和巖石相關(guān)參數(shù)。

1.2.1 炸藥材料模型

高能炸藥材料模型(MATHIGH EXPLOSIVEBURN)可以實(shí)現(xiàn)模擬乳化炸藥材料的模擬，模擬起爆順序?yàn)榉聪蚩椎灼鸨鶕?jù)礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案，JWL(Jones-Wilkins-Lee)EOS狀態(tài)方程模擬炸藥起爆過(guò)程中壓力P和爆轟體積V之間的關(guān)系，如下

(1)

式中:A、B、R1、R2、ω為試驗(yàn)確定的常數(shù);p表示作用于巖體的壓力;V表示爆炸產(chǎn)物的相對(duì)體積;E0表示初始內(nèi)能密度。

根據(jù)炸藥性質(zhì)確定各參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 炸藥參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)

1.2.2 礦巖材料模型

礦山深孔爆破時(shí)，因巖石具有各向異性和非均質(zhì)性等特性會(huì)造成炮孔周圍巖體產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變變化。為研究爆破后巖體裂紋擴(kuò)展情況，采用LS-DYNA中的J-H材料模型，該模型是一種適用于研究礦巖等脆性材料破壞過(guò)程的本構(gòu)模型。根據(jù)礦山地質(zhì)資料，采區(qū)礦巖巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，表中其他參數(shù)為材料常數(shù)。

表 2 礦巖材料基本參數(shù)

1.3 礦巖材料屈服準(zhǔn)則

礦巖的屈服準(zhǔn)則是判斷巖石是否破裂的依據(jù)，選擇Mises屈服準(zhǔn)則作為巖石屈服準(zhǔn)則。Mises屈服條件是指在一定的變形條件下，當(dāng)受力物體內(nèi)某一單元體的等效應(yīng)力達(dá)到巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)為該單元體處巖石就開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)[14]。

在爆破過(guò)程中，在炮孔周圍由近到遠(yuǎn)分別為巖石破碎區(qū)、裂隙區(qū)、震動(dòng)區(qū)。巖石發(fā)生破壞的只有壓碎區(qū)和裂隙區(qū)，壓碎區(qū)距離炮孔較近，巖石主要受壓縮破壞，破碎程度很高；裂隙區(qū)的爆轟波能量較小，巖石的破壞形式變?yōu)椴煌较虮Z波所致拉裂破壞[15]。由于破壞能量較小，裂隙區(qū)易產(chǎn)生大塊，所以需在裂隙區(qū)布置觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)該點(diǎn)是否發(fā)生破壞。

巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)參照前人研究取值，一般礦巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度可用下式表示

σtd=(4～8)σt

(2)

式中：σtd為巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；σt為巖石的單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，620中段采區(qū)礦巖單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度為8.0 MPa，取巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度為40 MPa。

2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

2.1 孔底距數(shù)值模擬分析

不同孔底距模擬應(yīng)力波傳播規(guī)律大致相同，選取具有代表性的1.6 m孔底距時(shí)有效應(yīng)力在不同時(shí)刻的分布情況見(jiàn)圖3。

圖 3 1.6 m孔底距爆破有效應(yīng)力分布圖

從圖3各具代表性步時(shí)有效應(yīng)力云圖可以看出應(yīng)力傳播過(guò)程可分為四個(gè)過(guò)程：

(1)高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生

在t=199.68 μs時(shí)，炸藥在炮孔底部起爆后，應(yīng)力波迅速向四周擴(kuò)散，在起爆點(diǎn)附近產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)，礦巖被瞬間壓碎；應(yīng)力波外輪廓呈倒水滴形，此時(shí)兩個(gè)炮孔爆破形成的應(yīng)力波相互獨(dú)立傳播。

(2)高應(yīng)力區(qū)疊加，低應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)

在t=259.63 μs時(shí)，由于爆轟波的不斷產(chǎn)生，應(yīng)力波的形狀改變?yōu)樾男?，高?yīng)力區(qū)在炮孔中間區(qū)域開(kāi)始疊加，整體輪廓類似字母W形，靠近孔底部分區(qū)域應(yīng)力出現(xiàn)衰減，開(kāi)始出現(xiàn)低應(yīng)力區(qū)。

(3)高應(yīng)力區(qū)移動(dòng)，低應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大

在t=799.91 μs時(shí)，隨著爆炸的進(jìn)一步進(jìn)行，高應(yīng)力區(qū)繼續(xù)以W形輪廓由孔底向孔口方向移動(dòng)，應(yīng)力值由于疊加效應(yīng)也有增大，相比之前高應(yīng)力區(qū)域大部分在炮孔之間，現(xiàn)在炮孔外側(cè)高應(yīng)力區(qū)域增大，低應(yīng)力區(qū)繼續(xù)在炮孔底部區(qū)域擴(kuò)大。

(4)高應(yīng)力區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大

在t=1649.9 μs時(shí)，爆轟波抵達(dá)孔口，高應(yīng)力區(qū)分布在兩炮孔周邊位置，呈現(xiàn)出較規(guī)則漏斗形狀并隨著應(yīng)力波向外擴(kuò)大。

炮孔爆破過(guò)程中，爆破有效應(yīng)力值是隨著時(shí)間逐步增大，從圖4爆破過(guò)程最大有效應(yīng)力分布圖可以直觀看出兩炮孔底部區(qū)域有效應(yīng)力最小，因此解決大塊問(wèn)題的關(guān)鍵在于炮孔底部區(qū)域礦巖得到有效破碎。在數(shù)值模型上設(shè)置A、B兩個(gè)最大有效應(yīng)力監(jiān)測(cè)單元，位置如圖1所示。

圖 4 爆破過(guò)程最大有效應(yīng)力分布圖

監(jiān)測(cè)單元A位于炮孔底部連線的中心，監(jiān)測(cè)單元B位于炮孔外側(cè)，與A點(diǎn)同一高度，兩點(diǎn)離炮孔孔底距離相同。監(jiān)測(cè)單元最大有效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖 5 a=2.1 m記錄單元有效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

讀取有效應(yīng)力曲線上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力值見(jiàn)表3。當(dāng)孔底距a為2.1 m時(shí)，記錄單元A、B的最大有效應(yīng)力為70 MPa、41 MPa，大于礦巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度40 MPa，炮孔中間的礦巖都會(huì)被充分破碎；但是B單元的最大有效應(yīng)力值已經(jīng)很接近礦巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明孔底距2.1 m是保證炮孔底部區(qū)域巖石充分破碎前提的最優(yōu)孔底距。通過(guò)LS-prepost后處理獲得模型損傷云圖如圖6，可以看出：當(dāng)孔底距由1.6 m增加到2.1 m時(shí)，巖石的整體損傷區(qū)面積隨著孔底距的增大逐漸增大，兩個(gè)炮孔之間的巖石都可以得到有效破壞，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了最優(yōu)孔底距為2.1 m的結(jié)論。

表 3 不同孔底距模型記錄單元的最大有效應(yīng)力

圖 6 LS-prepost孔底距模型損傷云圖

2.2 排間距數(shù)值模擬分析

在最大孔底距2.1 m保持不變的條件下建立排間距分別為1.4 m、1.6 m、1.8 m模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，3次不同排間距模擬結(jié)果應(yīng)力波傳播規(guī)律大致相同，圖7為排間距為1.4 m時(shí)炸藥起爆后，有效應(yīng)力在不同時(shí)刻的分布情況。

炸藥爆炸后應(yīng)力波從起爆點(diǎn)開(kāi)始向四周傳播，199.97 μs時(shí)，因建模時(shí)假設(shè)礦巖材料為均質(zhì)材料，所以爆炸應(yīng)力波呈標(biāo)準(zhǔn)的圓形向外擴(kuò)散；299.88 μs時(shí)，兩個(gè)炮孔的爆炸應(yīng)力波開(kāi)始相遇，有效應(yīng)力相互疊加，應(yīng)力波抵達(dá)左側(cè)自由面；349.82 μs時(shí)，部分應(yīng)力波在左側(cè)自由面反射，在自由面形成霍普金森效應(yīng)式拉裂，使得應(yīng)力波沿裂隙衰減很快；399.92 μs時(shí)，應(yīng)力波擴(kuò)散到整個(gè)模型范圍，并逐漸衰減，因自由面附近存在反射應(yīng)力波與爆炸應(yīng)力波抵消效應(yīng)，所以應(yīng)力消減最快，但是自由面附近巖石主要為拉應(yīng)力破壞，破碎效果良好；699.96 時(shí)，炮孔周圍以外區(qū)域的應(yīng)力波已非常微弱。

炮孔連心線的中垂線區(qū)域是爆炸應(yīng)力波作用時(shí)間最短區(qū)域，從以上各圖也可看出該區(qū)域的有效應(yīng)力波值較小。在炮孔連心線的中垂線上設(shè)置四個(gè)監(jiān)測(cè)單元，即圖2中A、B、C、D監(jiān)測(cè)單元，用以記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖8，最后與礦巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度比較，以判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)處礦巖是否發(fā)生破壞。

將圖8中各監(jiān)測(cè)單元的最大有效應(yīng)力列入表4。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著排間距的增大，各監(jiān)測(cè)單元的有效應(yīng)力最大值逐漸降低，當(dāng)排間距為1.6 m和1.8 m時(shí)，C、D兩點(diǎn)的有效應(yīng)力的最大值均小于礦巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度40 MPa，該單元附近巖體不能得到有效破壞；當(dāng)排間距為1.4 m時(shí)，各點(diǎn)最大有效應(yīng)力值均大于礦巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明最優(yōu)排間距為1.4 m。通過(guò)LS-prepost后處理獲得模型損傷云圖如圖9，可以看出：隨著排間距的增大，炮孔間應(yīng)力波疊加的效果變差，巖石的整體損傷區(qū)面積減小，當(dāng)排間距為1.8 m時(shí)，兩個(gè)炮孔損傷區(qū)沒(méi)有連通，炮孔之間的礦巖未得到有效破壞，易產(chǎn)生大塊。當(dāng)排間距為1.4 m時(shí)，爆破效果明顯優(yōu)于大排間距，炮孔之間的巖石得到了有效破壞，因此最優(yōu)排間距取1.4 m是合理的。

3 工程實(shí)踐

根據(jù)數(shù)值模擬所確定的最優(yōu)采場(chǎng)爆破參數(shù)，最優(yōu)孔底距2.1 m，最優(yōu)排間距1.4 m，在三鑫金銅礦-609 m水平621采場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為進(jìn)一步驗(yàn)證最優(yōu)爆破參數(shù)，設(shè)置三組不同孔網(wǎng)參數(shù)對(duì)比組試驗(yàn)。

湖北三鑫金銅礦-609 m水平621采場(chǎng)巖性主要為礦體和部分蝕變的閃長(zhǎng)紛巖、矽卡巖，裂隙發(fā)育較少，巖體穩(wěn)定性好，與開(kāi)采地段的巖體性質(zhì)基本一致。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鑿巖采用YGZ-90型鑿巖機(jī)，孔徑75 mm，從孔底反向起爆，采用垂直上向扇形布孔，邊孔角為5°，為中深孔爆破。試驗(yàn)每次起爆兩排炮孔，每排炮孔的布置示意圖如圖10所示，為避免偶然性設(shè)置3組模擬最優(yōu)參數(shù)爆破試驗(yàn)，另根據(jù)控制變量法原理分別設(shè)置三組對(duì)比試驗(yàn)。

圖 10 炮孔布置示意圖

爆破大塊率是評(píng)價(jià)爆破效果的重要指標(biāo)，通常結(jié)合礦山采掘、運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備規(guī)格進(jìn)行確定，如果塊度的尺寸在規(guī)格要求內(nèi)，則屬于合格塊度。三鑫金銅礦溜井上面設(shè)有格篩規(guī)格是450 mm×450 mm，它要求礦石最大尺寸不能超過(guò)450 mm。本次試驗(yàn)采用礦量法測(cè)定爆破大塊率。各排炮孔的爆破參數(shù)及爆破大塊率統(tǒng)計(jì)如表5所示，礦山實(shí)際生產(chǎn)大塊率為10%左右，采用數(shù)值模擬參數(shù)試驗(yàn)爆破大塊率降為6%，大塊率降低40%，相比不同孔底距、排間距和排面角的三組對(duì)比試驗(yàn)大塊率也更低，試驗(yàn)爆破效果較之前生產(chǎn)情況有了很大提升，礦巖的爆破塊度適中，大塊率低，驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表 5 爆破參數(shù)及爆破效果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

湖北三鑫金銅礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中扇形中深孔爆破存在大塊率高、縮口嚴(yán)重等問(wèn)題。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件對(duì)不同孔網(wǎng)參數(shù)的中深孔爆破過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出如下結(jié)論：

(1)現(xiàn)場(chǎng)扇形中深孔爆破產(chǎn)生大塊的原因是分布于炮孔中上部低應(yīng)力區(qū)內(nèi)的Von Mises有效應(yīng)力峰值小于其巖石最大動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致該區(qū)域的巖石無(wú)法得到充分破壞。

(2)通過(guò)對(duì)不同排間距、孔底距模型上監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力云圖、最大有效應(yīng)力值和損傷云圖的分析，確定出三鑫金銅礦扇形中深孔爆破的最優(yōu)孔網(wǎng)參數(shù)：最優(yōu)間距1.4 m，最優(yōu)孔底距2.1 m。

(3)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證在相同炸藥單耗的情況下，更優(yōu)的孔底距、排間距設(shè)計(jì)能夠有效的降低扇形中深孔爆破的大塊率高、縮口嚴(yán)重的問(wèn)題。對(duì)于存在類似問(wèn)題的地下金屬礦山開(kāi)采具有一定參考價(jià)值。