罗山金矿拱形光面控柱技术及其效果机理

刘景山

(招远市中矿金业股份有限公司罗山金矿)



罗山金矿拱形光面控柱技术及其效果机理

刘景山

(招远市中矿金业股份有限公司罗山金矿)

摘要罗山金矿拱形光面控柱技术的应用，有效降低采场大块率，壁面较平整，同时降低了浮石，增加了安全性，降低了支护成本。基于常规爆破与拱形光面控柱技术爆破的时空模拟结果，从3个方面解释了光面爆破效应决策因素。结果表明：光面爆破的能量有效使用率高、应力与扰动较小。

关键词光面控柱技术大块率支护成本光面爆破

1采矿工艺

罗山金矿属玲珑金矿床的一支，为171#矿脉的一部分，矿体平均厚60 m，倾角38°～50°，走向NE45°，中等稳固[1]。结合矿体产状及环境特征，应用盘区式机械化上向水平分层充填法回采。中段高度40 m，每中段5个盘区，每盘区6个采场，采场平均宽8 m，矿柱平均厚4 m，一次性落矿高度1.8～2 m，控顶高度4.5 m，采场充填结束后留2～2.2 m高度空间。采场参数布置见图1。

图1　采场布置示意

2拱形光面控柱爆破技术

随着浅部资源的逐步消耗，资源回采逐步迈向深部，随着采深的增加，采场矿压增大，同时由于局部节理发育，个别地段出现冒顶片帮现象。为提高采场顶板稳定性，较少浮石，现场设计出拱形光面控柱采矿技术，应用光面爆破技术[2-3]形成光面拱型控柱技术，以提高综合效益，增加安全性，减少贫损及支护成本。炮孔对称布置，分3排爆破，自上而下依次为光面孔、控制孔、爆破孔，爆破时上向依次爆破。应用间隔及不耦合装药，爆破孔与控制孔装药长度为60%，光面孔孔口与孔底分别装1管炸药。现场检验效果表明，拱形光面控柱爆破技术具有采场块度较好、顶板边帮完整、浮石较少等优点。炮孔布置见图2。

图2　拱形光面控柱爆破结构

3拱形光面控柱爆破效果机理

3.1模型建立

根据回采爆破参数，基于LS-DYNA[4-5]软件建立了由炸药、矿石、覆岩组成等比例的准二维模型，模型采用六面体单元，共用节点算法，如图3所示。为描述无限岩体的情形，在模型上部与两侧均施加无反射边界，模型底部为自由面，准二面施加对称约束。

图3　有限元单元网格

3.2材料参数3.2.1矿岩参数

矿体材料选用塑性随动模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，主要物理参数见表1。

表1　矿岩主要物理力学参数

3.2.2炸药参数

选用高能炸药模型(MAT HIGH EXPLOSIVE BURN)，结合描述爆轰产物压力、体积的JWL状态方程计算爆轰过程中的压力。JWL状态方程可表示为

式中,ρ为压力，GPa；V为相对体积；E0为初始内能密度，GJ/m3；A、B、R1、R2、ω等参数由试验确定。

本研究确定的炸药参数见表2。

表2　炸药参数

对于光爆层，为减小装药量，炸药密度改为600 kg/m3。

3.3应力时程分析

爆炸过程的应力时程变化情况见图4、图5。由图4、图5可知：常规参数下，各炮孔彼此间的应力场较独立，对上层回采扰动较大，自由面较不规整，而采用光面爆破[6-8]的光爆层彼此贯通，形成了完整的拉裂隙，上层回采自由面较平整。

图4　常规应力时程变化

图5　光面爆破应力时程变化

上层未采矿体受爆破应力的影响较大，图6为采矿体典型单元等效应力的时程分布情况。由图6可知，3段爆破分别引起各自峰值，然后应力逐渐衰减，彼此未出现明显干扰，25 ms微差足以为后段爆破形成新的自由面，3段爆破中，尾段对上层矿体扰动最大，最大有效应力超过200 MPa，接近岩石的动态抗压强度。

3.4眉线应力分布规律

分别记录上层矿体炮孔正上方和2个炮孔中心单元的最大等效应力，依次分析其沿眉线的分布规律，记录位置见图7，各单元最大等效应力分布见表3。由表3可知：采用常规参数的最大等效应力大于光爆参数，这是由于在常规参数下，炮孔均采用连续装药，装药线密度较大，对上层矿体应力扰动较大，而光爆层的炮孔采用不耦合装药，药量较小，释放能量较均匀且较小。与此同时，由于相邻两炮孔应力波发生叠加，炮孔连线中点上方的等效应力大于炮孔正上方的应力。

图6　等效应力时程

图7　单元位置

表3各单元最大等效应力

MPa

将煤孔正上方和连线中点上方的应力视为应力差异典型单元，进而得到眉线的应力分布规律，见图8。由图8可知：光面爆破的眉线应力较常规爆破小，且更为均匀，应力波动性显著减少，眉线破坏较少，从而导致其半孔率更高。

图8　眉线应力分布规律

4结语

为探究罗山金矿拱形光面控柱技术的效果机理，采用LS-DYNA软件对常规爆破与拱形光面控柱

技术爆破进行了模拟分析，分别从应力时程曲线、等效应力、眉线应力分布规律等3个方面对光面爆破效果的优越性进行分析，结果表明：①光面爆破层的密布炮孔导致最后1段爆破的爆破层彼此贯通，形成了完整的拉裂隙，上层回采自由面较平整；②光面爆破的装药结构使得爆破能量的相互作用更为合理， 爆炸能力均匀，且振动偏小，对非爆破体的扰动与破坏较小；③光面爆破的眉线应力分布较均匀，且眉线应力较常规爆破显著偏低，故产生眉线破坏较少，半孔率更高，爆破面更平整。

参考文献

[1]李金奎，孙希端，王远东，等.招远市罗山金矿断裂构造的控矿作用[J].黄金，1998(5)：15-16.

[2]宗琦，陆鹏举，罗强.光面爆破空气垫层装药轴向不耦合系数理论研究[J].岩石力学与工程学报，2005(6)：1047-1051.

[3]彭刚健.岩体巷道光面爆破参数的分析与应用[J].中国矿业，2009(10)：103-106.

[4]吴贤振，尹丽冰，刘建伟，等.基于LS-DYNA的临近采空区多段爆破微差时间优化研究[J].爆破，2015(1)：87-92.

[5]王振毅，李静，胡锐.基于LS-DYNA的某邻近洞室爆破振动模拟分析[J].爆破，2010(1)：104-106.

[6]俞杨明，祁建东，叶昀，等.利用数值模拟技术优化光面爆破炮孔间距[J].金属矿山，2013(8)：38-41.

[7]宇文惠鑫.炮孔双介质不耦合装药断裂控制爆破理论研究与数值模拟[D].太原：太原理工大学，2006.

[8]郭雄，王贻明，周升平，等.现场混装乳化炸药在巷道高效光面爆破中的应用[J].现代矿业，2014(8):18-21.

(收稿日期2015-12-28)

刘景山(1972—)，男，副矿长，助理工程师，265400 山东省招远市城南东区。