露天深孔台阶爆破参数优化设计*

张世琛，苟瑞君，马震宇，武敬博，杨文升

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)



露天深孔台阶爆破参数优化设计*

张世琛，苟瑞君，马震宇，武敬博，杨文升

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)

摘要:为解决实际工况中易出现的大块率高和根底较多的问题，基于宽孔距、 小排距的爆破机理选取新的孔距a1=13 m，排距b1=4 m，利用ANSYS LS-DYNA软件对改良布孔前后的爆破过程进行了模拟分析，并研究了孔中、 孔底和二者同时起爆共三种起爆方式下岩体不同部位的应力变化. 模拟结果表明： 采用新的孔网参数可以加强爆轰产物对岩体的破坏作用； 针对顶部易出现大块岩体问题，采用孔底起爆具有良好效果； 针对底部易出现较多岩体的问题，宜采取孔中、 孔底同时起爆的方式.

关键词:台阶爆破； 深孔爆破； 孔网参数； 起爆方式

露天深孔台阶爆破是当前剥离、 开采露天矿山的主要手段，合理适用的爆破方案可以在很大程度上使经济效益最大化，同时也方便后续的开采、 运输工作. 由于矿山爆破工程巨大，不便根据需求频繁试验爆破参数，因此通常运用软件辅助来模拟不同情况以得到最优参数. 宽孔距、 小排距爆破最先由瑞典人U·Langfous提出，主要是在保持炮孔负担面积不变的前提下加大孔距、 减小排距，即增大密集系数[1]. 余仁兵等[2]模拟研究了不同孔径的孔网参数及其爆破效果，结果表明当孔径和孔网参数相匹配时爆破效果最好. 张杰和王洋[3]采用LS-DYNA软件模拟了不同起爆方式的关键点应力变化，发现在深孔爆破中起爆方式不同所引起岩石内部应力分布和和变化规律的差别较大，模拟结果认为在深孔爆破时，药柱中心起爆效果较好. 周楠等[4]利用LS-DYNA软件针对台阶爆破不同起爆方式进行了研究，结果表明台阶爆破的最佳起爆方式为全药柱同时起爆方式，其次为中间起爆和两端起爆方式，而不适宜采用孔底起爆方式. 张云鹏等[5]研究表明，超深存在最佳临界值，并得到了临界超深的范围，对实际工程实践设计具有参考作用.

本文主要针对当前矿山开采中常见的大块和根底问题，借鉴某矿工程实况所选取的孔距、 排距以及起爆方式进行了LS-DYNA软件模拟，根据宽孔距、 小排距爆破机理，对孔距、 排距进行了改进； 在确定优化孔网参数后，分别选取了不同的起爆方式进行了模拟. 根据模拟结果，得出了较优的布孔设计与起爆方式，模拟结果对今后的工程实践有一定的指导意义.

1模型与计算参数

1.1实际工况

某铁矿山实际工况如表 1.

表 1　矿山实际工况参数

图 1 为三角布孔示意图，本文选取3个炮孔构成的三角形为一个单元进行研究.

图 1　三角形布孔及模拟单元区域Fig.1　Triangle hole pattern and element region

如图 2 所示，所得到的爆破效果不太理想，有部分根底与大块.

图 2　某矿山实际爆破效果Fig.2　The actual effect of a Mine Blasting

1.2排距、 孔距优化

当宽孔距爆破时，孔距的增大可以延缓炮孔连心线处的应力叠加. 随着m值增大，同排炮孔爆破可近似视为单孔爆破，前排为后排创造了类似弧形的临空面，使得后排炮孔类似多面临空爆破，可得到较好的效果[6]. 理想状况下，任意单个炮孔与其周围的炮孔等距(如图 3)时，此时密集系数为

(1)

从受力分析来看，该结构可保证岩体受力均匀，且同一行的炮孔间不会发生贯穿，避免了爆生气体从因孔距过近而产生的贯通裂隙中提前逸出，改善了大块率. 因此，本文选取120° 钝角三角形作为一个爆破单元.

根据宽孔距、 小排距爆破机理，改孔前后保持炮孔负担面积不变，本例中炮孔负担面积为

(2)

联立式(1), (2)求值并取整，得改孔之后a1=13 m，b1=4 m.

图 3　理想状况下的布孔方式Fig.3　Hole arrangement mode under ideal conditions

1.3模拟参数

模型中含有炸药、 空气、 岩石和填塞物4种材料，为保证最优化设计，本文中填塞物与岩石选取同一种材料. 模型选用实体单元3D-SOLID164，利用体分割技术在炸孔周围进行扫掠网格划分，其余部分采用映射网格划分. 岩土结构包含50 580 个单元.

空气模型尺寸为20 m×15 m×20 m(长×宽×高，下同)； 岩土模型尺寸为18 m×12 m×18 m，置于空气场中； 炸药柱半径为31 cm，总高度为10.5 m，填塞高度为7.5 m.

设定孔距、 排距分别为a=9 m，b=6 m的工况为对照组，优化后分别为a1=13 m，b1=4 m. 岩土模型随之调整为28 m×8 m×18 m，空气模型增大为30 m×15 m×20 m，为保证计算稳定，药柱规格和填塞高度同上.

炸药的爆生气体直接作用于岩石，若采用Lagrange接触算法，不能保证炸药和岩石之间的正常接触； 且炸药爆炸属于大畸变过程，为避免负体积，保证运算的顺利进行，炸药和空气采用多物质ALE算法，岩石和填塞物采用Lagrange算法，将其置于欧拉场中进行流固耦合. 数值模拟采用cm-g-μs单位制，总计算时间为105μs.

炸药采用耦合装药，起爆点有底部、 中部及二者同时起爆3种方式. 建模时采用全尺寸建模. 为消除模型边界对应力波的反射影响，模型的外表面和上表面采用透射边界. 采用的乳化炸药及岩石参数如表 2 和表 3.

表 2　乳化炸药材料参数及JWL状态方程参数

表 3　岩石的力学参数

2模拟结果及分析

根据工程实践可知，露天矿山深孔爆破大块产生的位置主要在台阶顶部、 坡面和底部以及地质条件特殊的区段等. 根据岩石爆破破碎机理，岩石破坏是爆炸产生的冲击波和气体综合作用的结果. 爆炸冲击波(应力波)使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展； 随后爆炸气体使这些裂隙贯通、 扩大形成岩块，脱离母岩[7]. 因此，可通过分析应力波的数值及变化趋势来观察爆炸应力波对岩石剪切和拉伸作用强弱的变化. 忽略岩体地质条件的不确定性，应力在岩体内部分布不均匀导致部分岩体所受应力值过小，达不到破碎的阈值，因而产生较多的大块和根底，爆破效果不理想.

2.1未改变布孔方式的模拟效果

图 4 为依据某矿现用参数的模拟结果，图中灰色部分表示岩体发生了应力变化. 图 4(a)、图4(b) 分别为起爆初期炮孔周围岩体的应力值和该应力的最大值. 从图中可以看出，炮孔孔底起爆后，爆炸产物对周围岩体开始作用，岩体所受应力不断加强，达到最大值后，相邻两排炮孔之间仍未观测到明显的应力集中区域，即此处岩体未受到足够的应力作用，导致破坏不充分，因而易产生根底和大块.

图 4　a=9 m，b=6 m时岩体应力变化Fig.4　Compressive stress of rocks at a=9 m, b=6 m

2.2新布孔方式对爆破效果的影响

图 5 为优化后的应力变化图. 通过与图4对比可以看出，优化后，相邻两排炮孔之间出现弧形应力集中区域，为后排炮孔起爆产生了新的弯梁临空面.

图 5　a1=13 m，b1=4 m岩体应力变化Fig 5　Compressive stress of rock at a1=13 m, b1=4 m

图 6(a)、 6(b)、 6(c)分别为参数改变前后(分别定义为曲线1、 曲线2)岩体中炮孔中心监测点A、 顶部岩体表面易出现大块部位点B和底部岩体表面易出现根底部位点C的应力时程图. 根据图6(a)所示的改孔前后孔中心有效应力峰值可以得出当采用宽孔距、 小排距方式爆破时，孔中心有效应力峰值达到105 MPa，约为未改变布孔方式的3倍； 分析图6(b)、 图6(c)，B点有效应力峰值达到近20 MPa，是改孔前的4倍，而C点峰值达到近30 MPa，是改孔前的3倍. 作用在抗弯刚度较低的弯梁结构时，更大的有效应力使得爆轰波对岩石的剪切和拉伸作用进一步增强.

图 6　各测点应力时程Fig.6　Stress-time curve at various points

在实际生产中，孔距较小有可能导致同一排上的炮孔之间出现提前贯穿的现象，该现象发生时同排炮孔之间的岩石被爆炸冲击波贯通，形成了泄压空间，爆轰波在此提前衰减，断口部分产生稀疏波，导致作用在其它方向的爆炸压力减小，造成的后果是贯穿区域的岩石粉碎，而其余方向由于应力不足，无法形成有效的裂隙，极有可能出现大块.

大孔距小排距爆破中，因为孔距增大使得同排炮孔间应力波的共同作用变小，有效减少了提前贯穿的发生，能量得以充分利用. 根据以成梁假设为基础的宽孔距爆破破碎机理,宽孔距条件下相当于单个炮孔起爆，炮孔前方所爆岩体的抗弯刚度大大降低，在相同的外力作用下，岩石更容易破碎. 前一个炮孔爆破给后一个炮孔形成了新的自由面，使后排孔近似于多临空面爆破，更有利于岩石粉碎[8-9]，因此宽孔距小排距爆破岩石效果更好.

采取新的布孔方式，爆破应力波和爆炸气体在岩体内部作用时间变长，同时结构的改变使爆轰产物对岩体的破坏效果加强. 从而可以有效地降低岩石顶部的大块和底部的根底.

2.3起爆方式对爆破效果的影响

在炮孔连续耦合装药的情况下，若起爆位置不同，则炸药爆炸生成的爆轰产物与应力波在岩体中作用时间与能量损耗会不同[10]，从而产生大块的部位也就不相同. 目前，矿山爆破起爆方式主要采用反向起爆即孔底起爆，爆轰产物由孔底向孔口传播，由于炮孔周围岩石的约束作用，爆炸产生的应力波与爆生气体全部作用在岩石内部，避免爆轰产物部分向孔外扩散造成的能量迅速散失，从而提高了能量利用率，因此可有效减少根底与大块.

采用优化后的布孔方式研究不同起爆方式对岩体的破碎效果，模拟结果如图 7、 图 8 所示. 图中线1、 2、 3分别代表了孔底起爆、 孔中起爆以及孔底和孔中同时起爆，图7、 8分别选取易出现大块的岩体顶部和易出现根底的岩体底部的边缘位置的典型单元进行监测.

图 7　顶部监测点应力时程图Fig.7　Stress-time curve at top observation point

如图 7 所示，3种起爆方式的有效应力峰值分别为19.23 MPa，16.15 MPa，16.64 MPa. 通过对比可以看出，孔底起爆产生的有效应力峰值最大. 孔底起爆时，向自由面传播的爆轰波经过多次叠加强度增高，则切线方向拉应力随之增高，岩石的径向裂缝增多； 那么在自由面形成的高强度的反射波会使岩石片落，并扩张早期的裂缝. 孔中起爆时，起爆点与自由面的距离较近，减少了应力波的叠加次数，造成顶部岩石爆破不充分，形成大块. 由此可见，孔底起爆时，爆轰产物在岩体内作用效果较好，能量损耗较小，针对顶部出现的大块问题，采用孔底起爆具有良好效果.

如图 8 所示，3种起爆方式的有效应力峰值分别为22.80 MPa，43.76 MPa，55.80 MPa. 通过对比可以看出，孔中、 孔底同时起爆产生的有效应力峰值是孔底起爆的2.5倍. 两点同时起爆时，底面爆点引爆炸药，先行对岩石底部产生作用，冲击波在与岩石碰撞后发生反射[11]，同时孔中爆炸产生的爆轰波向四周传播，当向下传播的那一部分与前述反射波叠加后，进一步对底部岩体产生了冲击，形成了更多的裂隙. 所以针对底部易出现根底的问题，宜采取孔中、 孔底同时起爆的方式.

图 8　底部监测点应力时程Fig.8　Stress-time curve at bottom observation point

3结论

1) 采用宽孔距、 小排距方式爆破，加强了爆轰产物对岩石的剪切和拉伸作用，同时增加了其在岩体内的作用时间，可以有效地减少岩石爆破大块.

2) 由于地质条件的不同，岩体不同位置的爆破难易程度不同，针对顶部难爆的岩体，选取孔底起爆； 而在底部易出现根底的岩体，选取孔中、 孔底同时起爆，这样可以有效减少大块与根底.

由于地质情况的特殊原因存在不确定因素，因此，在进行矿山爆破前，必须进行爆区探测以及爆破漏斗试验，从而确定合理的爆破参数，以获得最佳爆破效果.

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Parameters Optimized Design of Open Deep-Hole Bench Surface Blasting

ZHANG Shi-chen, GOU Rui-jun, MA Zhen-yu, WU Jing-bo, YANG Wen-sheng

(School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:Toe rock and boulders are important evaluation indicators of open-pit mine blasting. Based on the rock blasting mechanism of wide space and small row spacing, the new holes distance and rows distance were selected as 13 m and 4 m respectively. The blasting process with new design was simulated by LS-DYNA, so as the three different initiation ways, the stress changes at various locations of rock were analyzed. The influences of the optimization on the stress of places with high boulder rate was simulated and studied. The simulation results show that the new pattern parameters can reinforce the destructive action of explosion products to the break of rock. Detonated at hole-bottom could lead a better effect when the top region of rock was generated more easily, and detonated at hole-bottom and hole-center synchronously could be a better method when the toe rocks were appeared at bottom generally.

Key words:bench blasting; deep-hole blasting; hole pattern parameters; initiation way

文章编号:1673-3193(2016)02-0166-06

*收稿日期:2015-07-11

作者简介：张世琛(1991-)，男，硕士生，主要从事矿山爆破安全方面的研究.

中图分类号:TD235

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.013