不耦合系数对露天矿山光面爆破影响研究

2023-09-27吴求忠汪海波魏梦杰冯亚腾

安徽理工大学学报（自然科学版） 2023年4期

吴求忠,汪海波,魏梦杰,汪鼎,冯亚腾

(1.安徽枞阳海螺水泥股份有限公司,安徽枞阳 244000;2.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001)

光面爆破可以保持边坡坡面稳定性,减少坡面岩石滑落、经济损失和安全事故的发生,因此在露天矿山终了边坡爆破时得到广泛使用。

对于露天边坡光面爆破技术国内外学者进行了大量的研究。文献[1]提出在光爆孔中降低炸药能量密度,结果发现该爆破技术可以有效解决超欠挖的问题。文献[2]通过LS-DYNA软件分析光面爆破中临近炮孔的成缝效果,并得出临近炮孔的最佳间距。文献[3-4]通过数值模型对比光面爆破与普通爆破技术的爆炸效果,得出采用间隔装药时的最佳间距。文献[5]为研究光面爆破中护壁材料对保留坡面的保护程度,发现该材料对爆炸应力波有衰减作用。文献[6-7]设计了一系列光面爆破参数,并将其应用到边坡控制爆破中。文献[8-9]对比了不同开挖方式下岩体边坡损伤演化过程,发现光面爆破后岩体上部存在较小范围的高程度损伤,而中下部分则分布较大范围的中等程度损伤。文献[10]提出考虑边坡内部和表面局部岩土体抗剪强度参数的差异对稳定性的影响,并比较了机械开挖和爆破开挖的影响深度。文献[11]从PPV角度研究了光面爆破对露天矿山边坡稳定性的影响。文献[12]模拟了药卷位置对边坡光面爆破的影响,通过改变装药方式并结合数值模拟进行了现场试验,提出改进版的偏心不耦合装药对边坡光面爆破具有积极意义。文献[13]研究了一种预测露天边坡光面爆破裂纹扩展的方法。但在爆破工程实践中,低能量密度的炸药、间隔装药和护壁爆破等技术有额外的要求,不是所有的爆破作业均能满足,在一定程度上限制了其推广。

鉴于不耦合装药可以有效降低对保留岩体的破坏程度,不耦合装药结构也是一种光面爆破采用的方式[14],最佳不耦合装药系数的选取对控制边坡的超欠挖更具有可操作性。因此,本研究基于枞阳海螺露天石灰岩矿山开采爆破工程实际,通过建立数值模拟模型分析不同不耦合系数时岩体内的峰值应力强度,以期获取最佳径向不耦合系数。

1 工程概况

矿区位于安徽省铜陵市枞阳县,为水泥原料露天矿山。矿区内出露地层有三叠系下统和龙山组、南陵湖组及第四系,三叠系下统岩性以石灰岩为主,矿床岩石岩性风化严重,原始裂隙较多,岩层内夹杂着泥岩类物质,岩石单轴抗压强度、抗拉强度较低,为一般坚固岩石。露天矿山平台平整,爆破区域周围环境良好。采用光面爆破技术时,孔间泥岩物质的存在会破坏保留坡面的平整。

经过现场设备探测并结合经验,控界爆破采用光面爆破结合深孔台阶松动爆破技术、垂直钻孔,常用爆破参数如下:钻孔直径d=140mm;台阶高度H=13m;因岩石裂隙较发育,底部夹制作用小,在此取炮孔超深h=0.5m;光爆孔底盘抵抗线W光=3m;孔距a光=(0.6～0.8)W光=(0.6～0.8)×3m=(1.8～2.4)m,由于本工程中岩石硬度较小,取a光=2.2m;炮孔深度L=H+h=13.5m;填塞长度L1=2.0m。

光爆孔采用单排炮孔同时起爆,延时主炮孔192ms后起爆。为了防止对坡面的超欠挖及装药方便,采用轴向连续装药、径向不耦合装药。

2 不耦合系数影响的数值模拟

不耦合系数影响爆破后边坡坡面的平整度和稳定性,若通过现场试验对比选取最佳不耦合系数,则时间和经济成本较高。为此,通过数值模拟软件LS-DYNA建立不同装药不耦合系数时的计算模型,分析不同工况时炮孔周围岩体的有效应力峰值强度,以选取最佳不耦合系数。

2.1 数值模型建立

根据实际工况建立台阶爆破数值模型,单元长度设置为100mm,炸药及炮孔周围单元长度设置较小,以便观察其爆炸衍变过程,空气物质与炸药物质共节点建立,空气物质模型半径是炸药半径的10倍。岩体、填塞物是固体物质,采用LAGRANGE算法;炸药、空气是流体物质,采用ALE算法。为了节省计算时间,建立1/2数值模型,边坡台阶模型的上面及坡面为自由面,边坡其他面设置无反射边界条件,更符合实际工况无限大的岩体。

由于钻孔直径140mm,现设计炸药半径为70mm、40mm、30mm、20mm、10mm 5种工况,对应的不耦合系数分别为1.00、1.75、2.33、3.50、7.00。

2.2 模型材料选取及控制方程

1)岩体采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC应变率效应各向同性随动塑性强化模型,可以较好地模拟岩石材料[15]。石灰岩的基本物理力学性质测试结果为:密度2 735.66kg/m3,泊松比0.25,抗压强度34.08MPa,抗拉强度5.31MPa,弹性模量12.77GPa。

2)填塞物质的材料模型与岩石物质的材料模型一致,因为填塞材料多为现场钻孔的岩石粉末,强度较低,所以其屈服强度取石灰岩材料的1/10。

3)空气材料模型采用MAT_NULL材料模型,使用LINEAR_POLYNOMIAL线性多项式描述空气的状态方程[16]。

4)炸药选择MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型,状态方程通过关键字*EOS_JW定义[17]。计算单位制统一采用cm-g-μs。

2.3 数值模拟结果及分析

由于计算工况较多,仅列出耦合装药模型和不耦合系数为3.50两种工况典型时刻的有效应力云图,如图1、图2所示。

(a)t=500μs (b)t=1000μs

由图1可知,在边坡底部上升段,应力波呈球状波上升。在上升过程中,岩体中爆炸应力波的波阵面呈锥形向上运动。随着高度的上升,对周围岩体的破坏范围和程度增大,其中台阶中部岩体的破坏程度最大,因为台阶底部岩石与下个台阶面相连、装药集中在炮孔的中下部,所以中部岩体在爆破过程中易发生抛掷。在耦合装药爆破时,其破坏面大、破坏程度严重,对保留岩体损坏程度过大,不利于边坡稳定,因此光面孔往往采用不耦合装药爆破,从而降低对保留岩体的破坏程度。

由图2可知,相比耦合装药,不耦合系数为3.50时爆破对保留岩体的破坏程度大大降低,应力波的扩展范围缩小,说明光爆孔采用不耦合装药爆破可以有效降低坡面保留岩体的破坏程度。该数值模型从底部起爆,应力波传播迅速,与耦合装药模型传播速度大体一致,但是其应力波传播区域固定,未对保留岩体造成过大破坏。

为了更加直观地表达岩体的破坏程度,选取上述各计算工况数值模型中部区域距离地面的5m、距离炮孔壁0.5m处的保留岩体为应力监测点,因不同工况应力峰值强度差距过大,本文采用两幅图片表示,如图3(a)～(b)所示。各工况应力峰值与不耦合的系数关系如图3(c)所示。

(a)不耦合系数1.00和1.75时应力时程曲线

由图3可知,各工况岩体测点处的应力达到峰值的时间相近,均在1 500μs左右,说明应力波传播速度随着不耦合系数的改变变化幅度较小。由图3(a)可知,耦合装药(不耦合系数1.00)时测点的峰值应力最大(163MPa),对保留岩体的破坏程度也最大。随着装药量减小,峰值应力下降;在不耦合系数为1.75时,测点处的峰值应力为120MPa,对岩体的破坏程度依然较大。图3(b)中的3种工况的峰值应力较图3(a)明显下降,不耦合系数为2.33时的峰值强度为51MPa,不耦合系数为3.50时的峰值强度38MPa,不耦合系数为7.00时的峰值强度最小(16MPa)。石灰岩的抗压强度为34MPa,当岩体中的爆炸应力强度超过岩石的抗压强度时,坡面岩石才会发生破坏。图3(b)5种工况的峰值强度中,不耦合系数为3.50时的爆炸应力波峰值强度接近石灰岩的抗压强度,即不耦合系数为3.50时的爆破可以达到清除坡面残留岩石、保护保留岩体的爆破效果,所以最佳不耦合系数是3.50。

图3(c)进一步表明了岩体内有效峰值应力随着不耦合系数的增大,二者关系呈指数下降。不耦合系数为3.00之前的峰值有效应力下降幅度较大,反映了这一范围内的不耦合系数的变化与岩体测点峰值应力的敏感性较高。而不耦合系数为3之后的测点,其峰值有效应力下降幅度较小且逐渐平缓。