露天采石场中深孔爆破布孔方式优选
2018-08-17刘祖平胡世士
刘祖平 胡世士 魏 巍
(葛洲坝武汉道路材料有限公司)
中深孔爆破技术开采能力大,生产效率高,是露天采石场剥离的主要开挖方式。大规模台阶爆破后的碎石在爆力作用下于自由面抛掷,崩落石料的块度分布及爆堆位置直接影响了机械设备的铲装效率[1]。最大段起爆药量、起爆段数、微差时间、装药结构、布孔方式等参数是影响爆破振动、破碎块度、爆堆分布的主要因素[2-4]。露天台阶爆破中应合理控制爆破参数,将爆破次生灾害的影响降至最小[5]。本研究根据某水泥厂露天采石场实际工况,通过分析碎石块度分布及块石抛掷距离分布规律,对最优布孔方式进行研究。
1 数值模型
1.1 工程背景
某水泥厂的露天采石场开采山体高约45 m,分为4个台阶自上而下进行开采,预计总工程量为120万m3。矿区内构造节理较发育,构造节理大部分较平直,大部分无充填物,少量充填方解石脉或黏土质。矿区属低山丘陵地貌,地形地貌简单,矿体形态较规则,产状分布较稳定,岩性主要为石灰岩。矿区地形有利于排水,主要含水层为碳酸盐岩,岩溶裂隙含水层富水性弱,矿体最低开采标高高于当地侵蚀基准面,矿区水文地质条件为简单型。采坑边坡以坚硬—半坚硬的工程地质岩类为主,硬度系数f=7.0,岩石稳固程度相对较高,抗风化能力较强。爆破区域的工程特点主要有:①距离居民区、乡镇公路、村高压线较近,对飞石、振动等危害效应控制的技术要求高,须采用微差延时控制爆破技术;②爆破区域属亚热带季风气候,雨水充足;③爆炸物品需要量大,对爆炸物品的管理要求高。根据该山体地形状况和周围环境,设计主体采用中深孔台阶爆破方案,露天矿台阶最大高度为15 m,坡角70°,采用微差延时爆破,装药孔直径为90 mm。布孔方式有垂直深孔与斜向深孔2种(图1)。
图1 炮孔布置方式
1.2 数值模型构建
截取500 cm高台阶,根据爆破设计方案,抵抗线取300 cm,构建了“准三维”数值模型,所有节点施加Z向(垂直向内)位移约束(图2)。模型左侧、下方与围岩接触,为模拟无限大空间设置无反射边界。台阶顶部及坡面设置自由边界,爆破后块石将沿自由面抛掷形成爆堆。
图2 数值模型及边界条件
1.3 材料参数
本研究将岩石及炸药简化为各向同性材料,岩石采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC弹塑性材料模型[6-9]。该模型未考虑应变率,是一种双线性随动硬化模型。材料应力应变特性通过2个斜率(弹性和塑性)来表示,本构方程为
式中,E为弹性模量;σy为屈服应力;H为应变硬化指数;ε为加载应变率。
对于金属材料而言,多采用随动强化或等向强化模型,对于岩土材料的静力学求解问题求解多采用等向强化模型,混合硬化或随动硬化模型一般用于求解动力问题或循环加载问题。岩石物理力学参数见表1。
表1 岩石物理力学参数
采用JWL方程表征乳化炸药的力学行为[8-10]:
式中,P为爆轰压力;V为相对体积;E为单位体积内能;ω、A、B、R1、R2为材料常数(表2)。
表2 乳化炸药材料参数
2 模拟结果分析
2.1 关键节点速度
露天台阶爆破具有2个自由面,即台阶坡顶与台阶坡面。台阶岩体在爆力作用下,破碎块石将沿自由面抛掷形成爆堆。为提高铲运设备的铲装效率,应控制爆破参数使得破碎块度相对均匀,并且块石抛掷后形成的爆堆相对集中。等间距选取了台阶表面节点作为研究对象,并提取了其振动合速度峰值,如图3所示。
图3 关键节点速度
本研究数值模型为“准三维”数值模型,不考虑Z向速度,故关键节点速度为X、Y向速度合成量。斜向深孔同一位置的节点速度普遍大于垂直深孔,表明爆力作用下斜向深孔布孔方案的岩体动力响应更为明显,更有利于岩体破碎。垂直深孔布孔方案中抵抗线自孔底向孔口呈减小趋势,孔底近区抵抗线较大,岩体对爆炸载荷具有更明显的夹制作用,因此靠近坡角位置的节点速度较小。斜向深孔的节点速度均值与标准差分别为12 334.43,4 687.60 cm/s;垂直深孔的节点速度均值与标准差分别为10 131.16,5 147.55 cm/s,表明块石沿自由面抛掷后,落地位置较为集中。
2.2 破碎块度
炸药爆炸时释放大量的能量,其中很大一部分转变为爆炸应力波,并以质点振动的方式向外传播。爆炸应力波在介质中不断传播,随着距离持续增大,波阵面也在不断扩大,由于介质都具有一定的阻尼,不断吸收波的能量,降低其压力,导致爆炸应力波在传播过程中能量和振速不断减小。爆炸载荷作用下岩体内部微裂纹及节理活化,裂纹及节理扩张后交错切割岩体产生块石。露天台阶爆破工程中2个自由面对岩体破碎极为有利,岩体抗拉强度远小于其抗压强度,当爆炸应力波传播至坡顶及坡面时反射产生拉伸应力波,在拉伸应力波作用下更有利于岩体破碎。炮孔右侧靠近坡面的部分如图4所示,黑色区域为拉应力超过岩石动抗拉强度被删除的单元。台阶坡顶位置黑色区域较大,表明来自2个自由面的反射拉伸应力的波叠加作用较明显。垂直深孔爆破方案中孔底近区抵抗线相对较大,故岩体破碎块度也相对较大。斜向深孔与台阶坡面平行,其抵抗线沿炮孔轴向无变化,岩体破碎块度明显的较垂直深孔更为均匀。
图4 破碎块度
3 结 语
采用了ANSYS数值模拟技术对某水泥厂的露天采石场台阶爆破布孔方式进行了优选。研究表明:平行于台阶坡面的斜向深孔布孔方式更有利于岩体破碎,且爆破后破碎块度分布均匀,块石抛掷距离更为集中,故推荐该露天采石场采用斜向深孔布孔方式。