露天含水炮孔臺階爆破數值模擬與分析

王 浩，張智宇，雷 振，李超強

(1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，昆明 650093；2.昆明理工大學 國土資源與工程學院，昆明650093；3.云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發利用重點實驗室，昆明 650093；4.貴州理工學院 礦業工程學院，貴陽 550000；5.中鐵十二局集團第二工程有限公司，西安 710038)

隨著露天礦山開采深度不斷加深，大氣降水以及裂隙水無法及時排除[1-3]，導致炮孔內積水嚴重，含水炮孔爆破后大塊率高、根底多，直接影響后續礦石鏟裝運輸工作效率。因此原有的露天臺階爆破參數已不能滿足礦山的正常生產，為保障礦山安全、高效率開采，研究含水炮孔條件下臺階爆破參數已成為解決該問題的關鍵。

諸多學者對含水炮孔爆破展開了較為深入的研究，王冬兵[4]通過現場水孔爆破研究，得出含水巖層中，水耦合裝藥爆破可以降低孔壁應力，降低粉碎區范圍，提高爆炸能量利用率；梁向前等[5]通過現場爆破試驗，得出水介質爆破具有減震降耗和減少飛石的效果；楊海濤等[6]通過空氣耦合裝藥及水介質耦合裝藥爆破模型試驗，得出在藥量相同的條件下，水介質爆破的粒度更加均勻，爆破作用強度大、能量利用率高；米中陽[7]通過模型試驗研究，得出不同不耦合系數下水孔爆破模型塊度及爆腔體積的變化規律；張瑋等[8]通過有限元對水孔爆破進行數值模擬，得出了應力波在水孔中的傳播規律；張忠和等[9]通過LS-DYNA有限元軟件模擬了水下爆破破冰過程，得到水下沖擊波壓力對冰層的破壞起主要作用；朱飛昊等[10]通過ANSYS/LS-DYNA數值模擬軟件，建立了水和空氣不耦合裝藥的松軟煤體爆破模型，得出了水不耦合裝藥爆破改善了爆破效果，減少事故的發生；還有眾多學者[11-13]論證了水介質的優點，成功利用水介質能有效傳遞能量以及不可壓縮的特性，證明水介質用于爆破的可行性。

可見，目前對水介質爆破研究的方法及思路已經較為成熟。為了改善晉寧磷礦因孔內積水而導致爆破效果不理想的情況，本文通過數值模擬與現場試驗相結合的方法，將模擬所得最佳孔網參數在積水嚴重的九號坑內開展現場臺階爆破試驗，以此改善露天礦含水炮孔爆破效果。

1 數值模擬模型

1.1 臺階模型

本次模擬臺階模型如圖1所示，臺階模型長×高=1 000 cm×1 000 cm，臺階縱向長度為1 580 cm，臺階斜面傾角φ=60°，炮孔直徑Φ=150 mm。考慮實際爆破為毫米延期爆破，起爆點非爆破臺階中心炮孔，故本次模擬建立整個實體模型。臺階斜面及臺階上平面采用自由邊界條件，其余面采用無反射邊界約束。對臺階模型進行網格劃分，炸藥和水采用歐拉網格建立模型，巖石與填塞材料采用拉格朗日網格建立模型，臺階模型網格劃分如圖2所示，模型單元網格劃總數共198 211個。建模過程中單位均采用mm-kg-μs制式，且材料值在換算過程中需注意單位的統一。

圖1 露天臺階模型Fig.1 Model of strip mine bench

圖2 露天臺階劃分網格模型Fig.2 Mesh generation model of strip mine bench

1.2 材料模型選擇

本次數值模擬計算采用LS-DYNA動力學軟件，因其能模擬真實世界二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆破等問題而被廣泛應用至現代的動力學計算中。該軟件具有許多優點，不僅材料模型豐富并且可根據實際問題自定義材料屬性；且該軟件單元劃分類型眾多，可滿足各種實體結構以及薄壁結構的網格劃分需要；在進行數值模擬分析計算時，可通過直接修改K文件的方式修正存在的錯誤與減少二次建模的時間。

1)巖石材料模型

本次數值模擬主要研究飽和巖石在爆破沖擊荷載下的動態響應，而巖石力學特性在飽和狀態下服從水—巖相互作用機理，巖體內部裂隙水會施加動、靜荷載而改變白云巖原有力學特性[14]，故巖石的材料模型選擇適用于運動塑性與各向同性的*MAT_003號材料，即*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。本次數值模擬以白云巖作為研究主體，其巖石飽和狀態下的力學參數如表1所示。

表1 飽和白云巖力學參數

2)炸藥材料模型

選用LS-DYNA材料庫中的高性能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN描述炸藥的物理化學性質，高性能炸藥起爆后，爆轟產物傳遞行為將導致炸藥單元體內部壓力與體積的變化，引入JWL狀態方程衡量爆轟后系統內部物理量之間的關系，該方程可較為精確地描述爆轟產物膨脹驅動做功的過程。

(1)

式中：P—爆轟產物系統內的壓力值；A、B、R1、R2、w為與模型材料相關的待定常數；E0—單位體積爆轟產物初始比內能；V—爆轟產物體積與初始體積之比。選用1#巖石乳化炸藥，其參數見表2。

表2 1#巖石炸藥參數

3)堵塞材料模型

考慮礦山實際堵塞材料為黏土材質，即堵塞的材料模型同樣選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，其力學參數如表3所示。

表3 黏土力學參數

4)水和空氣材料模型

本次模擬將空氣簡化為無黏性理想氣體，水和空氣材料模型采用常用的*MAT_009號空材料模型即*MAT_NULL，該材料模型并非用于建立結構的部分，僅用于模擬接觸。水和空氣采用*EOS_LINEAR_POLYNOMAL線性多項式狀態方程進行定義。

2 模擬計算及分析

2.1 計算模型

本次模擬在巖石性質、炸藥、堵塞材料、底盤抵抗線均不變的情況下，基于礦山系列爆破漏斗試驗，僅改變孔距與排距的大小。分別建立了排距為3 m和4 m，孔距為5、6、7 m的6組數值模擬計算模型，本次模擬起爆方式為微差延時逐孔起爆，根據孔間延時65 ms，排間130 ms，設置模擬計算總時長為260 ms，計算步長為0.1 ms。計算模型參數如表4所示。

表4 計算模型參數

2.2 計算結果分析

將6組數值計算模型K文件分別加載至ANSYS中的LS-DYNA Solver進行求解，并將求解所得到的D3plot文件用LS-Prepost軟件進行后處理分析，觀察分析不同時刻爆炸應力波的傳遞過程以及特定單元點的有效應力。選取不同時刻的有效應力云圖，查看爆炸應力波的傳遞過程發現，隨著排間距的增加，相鄰炮孔周圍有效應力存在下降趨勢，即相鄰炮孔間應力波疊加效應減小。為更好地選擇合適的孔網參數，在各個臺階模型底盤抵抗線上取特定單元，記錄底盤抵抗線上巖石有效應力隨時間的變化曲線，比較不同單元的有效應力場，圖3、圖4列舉了部分選取單元有效應力與時間的關系曲線。得到了不同孔網參數下所選單元的最大有效應力，具體情況如表5與表6所示。

圖3 排間距為400 cm、孔間距為600 cm時有效應力時間曲線Fig.3 The effective stress time curve when the row spacing is 400 cm and the distance between holes is 600 cm

圖4 排間距為400 cm、孔間距為700 cm時有效應力時間曲線Fig.4 The effective stress time curve when the row spacing is 400 cm and the distance between holes is 700 cm

表5 排間距為300 cm時所選取單元最大有效應力

表6 排間距為400 cm時所選取單元最大有效應力

從表5可看出，在排間距為300 cm，孔間距為500、600和700 cm的3個模型中，其單元有效應力為飽和狀態下白云巖屈服強度的1.69倍、1.48倍與1.36倍，均遠大于巖石屈服強度，即該單元處巖石可能出現粉質破碎或者拋擲現象，與礦山實際生產需求不符。從表6可以得出，在排間距為400 cm的條件下，隨著孔間距的不斷增加，所選取單元的有效應力值反而不斷減小，并且在孔間距為700 cm時，選取的100 852單元的最大有效應力值為16.16 MPa，低于巖石的屈服強度，說明此時該單元點處的巖石并未發生破碎；孔間距為600 cm時，單元最大有效應力與巖石屈服強度接近，即此時的巖石已開始破碎，且破碎塊度適中，利于后續鏟裝作業，符合礦山實際生產需求；當孔間距為500 cm時，此時單元最大有效應力值為巖石屈服強度的1.56倍，巖石破碎塊度與生產要求不符。從整體數據分析可知，在排間距、巖石性質、炸藥等條件一定的情況下，孔間距的大小存在臨界值，在低于臨界值以前，坡底抵抗線選取單元有效應力值增幅較小；超過臨界值，單元有效應力值遠大于巖石屈服強度，相鄰炮孔爆破后應力波發生疊加，導致巖石發生粉質破碎以及巖石拋擲的現象；在孔間距、巖石性質、炸藥等條件一定的情況下，隨著排間距的增加，單元的有效應力值呈下降趨勢，即相鄰炮孔爆破后應力波疊加效應減弱。因此看來，在其他條件一定的情況下，改變臺階爆破的孔間距與排間距均改變了爆炸應力波的疊加效果，綜合考慮單元最大有效應力，建議采用600 cm×400 cm的孔網參數。

3 生產試驗及結果統計分析

根據模擬結果和礦山實際狀況，本次爆破試驗選取地質巖性相符、孔內積水嚴重的九號坑中部2120平臺進行現場爆破試驗，爆破試驗設計臺階高度10 m，孔間距600 cm，排間距為400 cm，選用1#巖石乳化炸藥，單孔藥量60 kg，炮孔深度10 m，孔徑為150 mm，裝藥高度4 m，孔間延時65 ms，排間延時130 ms，裝藥方式為耦合裝藥。參數改進后爆破效果與改進前爆破效果對比如圖5所示，可見試驗爆破效果良好。為了量化改進后的爆破效果，對反應爆破效果的大塊率、炸藥單耗等相關指標進行了統計，現場試驗結果參數統計如表7所示，研究分析發現大塊率較改進前下降20.6%，塊度適中，爆堆松散程度良好，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3，采場開采成本降低、開采能力提高，礦山經濟效應得到明顯改善。

圖5 爆破效果對比圖Fig.5 Comparison diagram of blasting effect

表7 現場試驗結果

4 結論

針對晉寧磷礦炮孔積水情況，設置了6組不同爆破參數的計算模型，通過對比分析底盤抵抗線上特定單元最大有效應力，得到含水炮孔的最佳孔網參數，并將模擬所得結果用于現場含水炮孔臺階爆破試驗，試驗結果符合礦山生產需求。

1)在巖石性質、炸藥等條件一定的情況下，改變臺階爆破的孔間距與排間距均改變了爆炸應力波的疊加效果，孔間距、排間距的大小存在臨界值，低于臨界值時選取單元有效應力值增幅較小。

2)分析6組不同孔網參數臺階爆破模擬結果，考慮單元最大有效應力，得到最佳孔間距為600 cm、排間距為400 cm。

3)將數值模擬所得孔網參數應用于現場爆破工程，統計分析發現大塊率較改進前下降20.6%，爆堆松散程度良好，塊度適中，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3。