谦比希铜矿下向孔爆破底板控制技术研究

覃 凯，张鹏飞，卢二伟，李延龙，祁泽锋

（中色非洲矿业有限责任公司，铜带省 基特韦 2259）

下向平行中深孔爆破是地下矿山开采中常用的破岩方法之一，已被广泛应用于谦比希铜矿东南矿体［1-2］。该方法类似于露天台阶爆破，在工作面底部的岩石夹制作用下，容易在台阶面上留下难以清理的岩埂根底，这会降低铲装运输效率，并对后续的爆破作业造成影响。

为了提高爆破作业中底板矿岩破碎效率，常常需要增加炮孔底部炸药量，即需要在底板位置以下钻凿一定深度炮孔以填装炸药［3-4］。通过炮孔超深段的炸药可以提高爆炸能量对底板矿岩的破碎作用。当炮孔超深较少时，超深段药包长径比较小，其爆炸应力波传播规律类似于球面波，衰减较快，破坏范围较小，容易导致底部留下明显的根底。当炮孔超深较大时，超深段药包长径比较大，其爆炸应力传播规律类似于柱面波，衰减较慢，破坏范围更大，当满足爆破设计所需的破坏范围时即可防止根底产生，实现底板平整控制目的。因此，有必要开展谦比希铜矿下向孔爆破底板控制技术研究以优化炮孔超深，进而确保爆破作业效率和矿山安全生产。

本研究采用LS-DYNA建立了不同炮孔超深下的底板控制爆破模型，通过对比分析不同模型的爆破损伤范围及应力峰值分布，得出最优炮孔超深，进一步开展现场工程试验验证底板控制效果，为现场设计施工提出相应的底板控制措施。

1 底板控制爆破数值模型

1.1 数值模型

根据谦比希铜矿实际情况，在下向孔采场爆破设计中中间炮孔直径为76 mm，采用装药台车对乳化炸药进行耦合装药，抵抗线长度为2 m，顶板堵塞为2 m，台阶高度为12 m。本文主要研究孔底根底问题，为降低计算成本仅建立1个中间炮孔进行研究。根据76 mm直径炮孔的相关超深爆破设计，对0、0.6、1.2、1.8 m四种炮孔超深方案开展数值模拟。

根据上述爆破参数进行实体建模，模型方案示意图如图1所示。其中被爆矿体尺寸为长×高×宽（8 m×12 m×6 m），基岩尺寸为长×高×宽（8 m×6 m×10 m），在模型左侧、右侧、后侧和基岩前侧设置为无反射边界条件，其他面为自由面，计算时长设置为6 ms，单位制采用kg-m-s。

图1 底板控制爆破数值模型图

1.2 材料模型参数

RHT本构模型已经广泛用于模拟混凝土、岩石、玻璃等脆性材料在爆炸冲击荷载下的动力响应及损伤发育等问题［5］。本文基于谦比希铜矿矿岩物理力学参数，确定了相应的RHT模型材料参数，见表1。炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药材料模型，密度为1 200 kg／m3，爆速为4 000 m／s。

表1 谦比希铜矿矿岩RHT材料参数

1.3 模拟结果分析方法

在爆破损伤分析中，较多学者采用D≥0.2～0.7为破坏判据，即损伤值大于0.2～0.7则认为岩体完全破坏［6-7］。本文选取D＝0.5作为岩体是否破坏的临界损伤值。在不同超深的三维模型中，为更好地观察炮孔底部岩体的损伤破坏，将破坏岩体进行了删除，如图2所示。

图2 岩体损伤分析方法示意图

此外，为了更好地观察炮孔底部的破坏损伤，在最终时刻t＝6.0 ms损伤云图的基础上，在炮孔孔底建立了剖面，以分析炮孔底部岩体的损伤分布，剖面切割示意图如图3所示。

图3 炮孔底部剖面位置

2 计算结果分析

在不同炮孔超深三维模型中计算得到的岩体损伤破坏情况如图4所示。可以看出，相比于上部矿岩，底部岩石由于受到夹制作用，破坏所需能量大，因而破坏范围普遍偏小。当炮孔超深为0 m时，只有炮孔底部的少量炸药能量被用于破碎底部岩石，导致破坏范围有限并留下根底。当采用炮孔超深方案时，超深段炸药可用于破碎台阶底部岩石，有利于消除根底。此外，随着炮孔超深的增大，孔底处的岩石根底越来越小，底板越来越平整。

图4 不同炮孔超深下岩体损伤破坏图

为清晰观测孔底根底情况，绘制了各方案孔底剖面破坏图，如图5所示。

图5 孔底剖面岩体损伤破坏图

对炮孔底部剖面位置的岩石损伤破坏进行测量，可以得出炮孔超深为0、0.6、1.2、1.8 m时，破坏区域的宽度分别为0.3、1.92、2.73、2.88 m。

对以上结果进行统计，如图6所示。

图6 不同炮孔超深下底板剖面岩体损伤破坏范围宽度

可以看出，随着炮孔超深的增加，损伤破坏范围宽度迅速增大，且在超深达到1.2 m以后，曲线变化较为平稳。无超深和1.2 m超深的破坏区域宽度差值为2.4 m左右，可以看出超深对于底板控制的重要性。在中深孔台阶爆破中，为获得充足的破岩能力，克服底板位置爆破夹制性，提高孔底岩体损伤范围，减少根底问题，炮孔超深应在1.2 m以上。此外，考虑到凿岩成本和炸药成本问题，最优超深为1.2 m。

3 工程现场验证

为了验证数值模型分析结果，在谦比希铜矿下向孔爆破采场开展了试验研究。以数值模拟结果及现场常用凿岩参数为参考，在756-1-W6L、800-1-2L和732-1-W7L试验采场分别采用0.8、1.2、1.6 m炮孔超深进行了对比试验，并对爆后底板进行记录分析，爆破参数及结果统计见表2。

表2 试验采场爆破参数及试验结果 m

不同炮孔超深底板现场图如图7所示，当炮孔超深为0.8 m时，采场底板平整度较差，存在明显根底且根底高度超过0.4 m；当炮孔超深增加到1.2 m时，根底情况明显改善，根底高度小于0.2 m且根底出现概率明显降低；当炮孔超深增加到1.6 m时，采场底部无根底出现。以上试验结果与模拟结果中炮孔超深应大于1.2 m的结论基本一致，表明了数值模拟结果的可靠性。此外，考虑到较大炮孔超深会造成凿岩成本和炸药成本的浪费，同时过大炮孔超深不会明显提升底板平整度，因此应根据工程实际中底板控制效果选取合适的炮孔超深。

图7 不同炮孔超深底板现场图

基于现场多次试验，提出了底板控制措施：

1.炮孔超深应到达1.2 m以上能有效控制地板平整性，需要注意的是为了避免存放时间较长的采场中凿岩岩粉沉淀变干导致超深不足的问题，还需要适当增加0.5～1 m的超深。

2.对于采取不耦合装药结构的边帮炮孔，其底部应留有3 m高度采用径向耦合装药以防止炸药能量不足导致的边帮根底问题。

3.在爆破作业前需提前清理临空面底部残余爆堆及残余根底，以减弱底板附近矿岩爆破夹制性。

4 结 论

本文以底板控制爆破为研究对象，采用ANSYS／LS-DYNA进行了不同炮孔超深下底板岩石破碎效果和根底情况的数值模拟，并在现场开展底板控制爆破试验，得到以下结论：

1.参考岩体损伤破坏数值模拟结果可知，随着炮孔超深增大，底板附近岩体破碎效果越好，根底留存越少，且当炮孔超深超过1.2 m后，底板附近破岩效果趋于稳定。

2.现场试验结果表明，当炮孔超深大于1.2 m时，根底高度普遍小于0.2 m且出现概率明显降低，因此炮孔超深应到达1.2 m以上从而有效控制地板平整性。