孔底抵抗线对VCR爆破的影响研究

2022-09-29王文洋罗志华张宗国

采矿技术 2022年5期

王文洋，罗志华，张宗国

(1.深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿，广东韶关市 512000；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

0 引言

在开采过程中，由于孔底抵抗线过大或过小，使得爆炸能量过多的浪费，容易出现块度分布不均匀的爆破效果与造成堵孔冲孔等爆破危害（见图1（c））。为了最大化合理利用爆炸能量以提高爆破效果，改善矿山经济效益，研究孔底抵抗线以控制爆炸效果对现场生产有很大的实践意义。许多学者对爆破抵抗线进行了分析研究，如：姜永恒等[2]针对某金矿大块率高的问题，运用数值模拟软件对采场扇形孔进行模拟，分析了岩体内部质点的有效应力峰值，确定了中深孔爆破最优抵抗线和孔底距；何闯等[3]研究抵抗线与自由面对爆破振动的影响，得出爆破振动受自由面与最小抵抗线的共同影响；沈慧明等[4]采用理论分析的方式，得出适当调整抵抗线可以改善爆破效果；何士霭[5]通过合理的装药设计，使得爆破块度、爆堆位移在合理范围之内；李育等[6]采用减小前排装药抵抗线来控制爆破振动；魏兆云等[7]通过理论计算的方式确定爆破中抵抗线参数来控制爆破效果。综上可知，多数研究均采用数值模拟的手段研究抵抗线，为了研究大直径深孔爆破中孔底抵抗线对爆破效果的影响，本文采用数值模拟方法，对不同孔底抵抗线下的等效漏斗半径与等效漏斗体积进行对比分析，优选合理的孔底抵抗线以改善现场爆破效果。

图1 采矿工艺

1 数值模拟

1.1 模型建立

为了研究孔底抵抗线对爆破效果的影响，采用数值模拟方法分析爆炸过程中试块内部应力变化情况，数值模拟中的炸药、模型材料等与现场实际基本一致，模拟抵抗线为变量。本文的主要研究对象为抵抗线，为了方便划分网格，数值模拟中将原药包长度为0.6 m通过几何相似比例缩放为3 cm，相似系数为20，模拟共分为5组，孔底抵抗线分别为3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、7 cm。

如图2所示，模型长、宽、高分别为40 cm、40 cm、30 cm，炸药直径为8 mm，长度为3 cm；其中孔底抵抗线大小为变量，其中药包上下层均为堵塞物，模型中ALE空间的直径为5倍炮孔直径，ALE与部分石块单元重合。模型中忽略重力的影响。岩石模型单元大小为5 mm×5 mm，炸药、堵塞、ALE采用渐变网格。

图2 四分之一模型示意

1.2 材料参数选取

1.2.1 炸药的材料模型与其状态方程

在LS-DYNA程序之中，炸药材料模型采用8号材料模型，炸药的状态方程为“*EOS_JWL”，此方程忽略炸药的化学反应方式而只考虑爆轰，经过大量试验数据修正，JWL状态方程如下[8-10]：

式中，P为爆轰压力，Pa；E0为单元最大面积，m2；V为爆轰产物相对体积，m3；ω为格林爱森参数；A、B、R1、R2均为表征炸药物理特性的常数。

1.2.2 混凝土RHT材料模型

本文数值模拟采用混凝土 RHT本构模型[12]，该模型中的弹性极限面方程、最大失效面方程和残余强度方程可用于描述混凝土在爆炸冲击荷载作用下的初始屈服强度、失效强度和残余强度的变化规律。

1.2.3 炮泥材料模型

卷积神经网络可以用来处理并且分析多种多样的图像，卷积神经网络本身建立于深度学习技术的前提下。具体在交通运用中，针对卷积神经网络有必要明晰其中的多层次网络架构，从而将其转变成矩阵表示的完整神经网络。在此基础上，对于相应的原始图像予以输入处理，然后矩阵系统即可凭借当前输入的各项信息来判定整个矩阵形态，从而选择不同颜色来表示各个相应的图片信息。针对输出类别而言，对此设置了1000的默认值。在现实运用中，如果能灵活运用上述图像处理，则可以运用图片预测的方式来实现针对雨雪天气的精确预测。

本文中炮孔采用炮泥进行堵塞，选用土壤和泡沫材料模型（*MAT_SOLI_AND_FOAM）。相关参数见表1至表4。

表1 炸药参数

表2 炸药状态方程参数

表3 试块RHT材料模型的计算参数

表4 炮泥材料模型的计算参数

1.3 爆破过程

在后处理软件（LS-PREPOST）中进行分析，当损伤值达到0.7时，岩石发生破坏，因此，模拟模型损伤值下线为 0.7，为了模拟爆炸整个过程，以孔底抵抗线为4 cm试验为例，模型内部损伤云图演化过程如图3所示。同时，为方便观看漏斗形状，将模型沿XZ面旋转90°。

图3 模型失效演化云图

由图3可知，在数值模拟过程中，药包在10 μs时完全响应，爆炸应力波继续往模型四周传递，药包周围发生破坏；10～40 μs时，损伤范围逐渐沿着炮孔向自由面发展，模型内部形成破碎圈；40～60 μs时，损伤范围发展至模型下表面（自由面），爆破漏斗初步形成，漏斗半径较小，有待进一步扩展；60～90 μs时，该时期为漏斗半径扩展时期，应力波的反射拉伸导致爆生气体膨胀快速排出孔外，致使爆破漏斗半径进一步扩大并达到峰值。90～100 μs时，很明显可以看出，该时期漏斗直径基本没有变化，模型表面的损伤区域增大是由于模拟过程中应力波在模型中无法完全消耗，导致应力波在模型面不断发生反射，导致损伤区域较大。综上，将100 μs看作试验中爆炸过程的终止时间点。

1.4 不同抵抗线下爆破效果分析

通过对堵塞长度为2 cm，孔底抵抗线大小为3 cm、4 cm、5 cm、6 cm和7 cm时进行数值模拟计算，并对其形成的爆破漏斗进行分析。图4中依次为3～7 cm堵塞长度下等效爆破漏斗模型。

由图4可知，在孔底抵抗线为7 cm时，爆炸没有形成爆破漏斗，模型表面基本没有破坏，而孔底抵抗线为4 cm时，爆炸形成的爆破漏斗半径最大，爆破漏斗的半径随孔底抵抗线的增大先增大后减小。以上结果说明，抵抗线能改变药包爆炸能量的作用范围，适当的抵抗线能有效减小能量在炮孔中的流失，最大化利用爆炸能量，进而改善爆破效果。为定量描述爆破效果与孔底抵抗线之间的关系，将各方案形成的等效爆破漏斗半径与等效漏斗体积进行统计（D0＞0.7的单元），如图4所示。

图4 不同孔底抵抗线下爆破漏斗损伤模型

由图5可知，孔底抵抗线较小时，大量的爆生气体快速的从下部孔口冲出，导致炸药能量作用于岩石的比例减小，造成了炸药能量的损失浪费。随着抵抗线的增大，爆破漏斗的半径与体积相应的增大，但当抵抗线大于4 cm时，爆破漏斗的半径出现拐点，当抵抗线大于5 cm时，爆破漏斗的体积也开始出现下滑。说明抵抗线的增大提高了药包的作用深度，合理的抵抗线能够有效改善爆破效果。

图5 不同抵抗线下爆破漏斗半径与损伤体积

1.5 不同测点应变对比

在数值模拟中，各测点按照模型试验中的应变监测点布置，提取各监测点的应变进行分析，如图6、图7所示。

图6 测点布置

由图7可知，各监测点在2.5 ms时，有效塑性应变值趋向稳定，监测点 A、B、C的有效塑性应变值与初始应变率也较高，远远高于其他监测点。监测点D、E、F的应变值变化较小，且时间短暂，其有效应变数值大小排序为：A＞B＞C＞F＞E＞D，爆破出现漏斗，炸药主体能量沿炮孔向下表面传递，模型下表面的应变值远远高于其他表面质点的应变值。研究表明，应变值与初始应变率随着炸药的距离增大而减小。

图7 测点有效塑性应变

2 工程实例

由模拟结果可知，孔底抵抗线抵抗线为 5 cm时，其爆破效果较好，为了更好地验证模拟成果，通过相似试验，相似系数为20，现场试验对应的孔底抵抗线为1 m，其装药结构如图1（a）所示，采场爆破效果如图8所示。图8（a）中，采场上部硐室顶板锚网没有出现明显的破坏，图8（b）中，下部硐室爆堆整体块度较为均匀，达到生产过程中块度破碎要求。试验表明，该孔底抵抗线条件下能较好地改善现场爆破效果。