采场底部结构回采爆破块度优化

张文平 胡建华 杨 春

(1.太原钢铁(集团)有限公司矿业分公司峨口铁矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

采场底部结构回采爆破块度优化

张文平1胡建华2杨 春2

(1.太原钢铁(集团)有限公司矿业分公司峨口铁矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

通过对某地下金属矿山采场底部结构回采爆破设计方案进行简化，采用控制变量法，运用显式动力分析软件LS-DYNA进行爆破参数优化，结果表明：①炮孔直径71 mm，排距2.0 m可改善该矿矿石块度分布；②仅通过增加炮孔直径无法改善矿石崩落块度。

数值模拟 参数优化 块度分布

在矿石溜放、运搬过程中不仅要确保矿石块度尺寸合理，矿石块度分布也应均匀。狭长形矿石在放矿过程中若横跨于溜井内，势必造成堵塞，矿石形状愈接近球体对放矿愈有利。当矿石块度大于溜矿井净断面直径1/3时被称为大块，且易产生堵塞。国内某地下金属矿山采场底部结构回采过程中矿石崩落块度较大，对矿石搬运极为不利。据此，以国内某地下金属矿山为例，运用显式动力分析软件LS-DYNA[1]对现有工程设计方案进行优化，改善矿石崩落块度分布，实现矿石高效搬运。

1 数值模型

1.1 模型简化

某地下金属矿山主要采用分段崩落法进行生产，部分采区预留了大量的底部结构，存有残余矿体，很大程度上造成了资源浪费。现针对残余矿体中的二步资源进行回采，传统采场爆破方案大多根据工程经验进行设计，可靠性较低，崩落矿石块度难以控制。根据现有设计方案，结合显式动力分析软件LS-DYNA对扇形孔孔径、排距进行优化，以改善崩落矿石块度分布。通过底部凿岩巷道钻凿上向扇形孔进行底部结构回采，扇形孔爆破由于孔底距较大、装药不均匀等原因，孔底区域易产生大块。因此，参数优化主要针对孔底区域。将最大孔底距确定为2.5 m，研究平面内2排炮孔间的块度分布情况。该矿山凿岩设备主要采用阿特拉斯·科普柯Boomer K41掘进凿岩台车，根据该矿现有的凿岩设备，设置2组模型，如表1所示。计算采用流固耦合算法，通过控制变量法对模拟结果进行对比分析。

1.2 材料参数

采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC弹塑性材料模型[2]进行分析，参数见表2。

表1 模型分组

表2 矿石物理力学参数

采用乳化炸药进行爆破，参数见表3。

表3 乳化炸药材料参数[3]

1.3 强度准则

矿石抗拉能力远低于抗压能力，故采用动抗拉强度作为其破坏准则，当矿石单元拉应力大于其动态抗拉强度时矿石单元被删除，形成裂隙并扩展。

2 结果分析

裂隙扩展模拟结果见图1。由图1可知：应力波对矿石块度分布影响较大，起爆后炮孔周围形成了直径约35 cm的压碎区，紧接着压碎区外围径向裂隙扩展，最长径向裂隙约70 cm，此后应力波继续传播，强度衰减，炮孔近区已有的裂隙无明显变化；起爆后约209.708 μs，上下2排炮孔传递的应力波在上下2排炮孔连心线中点处相遇并叠加，亦无明显裂隙产生；314.970 μs之后，相邻4个炮孔应力波在4个炮孔几何中心处相遇并叠加，4个炮孔应力波叠加后其强度远大于相邻2个炮孔在其连心线中点的叠加强度。559.435 μs之后，左4个炮孔几何中心近区开始出现大量拉伸裂隙并持续扩展，叠加后的应力波继续传播，当炮孔近区径向裂隙在此遇到相邻炮孔应力波二次扰动后，原先已停止扩展的裂隙开始再次延伸，并与几何中心的拉伸裂隙互相诱导扩展，最终贯通；约3 009.900 μs时，裂隙扩展基本停止，由于受到应力波叠加作用的影响，几何中心近区矿石较为破碎，因此几何中心较难产生大块。炮孔近区受自身应力波的作用形成了一定范围的压碎区及压碎区周围的径向裂隙，此后矿石破坏状态无明显变化，当4个炮孔应力波叠加、炮孔近区的径向裂隙受到应力波二次干扰时，应力波所携带能量已大幅度衰减，因此压碎区外围的径向裂隙未能大范围二次扩展，此处形成了大块。

3 参数优化

对A、B两组模型采用控制变量法，运用动力分析软件LS-DYNA对不同孔径的炮孔排距进行优化，结果见图2、图3。

图1 裂隙扩展有效应力云图

图2 A组模型块度分布(单位：cm)

图3 B组模型块度分布(单位：cm)

由图2可知：炮孔直径保持不变，随着排距逐渐增大，矿石块度也随之增大，在相邻4个炮孔几何中心区域内变化较显著。排距1.8 m时炸药能量释放较集中，块度较小，易出现粉矿。矿石过度破碎对放矿、运输都极为不利，且炸药使用过量经济上也不合理。当排距为2.0 m时，块度大部分为30～50 cm，分布较均匀，满足放矿、运输需要。排距为2.2 m时，矿石块度最大，出现了长70～80 cm的长条形矿石，且块度分布尺寸差异较大，不利于放矿。

由图3可知：当炮孔直径为71～90 mm时，压碎区范围明显增加。在A组模型确定了排距2.0 m为最优参数后，B组模型中排距1.8 m的模拟结果仅具有参照作用。2组模型排距均为2.0 m时，90 mm孔径的爆破块度大于71 mm孔径。爆破碎岩是多场耦合作用的结果，该工况下仅通过增加炮孔直径不改变其他参数无法实现改善崩落矿石块度的目的。原因是，加大装药量虽然提供了更多的能量用于岩石破碎，但爆破后冲击波能量约占炸药爆炸总能量的40%，且能量主要消耗在爆腔扩张、裂隙扩展方面，爆腔扩张即形成了更大的压碎区[4]。大量能量用于压碎区的形成，后期随着应力波传播，能量衰减较快，块度均匀度降低。

4 结 语

以国内某地下金属矿山为例，运用显示动力分析软件LS-DYNA对初始爆破设计方案进行参数模拟优化，认为该矿山底部结构回采时，炮孔直径71 mm，排距2.0 m可改善块度尺寸及分布均匀度，有利于放矿。

[1] 朱兆文，徐 敏，黄治成,等.采场轮廓预裂爆破成缝数值模拟及应用[J].矿冶工程，2012，32(4)：20-23.

[2] 胡建华，雷 涛，周科平，等.充填环境下预裂缝的爆破动力响应分析[J].中南大学学报：自然科学版，2011，42(6)：1704-1709.

[3] 赵 铮，陶 钢，杜长星.爆轰产物JWL状态方程应用研究[J].高压物理学报，2009，23(4)：277-282.

[4] 贾光辉.爆炸过程中有关应力波传播问题探讨[J].爆破，2001，18(1)：5-7.

2015-09-21)

张文平(1973—)，男，工程师，034207 山西省代县。