神山石灰岩矿边坡预裂爆破数值模拟及应用

2024-03-13钱明渊袁政委崔子恒鲁海生姚昌盛

露天采矿技术 2024年1期

钱明渊，程路，袁政委，崔子恒，鲁海生，姚昌盛

（安徽江南爆破工程有限公司，安徽宁国 242300）

露天矿山边坡控制爆破成型过程中，为形成光滑平整的轮廓面，维持边坡稳定，常会用到光面爆破或者预裂爆破技术[1-3]，其中预裂爆破是在爆破开挖主爆区前，在边坡设计轮廓处预先爆破形成1 条贯通裂缝，以缓冲和反射爆破产生的冲击波，控制爆破对开挖面的破坏，从而得到较为平坦的开挖剖面[4-6]。预裂爆破效果不佳，易导致永久边坡挂帮、根底，严重的会对边坡面、坡顶线造成破坏，将会直接影响企业施工成本。如何提高露天采场台阶预裂爆破效果，是目前露天矿山技术重点及难点[7-8]。

在预裂爆破技术研究方面，张迎春等[9]根据矿山现状，结合经验公式进行了爆破作业，最终实现矿山台阶降低、坡面规整、台阶平整、半孔率高等效果；阮国府[10]采用合适的预裂孔径、孔距搭配合适直径的PVC 管进行预裂装药，施工效率、施工质量、施工成本等可以满足在导爆索匮乏的情况下预裂爆破需求；洪勇等[11]提出了一种间隔装药结构一次预裂爆破成型方法，并对比分析了空孔孔径、不耦合系数、孔距等参数对最终预裂效果的影响程度；张修玉等[12]针对通过改变孔间距，通过多组现场试验，得出了最优孔距。

目前对于边坡预裂爆破研究主要采用小直径、短孔距布孔方式及32 mm 乳化炸药间隔装药结构，同时结合经验公式对爆破参数进行估算，边坡成型效果较为一般，爆破效果无法得到有效保障。为合理优化爆破参数，提高边坡成型效果，基于某露天矿山溜井平台边坡爆破成型工况，采用宽孔距、大孔径边坡预裂爆破技术，通过经验估算和数值仿真相结合的方式，验证爆破参数的合理性，并根据仿真结果进行了现场爆破试验，为类似工程提供了借鉴。

1 工程概况和预裂爆破参数

神山石灰岩矿矿区属低山丘陵地貌。矿区以灰岩为主，构造不发育，局部岩溶较发育，岩体完整性总体较好，岩石平均饱和抗压强度25～93.4 MPa，平均63.7 MPa，岩体稳定性一般较好；现该矿山四号溜井平台＋330 m 水平，因生成建设需要须进行边坡爆破开挖，拟采用预裂爆破技术以形成平整轮廓面，同时保障保留岩体稳定性。

根据现场地质条件和相关工程经验，本次爆破拟采用深孔台阶爆破方式，台阶高度为H＝15 m，倾斜梅花形布孔，主爆区采用二号岩石乳化炸药装药，炸药直径d＝90 mm，不耦合装药。预裂孔采用32 mm 乳化炸药不耦合装药结构，采用导爆管雷管进行网络连接，爆破过程中做好有害效应防护，控制爆破振动和飞石。

为降低爆破成本，提高半孔率，拟定采用宽孔距、大孔径方案进行预裂爆破。宽孔距、大孔径边坡预裂爆破技术其主要特点在于不耦合系数相对较高，应力波和高压气体对于孔壁的压力相对较小，可有效避免孔壁受压破坏[13]，同时孔内空气起到一定的气楔作用，可有效储存炸药能量，提高爆破做工时长，保障预裂缝扩展效果，孔距较宽可减少钻孔工作量和爆破器材使用量。

1.1 主爆孔和预裂孔参数

1）孔径。根据矿山工程设备情况选择钻孔孔径：①主爆孔孔径D1＝140 mm，主爆钻孔角度θ1＝85°；②预裂孔孔径D2＝120 mm，预裂钻孔角度：θ2＝70°。

2）超深及钻孔深度。①超深h＝（8-12）D1＝1.5 m；②主爆孔孔深L1＝（H＋h）/sin θ1＝16.56 m，式中：θ1为主爆孔倾角；③预裂孔孔深L2＝（H＋h）/sin θ2＝17.56 m，式中：θ2为预裂孔倾角。

3）底盘抵抗线。①主爆孔底盘抵抗线W1＝k1D1＝4.4 m，式中：k1为常数，一般为25～45，取k1＝32；②预裂孔底盘抵抗线W2＝k2D2=1.8 m；式中：k2为常数，取k2＝15。穿孔时须控制预裂孔与主爆区最后1 排孔孔底距在1.8 m 左右。

4）孔距。①主爆孔孔距a1＝m1W1＝6.6 m，式中：m1为常数，深孔爆破为1.2～1.5；②预裂孔孔距a2＝m2W2＝1.5 m，式中：m2为常数，深孔爆破为0.6-0.8。

5）排距。主爆区排距b1＝W1＝4.4 m。

6）填塞长度。①主爆区填塞长度l1≈W1＝4.5 m；②预裂孔填塞长度l2≈W2＝1.8 m。

1.2 缓冲孔参数

在主爆孔和预裂爆破炮孔之间设置缓冲孔，缓冲孔为垂直孔，起到有效的防冲撞缓冲作用，同时提高主爆孔和预裂孔之间的岩体的破碎度，便于挖运。缓冲孔孔距a3＝2.0 m，排距b3＝3.2 m，倾斜角度θ3＝85°，钻孔深度L3＝8 m，堵塞长度l3＝3.5 m。

1.3 装药结构

主爆孔与预裂孔装药结构如图1。

图1 装药结构

1）主爆孔采用直径90 mm 炸药，线装药密度为7 kg/m。

2）预裂孔底部装填2 卷直径90 mm 炸药药卷用于破除底部夹制力，中间段采用直径32 mm 乳化炸药连续装药，上部采用32 mm 乳化炸药间隔装药结构减弱顶部爆破作用，装药时将药卷和导爆索绑缚在毛竹片上，整体下放至孔内。

1.4 起爆网路

起爆网络如图2。

图2 起爆网路

采用“孔内高段别，孔外低段接力”导爆管雷管毫秒延期起爆网路进行爆破作业，主爆区孔内使用2 发MS 9 段导爆管雷管，孔外使用MS3 段导爆管雷管进行延期，排间使用MS5 段接力。预裂孔采用导爆索起爆，孔间使用导爆索传爆，孔外导爆索与主索相连，主索端部绑缚两发雷管，起爆顺序：预裂孔、主爆孔、缓冲孔。

2 数值模拟

2.1 数值模拟模型

根据溜井平台边坡实际工况和爆破设计参数，采用ANSYS/LSDYNA 对溜井平台边坡预裂爆破过程进行数值模拟分析，分析岩体爆破成缝过程情况，判断预裂爆破成型效果。仿真方案如下：①采用ANSYS/LSDYNA 建立预裂爆破模型，形成K 文件；②设置模型边界条件和起爆时间，进行仿真计算；③采用Ls-prepost 后处理软件观测岩体损伤情况；④分析光面爆破和岩体破碎效果。

根据爆破设计参数建立预裂爆破几何模型，模型长6 m，宽3 m，厚0.2 m，采用偏心装药结构，几何模型如图3。

图3 几何模型

模型中共有3 个组分：乳化炸药，空气和岩体，其中空气和炸药材料定义为流体，石灰岩为固体，采用＊CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 关键字定义流固耦合关系。整体模型采用映射法进行网格划分，在对称面施加相对的位移约束。在岩体组分外表面添加无反射边界条件[14]，设置剪切波和膨胀波的吸收，设置炮孔同时起爆。

2.2 模拟结果

预裂成缝过程如图4。

图4 预裂成缝过程

炸药起爆后，应力波呈环状向四周扩散，50 μs时，孔壁受压破坏，此时孔壁处米塞斯应力峰值为88.8 MPa，高于岩石抗压强度，开始产生粉碎圈；100 μs 时，粉碎圈不再扩大，其大小约为10 cm 左右的圆形，粉碎圈周围开始形成微小裂缝；100～300 μs时，径向裂缝进一步扩展，同时形成部分环向裂隙；425 μs 时，孔间径向裂隙扩展完全直至贯通。由图4中可以看出：该裂缝较为平整，整条裂缝基本在开挖轮廓线附近，未出现明显的超挖和欠挖现象，爆破过程对保留岩体有一定的破坏，现场作业需采取一定的缓冲措施。

由仿真结果可以看出，采用32 mm 乳化药卷，120 mm 孔径，1.5 m 孔距等参数可有效形成贯通裂缝，岩体成缝效果较好，可用于现场实际使用，现场作业时需稍微调整装药位置，减小对保留岩体的损伤。

3 现场试验

根据预裂爆破设计方案对溜井平台边坡进行预裂爆破施工作业。该区域岩体为石灰岩，岩体微发育，边坡开挖线长约60 m，其中预裂孔40 个，辅助缓冲孔31 个，主爆孔26 个。

1）炮孔验收。为保证爆破效果，在装药前，要对预裂孔进行检查和验收。成孔验收必须逐孔进行，对于不合格的成孔，要及时补孔；验收每个炮孔的孔深、角度、位置，与设计的数据进行对比，每个炮孔要求深度误差在±0.5 m、角度±2°、位置±0.5 m；预裂孔成孔率须达到100%。

2）装药施工要求。预裂孔采用传统的导爆索竹片间隔装药方式，药卷、导爆索与竹片均须绑扎牢固。搭接长度不得小于15 cm，绑扎须牢固，确保传爆稳定性，同时要确保导爆索连接平直，避免拒爆。爆破员严格按照爆破设计进行装药，装药过程应该实时监控装药长度，保证不超量装药，药卷绑扎完毕后，作业人员应将毛竹一次性置入孔内并采用岩粉填塞炮孔。在填塞施工开始之前，需要将岩渣装入到编织袋内，同时采取控制措施来确保填塞的质量，且堵塞长度、质量符合设计。

3）起爆顺序。起爆顺序为：预裂孔→主爆孔→缓冲孔。

4）爆破效果。爆破后边坡预裂爆破后壁面平整，无明显超欠挖现象，半孔痕迹清晰，孔痕连续性较好，掌子面根部到达预裂线位置，达到预定要求，无需二次处理，经过现场统计共有34 个半孔完全保留，半孔率达到85%。