炮孔密集系数对破碎效果的影响

2018-11-30张耿城贾建军乔继延郭汝坤李世海

金属矿山 2018年11期

张耿城贾建军乔继延冯春郭汝坤李世海

（1.鞍钢矿业爆破有限公司，辽宁鞍山 114046；2.中国科学院力学研究所，北京，100190）

工程上定义炮孔密集系数m为炮孔间距a与炮孔排间b的比值。一般认为，炮孔密集系数大于1具有较好的爆破效果。在宽孔距、小抵抗线爆破中，炮孔密集系数一般取2～6都可取得良好的爆破效果，个别情况6～8也是可行的［1］。在国外，炮孔密集系数甚至提高到8以上［2］。

王德祥等［3］认为，采用常规布孔爆破，岩石受压强烈粉碎；而宽孔距爆破正与其相反。由于各个炮孔之间的距离加大后，每个炮孔的爆破过程是彼此独立的，先爆的炮孔为后爆的炮孔创造了条件，使得各炮孔产生的放射状龟裂对邻近炮孔产生龟裂妨碍减小，避免了爆炸过程中强烈粉碎岩石的弊病，因而有利于提高下排孔的爆破块矿率。王永奇等［4］采用小抵抗线逐孔起爆技术，在保持孔网面积和单位炸药消耗量不变的情况下，增大孔底距和减少抵抗线，能使炮孔密集系数增大，爆破能量能得到充分的利用。在保持网孔面积不变的情况下，使炮孔密集系数增大到2，最小抵抗线可以取1.4～1.8 m，孔底距取1.8～2.4 m，再根据矿山不同采场的地质条件确定合理的爆破参数。张正宇等从临空面理论进行了破岩机理的定性分析［5］。夏超等认为:从几何学原理来看，由于未爆孔至各自由面距离均等，抵抗线值一样，抵抗力一样，各点获得膨胀气体作用力均匀，应力波到达的时间相同，所以破碎效果好［6］。

在试验方面也做了很多研究工作，如叶图强［7］通过宽孔距多孔同段爆破漏斗试验，确定了药包的炮孔排距和炸药单耗的参数范围。王修勇等［8］通过分析爆破试验结果，建立了以成梁假设为基础的宽孔距爆破破碎机理模型。刁立基等［9］通过20余次，总爆破量达45万余t的大孔距爆破试验，总结出大块率与排距的关系很大，减小抵抗线是提高破岩质量的关键；采用大孔距爆破，大块率一般可降低30%～50%以上，爆后块度均匀。田波等［10］通过系列工程试验，推荐在中深孔设计时相邻排炮孔采用“V”形布置比方形布置效果明显，或采用小排距、大孔底距的技术也可改善爆破效果。

随着计算机技术的发展，开始出现以数值模拟研究孔距密集系数，如张鑫［11］等通过数值计算认为，当密集系数为1.0或3.7以上时，孔间应力叠加效果并不好，而密集系数在1.7～3.7之间时，孔间应力分布均匀，叠加效果较好，有利于岩体破碎及减少大块率。本研究采用中国科学院力学研究所开发的大型连续-非连续模型计算软件CDEM，对逐孔起爆、排间顺序起爆两种方式下，炮孔密集系数对爆破块度及块内损伤程度的影响进行了数值模拟。计算表明，逐孔起爆时不同炮孔密集系数的差别不明显，而采用排间顺序起爆时，适当增大孔间距及缩小孔排距可以明显改善爆破效果。

1 计算模型及参数

建立如图1所示的多排炮孔模型，模型尺寸为（7a+15）m×（3b+15）m，在模型顶部设置3排炮孔，每排7个炮孔，共计21个炮孔。炮孔直径为0.25 m，孔间距离及首列孔到自由面的距离均为a，排间距离及前排孔到自由面的距离均为b。为了吸收人工边界处的反射波，在模型的右侧和底部设置10 m渐进高阻尼消波层，模型右侧和底部进行全约束。为了保证虚拟节理的随机性，采用Gmsh软件进行网格剖分，网格特征尺寸为0.2 m。保持负担面积不变，即a×b的面积不变，改变布孔方式，选取如下6种工况进行计算：①a=9.00 m，b=4.69 m；②a=8.50 m，b=4.97 m；③a=8.00 m，b=5.28 m；④a=7.50 m，b=5.63 m；⑤a=7.00 m，b=6.04 m；⑥ a=6.50 m，b=6.50 m。上述6种工况下对应的炮孔密集系数分别为1.92、1.71、1.51、1.33、1.16、1.00。

炸药选用乳化炸药，装药密度为1 150 kg/m3，爆轰速度为4 250 m/s，爆热为3.4 MJ/kg，起爆方式有2种：第1种采用逐孔起爆方式，孔间延时为43 ms，排间延时为65 ms（起爆顺序时间用白色数字表示）；第2种采用排间顺序起爆，排间延时为50 ms（起爆顺序时间用红色数字表示），模型示意图及起爆时间如图1。爆破块度统计区域为红色边框内框选区域。

岩石类型为铁矿，普氏系数为15.4，数值模拟时的计算参数如表1所示。

2 爆破效果的评价标准

为了对爆区的块度及爆破的振动情况进行评价，本项目提出了4个评价指标，分别为平均破碎尺寸（d50）、极限破碎尺寸（d90）、系统破裂度（Fr）以及大块率（Br）等指标。各指标的含义如下：

（1）平均破碎尺寸（d50）：块度分布曲线中通过率为50%时对应的尺寸；该值越大，爆区内块体尺寸的平均值越大。

（2）极限破碎尺寸（d90）：块度分布曲线中通过率为90%时对应的尺寸；该值越大，爆区内的大块尺寸越大。

（3）系统破裂度（Fr）：已经发生破裂的虚拟界面面积与总虚拟界面面积的比值；该值越大，模型越破碎。

（4）大块率（Br）：特征尺寸超过0.9 m的岩块体积与岩块总体积的比值。

3 逐孔起爆下的损伤破裂效果分析

逐孔起爆时不同炮孔密集系数下的爆破块度分布曲线如图2所示。由图2可得，6种工况下的块度分布曲线几乎完全重合，说明逐孔起爆时不同的布孔方式对爆破效果的影响不大；这是因为，逐孔起爆每次仅有1个炮孔起爆，每个炮孔起爆均有2个临空面（二维平切面情况），而爆破效果的好坏又取决于自由面的多少，所以6种工况下的爆破效果差别不大。

不同起爆顺序下爆区的平均破碎尺寸（d50）、极限破碎尺寸（d90）、大块率（Br）、系统破裂度（Fr）等指标如表2所示。从表2中可看出，逐孔起爆时，布孔越均匀，爆破效果越好，且炮孔密集系数为1时的损伤破碎效果最好；但总体而言，不同炮孔密集系数下的损伤破碎特性差别不大。

4 排间顺序起爆下的损伤破裂效果分析

排间顺序起爆时不同密集系数下的爆破块度分布曲线如图3所示。根据图3可知，当负担面积相同时，随着密集系数的增大，爆区岩体的破碎效果逐渐变好。这说明，排间顺序起爆时，宽孔距爆破效果优于均匀布孔方式下的爆破效果。

排间顺序起爆时不同炮孔密集系数下爆区的平均破碎尺寸（d50）、极限破碎尺寸（d90）、大块率（Br）、系统破裂度（Fr）等指标如表3所示。从表中可看出，相同负担面积下，排间顺序起爆时，随着密集系数的增大，平均破碎尺寸逐渐减小，极限破碎尺寸逐渐减小，大块率逐渐减小，系统破裂度逐渐增大。所有指标均表明，排间顺序起爆时适当增大孔间距及缩小孔排距（即增大炮孔密集系数）可以改善爆破效果。