地下硐室淺孔爆破方案設(shè)計及數(shù)值模擬

馬國強,張成俊,昂朝明,余和平

(1.安徽江南爆破工程有限公司,安徽 寧國 242300;2.中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮北 235000;3.爆炸能量利用與控制安徽省重點實驗室,安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著我國礦山爆破開采技術(shù)的不斷進步,淺孔爆破技術(shù)被越來越多地應用于露天礦山剝離爆破,水利水電開挖爆破,路塹、溝槽或基礎(chǔ)開挖爆破,場地平整爆破等工程施工作業(yè)中,均取得了較好的施工效果[1-3]。

淺孔爆破開挖技術(shù)及設(shè)計研究方面,丁漢堃等[4]根據(jù)柱狀巖石體運動、斷裂過程的分析,采用壓桿穩(wěn)定理論推導得出了淺孔爆破炮孔抵抗線的計算公式,并基于能量方法推導得到了炮孔間距的計算公式。 胡鑫等[5]以某看守所場地平整工程為例,通過選取合理的爆破參數(shù),優(yōu)化爆破工藝,減小了爆破產(chǎn)生的沖擊、振動和飛石對周圍環(huán)境安全帶來的影響,取得了較為理想的效果。 姚煜國等[6]在露天建材礦山場地平整和道路開拓中通過選取合理的爆破參數(shù),優(yōu)化爆破工藝,采取對應的安全措施,減輕了淺孔爆破作業(yè)對周圍環(huán)境安全的影響。陳磊等[7]采取多打孔少裝藥的減弱松動爆破方式,結(jié)合機械開挖形成臨空面,再根據(jù)小臺階爆破思路,每次爆破布孔以 2 排三角形,孔底采用間隔裝藥和局部加強裝藥結(jié)合方式,有效地縮小了粉碎區(qū)的范圍和控制了爆破飛散物,延長爆生氣體作用時間,減少根底和降低孔口大塊率。 唐小軍等[8]為了減輕爆破振動、爆破飛石對周邊高層建筑物、民房的損害,采用半?yún)^(qū)深孔爆破,半?yún)^(qū)深孔與淺孔控制爆破相結(jié)合的方式,運用 V 形爆破網(wǎng)路、孔底空氣間隔裝藥、選擇性改變地震波主傳播方向等技術(shù)手段將爆破振動控制在安全允許范圍內(nèi)。

現(xiàn)有某地下礦山硐室,為便于變配電設(shè)備安裝需進行底板整平,擬采用淺孔爆破方式對底板部分進行開挖,清渣完畢后敷設(shè)混凝土材料。 設(shè)計人員借鑒掘進爆破掏槽爆破設(shè)計,擬采用一次成型方式進行爆破作業(yè),通過理論計算得出淺孔爆破作業(yè)的孔網(wǎng)參數(shù)并進行掏槽去優(yōu)化,同時結(jié)合LS-DYNA數(shù)值模擬軟件進行仿真計算,預估巖石爆破粉碎、成縫結(jié)果,最終成功完成硐室淺孔爆破開挖作業(yè),為類似工程提供參考。

1 工程概況

待爆破硐室地板位于某地下鐵礦 -295 m 水平,根據(jù)現(xiàn)場實地觀察結(jié)果,爆破工程范圍內(nèi)巖石介質(zhì)為花崗巖,硐室底板長度 10 m,寬度 4 m,該硐室為獨立硐室,距離30 m 處有多個電氣設(shè)備儲存硐室,故須控制單次爆破規(guī)模,防止爆破振動造成破壞。

2 爆破技術(shù)方案

2.1 總體思路

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,鉆機選用 Y-20 型手持式鑿巖機,鉆孔采用直徑40 mm 的鉆頭,炸藥選擇30 cm 長的?32 mm 乳化炸藥,雷管選擇塑料導爆管雷管,起爆網(wǎng)路選擇中心分段掏槽方式,采用空孔提供補償空間,待掏槽區(qū)域巖石拋擲完成形成自由面后,其余區(qū)域成排依次起爆,通過結(jié)合延期、擠壓控制爆破方式調(diào)整爆破開挖順序和爆破拋擲方向,以達到控制爆堆形態(tài)和破碎效果的目的,提高爆破效果。

2.2 爆破技術(shù)參數(shù)設(shè)計

1)孔徑:D= 40 mm。

2)臺階高度:根據(jù)設(shè)計要求,本次淺孔爆破須將底板向下開挖 80 cm,擬定炮孔利用率為80%,確定H= 1.0 m。

3)超深:h=(0.10～0.15)H,h取 0.1 m。

4)炮孔長度:L=H+h= 1.0+0.1 = 1.1 m。

5)抵抗線:W=(0.4～1.0)H,鑒于淺孔爆破工況,W取1.0 m。

6)孔距:a=(1.0～2.0)W,a取1.0 m。

7)排距:b=(0.6～1.0)W,b取1.0 m。

8)單位炸藥消耗量q:該工程的爆破巖石為花崗巖(硬巖),通過查詢巖石爆破單位炸藥消耗量q值表。 淺孔松動爆破時,單位炸藥消耗量q= 0.7～0.8 kg/m3。

9)單孔裝藥量:Q=qaWH=0.7～0.8 kg。

10)堵塞長度:根據(jù)《爆破安全規(guī)程》,炮眼深度超過 1 m 時,封泥長度不得小于0.5 m,故l1=0.5 m。

2.3 掏槽區(qū)域爆破設(shè)計

由于硐室底板淺孔爆破時無自由面,故須采用強制拉槽保障淺孔爆破開挖效果,選取底板中心地帶1.0 m×1.0 m 的區(qū)域作為拉槽區(qū)域,結(jié)合工程實際情況對爆破參數(shù)進行單獨設(shè)計,如圖1 所示。

圖1 掏槽區(qū)域孔網(wǎng)參數(shù)及延期設(shè)計

圖1 中,MS-1 段中心孔外圈掏槽設(shè)計6 個炮孔,其中含3 個空孔,間距20 cm;一圈輔助孔采用MS-3 段和MS-4 段對孔起爆;二圈輔助孔采用MS-5 段進行擴槽,之后采用毫秒延期起爆方式進一步擴槽直至拉槽完成。

2.4 炮孔布置

整體硐室炮孔布置及導爆管雷管段別布置如圖2 所示,其中孔外均采用MS-1 段瞬發(fā)導爆管雷管作為接力雷管,每15 發(fā)雷管為1 束,使用雙發(fā)MS-1 段雷管反向連接,接力雷管統(tǒng)一綁扎MS-1段雷管,后采用起爆雷管起爆。

圖2 整體爆破設(shè)計

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)爆破技術(shù)參數(shù),在每個炮孔內(nèi)裝填2.5 支?32 mm 乳化炸藥,每支重300 g,單孔裝藥量共750 g,裝藥時適當壓破藥卷以實現(xiàn)耦合裝藥的目的。 采用鉆屑堵塞炮孔,炮孔堵塞長度為0.5 m,裝藥結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)

2.6 爆破振動安全校核

爆破振動安全校核公式為

式中:R為爆破振動安全距離,m;V為爆破振動安全速度,cm/s,電氣設(shè)備取 0.6 cm/s;Q為單次最大齊爆藥量,kg;α、K為與地質(zhì)條件和爆破場地條件相關(guān)的系數(shù),α取1.5,K取150。

根據(jù)計算,本次設(shè)計單次最大齊爆藥量為7.5 kg,低于理論估計值,符合振動安全要求。

2.7 起爆網(wǎng)路設(shè)計

根據(jù)爆區(qū)實際情況,采用塑料導爆管延期起爆網(wǎng)路進行爆破作業(yè),整體區(qū)域共分12 段,各段別依中心線左右對稱分布,拉槽完成后由兩側(cè)同時起爆,確保巖石破碎后向爆區(qū)中央拋擲、堆積[9]。

1)連接方式

采用孔內(nèi)和孔外延遲相結(jié)合的起爆網(wǎng)路:炮孔內(nèi)使用高階塑料導爆管延期雷管,炮孔外使用低階塑料導爆管延期雷管,各段按設(shè)計間隔時間先后起爆[9]。

2)起爆順序

多炮孔同時起爆,按“先里后外、先掏槽后周邊”的順序起爆。 前后排炮孔之間的起爆時差應控制在50～110 ms 。

3 數(shù)值仿真計算

3.1 數(shù)值仿真研究目標

采用LS-DYNA 顯式動力學分析軟件建立上述淺孔爆破掏槽區(qū)域三維有限元模型并進行計算,對爆破設(shè)計合理性進行分析。

3.2 仿真方案

1)采用LS-DYNA 建立掏槽區(qū)域淺孔爆破模型,采用1 ∶1 的比例建模建立炸藥、巖石及空氣組分,模型厚0.2 m;

2)采用映射法劃分材料網(wǎng)格;

3)選擇合適的材料參數(shù)并賦值;

4)定義流固耦合關(guān)鍵字、接觸關(guān)鍵字、接觸控制等參數(shù);

5)定義失效條件并進行仿真運算;

6)采用LS-PrePost 后處理軟件分析花崗巖的有效應力變化和材料失效情況。

3.3 材料模型

3.3.1 炸藥材料參數(shù)炸藥選取普通 2 號巖石乳化炸藥,采用?MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 關(guān)鍵字定義材料屬性,同時利用JWL 狀態(tài)方程描述其爆炸產(chǎn)物壓力與體積的關(guān)系,材料參數(shù)見表1[10]。

表1 乳化炸藥參數(shù)

3.3.2 空氣材料

LS-DYNA 中采用?MAT_NULL 材料模型定義空氣材料,選用線性多項式描述其方程,通過?EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 關(guān)鍵字定義物質(zhì)狀態(tài)[11],空氣材料具體參數(shù)見表2。

表2 空氣材料參數(shù)

3.3.3 花崗巖材料

考慮到爆破過程中巖石材料大應變、高應變率和高壓物理狀態(tài),選用塑性隨動材料?MAT_PLASTIC_KINEMATIC 模型對其力學特性加以描述[12]。 材料參數(shù)見表3。

表3 花崗巖材料參數(shù)

3.4 關(guān)鍵字定義

模型建立完成后,采用定義流固耦合關(guān)鍵字?CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 完成流固耦合算法定義。 在巖石組分外表面添加無反射邊界條件,設(shè)置剪切波和膨脹波的吸收[13],設(shè)置?MAT_ADD_EROSION 關(guān)鍵字,采用米塞斯應力失效條件(40 MPa)和拉應力失效條件(2.5 MPa)定義材料失效。 在乳化炸藥中點處設(shè)置起爆點,按設(shè)計段別起爆。 有限元模型如圖4 所示。

圖4 淺孔爆破有限元模型

3.5 數(shù)據(jù)分析

通過LS-PrePost 后處理軟件對計算結(jié)果進行分析,觀察巖石組分材料失效情況并提取關(guān)鍵測點有效應力時程曲線,其中關(guān)鍵點布置如圖5 所示。

圖5 關(guān)鍵測點布置

選取不同時間節(jié)點巖石組分材料觀察巖石組分失效情況,如圖6 所示。

由圖中可以看出,在 0～260 ms 時間內(nèi),乳化炸藥組分隨著設(shè)計起爆時間依次起爆,炮孔壁附近巖石材料迅速受壓失效,形成破碎區(qū),之后在260～800 ms 時間內(nèi),各炮孔之間的沖擊波反射拉伸形成貫通裂縫,爆生氣體沿預裂縫進一步擴展裂縫寬度,整體巖石組分分解完全,破碎均勻,掏槽區(qū)域成形良好,為后續(xù)爆區(qū)創(chuàng)造了自由面。

進一步觀測關(guān)鍵測點的米塞斯應力變化情況,如圖7 所示。

圖7 關(guān)鍵測點1～4 米塞斯應力變化曲線

由圖7 中可以看出,測點1 在 40 ms 時受瞬時爆破沖擊作用,米塞斯應力超過巖體抗壓強度(40 MPa),巖石材料發(fā)生失效,有效應力突變?yōu)?。測點 2～4 有效應力為 2.5～4 MPa,材料未受米塞斯影響失效,結(jié)合圖6 可以看出,炮孔壁及炮孔間的連線受拉應力失效較多,其余材料未達失效條件,但材料間裂縫貫通,促使巖石逐步解體,形成均勻的巖石塊。

綜合上述圖表發(fā)現(xiàn),仿真計算結(jié)果顯示該掏槽設(shè)計爆破較好,可有效保障掏槽效果,現(xiàn)場作業(yè)可使用此強制拉槽方式一次完成硐室底板淺孔爆破開挖作業(yè)。

4 現(xiàn)場施工作業(yè)

4.1 鉆孔

按照爆破設(shè)計方案,采用Y-20 型手持式鑿巖機對須進行淺孔爆破開挖的變電硐室底板鉆孔,鉆孔深度 1.1 m,并使用汽水瓶護孔,如圖8 所示。

圖8 現(xiàn)場鉆孔情況

4.2 裝藥與堵塞

根據(jù)爆破設(shè)計方案選擇對應的雷管段位,制作起爆藥包放入孔底,并裝入剩余藥卷,輕輕壓實,保障底部裝藥耦合度,所有炮孔裝藥后,剩余段均應用細石粒的鉆屑或細沙塞滿堵實。

4.3 連網(wǎng)與起爆

裝藥完畢后連網(wǎng),按設(shè)計采用采取孔內(nèi)延期、孔外接力傳爆網(wǎng)路,孔內(nèi)裝高段位雷管,孔外接低段位雷管接力延時起爆網(wǎng)路。 連網(wǎng)采用普通簇鏈方式連接,將爆破分為5 個片區(qū),各片區(qū)導爆管綁扎兩根MS-1 段連接雷管,最后將所有連接雷管綁扎在2 個起爆雷管上,進行引爆,現(xiàn)場施工情況如圖9 所示。

圖9 現(xiàn)場作業(yè)

4.4 爆破效果評價

爆破完成后觀察爆堆形態(tài),如圖10 所示。 由圖中可以看出,爆破后爆堆較為集中,巖石較為破碎,塊度整體較為均勻,基本到底,爆破后出渣效果如圖所示,由圖10 中可以看出爆破后底板較為平整,經(jīng)過測量進尺為0.8～0.9 m,炮孔利用率可達72%～82%,滿足進尺要求,爆破效果符合預期。

圖10 爆破后效果

5 結(jié)語

針對地下礦山硐室底板淺孔爆破實踐,采用先掏槽孔后周邊孔一次爆破開挖方式進行作業(yè),通過理論計算得出淺孔爆破技術(shù)參數(shù)并對掏槽區(qū)域進行了單獨設(shè)計,同時結(jié)合LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件對爆破設(shè)計后預期效果進行了仿真分析,仿真結(jié)果表明有效應力遠高于巖石失效應力,巖石破碎失效明顯,沖擊波反射拉伸作用形成貫通裂縫,促使巖石組分均勻破碎成若干塊體。 根據(jù)爆破設(shè)計進行現(xiàn)場爆破,爆破后巖石破碎均勻、爆堆集中、炮孔利用率在 72%～82%,有效實現(xiàn)了預期爆破目標,為此類工程提供了借鑒。