超深預裂孔底部加強裝藥高度試驗研究

崔正榮 張西良 潘祖瑛 李龍福

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽，馬鞍山243000；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司，安徽，馬鞍山243000）

露天礦山在邊坡靠界時，通常使用靠界預裂控制爆破技術［1-2］，因其可以在一定程度上較好地降低邊坡巖體裂隙的擴展，削弱爆破對露天邊坡的損傷破壞，有效地避免邊坡發生滑坡［3-4］。這里定義直徑超過95 mm、孔深超過15 m的爆破稱為超深孔爆破［5］。在超深孔預裂靠界爆破中，由于底部夾制作用較大，若不采取有效措施（如底部加強裝藥），將影響爆破效果；當前超深孔預裂爆破底部加強高度僅為經驗值，綜合考慮影響巖石預裂爆破成縫的因素，對加強高度優化研究，不僅能夠有效地克服底部夾制作用，而且能取得較好的爆破效果，對提高邊坡穩定性和經濟效益都有重要意義，也實現了爆破精細化［6］。

雖然預裂爆破技術在靠界邊坡治理中較常使用，然而對超深孔預裂爆破的研究正處在探索階段。徐成光［7］詳細分析了某電站進水塔高邊坡的開挖特點，使用小孔徑超深孔預裂爆破技術，一次預裂成型的垂直邊坡達到了20 m高，工程爆破效果較理想，可以作為相似爆破工程的經驗依據。李萬洲［8］在某水電站高邊坡開挖過程中，預裂孔深達到了30 m，施工進度得到了提高，經濟效益顯著改善，施工質量達到了良好標準。

本次研究以傳統預裂爆破技術為基礎，以西北某露天鐵礦并段超深孔預裂爆破項目為背景，綜合運用理論分析、現場試驗等方法，優化超深孔底部加強裝藥高度。

1 礦山概況

西北某露天鐵礦已開采多年，臺階高度為12 m；開采至最終境界位置每2個臺階并段；臺階坡面角65°；基于露天邊坡的安全考慮，采用靠界預裂爆破技術。預裂孔深達26.5 m，由于底部夾制作用較大，前期底部預裂爆破效果不太理想。目前預裂爆破后邊坡質量較好的邊坡段依然較穩定，而預裂爆破質量較差的邊坡段容易發生失穩甚至滑坡現象。怎樣獲得較好的預裂爆破質量，從而在礦山靠界超深預裂孔爆破條件下獲取穩定、平整的預裂面，是該礦亟待解決的難題。

2 底部加強裝藥高度

超深孔預裂爆破的裝藥結構包括底部加強裝藥段、正常裝藥段和上部減弱裝藥段，裝藥結構如圖1所示。國內部分工程底部增加的裝藥量如表1所示，根據表1繪制的散點圖如圖2所示。

工程經驗表明，底部加強裝藥高度如果偏小，則底部預裂面不能完全拉開，因此會削弱預裂面的阻震和阻止爆破區裂縫延伸的作用，并且爆破后邊坡下部有巖根，還需要小爆破清理；反之如果底部加強裝藥高度過大，則下部保留基巖將受到破壞。

根據工程實例提出底部加強藥高度L1取值范圍0.1L～0.2L，其中L∈（15，30）為孔深，m。

3 數值模擬

3.1 底部加強藥高度不同時數值模型及邊界條件

本次研究的模型及其裝藥網格密度基本相同，使計算結果具有可比性。根據西北某露天鐵礦超深預裂孔爆破參數可知，模擬4種不同的加強藥高度，數值模型采用m-kg-s單位制，本次數值模擬炮孔直徑為120 mm，炮孔間距為1.3 m，炮孔深為26.5 m，不耦合系數為2.7，傾角為65°，底部加強段線裝藥密度為正常段的2倍，底部加強段裝藥高度分別為3，3.5，4，4.5，5，5.5 m。模型邊界條件為無反射邊界，可有效地避免邊界條件受求解結果的影響。因此模型的大小可取為：長×寬×高=4 m×2 m×30 m，如圖3。

3.2 材料本構模型及參數

3.2.1 炸藥本構模型及其參數

本次研究使用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。表2為該炸藥的材料和JWL狀態方程的參數。

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3.2.2 被爆結構本構模型及參數

模擬巖性為白云巖，選取ANSYS/LS-DYNA材料庫中的動力學塑性模型，然后用關鍵字（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）在.K文件中表示；使用炮泥作為孔口填塞材料，其物理性質與砂土接近，本次模擬選取巖石模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）作為材料模型。

炸藥爆炸后，受動載荷的影響，巖石達到了自身的屈服極限，就發生塑性破壞。此外，伴隨動載荷作用的加大，其抗壓強度將變大，巖石的應變率在炸藥爆炸作用下的變化特別大，巖體應變過大導致了它的損壞，因此選取了應變率能夠變化的塑性模型；通過查找資料開展數值仿真、模型試驗和現場工程試驗，對比研究得出選用該模型在某種意義上講是較好的［9］。選取C-S模型，對于應變值D和P，參考Yang R等［10］的研究成果，即相異的應變率下材料介質應力應變之間的相互關系和應力歷時曲線這一理論數據，加上夏詳［9］對這種關系進行了更進一步的求解。模擬所需巖石的力學參數經折減處理后如表3所示。

選取MAT_NULL空模型模擬炮孔內的空氣，使用線性多項式狀態方程LINEAR_POLYNOMIAL加以描述（其理論詳見軟件介紹部分），其參數即孔口填塞材料的參數如表4所示。

3.3 數值模擬結果分析

圖4所示的爆炸應力分布表明，炸藥爆炸后，有效應力以柱面波的形式從藥卷中心向四周擴散；底部加強裝藥段的應力波在疊加后，應力波明顯增強，有利于底部裂隙的擴展。均勻分布的裝藥結構使得巖石所受到的應力也是較均勻的，疊加后的應力達到了巖石強度，底部加強裝藥段完全貫通，有效地克服了底部夾制作用。

提取加強裝藥段關鍵點單元的相應曲線，記錄該單元所受應力的最大值。運用有效應力屈服理論比較模擬出的結果，依托比較結果分析巖石在炸藥爆炸作用后的破碎情況。巖石個別單元在模型中的坐標和其對應的應力曲線，如圖5所示。

根據模擬計算結果表5～表8可知，底部加強段裝藥高度為4 m和4.5 m時能夠取得較好的預裂爆破效果。因此，超深孔預裂靠界爆破底部加強段裝藥高度滿足關系式：0.15L≤L1≤0.17L。

4 現場爆破試驗

現場試驗分4種方案，比較其爆破開挖后的邊坡質量，結合理論分析，為參數選擇提供直接依據。徑向不耦合裝藥有效地削弱了炸藥爆炸對炮孔壁四周巖石的破壞，同時相鄰炮孔壁受到其中一部分沖擊波的作用而產生拉應力，形成預裂縫。本礦超深孔預裂爆破炮孔直徑為120 mm，孔距為1.3 m，孔深為26.5 m，預裂藥柱的直徑約45 mm，不耦合系數為2.7，正常裝藥段線裝藥密度0.6 kg/m，底部加強段線裝藥密度為1.2 kg/m，底部加強藥高度分別為3.5、4、4.5、5 m。軸向為不耦合裝藥，使用粘性較好的材料將炸藥固定在起爆器材上。由于炮孔下端受夾制作用的影響較大，對超深孔而言，炮孔底部的夾制作用不可忽視。為消除這一影響，增加的藥量均勻分布在炮孔底部加強裝藥段。上部為裝藥減弱段，最上面為不裝藥段，不裝藥段的長度與該處的巖性、節理裂隙發育程度、裝藥量和預裂孔直徑等有關，減弱段的線裝藥密度為正常段的1/3～1/2。

現場試驗方案參數見表9。

通過對現場試驗的分析，當底部加強裝藥高度為3.5 m，預裂爆破效果明顯變差，底部留有根底，半壁孔未露出。當底部加強裝藥高度為4 m和4.5 m時，底部預裂爆破效果最好，預裂縫貫通，半壁孔保留完整。當底部加強裝藥高度5 m，預裂爆破效果也明顯變差，藥量的增加不再起到積極作用，而是圍巖受到更大的沖擊損傷。

5 結論

（1）礦山并段預裂爆破，底部夾制作用較大，本研究采用了變換底部加強藥高度的方法，確保實現相鄰炮孔之間的巖體能完全貫通，并能避免炮孔壁受到破壞。

（2）以理論分析后的超深孔預裂爆破參數為基礎，通過使用ANSYS/LS-DYNA數值仿真軟件進行數值模擬，對比模擬結果，分析底部加強藥區域部分節點應力場分布以及壓力峰值，結果表明底部加強藥高度為4～4.5 m時預裂爆破效果最好。提出了底部加強裝藥高度范圍公式0.15L≤L1≤0.17L，其中L∈（15，30）為孔深，m。

（3）在西北某礦進行了現場試驗，高度為4、4.5 m的預裂爆破試驗效果均較理想，底部成縫效果較好，證明了超深預裂孔底部加強裝藥技術可行，有效地指導了礦山生產，類似工程也可以借鑒。