爆破微差时间对顶柱回采效果的影响研究

曹胜祥，李小元，王发民，邱贤阳，王远来

(1.广西中金岭南矿业有限责任公司，广西 来宾市 545999；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；3.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

研究表明，爆破过程中采用一定的延时时间，可以使依次起爆的药包之间形成有力的相互作用，从而达到充分利用炸药能量、改善爆破块度、减弱爆破地震效应的目的[1]。关于延时爆破技术增强爆破效果的原因，多数学者认为是由于先爆药包在爆破区域内产生了一定的残余应力场，且先前出现裂隙得到充分扩展，后续起爆的炮孔得以利用残余应力从而加强对矿岩的破碎效果，如果在间隔时间内有新的自由面产生，后续炮孔爆破应力波在自由面附近产生反射拉伸后会进一步改善爆破效果[2]。

顶柱采场在井下主要起管理低压地作用，其赋存环境十分复杂。其回采时产生的爆破振动对周边充填体的稳定十分不利，同时边孔的爆破效果是影响控帮的主要因素，也展现了对边帮充填体的保护能力。对于盘龙铅锌矿顶柱回采的爆破孔网参数已做过大量的优化研究，而对爆破效果同样影响较大的微差爆破时间还鲜少考虑。

因此，本文将采用数值模拟方法对不同时间间隔下不同监测单元的爆破振动速度峰值以及有效应力值进行模拟分析，探究不同微差时间下监测单元的应力分布规律及振动速度峰值特点，优选出合理的微差爆破时间间隔范围，并在现场进行生产试验。

1 工程现状

盘龙铅锌矿主要采用空场嗣后充填采矿法，为了维持围岩稳定性和管理地压，开采过程中遗留了大量框架式矿柱，其中顶柱矿体主要是为了支撑顶板。鉴于矿山−320 m 中段以上水平一步骤采场大部分已回采，导致井下可回采矿量逐年减少，而顶柱矿体赋存较多，在近期的采掘计划中，顶柱采场占了相当大的比例，且顶柱采场的矿石品位较高，顶柱采场的回采可调节出窿品位，平衡生产任务，因此顶柱采场的安全高效回采对矿山的整体效益及可持续发展具有积极的影响。

受开采动力扰动和充填体稳定性等因素影响，顶柱采场与其他采场相比开采技术条件更为复杂，矿体回采难度大。顶柱回采的过程中，岩体受开采扰动的影响，呈现极其复杂的受力状态，同时反复作用的爆破振动较强、控帮质量不高，极易造成边帮充填体垮落或矿石损失，严重威胁矿山的安全生产。此外，顶柱矿体开采还面临采切工作量大、贫化损失率较高、安全成本高、凿岩爆破设备与出矿设备机械化智能化不高等技术难题。

2 微差爆破时间的确定原则和计算方法

众多研究者对如何选取合理的微差间隔时间进行了研究，取得了较多的成果[2−8]。Fish.B[2]、Kotai[3]和White H.H[4]研究得出最优的微差间隔时间为5～25 ms；日野[5]综合考虑自由面及爆破效果因素，得出最佳的微差间隔时间为爆生气体的作用时间，约为10～100 ms；长沙矿山研究院[6]研究得出，为了更好地利用先爆药包产生的自由面及应力波和爆生气体的能量，最佳微差间隔时间为25～50 ms。目前对于毫秒延时间隔的选取还存在一定的争议[7−8]。

本文将参考现有的研究结论，初步确定微差间隔时间的取值范围，并通过LS-DYNA 模拟，比较分析不同间隔时间起爆时的应力分布及爆破振动，最终选出合理的微差时间。

3 微差爆破时间模拟分析

3.1 模型建立及监测点选取

综合采场实际情况及计算机求解能力，建立了二维实体简化模型。模型尺寸为24 m×9.4 m（长×宽），中间为8 m 宽的矿房采场，每排布置6 个Φ64 mm 的炮孔，两侧为矿柱。在模型中设置无反射边界面，崩矿方向为自由面。由于无法完全实现无反射，故在后处理分析时需选取合理的观测位置和观测点以达到满意的结果[10−11]。在采场控制线上布置A−F 共6 个监测点，在右侧相邻采场布置1个监测点，在靠近自由面处布置1～3 共3 个监测点，如图1 所示。

图1 微差爆破模拟模型及监测点布置

3.2 爆破振动分析

由表1 可知，离起爆炮孔最近的监测点A 其振动速度峰值变化较大，5 ms 间隔起爆时最大，为5.0511 m/s，25 m 间隔起爆时最小，为3.0860 m/s，相差超过2 m/s；通过对比监测点M 的振动速度峰值可以发现20 ms 与25 ms 间隔时间下该单元的振速明显小于其他间隔时间，所以在实际生产中选取25 ms 微差时间有利于减少爆破振动。

表1 不同微差时间各监测单元振动速度峰值/（m·s−1）

由图2 可看出，离爆破区域较远的监测点振动速度显著降低，而较远处的监测点振动速度衰减较慢；随着微差时间的变化，靠近爆破区域的监测点振动速度峰值变化较大，而较远处的监测点振动速度峰值变化较小，说明一定的微差时间对爆破区域近处产生的影响较大，较远处则影响较小。由图3可看出，较远处监测点维持较高振动速度的时间较长，说明远区爆破能量主要作用在岩体的振动上。

图2 不同间隔时间采场边帮监测单元振速峰值

图3 不同间隔时间采场边帮监测单元F 的振速曲线

3.3 微差爆破效果分析

（1）同段起爆。图4 为同段起爆各时刻模型的爆破应力分布状态图。由图4 可知，在所有炮孔同时起爆后，爆破应力波向四周传播，并产生叠加作用，使得应力波在炮孔与自由面之间分布均匀；在0.71 ms 时，应力波传至自由面并发生反射，形成拉伸波，且二者发生叠加作用；在4.73 ms 时，应力波较大值主要集中在炮孔周围，其他区域发生很大的衰减。

图4 同段起爆不同时刻模型的应力分布

（2）25 ms 微差起爆。图5 为25 ms 微差时间的模型爆炸应力波各时刻在模型中的分布状态图。从图5 可以明显看出，在0，25 ms 时起爆的炮孔各自都产生了独自的应力波传播图；后起爆炮孔只在先起爆炮孔附近产生应力波叠加作用，而在自由面附近的炮孔都是由爆破应力波的作用进行爆破，说明25 ms 及以上的微差时间炮孔爆破可以互不干扰；模型爆破时上一次爆破的岩体应力残留较弱，基本保证了边排炮孔在微差爆破时相邻炮孔不存在应力波叠加作用。

图5 25 ms 起爆不同时刻模型的应力分布

（3）关键监测点的有效应力变化分析。由表2可以看出，从0 开始，随着微差时间的增加1 号监测点的最大有效应力逐渐增加，间隔30 ms 时达到最大，为54.69 MPa，然后又逐渐减小，说明一定的微差时间能改善边排炮孔的爆破效果，保证采场边帮的规整，不会产生锯齿形起伏。2 号、3 号监测点的有效应力基本没有变化，这说明微差爆破并不会影响采场中间区域的爆破效果。实际中在微差时间25 ms 以上时炮孔爆破后为后爆炮孔形成了新的自由面，可以使后爆炮孔的应力和爆生气体得到较快的释放，从而减少粉碎区半径和爆破振动强度，达到保护边帮和减震效果。

表2 不同微差时间自由面附近监测点有效应力/MPa

4 现场试验

将前文的研究成果应用在顶柱回采的爆破设计中，并在井下进行现场试验。在近期生产计划中，选择405 南—1 顶柱作为试验采场。

本次爆破炮孔的孔径为64 mm，爆破范围为正一排至正四排，共24 个中深孔。正排排距为1.8 m，孔底距1.3～1.8 m，排面倾角90°。采用多孔粒状铵油炸药，炮孔采用双发毫秒差导爆管雷管起爆，孔内全长敷设导爆索的装药结构，雷管选择三系列毫秒延期雷管，靠前的雷管段位延期时间为25 ms，炮孔布置如图6 所示。

图6 炮孔布置

爆破后，现场无充填体垮落混入，顶板也较稳固。采场边帮齐整，无锯齿状矿体残留，爆破块度均匀、基本无大块，块度尺寸整体偏小，爆破效果基本达到预期目标。

5 结论

（1）对不同微差时间爆破方案模型进行数值模拟，运用有效应力分析法与关键节点振动速度分析法对各模拟结果进行分析及判定，得出微差爆破能降低爆破振动，改善边帮孔爆破效果，20～30 ms的间隔起爆时间较理想。

（2）将模拟得出的结果运用到试验采场生产中，对试验采场的爆破效果进行查看及评估后发现，采场无充填体垮落混入，顶板也较稳固。采场边帮齐整，无锯齿状矿体残留，爆破块度均匀、基本无大块，说明25 ms 微差爆破时间具有很好的保护边帮及减震效果。