古丈石灰巖礦深孔臺階爆破模擬驗證

何 澤,李子玉

(湖南鐵軍工程建設有限公司， 湖南 長沙 412100)

古丈南方水泥有限公司茄通水泥用石灰巖礦位于湖南湘西自治州古丈縣紅石林鎮茄通村，礦山緊鄰遷河公路，采用公路開拓，汽車運輸。礦山起伏不大，巖石節理裂隙發育，生產能力為年產 1 20萬 t。礦區目前分為東西采場，與巖層傾向基本一致，為順向坡結構，采礦場邊坡巖體質量一般較好，邊坡整體穩定性較好，無崩塌、滑坡現象發生，礦區臺階高度為15 m，階段最終坡面角為75°。孔排距及底盤抵抗線為4 m，鉆孔深度為16 m（含超深1 m），裝藥長度12 m，單孔裝藥量約96 kg，填塞長度4 m，炮孔直徑115 mm，裝填直徑為90 mm的乳化炸藥，采用不耦合裝藥結構，毫秒延期雷管引爆。爆破后要求礦石粒度不得大于700 mm。

1 臺階爆破數值模擬

古丈石灰石礦山在施工過程中發現爆破產生的根底較多，嚴重影響了礦石的開挖及運輸效率，因為根底清除需要二次爆破或者機械清除，一方面影響了施工進度，另一方面也增加了經濟成本。造成根底的因素有很多，比如底盤抵抗線過大、孔排距過大，炮孔欠深等。但是在古丈礦山的施工中發現，在其他孔網參數不變的情況下，鉆孔深度不夠或者過深的情況下，出現根底的頻率就會過高，因此合理的炮孔超深對爆破效果有一定的影響。本次對古丈礦山炮孔超深進行模擬驗證。

1.1 動力分析邊界處理方法

當采用數值法對爆破荷載作用下巖體的破壞情況進行動力分析時，為保證數值模擬結果與實際情況盡可能相同，必須把實際上接近于無限大的計算域用一個人為的人工邊界截斷，取一個有限大的區域進行離散化。

本設計的自由邊界為臺階面和臺階坡面以及前端臨空面，剩余的邊界都施為透射邊界條件。因此在選擇邊界條件的時候，該設計選擇透射邊界。

1.2 爆破優化方案的數值分析

炸藥材料一般采用 JWL狀態方程和 HIGHEXPLOSIVEBURN模型進行描述：

式中，爆轟壓力為P；相對體積為V；單位體積內能為E；材料常數為w，A，B，R1，R2。

空氣采用LINERA-POLUNOM IAL狀態方程，材料模型NULL進行描述，線性多項式狀態方程為以下公式：

式中，V用于空氣時，取1.0，且有C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。

1.3 模擬參數

該模擬采用不耦合裝藥爆破，不考慮應力波疊加作用，該模型中設置的材料主要是炸藥、空氣、巖石3種材料，模型選用3D-SOLID164實體單元，在網格劃分方面，主體采用體分割技術，掃掠式網格劃分主要對炮孔周圍進行，剩余的部分采用映射網格劃分。巖石采用lagrange算法，炸藥和空氣采用多物質ALE算法。

模型總高度為1700 cm，底面為1700 cm×600 cm，藥柱半徑為45 mm，炸藥總高度為1400 cm，其余高度為填塞高度。以臺階橫向為X軸，豎向為

Y軸 ，縱向為Z軸。

在該模型中，采用連續裝藥結構，起爆點設置在炮孔底部，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見表1，表2。

表1 乳化炸藥材料參數及JW L狀態方程參數

表2 巖石的力學參數

1.4 模擬結果及分析

時間為0.0025時，坡度模型單元開始失效，最大應力集中在炸藥區域周圍，最大應力達到2.055e7 Pa，坡度單元由炸藥周圍慢慢的向坡面實體四周擴散形成爆破區域。

時間為0.005時，坡度模型由炸藥區域單元失效開始蔓延到坡度表面失效，最大應力達到1.779e7 Pa，相比上一時間應力有減小的趨勢，這是因為坡度模型的沖擊波傳遞是阻尼的，這也與爆炸的趨勢相符合。

時間為0.0075時，坡度模型單元失效有向抵抗線方向發展的趨勢，最大應力為1.747e7 Pa。

時間為0.01時，坡度模型單元失效繼續向抵抗線方向發展，最大應力為1.689e7 Pa；在坡度模型上設置有空氣，坡度模型與空氣是采用流固耦合連接。

在坡度模型底部取其單元查看應力-時間曲線，從圖1可以看出，波峰最大值出現在0.004～0.005 s時間段，隨后曲線處于上下震動。

時間為0.0025時，位移出現在坡度外表面層，此時單元也出現失效。時間為0.005時，斜坡表面層伴隨著位移增大，同時出現大面積的單元失效（見圖 2）。在坡度模型底部取其節點查看位移-時間曲線，從圖3可以看出，在0.0025出現位移，在0.042時出現峰值，隨后時間歷程中開始衰減。

圖1 底部節點應力-時間曲線

圖2 0.005 s時的邊坡位移

圖3 底部節點位移-時間曲線

圖4 為坡度模型整體位移-時間圖，從圖中可以看出，與節點時間歷程圖的曲線相符，2個波峰后，整體變形開始衰減。

圖4 模型整體衛浴位移-時間曲線

圖5 破碎單元數與時間的關系

小單元的破裂個數曲線如圖5所示，從圖5可以看出，在時間為0.002 s時單元發生失效，時間0.01 s時為1.75×106個左右，且一直呈增長趨勢。說明炮孔超深后能使爆炸形成的爆破漏斗下破裂線達到臺階坡底線，爆破能量可以作用到坡底線以下的巖石，從而避免或者減少根底的形成。

2 結 論

超深對于露天礦臺階深孔爆破效果具有很大的影響，是解決根底最有效的措施，在合理的超深范圍內，坡底應力值隨著超深的大小而不斷增大，巖體單元破壞程度也會隨著不斷增大，巖體破壞效果明顯，與實際爆破效果基本吻合。超深參數可根據現場實際情況在范圍內進行調整，從而降低爆破成本，實現礦山生產利潤最大化。