露天采石場中深孔爆破布孔方式優選

劉祖平 胡世士 魏 巍

(葛洲壩武漢道路材料有限公司)

中深孔爆破技術開采能力大，生產效率高，是露天采石場剝離的主要開挖方式。大規模臺階爆破后的碎石在爆力作用下于自由面拋擲，崩落石料的塊度分布及爆堆位置直接影響了機械設備的鏟裝效率[1]。最大段起爆藥量、起爆段數、微差時間、裝藥結構、布孔方式等參數是影響爆破振動、破碎塊度、爆堆分布的主要因素[2-4]。露天臺階爆破中應合理控制爆破參數，將爆破次生災害的影響降至最小[5]。本研究根據某水泥廠露天采石場實際工況，通過分析碎石塊度分布及塊石拋擲距離分布規律，對最優布孔方式進行研究。

1 數值模型

1.1 工程背景

某水泥廠的露天采石場開采山體高約45 m，分為4個臺階自上而下進行開采，預計總工程量為120萬m3。礦區內構造節理較發育，構造節理大部分較平直，大部分無充填物，少量充填方解石脈或黏土質。礦區屬低山丘陵地貌，地形地貌簡單，礦體形態較規則，產狀分布較穩定，巖性主要為石灰巖。礦區地形有利于排水，主要含水層為碳酸鹽巖，巖溶裂隙含水層富水性弱，礦體最低開采標高高于當地侵蝕基準面，礦區水文地質條件為簡單型。采坑邊坡以堅硬—半堅硬的工程地質巖類為主，硬度系數f=7.0，巖石穩固程度相對較高，抗風化能力較強。爆破區域的工程特點主要有：①距離居民區、鄉鎮公路、村高壓線較近，對飛石、振動等危害效應控制的技術要求高，須采用微差延時控制爆破技術；②爆破區域屬亞熱帶季風氣候，雨水充足；③爆炸物品需要量大，對爆炸物品的管理要求高。根據該山體地形狀況和周圍環境，設計主體采用中深孔臺階爆破方案，露天礦臺階最大高度為15 m，坡角70°，采用微差延時爆破，裝藥孔直徑為90 mm。布孔方式有垂直深孔與斜向深孔2種(圖1)。

圖1 炮孔布置方式

1.2 數值模型構建

截取500 cm高臺階，根據爆破設計方案，抵抗線取300 cm，構建了“準三維”數值模型，所有節點施加Z向(垂直向內)位移約束(圖2)。模型左側、下方與圍巖接觸，為模擬無限大空間設置無反射邊界。臺階頂部及坡面設置自由邊界，爆破后塊石將沿自由面拋擲形成爆堆。

圖2 數值模型及邊界條件

1.3 材料參數

本研究將巖石及炸藥簡化為各向同性材料，巖石采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料模型[6-9]。該模型未考慮應變率，是一種雙線性隨動硬化模型。材料應力應變特性通過2個斜率(彈性和塑性)來表示，本構方程為

式中，E為彈性模量;σy為屈服應力;H為應變硬化指數；ε為加載應變率。

對于金屬材料而言，多采用隨動強化或等向強化模型，對于巖土材料的靜力學求解問題求解多采用等向強化模型，混合硬化或隨動硬化模型一般用于求解動力問題或循環加載問題。巖石物理力學參數見表1。

表1 巖石物理力學參數

采用JWL方程表征乳化炸藥的力學行為[8-10]：

式中，P為爆轟壓力;V為相對體積；E為單位體積內能；ω、A、B、R1、R2為材料常數(表2)。

表2 乳化炸藥材料參數

2 模擬結果分析

2.1 關鍵節點速度

露天臺階爆破具有2個自由面，即臺階坡頂與臺階坡面。臺階巖體在爆力作用下，破碎塊石將沿自由面拋擲形成爆堆。為提高鏟運設備的鏟裝效率，應控制爆破參數使得破碎塊度相對均勻，并且塊石拋擲后形成的爆堆相對集中。等間距選取了臺階表面節點作為研究對象，并提取了其振動合速度峰值，如圖3所示。

圖3 關鍵節點速度

本研究數值模型為“準三維”數值模型，不考慮Z向速度，故關鍵節點速度為X、Y向速度合成量。斜向深孔同一位置的節點速度普遍大于垂直深孔，表明爆力作用下斜向深孔布孔方案的巖體動力響應更為明顯，更有利于巖體破碎。垂直深孔布孔方案中抵抗線自孔底向孔口呈減小趨勢，孔底近區抵抗線較大，巖體對爆炸載荷具有更明顯的夾制作用，因此靠近坡角位置的節點速度較小。斜向深孔的節點速度均值與標準差分別為12 334.43，4 687.60 cm/s；垂直深孔的節點速度均值與標準差分別為10 131.16，5 147.55 cm/s，表明塊石沿自由面拋擲后，落地位置較為集中。

2.2 破碎塊度

炸藥爆炸時釋放大量的能量，其中很大一部分轉變為爆炸應力波，并以質點振動的方式向外傳播。爆炸應力波在介質中不斷傳播，隨著距離持續增大，波陣面也在不斷擴大，由于介質都具有一定的阻尼，不斷吸收波的能量，降低其壓力，導致爆炸應力波在傳播過程中能量和振速不斷減小。爆炸載荷作用下巖體內部微裂紋及節理活化，裂紋及節理擴張后交錯切割巖體產生塊石。露天臺階爆破工程中2個自由面對巖體破碎極為有利，巖體抗拉強度遠小于其抗壓強度，當爆炸應力波傳播至坡頂及坡面時反射產生拉伸應力波，在拉伸應力波作用下更有利于巖體破碎。炮孔右側靠近坡面的部分如圖4所示，黑色區域為拉應力超過巖石動抗拉強度被刪除的單元。臺階坡頂位置黑色區域較大，表明來自2個自由面的反射拉伸應力的波疊加作用較明顯。垂直深孔爆破方案中孔底近區抵抗線相對較大，故巖體破碎塊度也相對較大。斜向深孔與臺階坡面平行，其抵抗線沿炮孔軸向無變化，巖體破碎塊度明顯的較垂直深孔更為均勻。

圖4 破碎塊度

3 結 語

采用了ANSYS數值模擬技術對某水泥廠的露天采石場臺階爆破布孔方式進行了優選。研究表明：平行于臺階坡面的斜向深孔布孔方式更有利于巖體破碎，且爆破后破碎塊度分布均勻，塊石拋擲距離更為集中，故推薦該露天采石場采用斜向深孔布孔方式。