某石灰石矿边坡预裂爆破技术研究*

何 毅 李本奎,2 郑俊伟 刘晓强 张曦呈 苑旭光

(1.山西江阳工程爆破有限公司;2.太原理工大学矿业工程学院)

某石灰石矿边坡预裂爆破技术研究*

何 毅1李本奎1,2郑俊伟1刘晓强1张曦呈1苑旭光1

(1.山西江阳工程爆破有限公司;2.太原理工大学矿业工程学院)

针对某石灰石矿当前边坡维护施工过程中预裂孔爆破贯通不良、成缝效果较差、边坡预裂面不平整等问题，采用理论研究、数值模拟计算分析的方法，选用切缝药包和炮孔径向掏槽的定向爆破方案，并与原预裂爆破方案进行对比分析，结果表明：定向预裂爆破的聚能效应能够大大增强药包的破岩能力，可适当加大炮孔间距，减少穿孔量，降低施工成本；切缝药包预裂爆破可大大促进边坡预裂缝的贯通，预裂边坡成型效果显著，且施工工艺简单，提高了经济效益。切缝药包定向预裂爆破技术具有很好的现场指导作用。

切缝药包 预裂爆破 数值模拟 边坡治理

太钢盂县石灰石矿区矿体赋存于奥陶系中上马家沟组一段和下马家沟组地层中，为层状石灰岩，硬度系数为6～10。采掘终了工作面采用预裂爆破方式维护山体边坡，不耦合装药，该方法在项目施工过程中存在着炸药单耗较高、预裂成缝的贯通效果不佳等问题。基于此，本文拟改变预裂爆破的施工方法，力求得到较好的预裂爆破效果，并降低施工成本。

1 预裂成缝机理

在工程爆破中，人们肉眼所能看到的仅仅是爆炸的结果，然而，爆炸过程是一个极其复杂的物理、化学变化过程[1-2]。对于露天矿山岩石爆破，炸药在爆炸过程中，不仅会瞬间产生极为强烈的冲击波和应力波，而且还伴随着高温高压气体产生，岩石受到急剧高速的冲击波和应力波，导致炮孔内壁岩石产生了拉剪破坏，随着爆轰波能量的减弱，爆炸产生的气体又弥补了爆轰波的破岩能量，造成岩石的破坏程度沿着原有的裂缝继续向外发展，对已破坏岩石二次破坏。

2 模型的建立

为了选择合适的预裂爆破方法，在装药量和不耦合系数一致的前提下，利用ANSYS/LS-DYNA软件中的solid164单元建立3种预裂爆破方案并综合对比分析，如图1所示。对原不耦合装药模型A处、掏槽尖端B处和切缝药包切缝处D处的爆炸应力进行对比分析，同样把C、E点分别与A、B、D 3点对比，模型四周全部设置无反射边界条件。切缝药包的切缝制作是由硬质PVC管沿着直径方向一切为二，然后用2个半片PVC管包裹乳化炸药，最后用锁扣将2片PVC管牢牢锁紧，便得到了如图1所示的相当于将药包沿纵向切开2条缝的装药方法。爆破参数见表1。

图1 3种预裂爆破方案数值模型

方案炮孔直径/mm炸药直径/mm不耦合系数不耦合140801.75孔壁掏槽140801.75切缝药包140801.75

3 模拟结果分析

3.1 不同装药结构爆破的炮孔壁初始应力对比

通过对3种预裂爆破方案模型进行初始应力赋值，采用等效炸药爆炸原理分别进行爆破过程运算，软件采集数据生成应力-时间关系图(图2)。比较A点和C点可以看出，两者的应力大小基本相同，说明在边坡预裂爆破不耦合系数为1.75时，掏槽孔C处的应力几乎没有变化；比较A点和E点可以看出，E点处的应力明显小于A点处的应力，说明在同样的不耦合系数1.75时，切缝药包定向预裂爆破对非裂缝方向炮孔壁的破坏作用最小；比较A、B、D点可以看出，掏槽炮孔的刻槽尖端B和切缝药包切缝处D都有明显的爆轰应力集中现象，应力值远远大于原不耦合装药预裂爆破A点，较高的集中应力能有效促进裂缝向更远处发展。

图2 3种方案中不同测点压力变化

在相同的装药量、不耦合装药系数、炮孔参数条件下，采用切缝药包和炮孔径向刻槽2种方案均能在炮孔的某一设定的径向切面上产生爆轰应力集中效应，该爆轰应力集中值约为3.25 GPa，约为原方案炸药作用于孔壁的爆轰应力值(2.3 GPa)141.3%，说明切缝药包和炮孔径向刻槽方案均产生了较大的破岩能量，爆破岩石的松动破碎范围进一步增大，使得爆破岩石中的破碎裂缝向更远处发展；同时，相邻炮孔之间爆破岩石裂纹均向更远处发展，能够保证相邻炮孔产生的裂缝更好地贯通交汇和裂纹叠加，适当地加大炮孔间距，相邻炮孔之间的爆破裂缝仍然可贯通，在相同爆破岩石方量的情况下，加大预裂炮孔间距，势必减少炮孔数量，减少穿孔工程量。因此，通过数值模拟可知，在相同装药量和不耦合系数情况下，采用定向预裂爆破方法可大大促进边坡预裂缝的贯通，预裂边坡成型好，并可有效地扩大预裂炮孔的间距，降低穿孔量，减少施工成本。

仅对比掏槽炮孔预裂爆破和切缝药包预裂爆破可得，两者最终对边坡预裂的贯通效果和降低的劳动、施工成本几乎持平。在实际施工过程中，预裂炮孔的掏槽工作量要远大于切缝药包的制作，切槽施工工艺较为复杂，且目前大多数矿山使用的潜孔钻机设备都不具备专门的切槽钻具；切缝药包定向预裂爆破装药及施工工艺简单，操作难度不高，边坡预裂爆破效果也较好，所以切缝药包边坡预裂爆破方案最佳。

3.2 切缝药包定向预裂爆破数值模拟

无论炸药在何种外界条件的限制下，其爆炸的瞬时性和期间的物理、化学变化都是一致的[3-4]，唯一的区别在于普通无限制药包爆炸产生的爆轰应力波和高速、高压、高温气体会沿着药包中心向四面八方发散[5-6]，最终近似地均匀作用在炮孔内壁截面上，而切缝药包爆炸产生的爆轰应力波和高速、高温、高压气体会沿着炮孔截面的某一直径方向瞬间聚能，即切缝会对药包的爆炸产物产生瞬间的约束导向作用，使得各个预裂炮孔之间更容易贯通。

按前文所述的切缝药包预裂爆破方案模型，模拟等效实际工程中的单孔装药量(12.5 kg乳化炸药)和不耦合系数(1.75)，设定实际石灰岩硬度参数，赋值初始应力，进行切缝药包预裂爆破方案的模拟计算。结果见图3。

图3 不同时刻预裂炮孔应力分布云图

从图3(a)中可以看出，当t=6.996 1×10-6s时，预裂孔的爆轰应力波已经冲出药包的切缝口，此时伴随着能量极高的冲击波及气体射流，最大的爆轰应力为4.118 GPa，该时刻炮孔内存在的一股蓄势待发的高能量，炸药产生的爆轰应力还未作用在炮孔内壁上，随着时间的推移，这股较高的爆轰应力波将会反复作用于预裂缝方向的孔壁，使得炮孔沿着切缝药包的切缝方向快速发展裂纹并产生松动破碎。从图3(b)中可以看到，当t=8.496 2×10-6s时，作用于孔壁岩石上的最大爆轰应力值为0.012 8 GPa，说明在(6.996 1～8.496 2)×10-6s时间内，爆轰波已作用于炮孔内壁，高能的冲击波和气体射流已冲击预裂缝方向的孔壁。从图3(c)中可以看到，在(8.496 2～11.499)×10-6s极短的时间内，药包切缝对应的炮孔壁上形成了蓄势待发的较高应力集中现象，此时切缝方向上的预裂孔壁和非切缝方向上的预裂孔壁之间形成了极强的剪切应力差，药包切缝方向上的孔壁形成预裂缝，并持续向更远处发育，相邻炮孔间的爆破裂纹相互贯通，直到爆轰应力波衰减到一定临界值时，预裂缝停止发展。

通过对切缝药包预裂爆破方案的数值模拟计算分析可知，在切缝药包产生的集中应力作用下，各个炮孔均能沿着切缝方向产生裂纹并较好地贯通，每个切缝药包切缝方向一致且平行于矿山边坡面，形成较为规整光滑的自由面；同时可适当增大预裂炮孔的间距，减少穿孔量，提高经济效益。

4 结 论

(1)在相同装药量、不耦合系数、炮孔参数情况下，采用定向预裂爆破方法可大大促进边坡预裂缝的贯通，预裂边坡成型显著，同时可有效地扩大预裂炮孔的间距，降低穿孔量，减少施工成本。

(2)相对于炮孔掏槽预裂爆破的复杂施工工艺和钻孔机械的切槽设备不完善，切缝药包定向预裂爆破装药及施工工艺简单，操作难度较低，边坡预裂爆破效果较好，因此，在边坡预裂爆破设计和施工中，切缝药包边坡预裂爆破为最佳方案。

[1] 于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[2] 杨仁树.岩石炮孔定向断裂控制爆破机理试验研究[D].北京：中国矿业大学，2010.

[3] 李 清,杨仁树.爆炸载荷裂纹扩展的应力强度因子及其断裂行为[J].煤炭学报，2002,27(3):290-293.

[4] 赵英顺,关建国,王 伟.深孔预裂爆破强制放顶技术在大黄乡的应用[J].中州煤炭,2008(6)：42-43.

[5] Song J，Kim K．Micromechanical modeling of the dynamic fracture process during rock blasting[J]．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1996,33(4):387-394.

[6] 李 清,杨仁树.节理介质中爆炸裂纹扩展的细观行为研究[J].中国矿业大学学报,2002,31(3):271-274.

*国家自然科学基金项目(编号：51274145)；国家重点实验室开放基金项目(编号：SKLGDUEK1311)。

2016-07-26)

何 毅(1968—)，男，总经理，高级工程师，030041 山西省太原市尖草坪区西留路18号。