露天爆破LS—DYNA數(shù)值模擬分析

張世琛

摘要：爆破是露天礦山開采的主要手段之一，影響爆破效果的因素主要有巖石特性、炸藥特性、藥包起爆位置以及爆破參數(shù)等。根據(jù)巖石爆破機理并借鑒某礦山工程實況參數(shù)，利用LS-DYNA軟件模擬并研究了現(xiàn)爆破參數(shù)的選取對易出現(xiàn)大塊部位的應力的影響。模擬結果表明：模擬結果與工程實際結果相吻合，軟件模擬對工程實踐具有指導性作用。

關鍵詞：爆破工程；深孔爆破；LS-DYNA；數(shù)值模擬

[中圖分類號]TD235[文獻標志碼]A

深孔臺階爆破是目前露天礦山開采的主要手段之一，合理的爆破參數(shù)可以方便后續(xù)的開采和運輸工作。因爆破開采工程大不便頻繁試驗爆破參數(shù)，因此可運用軟件模擬得到最優(yōu)參數(shù)。張等[1]采用LS-DYNA軟件模擬起爆方式對爆破結果的影響。余等[2]通過模擬得出孔徑與孔網參數(shù)適應時爆破效果最好的結果。周等[3]針對臺階爆破不同起爆方式利用LS-DYNA軟件進行了模擬研究。此類研究表明運用LS-DYNA軟件模擬礦山爆破的可行性和有效性。因此，采用LS-DYNA軟件進行模擬，模擬的結果對工程實踐具有指導意義。

本文針對某礦山開采大塊較多的問題，根據(jù)實際工程的爆破參數(shù)進行了LS-DYNA軟件模擬。對比結果表明：LS-DYNA軟件可以準確的模擬出工程實況，模擬結果與工程實際結果相吻合，模擬結果對今后的工程實踐有指導意義。

1.問題分析

1.1大塊產生部位及原因

根據(jù)工程實踐可知，露天礦山深孔爆破大塊一般產生的位置主要在臺階頂部和坡面、底部以及地質條件特殊的區(qū)段等，產生大塊的原因主要分為以下兩方面。

1.1.1爆破參數(shù)選取不合理

一般來說，爆破參數(shù)主要包括炸藥特性、巖石特性、超深、堵塞以及孔網參數(shù)等。炸藥與巖石不匹配通常會產生很多大塊與根底。堵塞過大，由于臺階上部表面巖石得不到足夠炸藥能量而使其不能充分破碎；堵塞過小，由于爆轟產物提前逸出嚴重甚至會出現(xiàn)沖炮。孔網參數(shù)不合理，由于炸藥能量分布不均勻，巖石得不到充分破碎，在孔與孔之間會出現(xiàn)大塊。

1.1.2地質條件特殊原因

主要分為兩類。一類為難爆的礦巖，由于爆轟氣體很難侵入巖體，容易產生大塊[4]；另一類為礦巖結構，主要有節(jié)理、裂隙發(fā)育地段等，炸藥爆炸后產生的應力波在傳播過程中不斷衰減，使得巖體沒有足夠的爆炸能量來破裂，易產出大塊[5]。

1.2 起爆點選取

在炮孔連續(xù)耦合裝藥的情況下，起爆位置不同，炸藥爆炸生成的爆轟產物與應力波在巖體中作用時間與能量損耗會不同[6]，從而產生大塊的部位也就不相同。

當前礦山爆破起爆方式采用反向起爆，爆轟產物由孔底向孔口傳播，由于炮孔周圍巖石的約束作用，爆炸產生的應力波與爆生氣體全部作用在巖石內部，避免爆轟產物部分向孔外擴散造成的能量迅速散失，從而提高了能量利用率。

2.模型與計算參數(shù)

2.1 實際工況

模型中含有炸藥、空氣、巖石和填塞物4種材料。模型選用實體單元3D-SOLID164，利用體分割技術，炸孔周圍進行掃掠網格劃分，其余部分采用映射網格劃分。炸藥和空氣采用多物質ALE算法，巖石和填塞物采用Lagrange算法，進行流固耦合。數(shù)值模擬采用cm-g-μs單位制。

模型總高度為2000cm，底面積為2000cm×1500cm，此為空氣尺寸，與之耦合的巖土高度為1750cm，同心底面積為1750cm×1200cm，藥柱半徑為31cm，總高度為1000cm，其余高度為填塞高度。

炸藥采用耦合裝藥，起爆點在底部。建模時采用全尺寸建模。模型的外表面和上表面采用透射邊界。乳化炸藥及巖石參數(shù)如表2、表3。

表2乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

密度ρ

/（kg/m3）爆速D

/（m/s）爆壓PCJ

/GPaA/GPaB/GPa120045007.62326.425.8089R1R2ωE0/GPaV05.801.560.572.67281.0表3巖石的巖石力學參數(shù)

密度ρ/

（kg/m3）楊氏模量

E/ GPa泊松比μ屈服強度

M/Pa330032.500.2570切線模量ET/GPaβ參數(shù)C/（S-1）參數(shù)P6.710.52.54.03.模擬結果及分析

圖1、圖2、圖3分別為巖體底部炮孔中心監(jiān)測點（A點）、底部巖體表面易出現(xiàn)大塊部位（B點）和頂部巖體表面易出現(xiàn)大塊部位（C點）的應力時程圖。

圖1A點應力時程

從圖中可以看出，底部巖體由于在起爆點附近，受到的應力大，達到108MPa，因此爆破效果好，大塊少；底部巖體表面與頂部巖體表面由于爆炸產生的應力波在巖體內反射與疊加，隨著傳播距離的變大而衰減，因此所受到的應力較小，約20～30MPa，所以，底部表面與頂部表面易出現(xiàn)大塊。

模擬結果與現(xiàn)場試驗結果相吻合，在巖體底部表面和頂部表面易出現(xiàn)大塊。

圖2B點應力時程

圖3C點應力時程

4.結論

當前，爆破仍然是露天礦開采的主要手段，合理的爆破參數(shù)選取可以有效避免爆破飛石、爆破沖擊波以及爆破振動帶來的危害，同時可以降低后續(xù)二次開采的成本，因此，爆破參數(shù)的選取至關重要。通過軟件模擬可以判斷爆破參數(shù)的選取是否合理，從而節(jié)約了經濟成本，降低了二次爆破開采帶來的安全隱患。

參考文獻：

[1]張杰，王洋.起爆方式對深孔爆破影響的數(shù)值模擬[J].有色金屬工程，2015，5（5）：141-144.

[2]余仁兵，陳震，曾勇，等.銅綠山礦井下深孔爆破孔網參數(shù)數(shù)值模擬研究[J]. 采礦技術，2014，14（2）：82-85.

[3]周楠，王德勝，王華，等.露天礦高臺階爆破的數(shù)值分析[J].巖土力學，2013， 34 （1）：516-522.

[4]徐全耀.露天礦不良爆破現(xiàn)象產生的原因與對策[J].露天采礦技術， 2008，4：20-21.

[5]沈興玉，崔光峰，任昌勝，等.露天爆破大塊率高及根底產生的原因及降低措施[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010，7：96-97.

[6]鄭哲敏，謝伯民. 關于地下爆炸計算模型的一個建議[J].鄭哲敏文集.北京：科學出版社， 2004： 166-190.