裝藥結構對深孔爆破粉礦產出率的影響研究①

孔 坤，李小元，史秀志，陳 飛，喻 智，羅志華

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙410083；2.廣西中金嶺南礦業有限責任公司，廣西 武宣545900）

在礦山井下深孔爆破作業中，礦石的損失率是評估資源回收效率的一個重要指標。受限于鏟裝機械設備精度，過小塊度的礦石往往無法有效鏟裝，進而成為礦石損失的一個重要原因。有研究表明，裝藥結構對粉礦產出量有重要影響［1］。合理的孔內裝藥結構能使爆破能量分布更均勻，粉礦比例降低，從而保證礦山經濟效益和生產流程平穩。

運用數值模擬軟件對爆破結果進行模擬分析具有低成本、高效率的特點，故應用廣泛［2－5］。以往多數研究重點關注爆破后的整體破碎效果，而較少關注裝藥結構對粉礦具體產出量的影響。本文在分析南方某礦山現有大直徑深孔裝藥結構的基礎上，提出了6種深孔裝藥結構，運用ANSYS／LS-DYNA軟件從失效比例和塊度分布兩方面進行對比分析，最終得到粉礦產出控制效果最好的裝藥結構，并于該礦山開展了現場實踐。ANSYS／LS-DYNA軟件作為一種顯式動力分析軟件，因具備眾多的材料動態模型和接觸類型，在高速、高壓且瞬時的爆破研究領域應用較廣。其中最常用的分析計算方法有Lagrang算法、Euler算法和ALE算法，前兩種算法在處理爆炸大變形問題上會因自身限制而導致網格嚴重畸變，而后者卻不會出現這種情況［6］。因此，本文采用ALE算法進行模擬研究。

1 工程概況

南方某礦山采用大直徑深孔爆破的采礦方法，采礦工藝如圖1所示［7］。在采場上部鑿巖硐室內采用人工掏槽或天井掏槽的方式布置掏槽區，隨后以掏槽區為中心，沿采場走向布置列距2～2.2 m、排距1.8～2.2 m的4排垂直向下炮孔，用于后期側向崩礦。采場爆破順序為：掏槽區首先起爆，在經過多次爆破形成足夠補償空間后，根據碎脹系數對采場剩余部分進行分次側崩爆破，直至采場全部回收。

圖1 采礦工藝示意

該工藝方法簡單、采切量小且安全高效，為礦山帶來了巨大的經濟效益。但在長期生產實踐中發現后期側向崩礦時因每次崩礦量大、藥量多和自由面多等因素，若采用與掏槽孔相同的裝藥結構會導致單耗過大、粉礦率過高，不利于后期回收，易造成礦石損失。因此，合理選擇側向崩礦時的裝藥結構，控制粉礦產出，對礦山具有很重要的現實意義。

2 模型建立

根據礦山實際情況，炮孔模型直徑110 mm，炸藥模型直徑90 mm，長度700 mm。在孔徑不變和大塊率滿足要求的基礎上，利用每層藥包數量和間隔距離的不同，選取了6種不同的間隔裝藥方式，每組模型的詳細裝藥參數如表1所示。

表1 裝藥參數

每組模型厚度均為1 mm，炮孔左側為4 m的待采區，右側為2 m的開挖區。為防止邊界對模型計算的影響，將上、下以及左側邊界均設置為無反射邊界，右側邊界為自由面。為最大限度減少反射應力波對模擬結果的影響，特將孔內裝藥層數定為4層，主要研究中間兩層藥包的影響作用。圖2為模型4示意圖。

圖2 模型4示意圖

爆破模擬中應用到的材料模型有巖石、炸藥、爆轟產物和孔內間隔空氣，因此在模型計算前，需對所有材料進行本構模型和相應狀態方程的建立，并確立方程中各參數的數值。

其中，為更加接近真實的巖石特性，選擇在應變率效應、圍壓效應和巖體損傷演化效應方面具有突出特點和優勢的HJC模型［8］，它與金屬材料中應用廣泛的Johnson-Cook材料模型相類似，等效屈服強度是壓力、應變率及損傷的函數，損傷量則是塑性體應變、等效塑性應變和壓力的函數［9］。

3 研究結果分析

3.1 失效比例分析

為了更好地研究巖體在爆破后的失效情況，在上述模型關鍵字文件中添加拉伸失效命令*MAT＿ADD＿EROSION。為最大程度避免反射應力波對模型的影響，當沖擊波傳遞到最左側邊界時終止計算，得到6組模型最終失效圖如圖3所示。圖中A、B、C所代表的區域即為本文的研究范圍，A、C區域代表炸藥所對應的爆破失效范圍，B區域代表空氣間隔所對應的爆破失效范圍。

圖3 各模型最終失效圖

圖中因失效而被刪除的白色“裂紋”區域即為體積減少量，失效比例則是每個失效圖中研究區域的體積減少量與該區域原有體積量的比值。分別對爆破失效后的A、B、C區域以及ABC整體區域進行失效比例計算，將3個小區域的失效比例與整體區域失效比例進行比較，若兩者差別較大，則表示炸藥能量在整體分布上不均勻，導致礦石塊度大小各異；若兩者差別較小，則表示在該種裝藥方式下炸藥能量在整體上分布均勻，特別是空氣間隔部分也得到了充分的爆破。

使用后處理軟件分別對6個失效圖內的研究區域進行體積計算，并計算各組模型的失效比例以及單個區域失效比例方差S1、單個區域和ABC整體區域之間差值的方差S2，效果見表2～3。由表2～3可看出，模型4的B區域和整體區域的失效比例分別為29.04%和34.95%，是所有分區失效比例和整體失效比中最小的，同時其方差S1和S2也是所有方差中最大的，說明在該種裝藥結構下巖石整體爆破效果較差，尤其空氣間隔部位破碎不徹底，易出現大塊，因此首先可排除模型4的裝藥方案。同時，表中模型3、5、6的方差S1和S2差值較大，側面表明炸藥能量在各個區域的分布并不均勻，炸藥層能量多，空氣層能量少，容易在炸藥層產生粉礦。模型1和模型2的方差S1、S2相差較小，說明這兩種裝藥結構能夠將炸藥能量最大程度地均勻分布到各個區域，可同時控制粉礦和大塊礦。

表2 模型失效前后體積量

表3 方差計算結果

3.2 裂紋交錯塊度及粉礦

圖3 中因失效而被刪除的白色“裂紋”雖與實際爆破后的裂紋擴展有一定差異，但在總體上與爆破后裂紋擴展方面具有高度的相似性［10］。因此，本文利用這些“裂紋”交錯所形成的塊狀區域來“代替”實際爆破塊度是可行的。由于ANSYS軟件沒有考慮到爆破拋擲作用對礦石塊度的影響，因此需要使用塊度處理系統［11］對失效圖進行系統識別和人工“打斷”，使某些因拋擲碰撞而實際會分裂的大塊體變得破碎，更加接近于實際爆破后的塊度。以模型2為例，處理前后的塊度圖如圖4所示。隨后利用系統的統計分析功能對得到的高清分析圖進行塊度尺寸分布統計，并將6組模型的尺寸分布數據導出，繪制成如圖5所示的塊度尺寸累計分布曲線圖。

圖4 模型2塊度分析圖

圖5 塊度尺寸累積分布曲線

現對圖5中曲線進行數據分析，分別過20%、50%和80%做X軸平行線，并統計每組模型的最大尺寸Xmax，結果見表4。

表4 塊度尺寸統計表

從表4可以看出，模型5的X20和Xmax數值僅為84.41 mm和289.47 mm，是所有數值中最小的；模型6的X20過小而Xmax偏大；同時，模型3、4的Xmax數值也過大。說明在模型5的裝藥結構下會產生過多粉礦；模型6的礦石塊度多集中在小塊度和大塊度上，整體塊度均勻性差；而在模型3、4的裝藥結構下卻有可能產生大塊礦。

現根據文獻［12］提出的“兩邊加法則”對模型1和模型2進行深度對比。其具體操作為：對表4中得到的12組X20和X80數據進行比較，將最小的X20定為粉礦上界，最大的X80定為大塊下界（也可如圖5中所作直線獲取），得到粉礦上界為84.41 mm，大塊下界為338.34 mm。現將這兩個指標反推至圖5中，可得到模型1、2的特征尺寸塊度比例如表5所示。

表5 特征尺寸塊度比例表

觀察表5可知，模型2的粉礦比例和大塊比例相比模型1都較小，表明該種裝藥結構下所達到的控制粉礦和大塊礦的效果最好，因此認定裝藥結構2（1條炸藥-1.0 m間隔-1條炸藥）為最優的裝藥結構。

4 工程應用效果

實際生產中礦山將粉礦上界定為3 cm，即塊度小于3 cm的礦石即可認定為無法回收。現進行礦山現場試驗，該采場已經過3次拉槽，后續回采均為側向崩礦。圖6（a）為應用前爆破效果，采用模型5的裝藥結構，可看出爆破后粉礦產量過多且有大塊；圖6（b）為應用模型2的裝藥結構后的爆破效果，采場礦塊塊度均勻，粉礦產量少。后期鏟礦過程中也并未發現大塊，即不會出現二次處理大塊的工作，采場資源回收率相比以往更高。由此說明，本文研究得到的裝藥結構能夠很好地滿足礦山生產需求，基本解決了礦山粉礦率高這一問題。圖中參考物為礦泉水瓶（瓶蓋直徑3 cm，瓶底直徑5.5 cm，高18 cm）。

圖6 裝藥結構優化前后爆破效果對比

5 結 論

1）建立6組裝藥結構模型，通過分析比較各研究區域的失效比例，發現模型1和模型2的失效比例方差和都較小，表明其整體失效更加均勻。

2）運用塊度處理系統對失效后的6組模型進行塊度尺寸分布分析，結果表明：模型1和模型2在塊度分布上更加均勻，深入比較后得出模型2對于粉礦和大塊礦的控制效果比模型1更加優良。

3）將模型2的裝藥結構運用到礦山爆破實際中，得到了理想的爆破效果，爆后粉礦產量低，且無大塊，礦石塊度整體均勻，表明研究所得到的裝藥結構基本上解決了礦山粉礦率和大塊率高的問題。