吴庄铁矿二步回采深孔爆破参数优化研究

刘爱兴 张云鹏 朱晓玺 张亚宾 姚旭龙

(1.徐州铁矿集团有限公司， 江苏 徐州221000； 2.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063000；3.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063000； 4.唐山三友矿山有限公司,河北 唐山 063000)

分段空场嗣后充填采矿法进行二步回采时，爆破作业容易对充填体产生破坏作用，导致充填体的破坏和垮塌，从而影响充填体和采场的稳定。研究合理的爆破参数一方面使得矿石破碎均匀、大块率低，另一方面保持充填体的稳定，减少充填体的冒落，有效地控制爆破危害效应，是充填采矿法研究的重要内容[1-4]。

研究爆破对充填体稳定性影响的方法主要有室内实验、数值模拟和现场爆破试验。室内实验和现场试验受到成本、现场条件以及爆破后测试手段局限性的限制。随着计算机技术的飞速发展，利用数值模拟研究爆破成为一种趋势，采用数值模拟方法可以经济方便地研究和优化爆破参数，ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件是研究爆破作用的常用软件[5-6]。

本研究针对吴庄铁矿二步回采矿房采场，采用ANSYS/LS-DYNA软件对不同孔底抵抗线条件下的扇形深孔爆破模型进行数值模拟，研究爆破作用对充填体的损伤特性，并进行现场工程实践验证，确定合理的深孔爆破参数，以指导今后井下爆破设计施工。

1 工程概况

吴庄铁矿位于徐州市利国镇，为徐州铁矿集团有限公司下辖生产矿山，年产铁矿石50万t。采场自西北向东南，主要由4个矿体组成，赋存深度为-300～ -500 m，矿石储量约为1 500万t，平均品位48%，采用分段空场嗣后充填采矿法。

矿块垂直矿体走向布置，每个矿块由矿房采场和矿柱采场构成。采场净长度为50 m，阶段高度50 m，分段高度10 m，矿柱和矿房跨度分别为8 m、12 m。先回采矿柱，隔一采一，充填体达到设计强度后再回采矿房。扇形炮孔孔径57 mm，排距为1.4 m，孔底距1.5 m，后退式回采，回采时上分段超前下分段3～4排炮孔，现场爆破设计如图1所示。

图1 炮孔设计

炮孔倾角参数如表1所示。

表1 炮孔参数

2 二步回采深孔爆破参数数值模拟分析

依据吴庄铁矿现场二步回采爆破参数，基于ANSYS/LS-DYNA有限元数值模拟的方法，分别对孔底抵抗线0.3 m、0.5 m、0.7 m和1 m的扇形深孔爆破模型进行了数值模拟，根据数值模拟得出的初步结论确定边孔距充填体的合理距离及边孔装药结构。

2.1 数值模拟模型

模型中扇形炮孔孔径为57 mm，最小抵抗线1.4 m，炮孔的长度为装药长度，在炮孔长度方向上均匀装药。考虑模型的左右对称性，取二分之一模型进行计算，在LS-DYNA软件中进行镜像处理，以缩短数值模拟计算时间。模型取高度20 m，矿体宽度6 m，充填体宽度为8 m，模型厚度为2.8 m。假设矿岩和充填体为均质的弹塑性体，为消除人为边界影响，除自由面外，其他边界均设置为透射边界，模型示意图、模型边界条件如图2、图3所示。

图2 数值模拟计算模型

图3 模型边界

2.2 材料模型及参数

(1)本次采用流固耦合算法进行有限元数值模拟，即炸药选用Euler算法，充填体和矿石选用Lagrange算法，单元之间采用流固耦合定义连接。

(2)矿石和充填体参数。岩石材料模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，该材料为弹塑性动力学模型，通过添加*MAT_ADD_EROSION来定义岩石的应力和应变损伤破坏，选取的矿石及充填材料力学参数如表2所示。

表2 矿石及充填体材料参数

(3)炸药材料及状态方程参数。炸药材料采用高能炸药材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL状态方程描述，爆轰产物采用JWL状态方程进行爆轰压力计算[7]：

(1)

式中，P为爆轰压力；E为炸药爆轰产物的内能；V为爆轰产物的相对体积；A，B，R1，R2，ω均为所选炸药的性质常数。

表3 炸药材料参数

2.3 爆破参数数值模拟分析

(1)有效应力场分析。以孔底抵抗线0.3 m的扇形孔爆破模型为例，以柱状药包形式起爆，网格划分图和起爆后不同时刻爆炸应力云图如图4、图5所示。

图4 网格划分

图5 爆炸应力云图

由爆破有效应力云图可知，不同炮孔柱状药包同时从孔口起爆，炸药由起爆点逐渐向炮孔孔底炸药末端延伸爆破，相邻炮孔药包的应力场相互叠加。

(2)模拟结果分析。振动速度峰值和有效应力峰值反映了不同装药结构爆破对充填体的最大破坏效应，对孔底抵抗线为0.3 m、0.5 m、0.7 m和1.0 m 4种方案的振动速度峰值和有效应力进行了数据提取和分析，通过LS-DYNA软件的LSPOST程序对结果文件进行后处理，提取充填体和矿体交界面上4个记录点(各记录点如图1所示)的有效应力和垂直充填体振动速度，如图6所示。

为对比4种方案爆破作用对充填体的损伤程度，对孔底抵抗线0.3 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m的扇形深孔爆破模型的各记录点的有效应力峰值和振动速度峰值进行汇总表，结果见4和表5。

当孔底抵抗线大于0.5 m时单元的有效应力峰值小于充填体的单轴抗压强度，表明没有达到充填体的屈服强度，没有发生片落的现象，由相关经验和爆破安全规程可知，振动速度满足充填体不发生垮塌和片落的要求，充填体基本保持稳定。随着孔底抵抗线的增大，振动速度峰值与有效应力强度逐渐减小，爆炸载荷对充填体的损伤也逐渐减小，选取孔底抵抗线为0.5 m的扇形孔爆破参数进行爆破施工时，充填体保持稳定，能够满足工程要求。

3 吴庄铁矿深孔爆破工程实践

3.1 深孔爆破回采实施方案

对430 m水平4号矿体4349矿房采场进行深孔爆破回采，4348采场和43410采场已充填结束，达到3个月龄期以上，满足施工要求。

图6 有效应力与振速曲线

记录点不同抵抗线的最大有效应力/MPa03m05m07m10m124215610706022651761360793320203147129435325202146最大值35325202146

表5 振动速度峰值

钻孔设备采用YGN-90凿岩机，上向式凿岩施工方式，炮孔直径为57 mm，每排13个炮孔，孔底距1.5 m，炮孔排距为1.4 m。

采用塑料导爆管雷管半秒微差起爆技术，每次回采3排炮孔，最大一段起爆药量为149 kg。炸药选用粉状乳化炸药，装药器装药，孔内延期，每个炮孔由导爆索引至孔底，再用半秒差导爆管雷管，正向用胶布绑在距导爆索尾部0.2 m至0.3 m导爆索上，雷管布置在孔口0.5～0.6 m处，装药完成之后采用红泥对炮孔进行填塞，填塞长度0.5 m，通过将三排炮孔内的导爆管成一束，用2～3个一段毫秒导爆管雷管与导爆管反向连接，形成一束四通，主导爆管长度为100 m，起爆导线长度不小于150 m，采用起爆器起爆，起爆器设在斜坡道硐室安全处。

3.2 充填体损伤评价

利用探杆式扫描仪VS150对充填体表面进行三维扫描，将扫描的图像进行数据处理与分析，计算充填体结构面不平整度，判断充填体的破坏损伤情况。

表6 炮孔参数

(1)VS150三维探测系统简介。探杆式扫描仪VS150是一种基于高速激光精密扫描测量方法，大面积高分辨率地获取被测对象表面的空间点位信息的系统，用于测量空区、岩石表面等[8]。VS150的基本构成包括激光扫描头、电源、数据接收器、计算机控制器、传输数据电缆及其它配件。利用VS150对现场二步回采形成的采空区进行扫描，将激光探头设备深入到采空区内部，用电脑操作旋转扫描探头，进行三维垂直扫描，生成三维点云数据，利用VoidScan软件原始探测数据进行处理，然后导出为*.dxf格的点云，将导出的*.dxf文件用VS150自带软件Geomagic Studio打开，进行封装处理后可得到空区的三维图形，并通过3D网格获得精准的充填体扫描图像[8]，设备现场布置和充填体扫描图像如图7、图8所示。

图7 VS150设备布置

图8 二步回采充填体表面图像

(2)充填体损伤度分析。通过将VS150测得的充填体扫描图像导入3Dmine进行分析，得出二步回采爆破充填体表面的不平整度如图9所示。

图9 充填体不平整度

通过对采场出矿进行观察，矿石块度适中，矿石中没有发现大块充填体。由图9可知，不平整度40～60 cm约占4%，不平整度20～40 cm占比35%，不平整度0～20 cm占比61%。通过现场调查分析得知，不平整度为40～60 cm时，可能属于扇形炮孔钻孔超深，或此处充填体强度较小，由充填体不平整度得出，充填体结构面较为完整，说明采用孔底抵抗线0.5 m的扇形孔爆破参数进行回采时，较好地缓冲了炸药爆炸对两侧充填体侧壁的损伤。

4 结 论

(1)以吴庄铁矿二步回采深孔爆破为研究对象，根据现场矿岩力学和爆破参数，建立了孔底抵抗线0.3 m、0.5 m、0.7 m、1.0 m的扇形孔爆破模型并进行了数值模拟分析，随孔底抵抗线的增大，有效应力和振动速度逐渐减小，充填体的损伤也逐渐减小，当采用孔径57 mm扇形孔布孔方式爆破时，孔底抵抗线大于0.5 m的扇形孔爆破参数满足充填体稳定性的要求。

(2)通过对吴庄铁矿采矿方法的分析，结合数值模拟结果，制定了详细的深孔爆破回采方案，并进行了现场试验和观测。采用孔底抵抗线0.5 m的扇形孔爆破参数进行爆破施工，工程应用效果表明，爆破块度适中，爆破对充填体扰动较小。采用VS150三维激光扫描探测系统对爆破后充填体表面进行了测量，充填体不平整度不超过60 cm，20～40 cm占35%，0～20 cm占61%，说明爆破施工后充填体结构面较为平整，没有发生应力集中造成的大量掉块现象和垮塌的情况。

(3)充填体不平整度一方面受爆破作用影响，更主要的是一步回采时所形成的岩石壁面的控制，从测量的结果也可以说明这一点，今后应对一步回采后的岩石壁面进行三维扫描测量，以便为充填体破坏程度进行更准确评价提供依据。

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