巴润矿台阶爆破底盘抵抗线数值研究与应用

常建平，张鹏飞，王梦瑶，段 军，郭建新

(1.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010；2.包钢集团巴润矿业有限公司，内蒙古 包头 014080)

近年来，在露天矿山台阶爆破当中，底盘抵抗线是一个重要的技术参数，底盘抵抗线设计太大往往会造成爆区前部产生根底，同时影响后排岩石的爆破抛掷，最终造成爆破整体效果差、增加矿山生产成本的后果。实际生产当中，在保证钻机安全施工的条件下，为保证爆破效果，采用最小底盘抵抗线作为保守的设计参数情况居多。但是底盘抵抗线的大小受到台阶高度、岩体强度、台阶坡面角、炸药威力等一系列复杂因素的影响，至今尚未有准确的理论计算公式。由于现代矿山设备的大型化趋势和露天矿山高效生产的内在要求，露天矿山的台阶高度会随之增大，确定一定工况条件下炸药能够克服的最大底盘抵抗线更显得尤为重要。露天爆破效果分析方面现有的研究主要是针对露天矿爆破在爆炸冲击波作用下的动力响应进行的研究。兰盾等运用ANSYS/LS-DYNA分析连续装药结构和孔底起爆方式的24m和12m台阶爆破过程中的应力变化规律[1]；周楠等通过数值模拟方法对比现行普通台阶爆破与高台阶爆破过程中台阶难爆部位应力场变化趋势，得出采用高台阶爆破可以得到与普通台阶爆破相当或更好的爆破效果[2]；黄永辉等通过模拟高台阶爆破，研究高台阶抛掷爆破速度规律取得显著成果[3]。在实际生产中，根据理论研究及现场试验确定爆破参数，不能体现最大底盘抵抗线的工程适用性对爆炸应力波[4-6]的影响。在露天爆破中，合理的炮孔底盘抵抗线能够有效地运用炸药的能量对底部岩体做功得到符合生产要求的破碎效果，确保采场底板不留根底，多次试验不合理的爆破方案必然引起爆破成本的增加和采矿生产效率的降低。因此借助仿真模拟软件[7-9]对不同底盘抵抗线下的爆破作数值模拟分析，根据台阶坡底线岩体应力分布规律，得出在模型条件下的理论最大的底盘抵抗线，再把得到的理论结果进行现场工业试验验证分析，以指导生产实践。

1 工程概况

巴润矿是包钢集团的子公司，也称为白云鄂博西矿，主体开采设备为KY-310型牙轮钻机、采掘设备主要有ER9350大型液压铲利勃海尔、4400大型电动轮矿车等，是一座超大型现代化露天矿山，原设计矿石生产能力1500万t/a，剥岩总量为9850万t/a，采剥总量11350万t/a，采场东西长近5km，南北宽1km左右的范围内，其中铁矿体有数十个主矿体，有一百多个附属矿体。采场内岩性主要为白云岩、板岩、第四系等，岩性变化大，采场上部台阶岩性风化较为严重，强度低，随着开采水平的下降，岩性强度变大。经调整，目前采场形成由先前上部12m过渡到下部14m高度台阶的形式。

2 确定爆破参数及模型建立

根据炮区的岩石性质，炮孔填塞长度取值为6m；国内矿山的炮孔超深值[10-15]一般为0.5～3.6m，考虑爆区的岩石性质和巴润矿的实际经验值，确定本次模型炮孔的超深值为2.5m。受钻机功能限制，钻孔方式为垂直钻孔，其孔径310mm，孔深L为16.5m。巴润矿目前台阶高度H为14m，坡面角α=75°，按照公式Wd≥Hcotα+B(B≥3m)计算得出巴润矿最小底盘抵抗线Wd≥6.751才能保证钻机的施工安全。在露天爆破中，受台阶坡面限制，随着台阶高度加大，台阶底盘抵抗线变大，爆破过程中，台阶底部岩石不易破碎。在本次模型分析当中，在其他爆破参数不变的情况下，设计底盘抵抗线分别为1200cm、1150cm、1100cm、1050cm。

台阶爆破模拟，假设模型介质为均质、连续、各向同性的弹塑性材料，以z轴为对称面建立1/2的模型，现设计台阶高度1400cm、宽度2000cm、纵向深度1500cm，设计的坡角75°，采用cm-g-μs单位制。岩石选择双线性随动硬化模型，该材料模型适用于包含应变率效应的各向同性、随动硬化或各向同性和塑性随动强化材料，是用来模拟岩石较为常用的一种材料模型。堵塞与岩石材料采用*MAT-003材料，实体单元为*sect-lag，具体参数设置见表1、表2。

表1 堵塞材料参数

表2 白云岩材料参数

空气采用*MAT-009材料；空气密度设为1.29g/L，其他参数使用默认，状态方程*EOS-Air(*EOS-001)，该状态方程为线性多项式和热力学的初始状态材料定义参数。乳化炸药采用*MAT-008材料，具体参数见表3，乳化炸药和空气的实体单元都是*sect-ale，乳化炸药采用ELFORM为11的多物质单元算法；状态方程*EOS-Jwl(*EOS-002)，该方程用于定义功能炸药，这是一种不限含化学反应，能够精确地描述炮轰产物做功过程，JWL表现形式：

式中，P为压力值；E为爆轰产物内能；V为爆轰产物的体积大小，即爆轰产物的体积与初始体积之比；A、B、R1、R2及w为待定系数。

定义网格边界条件中，把模型的剖面(炮孔面)作为对称边界，其余面均为无投射边界，台阶上顶、坡面和坡脚面设为临空面；采用Hypermesh14.0将模型划成六面体实体单元网格，为了便于观察爆破效果过程的应力分布，炸药和填充材料处网格精细划分，如图1所示。

表3 乳化炸药参数

图1 整体模型及精细网格划分

3 模拟结果与实际爆破效果分析

3.1 模拟结果分析

露天台阶爆破参数及条件均调试完成，由图2分析可看出起爆后，爆轰波由孔口向孔底处呈近似水滴的形状传播，随着时间的推移，应力波波阵面与炮孔间形成一定角度并保持基本不变向外传播，应力波到达自由面压力反射形成反向拉伸，岩石内的应力场主要由来自自由面的反射波产生，这种反射波便是导致岩石破坏的主要原因。

图2 底盘抵抗线为10.5m时不同时刻应力变化图

结合巴润矿爆区岩性以及参考文献，根据《爆破工程地质》，拉应力破坏准则：σθ>σtd≈3σt，σi≥σtb，其中，σθ为切向峰值应力，σtd为岩石单轴动态抗拉强度，σt为岩石单轴静抗拉强度，σi为Mises 应力。

模型岩石单轴静抗拉强度为4.3MPa，则σi需大于12.9MPa，岩石才会被破坏。炮孔堵塞长度为6m，孔径310mm，超深2.5m，其他参数不变，坡底位置出现峰值时刻有效应力如图3所示，底盘抵抗线分别为1050cm、1100cm、1150cm时，等效应力云图显示应力均超过了岩石的单轴动抗拉强度；底盘抵抗线为1200cm时，坡底位置处有效应力最大介于9.571～12.76MPa，未超过岩石单轴动抗拉强度。从模型破碎范围大小分析台阶底部与顶部，发现底盘抵抗线分别为1050cm、1100cm、1150cm时，应力波到达自由面压力反射形成反向拉伸情况，台阶顶部破碎程度大，岩石破坏，台阶底部破碎程度随着底盘抵抗线数值增大呈下降趋势；底盘抵抗线为1200cm台阶顶部与底部未达到岩石动态抗拉强度，底部易产生根底。为保证前排炮孔爆破效果不留根底，最大底盘抵抗线为1150cm时合理。

图3 坡底位置出现峰值时刻等效应力图

从LS-PREPOST后处理得出模型任何时刻应力分布情况，进一步分析爆破效果，取坡底面从左向右连续四点作为应力分析监测点如图4所示，此部位是台阶爆破阻力最大之所在，容易发生根底。不同底盘抵抗线考察点应力随时间变化情况如图5所示，由图5可知，在相同装药量的情况下，底盘抵抗线1050cm，距离坡底面近，考察点应力值大于其他3模型的应力峰值。从峰值上分析，底盘抵抗线为1050cm、1100cm、1150cm各监测点应力峰值在30MPa以上，超过了岩石屈服强度。从图5四种情况可以看出，随着底盘抵抗线数值的增大，模型中对应的监测点应力峰值降低。从图5(c)底盘抵抗线为1100cm分析，点A先达到最高值，然后快速下降，最后因为爆轰波传到临空面反射导致应力值又增大。图5(b)底盘抵抗线1150cm，与1100cm相差50cm，应力峰值相差不明显，点A达到峰值之后，应力开始下降，由于时程布距设置，没显示应力增大的现象。从爆破破坏准则角度及应力时程分析，最大底盘抵抗线为1150cm时合理。

图4 监测点位置

图5 不同底盘抵抗线考察点应力时程图

3.2 实际爆破效果分析

爆区位于采场1548水平北帮，爆区台阶岩性主要为强度中等的萤石化白云岩，孔径310mm，超深2.5m，采用大孔距小排距方式布孔，孔网参数为5.5m×15m，底盘抵抗线按照前述模拟结果11.5m设计行现场工业试验。布孔方式为三角形布孔，装药方式为连续装药，填塞高度6m。起爆方式为逐孔起爆，采用孔内和地表延期组合管，共有炮孔115个，岩石爆破量272788.19t，使用乳化炸药86t，炸药单耗234g/t。爆破参数如下：岩石孔115个，段高16.5m，超深2.5m，底盘线11.5m，孔距15m，排距5.5m，填塞高度6m；爆破技术经济指标如下：爆破米道1459m，爆破量272788.19t，爆破量73864m3，延米爆量187t/m，单耗619g/m3，单耗234g/t，间隔孔40个，爆破费用145471元。

由现场试验结果可知，底盘抵抗线为11.5m的情况下，爆破后底板平整，无明显根底，爆堆整体块度破碎效果较好，满足采装设备的采掘要求，电铲采掘如图6所示。

图6 底盘抵抗线为11.5m爆破后现场图

4 结 论

1)通过数值仿真计算和现场工业试验验证，得出巴润矿在310mm大孔径垂直钻孔方式条件下，中硬岩石白云岩台阶爆破最大底盘抵抗线为11.5m，为巴润矿台阶爆破提供了明确的数据指标。

2)证明了数值模拟结合实际工程验证是一种低成本高效率解决矿山实际问题的方式，为巴润矿今后爆破工作的开展提供了有利的技术支撑。

3)由于矿山爆破的复杂性，没有进一步分析验证岩性和炸药的变化对底盘抵抗线的影响，应在后续的工作当中进一步探索和积累经验。