炸药爆速对中深孔爆破效果的影响研究

罗黎明，谢经鹏

（1.江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224；2.铜陵有色金属集团控股有限公司技术中心，安徽 铜陵 244000）

1 引言

爆破是矿床开采的主要工艺之一，其效果好坏直接影响矿山的回采效率和经济效益［1-2］。近年来，中深孔爆破技术因其可减少辅助作业时间，提高单循环进尺等优点，被认为是加快破岩速度最为有效的技术手段之一，也是目前矿山爆破的发展方向，特别是在大型金属矿山开采中，中深孔爆破更是显现出其不可替代的优越性［3］。

随着中深孔爆破技术的不断发展，国内外学者对于中深孔爆破技术领域的研究在不断的深入。程真富［4］在总结分析岩巷掘进过程中中深孔爆破效果影响因素的基础上，以淮北矿业集团为例，提出了适合岩巷掘进中的深孔爆破技术参数，并经工程实践证明，在该参数下具有较好的爆破效果；赵国彦［5］综合运用层次分析法和模糊评价法构建了中深孔爆破效果的评价模型，并运用该评价模型对黄沙坪矿中深孔爆破效果进行了定性和定量的综合评价，找出了中深孔爆破效果的主要影响因素；耿贵刚［6］深入探究了中深孔爆破过程中大块产生的原因，并根据原因有针对性的提出了降低大块率的技术措施；邓飞［7］以千家坪钒矿为研究对象，结合现场爆破漏斗实验结果，对该矿的中深孔爆破技术参数进行了优化，经工程实践证明，优化后的技术参数具有良好的爆破效果。虽然中深孔爆破领域的研究众多，然而，对不同炸药爆速作用下中深孔爆破效果的研究较少。随着计算机水平的不断提高，数值模拟软件功能越来越完善，结果也越来越可靠，可以很好的认识爆破过程中应力和裂隙的变化情况。因此，本文采用ANSYS/LS-DYNA 爆破分析软件对不同炸药爆速作用下中深孔爆破效果进行分析研究，以期为中深孔爆破效果的提升提供方法借鉴。

2 数值计算模型

ANSYS/LS-DYNA 是世界上最著名的通用显式非线性动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，特别适合求解爆炸冲击荷载作用下岩体结构的动态响应分析。

为了探索炸药爆速对中深孔爆破的影响，采用控制变量法进行研究，即将炸药爆速作为单一变量，其他炸药参数保持一致。根据现场试验数据，粒状乳环铵油炸药的爆速基本保持在3000m/s，而加入导爆索后，其爆速能够达到6000m/s，故分别对炸药爆速在3000m/s 和6000m/s 两种情况下进行数值计算分析，得到不同炸药爆速对中深孔爆破的影响规律。

为了直观的分析对比，本文通过爆破后的裂隙生成效果来判别炸药爆速对爆破的影响。模型尺寸为5m×5m×5m 的立方体， 模型共312867 个单元，炮孔的直径为70mm，炮孔长度为5m，炮孔贯穿模型，模型如图1 所示。

图1 数值模拟模型图

坐标定义为沿炮孔方向为z 方向，-250～250cm，起爆方式为孔底起爆，即-250cm 处首先起爆，爆破完后，观测z 水平的断面图，看其裂隙的变化和炮孔的损坏情况。

由于炸药爆破时，应变率效应比较显著，所以在数值模拟中，采用Cowper-Symonds 模型来分析，相关参数见表1 和表2。

表1 岩体物理力学参数

表2 中：R0为炸药的质量密度；D0为炸药的爆速；PCJ 为炸药的爆轰压力；A、B、R1、R2、ω为炸药的相关参数或者常系数；V0为初始相对体积；E0为杨氏模量。

3 数值模拟结果分析

3.1 岩石裂隙分析

在数值模拟完成后，取Z 方向的某些断面图进行对比，来分析爆速对爆破质量的影响，如图1和图2 为模拟所得的不同断面的裂隙效果图。

图2 爆速6000m/s 时不同断面裂隙断面图

表2 粒状乳化铵油炸药参数表

图3 爆速3000m/s 时不同断面裂隙断面图

从图1、图2 中可以看出，孔底起爆初始时，爆速在6000m/s 和3000m/s 时，由于爆速增加，炮轰压力增大，炮孔形成的压碎区的范围爆速大的要稍微大于爆速低的，但总体相差不大，且裂隙发育程度都较小，其爆破过程对应的柱状药包的两端炮轰波以球面波的形式的传播的过程，影响范围较小。随着炸药的传播，当传播到炮孔中部区域时，爆速高的压碎区和裂隙区范围明显的增大，其对应的柱状药包柱部的炮轰波以柱面波的形式传播，在周围形成了大小不一的裂隙。从爆破结果来看，炸药爆速6000m/s 时爆破对岩体的影响范围更大，且破坏更严重，有利于岩石的破碎。当炸药爆破过程至孔口时，炮轰形成的压碎区的范围相差不大，但是爆速高的，形成的裂隙的规模要大于爆速低，由于柱状药包的炮轰方向是沿着孔底到孔口的，炮孔会受到沿炮轰方向斜方向的冲击压力的作用，进而形成裂隙。又由于爆速高，炮轰压力大，就会扩大裂隙生成的范围。总体来说提高炸药的爆速对孔口的矿岩的破坏也相对的严重，会导致眉线破坏严重，因此在提高炸药爆速时要相应的增大炮孔的堵塞长度。

图4 X=250cm 岩石裂隙侧面剖视效果图

3.2 整体破坏分析

选取单元位置为模型侧面（250，0，0）位置，得出爆破后岩体模型整体的破坏图，如图4 所示，从整体的破坏图来看，高爆速炸药破坏的范围明显的大于爆速低的炸药；从模型-150cm 到150cm 的断面裂隙生成效果图可知，柱部破坏明显要比两端的严重，当爆速增加时，更趋向于柱状药包的爆破，炮孔两端破坏较轻，柱部破坏比较严重，遵循柱状药包的特征。在低爆速作用下，中深孔爆破整体破碎效果较为一致，即由孔底至孔口，破碎的范围比较接近。但是在高爆速作用下，孔底至孔口的破碎效果差别较大，其爆破破碎特征类似于柱状药包。

3.3 炮孔应力分析

为了更好的了解在不同爆速条件下，对岩石裂隙生成的影响，在接近于模型的边缘处设置监测点，以监测不同爆速对岩石的应力变化规律，经后处理得到图5应力历程曲线图和图6剪应力历程曲线图。

图5 不同爆速的应力时间历程曲线

从图5 不同爆速的应力历程曲线可知，爆速6000m/s 时炸药最大应力值达到0.68×10-3MPa， 爆速3000m/s 时炸药最大应力值达到0.36×10-3MPa，且高爆速炸药首先达到应力峰值。高爆速炸药形成的应力峰值接近于低爆速炸药应力峰值的2 倍，即爆速提高2 倍后，最大应力值相应的提高2 倍。达到峰值后，由于拉应力的作用，高爆速炸药所形成较大的拉伸应力，使应力值迅速的下降，由于监测点较远，总体来说仍然受到炮轰压力的作用。在监测的时间内，高爆速炸药形成的最小应力值大于低爆速炸药的最小应力值，说明相同时间内，与低爆速炸药相比，高爆速炸药能够对岩体产生更大的作用力，更加有助于岩体的破碎。另外，高爆速炸药应力值稳定所需要的时间远低于低爆速炸药。

图6 不同爆速的剪切应力历程曲线

剪切应力是形成裂隙的主要原因，从图6 不同爆速的剪切应力历程曲线可知，切应力的历程曲线和岩体受到的应力历程曲线几乎一致，只是大小的不同，爆速的提高2 倍，剪切应力也接近于增加2倍左右，同时进一步说明径向压力和切向拉力存在相应的关系。

综上所述高爆速炸药在爆破时，炮孔受到的正向应力和剪切应力增加，产生的裂隙数量和长度明显增大，且破坏范围比较广，而裂隙对于岩体破碎具有重要的促进作用，因此在爆破过程中采用高爆速的炸药有助于提升岩体的破碎效果。另外，如前所述，炸药爆速越快，中深孔爆破的碎岩特征与柱状药包越接近，柱部破坏严重，两端破坏较轻；同时爆速提高的幅度和最大应力峰值存在一定的关系，爆速提高2 倍，最大应力峰值也提高2 倍左右。

4 结语

运用ANSYS/LS-DYNA 爆破分析软件构建了中深孔爆破的数值计算模型，探索分析了炸药爆速对中深孔爆破效果的影响。研究结果表明：中深孔爆破所产生的最大主应力值与炸药爆速成正比；爆速高的炸药，在岩石爆破中，所形成的裂隙破坏区范围明显广于爆速低的炸药，破坏相对严重；爆速越高，柱状药包爆破时，柱部破坏比较明显，两端破坏较轻，和柱状药包的应力波的传播特征相符；当采用上向扇形中深孔爆破时，爆速的提高会在眉线处形成较多的裂隙，且裂隙比较发育，由于爆生气体的作用，眉线处的岩石易被破坏不利于眉线的保护。