铜绿山矿井下深孔爆破孔网参数数值模拟研究

余仁兵，陈 震 ，曾 勇 ，郑金鹏 ，熊国雄 ，史秀志

(1.大冶有色金属集团控股有限公司， 湖北 黄石市 4355005；2.中南大学， 湖南 长沙 410083)

铜绿山矿井下深孔爆破孔网参数数值模拟研究

余仁兵1，陈 震2，曾 勇1，郑金鹏1，熊国雄1，史秀志2

(1.大冶有色金属集团控股有限公司， 湖北 黄石市 4355005；2.中南大学， 湖南 长沙 410083)

针对铜绿山矿大直径深孔落矿工艺中出现的大块落矿、采场漏斗堵塞、超爆超采等现象，借鉴其他矿山的生产实践经验，提出采用小孔径和小药量的爆破方案，并通过ANSYS/LS-DYNA软件对165,127,110 mm三种不同直径炮孔不耦合装药结构简化模型进行了数值模拟。通过观察模型中单元有效应力的分布和传播规律，并在岩石材料中添加失效准则关键字，观察爆炸漏斗的窿形，得出各直径炮孔的最佳孔网参数。

深孔爆破；孔径；孔网参数；数值模拟

0 引 言

地下矿山大直径深孔采矿法在回采的过程中常通过加大炮孔直径结合加大抵抗线来增加爆破量，同时减小炮孔间距用以改善碎岩块度。但是，铜绿山矿深孔爆破采场生产实践表明：大直径落矿工艺在应用中常出现超级大块、采场漏斗堵塞、超爆超采等现象，并且采用大药量爆破对矿岩边界破坏很大，导致相邻采场回采不安全。

针对现场实际情况，需要改变现有的爆破工艺，在保证爆破质量的情况下，保护相邻矿体矿岩的完整和稳固。借鉴众多其他矿山的生产实践经验，解决这一问题最直接有效的办法就是减小炮孔直径和降低单孔装药量，从而减小爆炸应力波对被保护体的冲击作用。孔径的减小必然导致原有的孔网参数的改变，本文运用ANSYS/LS-DYNA有限元动力分析软件确定与多种孔径相配套的孔网参数，为实际生产中孔网参数的选取提供理论依据。

1 孔网参数选取范围计算

孔网参数是指回采落矿时炮孔的布置方式和相对位置的参数，它主要包括孔间距、排间距、炮孔直径、孔深以及密集系数等。这些参数都直接影响着炸药能量在岩体中的分布状况，决定着破岩落矿的质量。

从大直径深孔采场采矿方法方面分析，其孔网参数具有以下特点：

(1)大直径深孔采矿法对凿岩要求较高，炮孔直径一般为110～165 mm，炮孔偏斜率在1%之内;

(2)在上部凿岩硐室采用大直径潜孔钻机设备钻凿下向平行深孔;

(3)根据钻机的有效凿岩深度，确定矿块高度，炮孔深度一般为40～60 m；

(4)孔距、排距的确定必须以爆破漏斗试验为依据，确定合理的药包爆破参数和炸药匹配，以获得最佳爆破效果。

根据铜绿山矿某试验采场的实际情况，在采场结构方面，有以下几点已经确定：采场垂直走向布置，采场宽10 m，长58 m，高31.5 m。沿采场轴线方向平行布置两条上部凿岩硐室，断面尺寸为4 m×3.5 m，硐室之间留2 m宽的条柱。需要优化的主要参数有：孔径、孔距和排距。

根据采用乳化油炸药进行的系列爆破漏斗试验，得出铜绿山矿的临界药包埋置深度N=3.05 m，最佳药包埋置深度d=1.25 m，应变能系数E=1.85。通过公式(1)换算出165，127 mm和110 mm这3种孔径的最佳埋置深度。

D=ΔEW1/3

(1)

式中：D为药包最佳埋置深度，m；Δ为最佳比例埋深，Δ=0.41；W为每米装药量，考虑采用不耦合的装药结构，不耦合系数选1.27，乳化炸药密度为1200 kg/m3，计算Φ165 mm,Φ127 mm和Φ110 mm炮孔每米装药量分别为16，9.5 kg和7 kg。

经换算，上述3种孔径的最佳埋置深度D分别为1.90，1.60 m和1.50 m，大直径深孔爆破炮孔密集系数取值1～1.5D，则3种孔径的孔网参数选取范围分别为：(1.9～2.8) m×(1.9～2.8) m，(1.6～2.4) m×(1.6～2.4) m和(1.5～2.2) m×(1.5～2.2) m。

2 孔网参数数值建模

2.1 数值模型

根据大直径深孔采场炮孔的实际布置规律，通常沿采场轴线方向需布置4排垂直深孔，这4排炮孔的孔网参数又根据炮孔直径、采场的矿岩性质以及上部硐室结构选取。

爆破工艺上采用球状药包拉竖向切割槽和柱状药包侧向崩矿联合爆破方案。为了简化模型，重点以炮孔间距为变量确定最佳的孔网参数，本文假设切割槽已经拉开，即爆破模型拥有两个自由面(正前面和底面)；单独选取中间第2、3排的炮孔为研究对象，炮孔直径选取165，127 mm和110 mm三种；两孔之间的距离即为排距。根据工程实际经验，上一次爆破炮孔爆炸形成本次的自由面，近似的认为本次爆破炮孔至自由面的距离即为孔距；采用径向不耦合装药结构装药，假设药卷长度为每条0.5 m，一般装药3条；165，127 mm和110 mm三种炮孔填塞长度选取分别为1.4，1.2 m和1.0 m；为消除模型边界对计算结果的影响，建立的三维模型的大小为：12 m×6 m×7 m，如图1所示。

图1 孔网参数数值模拟模型

根据工程实际经验，一般炮孔的排距和孔距相差不大，因此首先以等排距孔距的方式布孔，依据上上述孔网参数的选取范围，每种直径炮孔的排距和孔距先取一个相等的较小值进行模拟，若两孔间未出现三角脊柱则排距和孔距同时增加0.2 m；若两孔间出现三角脊柱说明可确定最佳排距，然后根据自由面处有无悬挂三角脊柱情况，减小或增大0.2 m孔距以确定最佳孔距。通过上述方法确定不同直径炮孔所对应的最大的排间距和孔间距，破岩块度较好同时破岩的体积最大，炸药利用率最高，因此最大的排间距和孔间距即是最佳孔网参数。

2.2 网格划分及约束条件

模型的网格均选用SOLID164实体单元扫略方式划分，采用ALE算法，设置炸药单元为Euler网格，岩石单元为Lagrange网格，不同直径和孔网参数模型的网格密度基本保持一致。除正前面和底面为自由边界外，其他边界设定为无反射边界条件，认为模型处于半无限空间状态，这样可防止其他边界反射的应力波对计算结果产生影响。

2.3 材料参数

炸药为乳化炸药，选用LS-DYNA内嵌的高能材料本构模型，定义关键字为MAT_HIGH_EXPLO-SIVE_BURN，乳化炸药的材料参数及JWL状态方程参数如表1所示；矿石选用塑性随动模型，定义关键字为MAT_PLASTIC_KINEMATIC，其材料参数如表2所示；假设炮孔两端堵塞良好，可将炮孔填塞物也视其为矿石。

2.4 失效准则

当药包埋置在近自由面的岩体中时，药包爆炸除了产生内部裂纹的破坏作用外，还会在自由面处产生破坏作用,根据应力波反射原理，爆炸压缩波抵达自由面时产生反射拉伸波，由于岩石抗拉强度远远低于抗压强度，岩石被拉断，随着反射拉伸波的传播，岩石将从自由面至药包方向形成“片落”现象。爆生气体产物的不断膨胀，使岩体内裂纹连续扩展，岩体自由面处形成“鼓包”，当最小抵抗线小于一定值时“鼓包”破裂，爆生残余气体将破碎岩块抛出，形成爆堆。

由于LS-DYNA软件无法模拟爆生气体对岩石的抛掷作用，为了直观的显示不同孔网参数的破岩效果，采用Von Mises有效应力对岩体破坏进行研究分析，在岩石材料上添加失效准则关键字MAT_ADD_EROSION。研究表明，岩石的爆破主要是因为其受到的有效应力值高于动载抗拉强度，若岩体内单元体因此屈服，则单元体消失，若岩体内单元体不屈服，则单元体保留，通过这种方法可以清晰的观察到爆破破岩后岩石的窿形。

3 爆炸数值模拟结果分析

3.1 有效应力的分布

某种孔网参数的爆炸模型在不同时刻的有效应力传播如图2所示，可观察到，炸药爆炸激发柱状冲击波以药卷为中心向岩体内四周传播；在时间约为750 μs之后，两炮孔药包的有效应力开始叠加；在时间约为1250 μs时，有效应力波抵达自由面并发生反射，反射波与入射波相互叠加，在自由面处产生应力集中；在时间约为2500 μs之后，有效应力波逐渐衰减，其强度已经不能使岩石破碎。

表1 乳化炸药材料参数及JWL状态方程参数

表2 矿石的岩石力学参数

图2 爆炸模型有效应力分布

3.2 爆炸漏斗窿形分析

首先采取等排距和孔距的孔网参数模型，这些模型可以观察到随着排距的增加，孔与孔之间应力叠加破岩效果越来越差，当排距为一定宽度时，两孔中间位置出现较为明显的三角脊柱,如图3(a)所示，这是产生大块的直接原因，说明此排距已经不合适，比之较小的排距为最佳排距；随着孔距的增加，爆炸应力入射波和反射波在自由面处叠加,破岩效果越来越差，当孔距为一定宽度时，自由面处悬挂较为明显的三角脊柱,如图3(b)所示，说明此孔距已经不合适，比之较小的孔距为最佳孔距。然后在此基础上再进行1～2组非等排距和孔距的孔网参数模型的数值模拟试验，得出最佳孔网参数的爆炸漏斗窿形，如图3(c)所示。

图3 不同孔网参数模型爆炸漏斗窿形

一共做了19组爆炸模型，分别模拟了165，127 mm和110 mm 3种炮孔不同孔网参数的爆炸漏斗窿形，模拟结果如表3～5所示。165 mm直径炮孔爆破的最佳孔网参数为3.0 m×2.6 m(实际生产中，孔网参数为3.0 m×2.5 m)；127 mm直径炮孔爆破的最佳孔网参数为2.6 m×2.6 m；110 mm直径炮孔爆破的最佳孔网参数为2.4 m×2.2 m。

4 结 语

不同孔径药量的爆破模型相对比，随着孔径的减小，单孔药量也减小，模型中的有效应力的分布和爆炸的损伤范围(爆炸漏斗窿形)均减小，说明采用小孔径爆破可以很好的改善爆破效果，降低爆破危害，有效的保护采场结构以及充填体的稳固。数值计算分析结果不仅从机理上分析了爆炸碎岩的全过程，而且对不同孔网参数进行分析比较，对现场实际生产过程中参数的设置有很大的指导意义。

但是由于采场仅有部分的材料性质和强度参数，而没有原岩应力和不连续面特性等信息，数值分析建模还需要做进一步的细化和改善，以期获得更加精细和合理的参数。同时，在实际工程设计中，还要根据现场的爆破条件和反馈信息及时调整孔网参数，以获得较好的爆破效果。

表3 165 mm炮孔不同孔网参数的爆炸漏斗窿形统计

表4 127 mm炮孔不同孔网参数的爆炸漏斗窿形统计

表5 110 mm炮孔不同孔网参数的爆炸漏斗窿形统计

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2013-08-23)

余仁兵(1975-)，男，汉族，湖北枣阳人，本科，高级工程师，主要从事采矿技术及管理工作。