精確短延時(shí)球狀藥包爆破成井技術(shù)研究與應(yīng)用

李必紅

(1.福建省天玉方圓礦業(yè)有限公司, 福建 龍巖市 3640002;2.國(guó)防科技大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

天(溜)井在地下采礦工程中應(yīng)用十分廣泛,如常見的通風(fēng)井、人行天井、溜井、充填井、切割井等,且掘進(jìn)占比大[1]。在傳統(tǒng)天井掘進(jìn)方式的基礎(chǔ)上改進(jìn)的深孔爆破一次成井技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛[2-3]。深孔爆破成井法按裝藥結(jié)構(gòu)和掏槽形式分為平行空孔掏槽微差爆破成井和多孔球狀藥包爆破成井2種模式[4]。平行空孔掏槽微差爆破成井模式對(duì)鉆孔施工精度要求很高,其成井效率和成井高度受限[5-6]。相比之下,多孔球狀藥包爆破成井受炮孔偏斜影響較小,但該成井方法爆破單段藥量大、振動(dòng)強(qiáng)烈,對(duì)于環(huán)境保護(hù)和周邊設(shè)施保護(hù)不利。探索通過精確延時(shí)控制爆炸能量釋放,以取得優(yōu)化爆破成井效果和降低爆破地震效應(yīng)的平衡,是工程爆破迫切需要解決的關(guān)鍵問題,也是精細(xì)爆破技術(shù)的要求和發(fā)展趨勢(shì)。

近年來研發(fā)使用的高精度雷管因其精度高、安全性好的優(yōu)點(diǎn),逐漸在爆破工程中得到廣泛應(yīng)用[7-8]。目前研究精確短延時(shí)爆破在改善爆破效果及降低地震效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制方面的文獻(xiàn)較少[9]。鐘冬望等[10]基于炸藥爆炸能量分配原理,推導(dǎo)了精確延時(shí)逐孔爆破孔間延期時(shí)間的計(jì)算公式;李順波等[11-12]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了精確延時(shí)間隔對(duì)爆破振動(dòng)的影響;袁康[13]研究了短時(shí)差起爆的預(yù)裂爆破成縫原理。目前,對(duì)于延期時(shí)間短于自由面形成時(shí)間的精確短延時(shí)爆破鮮見報(bào)道。鑒于此,本文采用LS-DYNA動(dòng)力分析軟件對(duì)精確短延時(shí)爆破成井進(jìn)行模擬,研究延期時(shí)間對(duì)爆破成井效果和爆破振動(dòng)的影響,并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果,為精確短延時(shí)爆破成井的應(yīng)用提供參考。

1 短延時(shí)球狀藥包爆破成井?dāng)?shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。根據(jù)多孔球狀藥包爆破成井實(shí)際,建立雙圈炮孔爆破模型,其中內(nèi)圈布孔圓圈直徑為1 m,外圈布孔圓圈直徑為2.5 m,炮孔直徑為165 mm,總炮孔數(shù)量為12個(gè),孔深為10 m。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

1.2 材料模型與參數(shù)

本次模擬采用的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

LS-DYNA程序中的炸藥材料可以直接模擬高能炸藥的爆炸過程,數(shù)值模擬中炸藥狀態(tài)方程為[14]:

式中:P——由JWL狀態(tài)方程決定的壓力;

A、B、R1、R2、ω——與炸藥相關(guān)的材料常數(shù);

V——相對(duì)體積;

E0——初始比內(nèi)能。

模擬炸藥采用與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一致的二號(hào)巖石乳化炸藥,參數(shù)見表2[6]。

表2 炸藥材料參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

對(duì)計(jì)算后的模型提取關(guān)鍵位置的單元,獲取該點(diǎn)的最大有效應(yīng)力值即Von Mises有效應(yīng)力峰值(見圖2),通過對(duì)比巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度判定爆破巖體是否破碎,本次研究巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度值取9.5 MPa。由圖2可以看出,延期時(shí)間為0 ms時(shí),有效應(yīng)力分布邊界并不明顯,而9 ms短延時(shí)爆破疊加區(qū)有效應(yīng)力分布邊界變得清晰。

圖2 有效應(yīng)力分布

圖3為單元A有效應(yīng)力峰值隨延期時(shí)間的變化曲線,圖4為有效應(yīng)力大于動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的作用時(shí)間隨延期時(shí)間的變化曲線。從圖3和圖4可以看出,單元有效應(yīng)力峰值在0～9 ms以內(nèi)隨延期時(shí)間變化較慢,9 ms以后加速下降,而有效應(yīng)力大于動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的作用時(shí)間隨延期時(shí)間逐步增加,9 ms以后增速放緩。該現(xiàn)象表明,為了保證爆破的破巖效果,形成束狀孔共同爆破漏斗,受爆體的有效應(yīng)力峰值不宜過小,故天井爆破的延期時(shí)間應(yīng)不大于9 ms。

圖3 有效應(yīng)力峰值隨延期時(shí)間的變化曲線

圖4 有效應(yīng)力作用時(shí)間隨延期時(shí)間的變化曲線

2.2 延期時(shí)間對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的影響

為了便于分析短微差時(shí)間對(duì)模型質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的影響,在模型頂部平面取點(diǎn)監(jiān)測(cè)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值(見圖5),圖5中a、b、c、d、e鄰近點(diǎn)之間的距離均為0.88 m。

圖5 頂部平面振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖6為頂部平面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振速峰值隨延期時(shí)間的變化規(guī)律。由圖6可以看出,齊發(fā)爆破模型(延期時(shí)間為0 ms)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值最大,隨著延期時(shí)間的增加振速峰值降低;當(dāng)微差時(shí)間為7～9 ms時(shí),振動(dòng)速度峰值下降明顯。表明與齊發(fā)爆破相比,通過精確控制爆炸能量延時(shí)釋放可在一定程度上降低振動(dòng)影響,但延期時(shí)間較短時(shí)降振效果不明顯,延期時(shí)間7 ms以上爆破降振效果顯著。

圖6 節(jié)點(diǎn)振速峰值隨延期時(shí)間的變化曲線

圖7為不同延期時(shí)間爆破模型中間切面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)振速峰值隨距離的變化規(guī)律。由圖7可以看出,隨著距離的增加,節(jié)點(diǎn)振速峰值呈減小的趨勢(shì),5.2 m之前振速峰值衰減較為迅速,5.2 m以后變化趨勢(shì)趨于平緩,這與工程爆破實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)信號(hào)的衰減規(guī)律一致。在靠近爆源位置的F點(diǎn),不同延期時(shí)間模型的振速峰值相差較大,隨著距離的增加差距逐漸減小。眾多爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,精確短延時(shí)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是高頻成分占比較多的復(fù)雜信號(hào),而高頻信號(hào)衰減較快,距離爆源較遠(yuǎn)的位置振動(dòng)信號(hào)變成衰減較慢的低頻成分,因此,不同延期時(shí)間在遠(yuǎn)端的振動(dòng)幅值更為接近,這也與模擬結(jié)果一致。

圖7 節(jié)點(diǎn)振速峰值隨距離的變化曲線

3 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證精確短延時(shí)爆破成井的可行性,根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果,在某銅鐵礦進(jìn)行了采場(chǎng)通風(fēng)天井爆破試驗(yàn)。天井高度為16 m,直徑為2.6 m,布置兩圈炮孔,內(nèi)圈孔孔間距為1.0 m,第二圈孔均勻分布于天井周邊,如圖8所示。

圖8 天井炮孔布置

天井采用一次爆破成井,每孔分4層裝藥,由于現(xiàn)場(chǎng)炮孔偏斜較大,為確保天井爆破效果,同層炸藥的內(nèi)圈孔與外圈孔間采用精確短延時(shí)(高精度9 ms延時(shí)雷管)起爆,層間采用200 ms雷管延時(shí)起爆,如圖9所示。

圖9 裝藥結(jié)構(gòu)(單位:m)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)爆破,天井成形較好,達(dá)到了設(shè)計(jì)尺寸和規(guī)格,爆破塊度適中,天井照片見圖10。爆破中振動(dòng)強(qiáng)度低,對(duì)周邊巷道和工程影響較小。現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)證明了精確短延時(shí)束狀孔爆破技術(shù)應(yīng)用于天井爆破的可行性。

圖10 天井成井

4 結(jié)論

(1)延期時(shí)間對(duì)天井爆破內(nèi)外圈的有效應(yīng)力疊加效應(yīng)產(chǎn)生一定影響,隨著短微差時(shí)間的增加,天井爆破模型有效應(yīng)力峰值減小,有效應(yīng)力作用時(shí)間變長(zhǎng);為了保證爆破的破巖效果,形成多孔共同爆破漏斗,天井爆破內(nèi)外圈的延期時(shí)間應(yīng)不大于9 ms。

(2)隨著延期時(shí)間的增加節(jié)點(diǎn)振速峰值降低,表明通過精確控制爆炸能量延時(shí)釋放可在一定程度上降低爆破振動(dòng)影響,但延期時(shí)間較短范圍內(nèi)降振效果不明顯,延期時(shí)間7 ms以上爆破降振效果顯著。

(3)爆破成井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)論,表明7～9 ms精確短延時(shí)爆破可在保證多孔球狀藥包爆破成井效果的同時(shí)降低爆破地震效應(yīng),并能有效彌補(bǔ)炮孔偏斜對(duì)爆破的不良影響。