高臺階孔內(nèi)微差爆破參數(shù)的確定與爆破效果分析

常建平 張鵬飛 段 軍 王夢瑤 寶音吉雅

（1.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙 古包頭 014010；2.包鋼集團巴潤礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙 古包頭 014080）

隨著國內(nèi)冶金露天礦山開采效率的提高，8～16 m的臺階爆破高度達不到礦山開采規(guī)模。按照國內(nèi)大型露天礦鏟裝機械電鏟對爆堆的最大挖掘高度計算，臺階高度大于18 m為高臺階爆破［1］。高臺階爆破通過增加裝藥長度提高露天礦爆破規(guī)模及開采效率。由于露天礦山開采爆破技術(shù)理論的影響，臺階高度加大，相應炮孔加深，單孔裝藥量不變的情況下，高臺階爆破和普通臺階爆破相比困難重重。為了解決這一困難，毫秒微差爆破目前在我國爆破工程當中得到了大量的應用和廣泛的認可。孔內(nèi)微差爆破不僅可以改善巖石爆破破碎效果，而且也可以降低爆破振動［2-4］。樓曉明等［5］通過不同角度分析孔內(nèi)參數(shù)對爆破振動方面的影響并得出相應結(jié)論。曾慶偉等［6］通過現(xiàn)場試驗和分析計算得出一定爆破參數(shù)條件下最佳的爆破微差時間。以上文獻大多都圍繞不同微差時間對爆破振動影響方面進行研究并得到了各自結(jié)論，關(guān)于爆破破碎巖石方面也多是孔間微差時間的作用機理和試驗分析研究，高臺階柱狀藥包孔內(nèi)微差起爆的應力場分布規(guī)律和破巖機理尚缺少相關(guān)研究分析［7-9］。以往由于雷管精度誤差大，難以實現(xiàn)對微差時間的精細化控制。近年來數(shù)碼電子雷管應用的普及為孔內(nèi)微差爆破技術(shù)的實現(xiàn)提供了條件，國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)碼電子雷管［10-12］已經(jīng)實現(xiàn)了延期精度為 0～150 ms、誤差≤1.5 ms，毫秒間隔151～1 600 ms、相對誤差≤1%，可實現(xiàn)延期時間0～1 600 ms范圍內(nèi)以最小間隔時間為1 ms任意設(shè)置，為實現(xiàn)高臺階孔內(nèi)微差提供了基礎(chǔ)條件。本研究以巴潤礦24 m高臺階擴幫高臺階爆破實際工況為模型，從爆破破巖機理角度出發(fā)，借助數(shù)值仿真模擬軟件對孔內(nèi)中部間隔裝藥炮孔，上下部分藥包的不同起爆點的先后起爆順序組合參數(shù)進行了數(shù)值模擬，揭示出巴潤礦高臺階孔內(nèi)微差爆破的巖石中爆破應力場分布規(guī)律。

1 工程概況

巴潤礦是包頭鋼鐵集團下屬子公司，巴潤礦主體開采設(shè)備為KY-310型牙輪鉆機、采掘設(shè)備主要有ER9350大型利勃海爾液壓鏟、4410大型電動輪礦車等，是一座超大型現(xiàn)代化露天礦山。采場內(nèi)巖性主要為白云巖、板巖、第四系等，由于采場境界優(yōu)化的需要，采場需向北部擴幫，為提高擴幫效率，巴潤礦決定利用上部12 m高臺階的現(xiàn)有條件，通過改造鉆機和調(diào)整生產(chǎn)工藝，在不改變原有礦山設(shè)計參數(shù)的條件下，將上部巖石12 m臺階合二為一成24 m的高臺階，變成一次性穿孔2個臺階，大大提高了穿爆生產(chǎn)效率。因巴潤礦臺階高度大，考慮到提高炮孔的起爆可靠性等因素，一般采用炮孔上部和下部都設(shè)置起爆點的方式起爆。但是由于臺階高度的加大，隨之炮孔內(nèi)藥柱長度也增加，炮孔上下分段藥柱微差參數(shù)有待進一步確定。

2 爆破參數(shù)確定

孔內(nèi)微差間隔裝藥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場采用的分層分段毫秒延時起爆方式，圖1中D區(qū)炸藥經(jīng)過毫秒雷管率先起爆，B區(qū)底部雷管延時后引爆炸藥，中間填塞段則采用炮泥進行填塞。

結(jié)合可壓縮介質(zhì)的不定常運動理論，確定圖1中D區(qū)先起爆，B區(qū)底部數(shù)碼電子雷管延時后引爆炸藥。在極短的時間內(nèi)爆轟波在底部炸藥內(nèi)部傳播，爆區(qū)白云巖內(nèi)徑向峰值應力可表示為

式中，pb為孔內(nèi)受到的壓力；xb為孔徑；x為距離炮孔軸向點距離；β為爆炸應力波衰減系數(shù)；μd為巖石動態(tài)泊松比。

隨著徑向應力出現(xiàn)并衍生出環(huán)向應力，使得應力波向外擴展并使巖石破壞。當應力波從臨空面反射后，在臨空面處巖石發(fā)生剝離。應力波朝著藥包方向繼續(xù)擴展，被壓碎的巖石呈棱柱體被殘余壓力拋出形成新的臨空面。上部藥包延期起爆，由于孔中仍有應力，使得原本衰減的應力出現(xiàn)疊加，爆破效果更佳。受限于傳統(tǒng)雷管精度低，沒有充分利用高臺階炮孔內(nèi)藥柱長度長、炮孔間隔裝藥結(jié)構(gòu)的特點進行科學合理地設(shè)置技術(shù)參數(shù)，通常的做法是采用普通雷管在炮孔內(nèi)設(shè)置1個或2個起爆點同時起爆實現(xiàn)炮孔內(nèi)炸藥的爆轟。為確定最佳延期時間，對哈努卡耶夫公式進行修正，提出最佳孔內(nèi)微差時間的計算理論方法：

式中，W為底盤抵抗線；cp為體積變形的傳播速度；ut為裂縫傳播速度；k為破裂能力系數(shù)，針對白云巖一般取0.6～0.9；α為拋擲角度；s為中間間隔距離；ur為應力波平均速度。

根據(jù)常建平，張鵬飛等［16］研究發(fā)明的一種孔內(nèi)微差起爆方式專利，得出底部裝藥段的長度為炮孔深度的30%～35%；頂部裝藥段長度為炮孔的深度的23%～25%；中間間隔段長度為炮孔深度的17%～23%；藥柱的總長度為炮孔深度的53%～60%；對不同的起爆點實施微差間隔起爆。確定爆區(qū)白云巖的裝藥結(jié)構(gòu)為炮孔填塞7 m，上部裝藥長度6 m，中間空氣間隔5 m，下部8 m裝藥，炮孔超深2 m，總長度26 m，孔徑310 mm。

3 微差爆破模擬與現(xiàn)場驗證

3.1 爆破模型簡介

為更好研究分析不同起爆參數(shù)組合方式爆破效果，模型建立統(tǒng)一的裝藥結(jié)構(gòu)（圖2（a））和其他爆破參數(shù)，借以比較在其他條件相同的情況下不同起爆參數(shù)組合方式的炮孔應力場。在下部藥柱段的位置處設(shè)置數(shù)碼電子雷管作為起爆點；在上部裝藥段的位置處設(shè)置數(shù)碼電子雷管作為另一個起爆點（圖2（b）），依次孔內(nèi)微差爆破模型1、2、3、4設(shè)置起爆位置組合為下部底端起爆—上部頂端起爆、下部底端起爆—上部底端起爆、下部頂端起爆—上部頂端起爆、下部頂端起爆—上部底端起爆，通過改變微差起爆參數(shù)來模擬4種模型位置起爆工況。

為了便于模擬計算，模型介質(zhì)設(shè)置為均質(zhì)、連續(xù)、無初始應力、各向同性的彈塑性材料，建立模型以z軸為對稱面建立1/2的模型，臺階高度24 m、寬度12 m、縱向深度15 m，設(shè)計的坡角75°，采用cm-g-us單位制。采用Hypermesh14.0劃分六面體實體單元網(wǎng)格，為了便于觀察爆破效果過程的應力場規(guī)律，炸藥和填充處網(wǎng)格劃分較細。定義邊界條件時，把模型的剖面（炮孔面）作為對稱邊界，除剖面外其余面均為無投射邊界，臺階上頂、坡面和坡腳面設(shè)為臨空面，模型如圖2（a）。以圖2（a）為基本設(shè)計，按現(xiàn)場實際建立3個計算模型，通過炮孔內(nèi)微差間隔爆破的方法，并合理設(shè)置孔內(nèi)微差間隔時間、間隔裝藥結(jié)構(gòu)、起爆點位置和起爆順序，對爆破動態(tài)荷載、持續(xù)達到巖石屈服時間進行量化分析并進行如下研究：①3 ms微差下起爆點位置組合爆破（模型1、2、3、4，起爆距離0 m）；②3 ms微差下起爆距離（模型5，起爆距離0.5 m）；③數(shù)碼電子雷管條件下微差時間有限變化（模型6，微差時間6 ms，低端起爆距離0.5 m）。

多材料的動力實驗表明，動態(tài)屈服應力比靜態(tài)屈服應力有明顯的提高。Cowper-Symonds關(guān)系式是基于大量實驗基礎(chǔ)上提出的關(guān)于動態(tài)極限屈服應力和應變率之間的簡單經(jīng)驗公式，本項目的巖石材料采用基于Cowper-Symonds關(guān)系式建立的雙線性隨動硬化模型（Plastic Kinematic本構(gòu)模型），該模型是用來模擬巖土較為常用的一種材料模型［13～15］。表達式如下：

式中，σ0為初始屈服強度；C、P為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，C=35，P=3；為應變率；β為為可調(diào)參數(shù)，β=1；EP為塑性硬化模量，取23.7 MPa；為塑性應變率；為等效塑性應變，其計算公式為

巖石和炮孔填充的實體單元為*sect-lag，巖石和堵塞材料采用常應力實體單元算法，堵塞物與臺階巖體采用同一種材料模型，具體參數(shù)設(shè)置見表1、表2。

炮孔內(nèi)間隔氣體的空氣實體單元是*sect-ale，空氣采用ELFORM為11的多物質(zhì)單元算法（ALE）；空氣密度設(shè)為1.29 g/L，其他參數(shù)使用默認，狀態(tài)方程*EOS-Air（*EOS-001），該狀態(tài)方程為線性多項式和熱力學的初始狀態(tài)材料定義參數(shù)，表達形式為

當μ＜0 時，C2μ2及C6μ3為 0；C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=γ-1，γ為2種壓強和體積比熱之比。

乳化炸藥采用JWL狀態(tài)方程，狀態(tài)方程能夠比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動過程，并且具有面向各種炸藥的特別廣泛的原始數(shù)據(jù)庫。JWL方程形式為

式中，P為所要求的壓力值；E為單位體積爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；V為爆轟產(chǎn)物的體積大小；A、B、R1、R2及w為經(jīng)驗參數(shù)，通過米海里遜線以及炸藥的密度、爆速和絕熱系數(shù)3個參數(shù)求得，見表3。

3.2 起爆點位置組合的確定

孔內(nèi)微差時間間隔為3 ms時起爆，不改變微差時間的長短，只改變起爆點的位置，即采用單一變量法進行分析。因下部巖體夾制作用大，雖說采用同時起爆方式最有利于增強臺階爆破效果，在實際工程同時起爆很難加以實現(xiàn)；而采用中間起爆和兩端起爆方式時，從深孔爆破的裝藥長度及其爆轟波疊加情況考慮，臺階爆破效果較采用孔底起爆方式好。結(jié)合實際工程，本研究模擬采用孔底下部先起爆的順序單點起爆。本小節(jié)研究微差時間間隔為3 ms時，空氣間隔在中部的變化情況。對巴潤礦主要礦巖的巖石抗拉強度進行研究，本模型白云巖體的靜態(tài)抗拉強度為4 MPa，動態(tài)抗拉強度取12 MPa，以該值作為臨界值作為巖體破壞的判據(jù)，即對應的應力區(qū)域的巖體處于臨界或塑性應變狀態(tài)。圖3為高臺階爆破在不同時刻的Mises應力云圖的變化情況，本模型中，炮孔下部藥柱先起爆，爆轟波由下而上傳播，應力波在巖體中擴散。以模型1起爆描述，當t=2 199 us時，底部8 m藥柱已起爆完成，底部藥柱的應力波開始在5 m空氣間隔中傳播，同時，上部藥柱起爆，爆轟波由上部藥柱向下開始傳播；當t=2 895 us時上下藥柱應力波發(fā)生疊加碰撞，下半部分原本呈衰減趨勢的應力區(qū)域又得到增強并擴大，一直持續(xù)到應力區(qū)域衰減小于巖體屈服強度為止。由高臺階爆破在不同時刻的Mises應力云圖的變化情況可知，模型4參數(shù)起爆下，上下藥柱爆轟波疊加效果不好，應力衰減速度快，大塊較多；模型1、2效果最佳，提高了爆破效果、降低了爆破振動有害效應。其孔內(nèi)采用同時起爆，不能產(chǎn)生高臺階炮孔內(nèi)爆破應力場的疊加效應，而且爆炸應力波在巖體內(nèi)沒作用時間也相對較短，爆破效果其次為模型3。

因為高臺階爆破采用中間氣體間隔裝藥結(jié)構(gòu)，空氣間隔部位沒有炸藥，能量分布相對較少容易出現(xiàn)大塊，為方便比較4種起爆方式應力場特點，取臺階中間部位巖體考查點進行對比研究。在臺階空氣間隔部位距離炮孔每隔1.5 m各取出一個監(jiān)測單元，如圖4從左向右黑色的單元體為A～E考察點。通過LS-PREPOST后處理器計算得到不同監(jiān)測單元的History應力時程曲線，得到各單元應力峰值，從而得到模型爆破過程中臺階空氣間隔位置監(jiān)測單元的Mises應力發(fā)展趨勢。

分析典型的模型1、2各點應力時程曲線（圖5）可知，隨著時間推移，整體波形峰值均為先出現(xiàn)上升，隨后降低的趨勢，但各時程曲線的考察點應力極值點大于巖體強度應力的持續(xù)時間不盡相同。隨著考察點距空氣柱的距離增大，所有考察點應力先達到最高點，然后呈現(xiàn)下降趨勢。

3.3 起爆位置距離的確定

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗結(jié)合以上研究得出的起爆組合方式，首先取起爆位置距底部藥柱為0.5 m，然后將底部起爆位置距離增加0.5 m，本次模擬選取底部起爆位置距離分別為0.5 m、1.0 m。

3.4 微差時間的確定

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合巴潤礦實際情況及孔內(nèi)微差爆破工程經(jīng)驗，孔內(nèi)上下裝藥部分起爆微差時間取3 ms短時差間隔，首先孔內(nèi)微差取3 ms，再將孔內(nèi)微差時間增加3 ms，微差時間可通過數(shù)值模擬設(shè)置，通過觀察有效應力變化可得知合理微差時間。根據(jù)以上參數(shù)模擬，統(tǒng)計各監(jiān)測單元持續(xù)達到巖石動抗拉強度時間，見表4。由表4孔內(nèi)微差爆破不同起爆參數(shù)下考察點達到有效應力持續(xù)時間可知，模型1，起爆位置距離考察點近，有效應力平均持續(xù)時間1 060 us；模型4起爆方式，有效應力平均持續(xù)時間838 us，在4種參數(shù)起爆中，持續(xù)時間最短；模型1、2起爆后考察單元出現(xiàn)有效應力平均持續(xù)時間較長，其模型1起爆參數(shù)下長達2 018 us，各單元有效應力平均持續(xù)時間比模型2起爆持續(xù)時間長358 us，在微差起爆位置組合中起爆方式大于巖石屈服強度持續(xù)時間最長。模型5在采用下部先起爆，微差間隔3 ms，上部再起爆基礎(chǔ)上，將下部起爆位置點設(shè)置為0.5 m，模型5有效應力持續(xù)時間較模型1增加44.50%；模型5平均有效應力峰值較模型1增加6.68%。模型6有效應力持續(xù)時間較模型1增加24.48%，平均有效應力峰值減小4.97%，發(fā)現(xiàn)如只增加微差時間對降低大塊效果則不明顯。研究表明:微差起爆順序是影響爆破效果關(guān)鍵因素。模型5作用時間比模型1、6組合方式延長44.50%、16.08%，監(jiān)測點平均有效應力極值點分別要高6.68%、12.26%。結(jié)合間隔空氣藥柱周圍各考察點有效應力峰值的大小變化、全應力場的強度以及持續(xù)時間綜合考慮，最佳微差起爆參數(shù)為模型5，即下部距離底端起爆位置點0.5 m先起爆，上部頂端延期3 ms起爆。

3.5 現(xiàn)場試驗結(jié)果

本次爆區(qū)位于采場1 876水平北幫，爆區(qū)臺階巖性主要為強度中等的白云巖，按孔徑310 mm、底盤抵抗線10 m設(shè)計現(xiàn)場工業(yè)試驗。為減弱爆破振動的影響，孔內(nèi)微差時間按3 000 us，排間施行分段起爆，裝藥方式為間隔裝藥，炮孔填塞7 m，共有炮孔71個，巖石爆破量66 134.88 t，使用乳化炸藥128袋，銨油炸藥122袋。由現(xiàn)場試驗結(jié)果可看出，爆破后塊度均勻，爆堆整體塊度破碎效果較好，滿足采裝設(shè)備的采掘要求，爆堆拋擲距離大于25 m，現(xiàn)場爆破效果如圖7所示。

4 結(jié)論

在巴潤礦24 m高臺階大孔徑垂直鉆孔條件下，采用了多組模型分析不同起爆點的時間起爆順序組合下，炸藥的爆炸應力在巖體中的分布規(guī)律，為進一步確定孔內(nèi)微差起爆參數(shù)提供了理論依據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)合實際工程分析問題，得出有效應力持續(xù)時間較長起爆方式應采用下部藥柱底端0.5 m先起爆，間隔3 000 us，上部藥柱頂端再起爆的方式合理，可以將巖石充分破毀，為巴潤礦孔內(nèi)微差起爆工作的開展提供了技術(shù)支撐。

（2）今后應根據(jù)具體工況條件進一步利用電子雷管的優(yōu)勢開發(fā)出相匹配的技術(shù)參數(shù)。此外，由于露天礦山尤其金屬露天礦的開采水平逐年下降，露天礦邊坡高度隨之增加，露天礦山邊坡滑坡失穩(wěn)造成重大地質(zhì)災害的風險也逐步增加。爆破規(guī)模的增大，會增加炸藥的使用量，增加爆破振動有害效應，而頻繁的生產(chǎn)爆破產(chǎn)生的振動效應會誘發(fā)更多的邊坡滑坡。因此，提高露天礦開采爆破效果的同時，要研究合理降低生產(chǎn)爆破的振動有害效應。