基于LS-DYNA的扇形中深孔逐孔起爆段別優化

鄧紅衛， 楊懿全， 高 峰， 周科平， 張 健

(中南大學 資源與安全工程學院, 長沙 410083)

基于LS-DYNA的扇形中深孔逐孔起爆段別優化

鄧紅衛， 楊懿全， 高 峰， 周科平， 張 健

(中南大學 資源與安全工程學院, 長沙 410083)

梅山鐵礦是典型的“城市礦山”，控制爆破振動效應對周邊建筑安全意義重大。為優化其微差參數，降低爆破振動效應，利用LS-DYNA建立了準二維扇形中深孔爆破模型，在原典型微差方式的基礎上，設計了五種不同段別組合的逐孔起爆方案，識別了各孔段振動速度波形，比較了各方案各孔段波形峰值。結果表明：間隔一至兩個段別的微差方式更有利于應力波干涉減震；對于多孔段逐孔爆破，統一地改變孔間間隔時間往往不達到整體減震的目的；對于梅山鐵礦的爆破參數，起爆段別調整為1-3-4-5-6-8-9-10-11段更有利于爆破振動效應的控制。針對模擬得出的最優方案進行了現場對比驗證，現場試驗表明：相對于原方案，優化后方案井下減震11.4%,地表減震15.2%，說明優化方案具有一定的應用價值。

爆破振動； 扇形中深孔； 多孔段波形； 段別組合； LS-DYNA

井下中深孔采礦爆破藥量大，其振動效應也往往較大。梅山鐵礦采用無底柱分段崩落法落礦，一次爆破藥量超過1 t，距離南京市區僅12 km，隨著南京城市建設的不斷向外擴展，已逐漸成為了“城市礦山”，居民區與回采爆破區域最近水平距離300～400 m，針對該礦山的爆破振動效應控制顯得尤為重要。目前礦山基本上采用逐孔起爆技術，降低了最大單段藥量，因而合理優化其孔間微差時間是震源處減震方法中為數不多的有效途徑。

目前，關于微差時間的理論研究與計算方法眾說紛紜，大體上可分為自由面原理、應力波疊加原理、增強碰撞作用原理、地震波干擾降震原理等，但爆破過程的復雜性和作用機理的綜合性使得最優微差時間尚未有一個明確的定論。國內外學者基于上述理論、利用單孔波形、時頻分析、能量分析、數值模擬、現場試驗等方法做了大量的研究，其中崔正榮等[1]利用基于VB6.0平臺建模進行波形疊加，得到使得爆破振動速度最小的微差時間為23 ms；史秀志等[2]對不同微差時間爆破地震波進行時頻特性分析，得出較優的微差間隔時間為30 ms、40 ms；葉海旺等[3]利用小波分析技術，從能量的角度探索了適合金堆城露天礦生產爆破的合理微差時間為孔間42 ms，排間100 ms；張大寧[4]運用LS-DYNA程序建立二維雙孔模型，對大孤鐵礦合理微差時間進行了研究，得出使用高精度非電導爆管雷管的最優微差時間為孔間25 ms和排間65 ms，使用數碼電子雷管，則分別為35 ms和70 ms；張袁娟等[5]結合LS-DYNA與MATLAB程序分析了不同微差時間下的爆炸模型的振動速度與能量的衰減規律，得出了最優微差時間為42 ms；吳賢振等[6]利用LS-DYNA程序計算了不同為微差時間下的采空區頂板振動速度，結果表明7 ms/s的間隔時間干涉減震效果最優；嚴加剛[7]對西石門鐵礦扇形中深孔微差爆破進行了現場試驗；占時春等[8]對蘭尖鐵礦進行了孔內孔間微差爆破技術的試驗研究。

由于地質條件和爆破參數的變異性，最優微差時間的結論也存在較大差距，同時爆破振動效應受眾多因素影響[9-11]，從單一理論出發計算微差時間也具有一定的局限性，而通過數值計算可直接反映微差爆破過程，簡便經濟。但目前的數值模擬往往是通過雙孔模型驗證單一的最優微差時間，對于多孔多段扇形中深孔的段別組合的研究較少。本文利用LS-DYNA程序建立準二維排面模型，設計不同段別組合，通過識別各孔段振動速度波形并比較其峰值，驗證其干擾減震的整體效果。

1 數值模型的建立

1.1 梅山鐵礦爆破參數

梅山鐵礦回采用上向扇形中深孔，扇形傾角為90°，邊孔角為60°，孔底距為2.5～3.2 m，單孔孔深為13～25 m，孔徑90 mm，崩落排距2.4 m，每排9～10孔，炸藥單耗為0.25～0.35 kg/t，裝藥密度為6.5 kg/m，裝藥系數0.8。使用奧瑞凱非電雷管，各段別微差間隔時間為25 ms，起爆藥包布置在孔底，直接引爆主爆藥。扇形孔布置見圖1。

1.2 LS-DYNA模型的建立

根據回采爆破參數在LS-DYNA中建立由炸藥、礦石、覆巖組成等比例準二維模型，模型采用六面體單元，流固耦合算法，在炮孔周圍建立一層空體積網格，與炸藥網格耦合，炸藥網格與礦石網格耦合，空體積與礦石網格重合，定義炸藥、空體積組成的ALE網格與礦石、圍巖組成的Lagrange網格流固耦合。計算單位制為cm-g-us。模型見圖2。

圖1 扇形中深孔布置剖面圖

圖2 有限元單元網格圖

為描述無限巖體的情形，在模型四周施加無反射邊界，采礦進路為自由邊界，準二面施加對稱約束。

1.3 材料參數

1.3.1 礦巖參數

梅山鐵礦礦體賦存于花崗巖中，巖體材料選用塑性隨動模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)。主要物理參數見表1。

表1 礦巖主要物理力學參數

1.3.2 炸藥參數

梅山鐵礦采用粒狀銨油炸藥，選用高能炸藥模型(MAT HIGH EXPLOSIVE BURN)，結合描述爆轟產物壓力-體積JWL狀態方程計算爆轟過程中的壓力。JWL狀態方程如下：

(1)

式中：p為壓力;V為相對體積;E0為初始內能密度;A,B,R1,R2,ω為試驗確定的常數。

表2 炸藥參數

2 模擬過程與結果

2.1 原典型方案

目前，梅山鐵礦典型微差方式主要分兩大段，即中心三孔起掏槽作用為第一大段，周邊孔為第二大段，兩大段起爆時間相隔300 ms，間隔時間較長，具體段別為1-2-3-15-16-17-18-19-20，每段間隔25 ms,見圖3。

圖3 現用典型微差方案

一方面，較長的時間間隔會減小兩段波的在爆破近區的疊加，另一方面時間間隔長也意味著爆破振動時間的增加，對于應力波的疊加可至弱也可至強，受諸多因素影響，較難通過理論方法精確計算，故原方案微差方式存在一定的優化空間。可通過設計各段不同段別組合，進行數值模擬，對比分析，比較確定最佳微差方式。

2.2 孔段波形的確定

孔段波形指的是各孔爆炸引發的某質點振動合速度時程曲線波形。在實際過程中，由于多段爆炸的干擾疊加和傳播過程中的反射、折射等，難以從監測到的振動合速度提取分解出孔段波形，但近爆區振動速度波形特性受地質影響干擾較小，微差間隔也較為明顯，往往能反應孔段波形。但若監測點距離炮孔太近，其受最近的單個炮孔爆炸應力波影響較大，波形局部特征明顯。為反映波形的整體情況，選取模型邊角上的兩節點，即采礦進路底板右7 m、高1 m處節點和圍巖內對稱節點作為監測點，監測其振動合速度。

對典型方案進行數值計算發現，由于圍巖的彈性模量等物理力學參數較礦巖弱，且監測到的應力波在傳播過程需經過介質界面，發生了較多的反射、折射，振動特性較為復雜，振動速度峰值多而雜，已無法辨別孔段波形。

圖4 監測點位置

圖5 典型方案不同監測點振動速度

礦巖內節點振動速度曲線波峰離散而清晰，其出現時間也與微差控制時間較為吻合，這是由于礦巖為炸藥爆炸直接介質，質點振動速度曲線特性受各單孔爆炸應力波影響，規律性強，孔段波形較為顯著，可結合微差間隔與應力波傳播時間，判斷各波形對應的段別，進而分析比較其振動疊加情況：第一、二個波峰即對應第一二段別，而第三段爆破炮孔處于監測點另一側，波形峰值出現時間應較第一二次波峰間隔時間較長，故第三段別對應時間上更為符合的第四個波峰，第三個波峰實質為前兩段爆破的應力反射波所致，第十五段別對應波形出現350 ms以后，即五個波峰，第十六段爆破炮孔位于監測點異側，第六個波峰在出現時間上滿足要求，故十六段別即對應第六個波峰，同理，可依次確定各個段別對應的波峰。

圖6 典型方案的各孔段波形曲線

2.3 微差優化方案

由于原典型方案兩大段起爆時差為300 ms，間隔時間較長，可以考慮縮短兩大段爆破時間間隔，設計方案一、二；由于首段爆破藥量最大，引發的孔段波形峰值高，可考慮延長下一段的延遲時間，改變首段與后段爆炸應力波疊加，設計方案三；由于國內礦山爆破間隔時間一般為每米最小抵抗線取15～25 ms[12]，由此，原方案孔間延時間隔25 ms較短，可考慮增加逐孔間隔時間，設計方案四；繼承原方案分大段減震的思想，增加為3大段，設計方案五，如表3所示。

表3 設計方案

2.4 計算結果

各方案計算結果如下：

統計各方案各段別振動速度波形峰值，如表4所示。

表4 各方案各段別振動速度峰值

2.5 對比分析

(1) 縮短兩大段間隔時間

對比原典型方案、方案一、方案二發現，將第3次序孔爆破與第4次序孔爆破間隔時間縮短后，各孔段波形峰值改變最明顯的是4，5次序孔。當間隔時間減小為50 ms時，第4次序孔波形峰值增大，而第5次序孔波形峰值略有減小，當間隔時間減小為25 ms時，第4，5次序孔波形峰值分別從2.23 cm/ms和1.3 cm/ms減小為1.78 cm/ms和0.91 cm/ms，減振率達20%～30%。這是由于隨著爆破間隔時間的縮短，前三孔爆破應力波與第四、五孔應力波發生疊加干擾發生變化，當間隔時間為50 ms時，疊加增強，間隔25 ms時，疊加減弱。綜上所述，縮短兩大段別微差時間25 ms，更有利于應力波干擾減震。

(2) 增加首段與下一段間隔時間

(a) 方案一

(b) 方案二

(c) 方案三

(d) 方案四

(e) 方案五

對比方案一與方案三發現，當增加首段與下一段間隔時間至50 ms時，對第2，4次序孔振動速度略微減小，說明間隔50 ms使得第一、二孔爆破振動應力波疊加干擾程度大于間隔25 ms的情形，故第一二次序孔間隔50 ms更有利于爆破振動的控制。

(3) 增加逐孔間隔時間

圖8 兩大段不同間隔時間的孔段波形峰值

圖9 首后段不同間隔時間的孔段波形峰值

對比方案一與方案四發現，將所有孔間隔時間從25 ms增加到50 ms，各孔段波形峰值變化具有周期性，其中2，3次序孔振動減弱，4，5，6次序孔振動加強，7，8次序孔振動再減弱，這說明改變逐孔間隔時間使得各孔段應力波疊加發生整體改變，某孔段的波形疊加后減弱往往會導致下孔段的波形疊加增強，在多孔段爆破中，單一改變逐孔微差時間，往往達不到整體干擾降震的目的。

圖10 不同逐孔間隔時間的孔段波形峰值

(4) 增加微差大段數

對比方案三與方案五發現，增加大段數量為3段，即延長第5次序孔與第6次序孔間隔時間至50 ms后，第6次序孔波形峰值從1.72 cm/ms略微增加至1.74 cm/ms，但第7，8，9序列孔波形峰值從0.83 cm/ms、2.75 cm/ms、0.75 cm/ms減小至0.50 cm/ms、2.65 cm/ms、0.62 cm/ms，應力波疊加減弱較大，說明增加第5，6次序孔爆破間隔時間50 ms能有效增加爆破應力波的疊加干擾，減小爆破振動效應。

圖11 增加微差大段數量的孔段波形峰值

綜上所述，原微差段別方案1-2-3-15-16-17-18-19-20中，第3次序孔與第4次序孔間隔時間較長，不利于應力波的疊加干擾，爆破振動效應較大，間隔時間縮短至25 ms，則能有效增加應力波干擾，減小爆破振動；由于多孔段爆破應力波疊加的復雜性，單純改變逐孔間隔時間往往難以達到整體降震的目的；首段藥量較大，延長后段的間隔時間為50 ms，有利于爆破減震，將5，6次序孔間隔時間延長為50 ms，增加大段數量，更有利于爆破振動效應的控制。模擬結果表明，1-3-4-5-6-8-9-10-11的三大段微差方式干擾減震效果最好。

對于干擾減震，一般認為前后段別微差時間確定為單孔波形半個周期奇數倍能達到最好的減震效果，但實際作用過程往往是多段疊加干擾，且受到孔網布置、地質結構、傳播距離等因素的影響，情況更為復雜。較理想的設計思路是使得相鄰段別主震相在時間軸上相互分離[13]。主震相持續時間與藥量正關聯，且存在一定的積累延長效應，模擬最優方案遵循上述原則，較好地錯開了各段主震相。

3 現場試驗

3.1 現場試驗方案與地點

為驗證模擬得出的最優方案的減震效果，選取爆破振動效應最為顯著的西北區作為試驗區域，采用井下和地面聯合監測的方式，使用TC-4850爆破測振儀監測-318分段5-6L N17連續兩個排面的回采爆破。兩排面爆破除微差方式外，其余爆破參數相同。

試驗對比方案，如表5所示。

表5 現場試驗對比方案

具體爆點測點位置見圖12。

3.2 現場試驗結果

試驗結果如表6所示。

表6 現場試驗數據

圖12 現場試驗位置圖

從表6可知，試驗方案的地表和地下振動效應均小于原方案，其中井下振動合速度從4.350 cm/s減小到3.852 cm/s，減震率為11.4%，地表從0.302 cm/s減小到0.256，減震率為15.2%。說明改進后的方案具有一定的減震效果。

值得注意的是，相比原方案，試驗方案爆破后的大塊率有所增加，這是由于試驗方案縮短了中心掏槽孔與兩側炮孔的微差時間，掏槽后自由面可能未充分形成，從而影響了爆破效果。

4 結 論

利用LS-DYNA建立了準二維扇形中深孔排面模型，分析梅山鐵礦目前的典型微差方案，從縮短兩大段間隔時間、增加首段與下段間隔時間、增加逐孔間隔時間、增加微差大段數量四個方面出發，設計了五種不同的段別組合方案，監測采礦進路側壁內節點的振動合速度，分析了各方案振動速度時程曲線特征，依據微差時間和應力波傳播時間確定各孔段對應的振動速度波形，通過比較各方案的波形峰值，確定了最優方案，并進行了現場對比試驗。具體結論如下：

(1) 各孔微差時間不宜過長，孔間微差一至兩個段別的微差方式更有利于應力波的疊加干涉，減小爆破振動。

(2) 對于多孔段逐孔爆破，統一地改變孔間間隔時間往往不達到整體減震的目的。

(3) 逐孔爆破前后孔段應力波疊加復雜，最優段別組合的確定是個循序漸進的過程。根據模擬結果，對于梅山鐵礦的爆破參數，1-3-4-5-6-8-9-10-11的三大段微差方式干擾減震效果最好。

(4) 對最優方案進行了現場對比試驗，相對于原方案井下減震11.4%，地表減震15.2%，但爆破后大塊率有所增加。說明模擬的最優方案雖然爆破效果略有欠缺，但存在較好的減震效果，在距離保護區域較近的采區仍具有一定實際意義。

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Optimization of millisecond parameters for hole by hole initiation in fan-shape deep holes based on LS-DYNA

DENG Hongwei, YANG Yiquan, GAO Feng, ZHOU Keping, ZHANG Jian

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Meishan iron mine is a typical “urban mine”, it is very important to control its blasting vibration effects to ensure the safety of surrounding buildings. In order to optimize millisecond parameters and reduce blasting vibration effects, a blasting model for quasi two-dimensional fan-shape deep holes was built with LS-DYNA. On the basis of the current typical millisecond blasting parameters, five different millisecond patterns for hole by hole initiation were designed, the vibration velocity waveform of each hole in different patterns were identified, and their peaks were compared. Results showed that the reasonable blasting delay time of each hole should be 25ms～50ms to reduce blasting vibrations due to stress wave interference; for multi-hole hole by hole initiation, the whole vibration reduction can’t be achieved only with uniformly changing blasting delay time of each hole; for blasting parameters of Meishan iron mine, the detonator group 1-3-4-5-6-8-9-10-11 is more appropriate to control blasting vibration effects. Besides, field comparative test was conducted, the results showed that compared with the original blasting scheme, blasting vibrations caused with the optimized pattern 5 are reduced by 11.4% underground and 15.2% on surface, so the optimized pattern has a certain applicable value.

blasting vibration; fan-shape deep holes; multi-hole blasting waveform; millisecond parameters; LS-DYNA

國家自然科學基金(51204205)

2015-12-03 修改稿收到日期：2016-04-23

鄧紅衛 男，博士，副教授，1969年生

楊懿全 男，碩士生，1991年生

TD235.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.11.022