預裂爆破在城門山銅礦的應用及數(shù)值模擬研究

王 晟，毛榮華，羅來林，張 健

（江西銅業(yè)集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332000）

1 引言

在露天礦山的開采過程中，受不斷爆破開采的影響，欲保留巖體不可避免的產(chǎn)生一定的累積損傷，因此，爆破過程中要充分利用炸藥爆炸能量達到破碎的目的，同時還要減少對對保留巖體的影響［1-5］。張兵兵等［6］根據(jù)邊坡預裂爆破中預裂縫的形成是爆炸應力波和高壓氣體聯(lián)合作用的分析結(jié)果，較好地保證了最終邊坡的穩(wěn)定性,并將爆破振動的影響控制在安全范圍之內(nèi)。程健［7］通過ANSYS 有限元模擬軟件，對不耦合系數(shù)、不同孔間距等爆破參數(shù)條件下爆破裂隙的擴展形態(tài)進行模擬研究。丁林敏等［8］針對復雜環(huán)境下某高速公路半坡開挖過程中飛石與振動危害等問題，采用深孔和淺孔臺階爆破兩種方法，結(jié)合預裂爆破、逐孔爆破等減震技術，成功控制了爆破飛石和振動危害為在規(guī)定工期內(nèi)完成爆破施工任務提供了技術基礎。丁安松等［9］為研究預裂爆破所形成的預裂縫的減振效果，以紅沿河核電廠基建工程為背景，在多個地點進行了預裂爆破減振試驗，通過監(jiān)測有、無預裂縫的臺階爆破質(zhì)點振動速度，并對所測數(shù)據(jù)進行了振動分析和減振率分析，研究結(jié)果表明減振率最高可達0.66。本文以城門山銅礦二期建設為背景，結(jié)合數(shù)值模擬對預裂爆破參數(shù)驗證，在保證爆破效果的情況下，達到減小預保巖體損傷的目的，為后續(xù)施工提供參考。

2 預裂爆破作用原理

預裂爆破技術主要特點是減低主爆區(qū)爆破振動對圍巖或建筑物擾動，其廣泛應用于露天開挖工程。由于外界影響爆破的因素十分復雜，對預裂爆破形成預裂縫(面)的機理尚無明確的定論，目前主要應用的是應力波與爆炸氣體綜合作用原理［10］，炸藥爆炸后，爆炸應力波作用于孔壁并炮孔徑向形成裂紋，隨后初始徑向裂紋在爆炸生成氣體的準靜態(tài)應力場作用下繼續(xù)擴展，在炮孔連線方向形成一條預裂縫(面)。其作用機理如圖1 所示。

圖1 相鄰炮孔同時起爆時應力波作用示意圖

如圖1 所示，A、B 兩炮孔孔間距為l，當兩孔中的炸藥同時起爆后，爆炸應力在兩孔中心線相對方向的應力相互抵消，在垂直于兩孔中心線的方向形成合應力σh，而在相反的方向上沿炮孔連線生成強大的拉應力，眾所周知，巖石為抗壓不抗拉介質(zhì)，因此在起爆后沿炮孔布置輪廓線形成裂隙，輪廓線以外的巖體受到的破壞作用較小，進而維持圍巖原有的穩(wěn)定。

3 預裂爆破參數(shù)計算

3.1 炮眼直徑

預裂爆破通常選擇小直徑鉆孔，小直徑鉆孔對周圍巖石破壞范圍小，預裂面形狀容易控制，提高半孔率和坡面平整度，易于取得較好的效果，但是孔徑越小，現(xiàn)場施工越困難，同時也很難控制不耦合率。結(jié)合城門山銅礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，炮孔直徑取152mm。

3.2 裝藥不耦合系數(shù)

初始爆炸應力遠遠大于巖石的抗壓強度，及其容易造成孔壁破碎影響爆破效果，因此預裂爆破一般采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，既能夠使炮孔之間形成貫穿裂隙，又不會在孔壁周圍形成壓碎區(qū)，根據(jù)巖石斷裂力學理論及巖石損傷理論可知，不耦合系數(shù)k的表達式為：

式中：n 為爆生氣體與孔壁相互作用時的壓力增大系數(shù)，一般取10；ρ0為炸藥密度，kg/m3；Cv為炸藥爆速，m/s；Kb為巖石體積產(chǎn)生應變時其抗拉強度增大系數(shù)；σt為巖石單軸抗拉強度；K 為損傷因子。因此現(xiàn)場不耦合系數(shù)k 取4.75。

3.3 孔間距

兩個相鄰炮孔之間的距離要小于爆炸后形成裂隙的長度才能達到貫穿效果，計算公式為：

式中：a 為孔間距；ad為初始裂隙長度；as為爆生氣體作用下裂隙長度；dc為炮孔直徑；α 為應力衰減指數(shù)；P 為孔壁初始應力；β 為系數(shù)；P0為爆生氣體準靜態(tài)壓力；KIC為巖石靜態(tài)斷裂韌性。結(jié)合生產(chǎn)實際，孔間距取2m。

最后一排主爆孔至預裂面的距離評價這個最佳距離的標準是，預裂縫與最后一排炮孔之間的巖體能夠得到應有的破碎，且不能破壞已形成的預裂面。由于主爆孔和裝藥量都比較大，主爆孔和預裂孔的距離取3m。

3.4 線裝藥密度

即預裂爆破裝藥量。線裝藥密度是指炮孔裝藥量對不包括堵塞部分的炮孔長度之比。根據(jù)經(jīng)驗類比法，每孔裝藥量為6kg，由于巖石為強風化巖石，抗壓、抗剪強度低，炮孔稍微進行堵塞，避免爆炸應力波侵害最終邊坡。線裝藥密度為0.43kg/m。綜上所述，預裂爆破設計參數(shù)如表1 所示。

表1 預裂爆破參數(shù)

3.5 孔深與超深

正常情況下，預裂爆破形成的預裂面比孔底超深0.5～1m。現(xiàn)場超深取2m，孔深14m。孔底最后2m 不裝藥，一方面避免對基巖造成較大破壞，一方面減少炸藥無謂消耗。

3.6 裝藥結(jié)構(gòu)與起爆順序

預裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)有連續(xù)裝藥和間隔裝藥兩種形式。根據(jù)預裂爆破原理可知，在裝藥密度確定之后，炸藥沿預裂孔分布越均勻越好。由于炮孔底部夾制作用較大，不易造成所要求的預裂縫，故通常需要將孔底線裝藥密度增大3～4 倍，如圖2 所示。

圖2 預裂孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

按照預裂孔爆破的起爆方式進行起爆［11］，同時注意節(jié)理的方向，采用順節(jié)理方向起爆。先爆破預裂孔，形成預裂縫之后從自由面方向往預裂面推進，減少應力波對最終邊坡的影響，見圖3。

圖3 預裂爆破炮孔示意圖

4 數(shù)值模擬

4.1 材料參數(shù)

為了能夠更好的了解采用上述設計參數(shù)的爆破效果，利用ls-dyna 模擬預裂孔爆破后裂隙擴展情況，模型中巖石直徑為3m，炮孔直徑為0.152m，模擬材料相關參數(shù)如下：

（1）巖石材料模型，炸藥爆炸時臨近爆區(qū)圍巖發(fā)生屈服直至破碎，在這個過程中巖石發(fā)生大變形，應變率效應比較明顯，因此適合采用包含應變率效應的模型，Cowper-Symonds 模型在計算屈服應力時加入應變率因子，屈服應力與應變率關系用下式表達：

表2 圍巖相關參數(shù)

（2）炸藥材料模型，采用2#巖石乳化炸藥，材料模型選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，該材料模型需與JWL 狀態(tài)方程聯(lián)用，JWL 方程為：

式中P 為壓力；V 為初始相對體積（無量綱量）；E0為初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2、ω 為試驗確定的參數(shù)，炸藥相關參數(shù)見表3。

表3 炸藥相關參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果

炸藥爆炸后在圍巖中產(chǎn)生強大的應力波，其形成的壓力大于圍巖的抗壓強度，從而導致圍巖被擠壓破碎，當粉碎區(qū)形成后，爆炸應力波繼續(xù)在圍巖中傳播，隨著應力減小不足以使圍巖繼續(xù)破碎，粉碎區(qū)形成之后，在該區(qū)域周圍開始出現(xiàn)徑向裂隙并不斷擴展，在破碎區(qū)的外圍形成徑向分布的裂隙，模擬結(jié)果見圖4。

圖4 裂隙擴展效果

由模擬結(jié)果可知，起爆后在0～0.25ms 之間主要為炸藥爆炸后形成強大的應力在孔壁近區(qū)形成的粉碎區(qū)。當T=0.25～1.0ms 時，爆炸應力波繼續(xù)傳播的同時不斷衰減，致使巖石沿炮孔徑向形成裂隙并不斷擴展，當時間T=1.0ms 時爆炸應力釋放完全，裂隙擴展停止，此時裂隙長度接近1.5m，說明采用設計的施工方式，兩個相鄰預裂孔相距2m 時能夠有效的生成貫穿裂隙。

5 現(xiàn)場爆破試驗

結(jié)合模擬結(jié)果在現(xiàn)場進行試驗，預裂炮孔采取平行于坡面角、與水平夾角為65°左右傾斜孔進行施工，主爆孔采用垂直鉆孔。按照設計線裝藥量，首先對每孔的藥量進行分配，然后用膠帶、炮線或者綁帶將導爆索和炸藥按要求和竹片進行綁扎，然后將綁扎好的竹片慢慢放置于孔中。預裂孔裝藥時遵循底部加強裝藥、中間段正常裝藥、上部減弱裝藥的原則。現(xiàn)場施工過程嚴格按照設計參數(shù)進行鉆孔以及裝藥，起爆后形成明顯的預裂縫和較好的半孔率，如圖5 所示。

由圖5 可以看到，爆破之后，預裂孔形成良好的半壁孔，產(chǎn)生了明顯的預裂縫，開挖效果顯著，能夠有效的將爆破區(qū)域與保留巖體隔離，從而達到降低爆破振動對保留巖體干擾的目的。

6 結(jié)論

本文利用ls-dyna 對城門山銅礦開采臺階預裂孔爆破進行模擬，并結(jié)合現(xiàn)場試驗進行驗證，結(jié)果證明采用設計的施工參數(shù)能夠有效的將相鄰預裂孔進行貫穿，爆破后預裂孔形成良好的半壁孔，產(chǎn)生了明顯的預裂縫，開挖效果顯著。由于巖石強風化，設計中未按常見預裂爆破設計減震孔，以免爆破應力波造成邊坡破壞。后期將在此次研究結(jié)果的基礎上，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，適當進一步降低裝藥不耦合系數(shù)和線裝藥密度，以取得更好的效果。