銀山礦上向中深孔爆破落礦參數優化研究

李紅鵬

（江西銅業集團銀山礦業有限責任公司）

我國的金屬資源稟賦勘察數據表明，金屬礦脈中，急傾斜礦脈（傾角＞55°）約占62%，極薄到薄礦體（厚度＜4m）約占58.6%。針對急傾斜薄礦脈的賦存特點，目前主流的采礦方法依舊是淺孔留礦法（約占47%）、充填法（約占28%）、空場法（約占22.4%）這三大類，其中淺孔留礦法占較大比重［1］。銀山礦礦體為典型的急傾斜薄礦脈，在多年的開采過程中，一直采用淺孔留礦法進行開采，但由于其產能低、安全性差、工作量繁重及機械化難度高等缺陷［2］，造成了銀山礦礦石積壓量大及存窿礦易結死等大量生產難題［3］。因此，礦山根據礦體賦存條件、地質特征、爆破工藝等對采礦方法及工藝進行研究，確定銀山礦的采礦方法為分段空場法，此方法具有開采強度大、勞動生成率高、通風條件好及管理簡單等優良特性［4］。然而，由于分段空場法配套采用的上向中深孔落礦工藝經常因爆破參數設置不合理，導致爆破能量分布不均勻，從而給井下礦石回采帶來超采及大塊率高等問題［5-6］。

針對以上狀況，本研究基于銀山礦井下礦巖體賦存條件，根據現場實際工況及分段空場法回采工藝特點，利用ANSYS/LS-DYNA數值模擬軟件建立礦巖體爆破耦合模型［7-10］，對現有爆破參數進行優化，得到適用于銀山礦分段空場法的最優爆破參數，并根據現場爆破漏斗試驗對優化結果進行驗證。

1 工程背景

1.1 開采技術及條件

銀山礦區位于江西省德興市銀城鎮。礦區南北長約2.7 km，東西寬約2.5 km，面積約6.75 km2。礦體傾角為60°~85°，礦體長為25~1 580 m，厚度為1~6 m，形態為脈狀。礦山經過近50 a的留礦法開采，在上部形成大量采空區，且圍巖賦存條件差，極易造成安全生產事故。現經科研攻關，已轉入分段空場法進行回采。

礦塊沿礦體走向布置，長度為100 m，寬為2 m，階段高度為50 m，沿垂直方向劃分為3個分段，分段高度為15~20 m，間柱為6 m，頂柱高為5 m。

回采作業順序為落礦→出礦→裝藥→落礦；在分段巷道與切割槽形成后由切割槽后退式回采，為保障作業安全，各分段間應同時后退并形成下向階梯式工作面，即上部分段超前爆破2排炮孔。分段巷施工后，采用311鑿巖臺車、向上穿垂直孔，孔徑為76 mm，孔深為10~14 m，排距為1.5 m，邊孔距礦巖分界線0.1 m，最小抵抗線為1.5 m。

1.2 爆破現狀及問題

目前爆破采用粒狀乳化銨油炸藥，用裝藥車裝藥，將炸藥送入炮孔，堵塞長度1.8 m，穿孔完畢后以切割井為自由面進行爆破。爆破為分層爆破，上部分層超前爆破2排炮孔，各分層同時爆破。但在實際生產過程中發現，由于爆破參數（主要為布孔方式及排距）設置的不合理，導致爆破效果不理想，超前爆破情況明顯，大塊率高（＞10%）等情況頻發。因此，為得到當前單段藥量下的最優爆破效果，有必要針對爆破作業進行數值模擬研究，并結合現場試驗進行驗證，從而提高綜合生產效益。

2 數值模擬及分析

雖然急傾斜薄礦脈分段空場法解決了銀山礦極薄至薄礦脈開采面臨技術、經濟和安全難題，但其對爆破技術的高要求進一步倒逼礦山對現有爆破技術進行優化。建立動力學爆破數值仿真模型，在炮孔直徑一定的情況下（76 mm），探索契合銀山礦生產現狀的布孔方式及排距。

2.1 計算模型

在炮孔直徑為76 mm的實際礦山爆破方案中，爆破網格尺度多集中在1.5 m附近。因此，本次研究設計排距為1.0~2.0 m的4組模型，以及2種布孔方式（表1），探索出最優爆破方案。

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建立3孔側向崩礦爆破模型，由于側向爆破礦體時縱向高度較高，且爆破時主要依靠側向自由面，爆破實際工程中爆破主區集中在炮孔中部，本次研究采用平面模型，不考慮炮孔上下部的端部效應。方案一的模型尺寸參數為3 m×6 m×0.02 m（X×Y×Z），工程爆破的自由面采用自由邊界條件，其余邊界采用全透射邊界條件，礦體右側為自由面。模型實體圖如圖1所示，計算時長為1 ms。

方案二~方案四均采用梅花形布孔，其模型尺寸為（3.5~5.0）m×6 m×0.02 m（X×Y×Z），工程爆破的自由面采用自由邊界條件，其余邊界采用全透射邊界條件，礦體右側為自由面。以方案二為例，具體模型實體圖如圖2所示，計算時長為1 ms。

2.2 材料參數

2.2.1 巖石材料模型及參數

本研究選擇塑性動力學模型MAT-PLASTICKINEMATIC，是各向同性和隨動硬化的混合模型，與應變率相關，適用于爆炸分析中的巖石材料，表2給出了礦體的材料參數。

2.2.2 炸藥材料模型及參數

本研究采用地下礦山采場爆破常用的二號巖石乳化炸藥，選用LS-DYNA3D內部高能材料本構模型MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN。表3為該炸藥的材料參數及炸藥的JWL狀態方程參數。

2.3 評價方法及結果分析

工程爆破評價方法主要分析模型實體的關鍵單元的有效應力與關鍵節點的振動速度變化方式及峰值狀態。本次試驗研究采用對被爆實體設定2組關鍵單元，單元的位置如圖3所示，通過分析A、B、C、D在自由面及自由面與炮孔中心面上分布的關鍵單元的有效應力峰值，得出在不同網格參數條件下模型受爆體爆破后的爆破效果。通過分析A1、B1、C1、D1、E1、F1在采場邊幫上的關鍵單元的有效應力峰值，得出在不同網格參數條件下模型采場邊幫的破壞情況。其中巖體的單軸抗拉強度為5.45 MPa，在本研究中動態抗拉強度取靜態抗拉強度的3倍，即動態抗拉強度為16.4 MPa。

2.4 計算結果與分析

為具體分析巖體的爆破破碎效果，提取出A、B、C、D關鍵監測單元的應力曲線及峰值，監測點應力峰值見表4。為具體分析采場邊幫巖體的破壞情況，提取出了前述A1、B1、C1、D1、E1、F1關鍵監測單元的應力曲線及峰值，監測點應力峰值見表5。圖4、圖5分別為自由面和邊幫上典型監測單元數據。

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由表4可知，方案一、二、三均能達到破巖應力要求，且相較于方案一，其他方案的A、B兩點爆炸應力峰值普遍大于C、D兩點的爆炸應力峰值，這說明采用梅花形炮孔布置方式時，爆破自由面可以被充分利用，更好地誘導爆炸能量作用于開挖區礦巖，而減少地震波危害以及超挖問題。此外，方案一的爆炸應力峰值太大，也易造成粉礦增多，從而降低礦石回收率。而方案四由于排間距太大，導致排間巖體受到的爆炸應力峰值大幅降低，難以達到破巖要求，易產生大塊，應該排除此方案。因此，在爆破破巖效果方面，方案二與方案三均能達到較好的效果。

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由表5可知，方案一會對采場邊幫巖體造成一定破壞，對比方案二可看出，采用梅花形布孔后，盡管兩者的孔網密度相同，方案二因炮孔布置方式更有利于發揮自由面的作用，因此，邊幫巖體的破壞情況有明顯改善。方案三能更好地保持邊幫的整體性。

綜合以上分析可得，建議銀山礦薄礦脈中深孔選用方案三的爆破參數（表6），在該參數條件下，模型的開挖區破巖效果及采場邊幫控制效果均較好。

3 工業試驗

為使薄礦脈中深孔爆破參數更加適合銀山礦礦巖爆破，在數值模擬分析基礎上，進行爆破漏斗試驗。通過爆破漏斗試驗佐證數值模擬推薦的爆破參數。

3.1 爆破破巖理論

中深孔爆破的核心在于布孔參數、裝藥參數、微差時間3個因素的選取。其中布孔參數的確定很大程度上依據巖石爆破理論進行確定。

根據球狀藥包在巖石中破碎情況一般將破碎區分為三部分，即粉碎區、裂隙區和彈性振動區。根據摩爾-庫倫準則［11-12］，粉碎區半徑rc和裂隙區半徑rt分別為

式中，?為巖石內摩擦角，（°）；C為巖石黏聚力，MPa；rb為炮孔半徑，m；

采用耦合裝藥時沖擊壓力為

式中，ρm為巖石密度，g/m3；Cρ為縱波在巖石中的傳播速度，千枚巖一般取4.5~5.5 m/s；ρ0為炸藥密度，g/m3；D為炸藥爆速，m/s；n為爆轟產物與炮孔壁碰撞時反射壓力為入射壓力的倍數，n=4~20，與不耦合系數呈負相關。

3.2 炮孔參數

試驗炮孔采用單孔形式布置，其孔徑為40 mm，共計7個炮孔，炮孔均布在底板較平整的地方，各相鄰炮孔間距大于3 m，具體爆破漏斗試驗參數見表7。

3.3 爆破漏斗參數測量

爆破漏斗的主要參數為平均漏斗半徑和漏斗體積，其中漏斗平均半徑以試驗孔為中心，每間隔45°直接量取8個方向的漏斗半徑R并加權運算，取平均值，漏斗體積采用圓錐體體積計算公式近似計算。

3.4 試驗結果與分析

實際試驗過程中，各炮孔爆破后均未出現明顯拋擲作用，其爆破漏斗試驗結果如表8所示。

根據最小二乘法原理，利用excel軟件對上述爆破漏斗試驗數據進行4次項回歸，所得的爆破漏斗體積V以及爆破漏斗半徑R與藥包埋深L之間的多項表達式分別為

根據式（1）和式（2）計算得出炸藥的最佳埋深Lj=1.12 m，臨界埋深Le=1.49 m，應變能系數E=Le/Q1=2.22，最佳埋深比△i=Lj/Le=0.751，結合式（4）、式（5），最佳漏斗半徑Rj=0.64 m，最佳漏斗體積Vj=0.13 m3，炸藥單耗g=0.785 kg/t。

根據一個深孔能裝入的藥量和一個深孔需要的裝藥量相等的原則，求得單孔裝藥量為51.9 kg，中深孔最小抵抗線W=1.51 m，排距通常等于最小抵抗線，取排距為1.5；取孔間距為1.80 m；根據裝藥系數，堵塞長度為L2不小于1.73 m，取堵塞長度為1.80 m。后期爆破模擬和現場工業試驗可參考此數據。

4 結 論

對采礦場爆破過程進行模擬，優化采礦場爆破參數，得出了適合銀山礦的井下爆破參數。為使薄礦脈中深孔爆破參數更加適合銀山礦礦巖計算條件，在數值模擬分析基礎上，進行爆破漏斗試驗，通過爆破漏斗試驗佐證數值模擬推薦的爆破參數，最后得到單孔裝藥量為51.9 kg，中深孔最小抵抗線為1.51 m，排距為1.5，取孔間距為1.80 m，取堵塞長度為1.80 m。