铜绿山矿中深孔掏槽爆破参数优化研究-sup-①-_sup-_霍晓锋.pdf

铜绿山矿中深孔掏槽爆破参数优化研究 ① 霍晓锋1， 苟永刚1， 成 涌2， 熊国雄2， 史秀志1， 柯武阳1 1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083； 2.大冶有色铜绿山矿,湖北 大冶 435100 摘 要 以铜绿山矿井下分段凿岩嗣后充填采场的掏槽爆破为工程背景,采用 ANSYS/ LS-DYNA 对不同掏槽孔布置方案进行了模 拟爆破,通过分析对比不同方案的掏槽爆破效果,得出最优孔径组合为炮孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm,并根据分析结果在铜绿山 进行了现场爆破试验,试验结果表明,掏槽区域采用 76 mm 直径炮孔、89 mm 直径空孔的孔径组合能够达到良好的掏槽爆破效果。 关键词 铜绿山； 中深孔掏槽； 掏槽爆破； 炮孔布置 中图分类号 TD235文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.05.005 文章编号 0253-6099201905-0017-05 Parameters Optimization for Medium-Deep Hole Cutting Blasting in Tonglushan Mine HUO Xiao-feng1, GOU Yong-gang1, CHENG Yong2, XIONG Guo-xiong2, SHI Xiu-zhi1, KE Wu-yang1 1.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China； 2.Tonglushan Mine, Daye Non-Ferrous Metals Group Holdings Company Limited, Daye 435100, Hubei, China Abstract The cutting blasting in sublevel drilling and subsequent filling stope of Tonglushan Mine was taken as the engineering background in the research, in which different layout schemes of cutting blasthole were simulated using ANSYS/ LS-DYNA. Based on the comparison and analysis of the effects of different schemes, an optimum aperture combination was obtained. According to the analysis results, an on-site blasting test was pered with the blasthole diameter of 76 mm and hollow blasthole diameter of 89 mm, leading to a good cutting blasting effect. Key words Tonglushan Mine； medium-deep hole cutting； cutting blasting； blasthole arrangement 在井下采场回采中切割天井作为自由面及补偿空 间,为后续采场回采提供了有利的爆破条件,切割天井 施工技术采用较多的是人工掘进天井法和爆破法,前 者具有安全性差、成本高、效率低等缺点［1-2］,且随着 矿山生产能力、采矿强度的提高以及安全管理制度的 完善,人工掘进天井法已经难以满足生产进度及安全 要求,因此,目前在井下采场较多地采用切割天井高效 掘进技术,即在采场拉槽区进行切割天井掘进爆破,通 过中深孔掏槽爆破形成切割天井,为后续爆破回采提 供自由面及补偿空间［2］。 在采场回采中首次掏槽爆破是整个采场回采的关 键,掏槽爆破的爆破空间若没有完全拉开会对后续爆 破效果产生直接影响,从而对首次爆破的整体爆破效 果产生影响。 首次爆破未达标会使得采场爆破的规划 偏离预定的爆破方案,使得工程爆破施工进度以及矿 山回采作业进度严重受到影响。 首次掏槽爆破具有爆 破自由面少、补偿空间小的特点,爆破难度较大,因此, 为了确保中深孔掏槽爆破效果,选择合适的炮孔直径、 掏槽孔布置方式以及孔径组合至关重要。 本文以铜绿山矿井下分段凿岩嗣后充填采场的掏 槽爆破为工程背景,在相同的掏槽孔布置方式下,采用 ANSYS/ LS-DYNA 对不同掏槽区炮孔、空孔孔径的组 合进行模拟爆破,通过分析对比不同孔径组合的掏槽 爆破效果,优选出最佳的掏槽孔布置方案,并在铜绿山 进行现场爆破试验,对优化方案的有效性及可行性进 行验证。 1 掏槽孔布置方案 铜绿山井下分段凿岩嗣后充填采场在回采过程 中,采用凿岩台车在掏槽区域打垂直上向平行孔,在分 ①收稿日期 2019-04-08 基金项目 “十三五”国家重点研发计划课题2017YFC0602902；中南大学创新驱动项目2017zzts182 作者简介 霍晓锋1994-,男,河北平山人,硕士研究生,主要从事采矿、爆破方面的研究。 通讯作者 苟永刚1993-,男,甘肃天水人,博士研究生,主要从事爆破、降振方面的研究。 第 39 卷第 5 期 2019 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №5 October 2019 ChaoXing 段凿岩巷道内打上向扇形平行炮孔。 爆破施工中,首 先完成掏槽区的爆破落矿工作,一次成井后两边扩帮 向中央掏槽方向爆破,形成切割槽,后续区域向切割槽 空区内爆破,依次形成后退式开采。 由于铜绿山分层 爆破高度为 13 m,成井高度较高,难度较大,为了更好 地保障掏槽爆破效果,工程中常采用炮孔与空孔相结 合的炮孔布置方式,通过布置大直径空孔,作为掏槽爆 破的自由面及补偿空间［3］,确保掏槽爆破的可靠性。 铜绿山井下矿岩均处于正常地应力区内［4］,其相 较于爆炸产生的压力而言非常小,对于爆破效果的影 响也很小,故掏槽爆破模拟研究中的爆破模型无需对 岩体施加初始地应力。 其中掏槽区炮孔布置形式为九 孔掏槽,根据现场实际情况,炮孔与空孔布置方式如 图 1 所示。 2 5 0.25 m 0.25 m 3 41 K3K4 K2K1 图 1 炮孔布置 根据掏槽孔布置方式,对不同孔径的炮孔与大直 径空孔进行组合,建立以下 3 种模型方案 方案 1炮孔直径 d＝64 mm,空孔直径 D＝76 mm。 方案 2炮孔直径 d＝64 mm,空孔直径 D＝89 mm。 方案 3炮孔直径 d＝76 mm,空孔直径 D＝89 mm。 2 数值计算模型 2.1 算法选取 数值模型采用 LS-DYNA3D软件进行仿真计算, LS-DYNA3D的爆炸计算有多种算法选用。 文献［5］指 出,LS-DYNA3D动力学软件具有 3 种爆破数值计算的 网格方法① 共用节点算法；② 接触耦合算法；③ 流 固耦合算法。 前两种算法属于 Lagrange 算法,第 3 种 算法属于 ALE 算法。 对于大变形问题,前两种采用 Lagrange 算法的模拟计算方法容易引起数值计算的困 难,且降低了模型的计算精度,甚至导致计算终止；而 第 3 种算法采用的 ALE 算法则可有效避免数值计算 困难的问题,提高计算结果的精度,但是由于流固耦合 的计算需要大量的计算时间与计算字样,所以该算法 的计算时间相对于前两种算法而言成倍地增加。 采用 LS-DYNA 对爆炸过程进行数值模拟时,为避免大变形 引起的数值计算困难,且提高计算的效率,可采用 ALE 网格划分炸药实体而对岩体材料采用 Lagrange 网格划分的方式,这里采用流固耦合算法对本研究的 爆破过程进行数值计算。 2.2 模型建立 为加快计算速度,提高模拟准确性,更贴近实际工 程,此次模型采用准二维建模,以内圈孔为先爆孔,外 圈孔延迟 25 ms 后起爆,计算模型取模型的 1/4,并采 用 XZ、YZ 平面对称镜像来观察爆破过程,所建模型的 简图如图 2 所示,模型尺寸为x 方向长度 1.5 m,y 方 向长度 1.5 m,z 是单元厚度都是 0.01 m,即总体为 3 m 3 m 的矿体模型,由于外部设置了无反射边界 条件,等效于模拟无限大矿岩边界。 炮孔尺寸直径分 别为 64 mm、76 mm,空孔直径分别为 76 mm、89 mm, 整个模拟过程中采用的单位制为 kg-m-s 制。 图 2 实体模型 2.3 材料模型及参数 爆炸过程中,岩石的加载应变率通常较大,岩石的 动态强度随加载应变率提高而增大,存在着应变率效 应。 在爆炸、冲击动力学问题中,材料模型的选取决不 能只看介质在自然界中所存在的形式,还一定要考虑 载荷作用的情况。 炸药爆炸时近区岩体破碎,应变非 常大,应变率效应明显,采用包含应变率效应的塑性硬 化模型比较合适［6］。 本文爆破模拟过程仅含矿体被爆物,矿体主要 是灰岩和砂页岩 选用塑性动力学模型 MAT ＿ PLASTIC＿KINEMATIC。 结合铜绿山矿实际情况,炸 药爆炸时近区岩体发生屈服以致破碎,应变很大,应变 率效应明显,采用包含应变率的塑性随动模型经证明 是比较合适的［7］,表 1 给出了矿体的材料参数。 本研究采用地下矿山采场爆破常用的二号岩石乳 化炸药,选用 LS-DYNA3D 内部高能材料本构模型［8］ *MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN,表 2 为仿真实验 中炸药模型的材料参数及炸药模型的 JWL 状态方程 参数。 81矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 表 1 矿体塑性动力学模型材料参数 密度 / kgm -3 弹模 / GPa 泊松 比 屈服强度 / MPa 切线模量 / MPa β 参数 C / s -1 参数 P 3 800450.25753 80012.54.0 注参数 C、P 是与矿体应变率相关的参数；β＝1表示岩体服从各项同 性硬化的特征。 表 2 二号岩石乳化炸药材料参数及状态方程参数 密度 / kgm -3 爆速 / ms -1 爆压 / GPa A / GPa B / GPa R1R2ω E0 / GPa 120040007.4214.4 0.18240.200.90.154.192 注参数 A、B、R1、R2、ω 为炸药 JWL 状态方程参数；E0为初始比内能。 岩体爆破指作用于岩石的炸药瞬间爆炸时,在有 限空间里,产生了高温高压的气体,首先以冲击波的形 式向周边环境急速膨胀,在受岩体衰弱后转变为应力 波继续扩散。 以往研究主要采用三角形脉冲,在考虑 毫秒量级的荷载情况下,建立爆破振动的数值模型。 通常爆炸冲击波和爆生气体的作用时间分别为 1.0 10 -6 ～0.1 s 和 1.010 -3 ～0.1 s。 根据爆破数值模拟研 究的特点,逐孔起爆孔间的延时时间为 25 ms。 为了 得到有效的模拟结果,在有限元计算模型中设置求解 时间为 36 ms。 计算过程中设置时间步系数为 0.67, 每隔 120 μs 输出一步结果文件。 3 模拟结果 3.1 方案 1 方案1 等效云图如图3 所示。 由图3 可知,方案1 由于炮孔孔径小、单耗小和自由面补偿空间小的原因, 图 3 方案 1 等效云图 a t＝0.12 ms； b t＝24.6 ms； c t＝25.1 ms； d t＝36.0 ms 在第一段爆破过程 24.6 ms 时没有形成爆破空腔,仅 仅形成了炮孔之间的贯穿裂缝,以及外圈的一些裂纹, 且能明显看出部分应力波能量沿着这些裂纹发生逸 散,造成能量损失,导致第二段爆破过程中没有自由 面,第二圈的炮孔能量只能向四周扩散,而没有集中作 用于掏槽区,在 36.0 ms 时可以看出应力波能量的向 外逸散导致外圈之外的一些矿体形成破坏,能量利用 率低,掏槽区没有形成。 3.2 方案 2 方案2 等效云图如图4 所示。 由图4 可知,方案2 炮孔孔径小、单耗小,但空孔补偿空间充足,在第一段 爆破过程 24.6 ms 时形成了爆破空腔,但由于炸药单 耗小,炮孔空腔不能完全扩开,导致第二段爆破自由面 补偿空间较小,外圈炮孔大部分能量没有集中作用于 掏槽区,应力波的能量和爆生气体可能已经从炮孔原 有裂隙中发生逸散,导致外圈之外的矿体形成拉裂破 坏,造成能量的提前损失,掏槽区大块较多,最终在 36.0 ms 时形成了较小的掏槽空区。 图 4 方案 2 等效云图 a t＝0.12 ms； b t＝24.6 ms； c t＝25.1 ms； d t＝36.0 ms 3.3 方案 3 方案3 等效云图如图5 所示。 由图5 可知,方案3 炮孔孔径适中、单耗足够,空孔直径较大,补偿空间充 足,在第一段爆破过程中炸药能量能够较大程度地集 中作用于空孔与掏槽区,在 24.6 ms 形成了足够大的 爆破空腔,为第二段爆破提供了充足的自由面与补偿 空间,在第二段爆破过程中由于第一段爆破空腔足够 大,且第二段炮孔外围矿岩破坏较少,第二段爆破应力 91第 5 期霍晓锋等 铜绿山矿中深孔掏槽爆破参数优化研究 ChaoXing 波能量和爆生气体逸散较少,应力波和爆生气体对掏 槽区岩石的作用时间相对较长,增加了岩石二次破碎 的作用,岩石破碎效果较好,炸药的能量利用率高,且 单耗足够,使得掏槽区大块率大大减少,在 36.0 ms 时 基本形成了较好的掏槽区。 图 5 方案 3 等效云图 a t＝0.12 ms； b t＝24.6 ms； c t＝25.1 ms； d t＝36.0 ms 4 对比分析 通过图 3～5 中 36.0 ms 关键时刻的演化云图可以 发现方案 1 掏槽空区没有形成,且后冲破坏比较严重； 方案 2 掏槽空区能够形成,但槽区较小,后冲破坏较 小；方案 3 掏槽空区能够形成,且槽区较大,后冲破坏 小。 通过方案 1、方案 2 对比,可以发现方案 1 由于空 孔直径较小,只有较小的补偿空间及自由面,在掏槽过 程中爆破条件较差,难以形成爆破槽区,而方案 2 空孔 直径较大,能够形成爆破槽区；通过方案 2、方案 3 对 比,可以发现方案 2 掏槽区炮孔直径较小,药量较小, 由于能量较小,槽区矿岩易形成大块,易造成掏槽区卡 死且不利于形成较大的掏槽区。 通过图5 可知,在方案3 孔径组合参数下,0 ms 时 刻第一段炸药起爆,应力波从 5 个炮孔壁开始以圆形 向四周传播,在 t＝0.12 ms 时,第一圈炮孔壁上的有效 应力超过岩石的动抗拉强度,裂纹开始由炮孔壁向周 围延伸发展,并优先在炮孔之间形成裂隙,同时应力波 在到达岩体与空孔接触面发生反射,反射波与应力波 的相互叠加致使岩体发生拉裂破坏,形成了炮孔与空 孔之间裂隙,之后在炮轰气体与应力波的共同作用下 于 t＝24.6 ms 基本形成了第一圈掏槽区；25 ms 时刻第 二段炸药起爆,应力波从 4 个炮孔壁开始以圆形向四 周传播,在 t＝25.1 ms 时,第二圈炮孔壁上的有效应力 超过岩石的动抗拉强度,裂纹开始由炮孔壁向周围延 伸发展,并优先向第一圈掏槽空区形成裂隙,同时应力 波在到达岩体与第一圈掏槽空区接触面时发生反射,反 射波与应力波的相互叠加致使岩体发生拉裂破坏,使得 掏槽空区进一步扩大,之后在炮轰气体与应力波的共同 作用下使得爆破空区不断扩大,最终于 t＝36 ms 基本形 成了第二圈掏槽空区。 综合以上分析,铜绿山上向中深孔掏槽爆破应选 用具有最优掏槽爆破条件的方案 3炮孔直径 76 mm、 空孔直径 89 mm。 5 现场试验 以铜绿山矿-485 m 中段 9310 矿房采场为试验对 象,爆破施工过程中整个掏槽区炮孔一次爆破,首先完 成切割井的爆破落矿工作,一次成井后两边扩帮炮孔 向中央掏槽方向爆破,形成切割槽,铜绿山分层爆破高 度为 13 m,其中爆破成井高度 9.5 m,成井高度较高, 难度较大。 试验采场切割天井中心炮孔和第一圈炮孔布置参 数采用方案 3炮孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm,其 余炮孔布置如图 6 所示,切割天井区域打垂直上向平 行孔,天井直径为2.6 m,共计43 个炮孔,炮孔深度9.5 m； K5 K4 K3 K2 K1 K6 K7 7 3 8 9 4 2 5 1 6 K8 K9 K10 K11 K12 K5 K4 K3 K2 K1 K6 K7 7 3 8 9 4 2 5 6 K8 K9 K10 K11K12 86 86 84 12.8 12.7 12.7 12.6 12.6 12.6 12.6 12.7 12.7 12.9 87 78 80 83 85 87 8988 85 83 83 86 86 85 21 23 24 26 27 28 29 30 31 10 11 12 14 15 16 17 18 19 13 20 25 22 1 图 6 掏槽区域炮孔布置 02矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 其中 K1～K12 为空孔,空孔直径89 mm,为爆破提拱自 由面和补偿空间；1～31 号炮孔为装药孔,炮孔直径为 76 mm。 中央掏槽区“田字形”区域孔网参数 0.25 m 0.25 m, 外面炮孔环形布置,第一圈半径0.45 m,布置 12 个孔,其中 1 个炮孔直径 76 mm间隔 2 个空孔 直径 89 mm布置,第二圈半径 0.8 m,布置 10 个孔, 炮孔直径 76 mm,第三圈半径1.3 m,布置 12 个孔,炮 孔直径 76 mm。 装药采用粒状乳化炸药5.2 kg/ m, 孔口堵塞长度 1.0～1.5 m。 整个掏槽区域起爆顺序为 中心孔先响,由内向外逐圈起爆,进而形成切割天井, 随后以天井为自由面,依次向外爆破至东西两侧采场 控制线,形成切割槽。 现场切割天井区域炮孔爆破参 数见表 3。 表 3 切割天井区域炮孔爆破参数 炮孔名称编号个数/ 个深度/ m装药量/ kg爆破顺序 中心炮孔1～559.52211 第一圈炮孔6～949.51772 第二圈炮孔10～19109.54423 第三圈炮孔20～31129.55304 在试验采场第一次掏槽爆破结束后,经观察现场 爆破效果发现,掏槽区域可以形成较好的切割槽空区, 空区深度较深,东西两侧范围均能达到设计要求,且爆 破块度较均匀,大块率较小,掏槽爆破效果好,进而表 明切割天井中心炮孔和第一圈炮孔布置参数采用方案 3炮孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm时,切割天井成 井效果好,能够为后续掏槽爆破提供充足的自由面及 补偿空间。 6 结 论 通过对比分析 3 种模拟方案的掏槽爆破效果以及 进行现场试验,可以得到以下结论 1 空孔直径大小直接影响着爆破效果的优劣,较 大的空孔不仅可以为爆破提供较大的补偿空间,还可 以提供更大的自由面,有利于反射应力波,以更好地破 岩,所以在现场施工中应结合实际情况选取较大的空 孔直径。 2 过小的药量由于能量不够,不足以破碎与空孔 间的矿岩或者造成大块率过高,所以为了得到爆破块度 合理、单耗适中的爆破效果,应选取合理的炮孔直径。 3 根据数值模拟掏槽爆破效果对比分析可知,炮 孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm 方案有较好的掏槽空 区形成,大块率较小,掏槽爆破结果较好,掏槽爆破条 件最优。 4 现场试验对切割天井区域炮孔布置优化方案 炮孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm的有效性及可行 性进行了验证,表明该方案可以有效地掘进切割天井, 能够为后续掏槽爆破提供充足的自由面及补偿空间, 进而形成较好的切割槽,为中深孔采场掏槽爆破提供 借鉴。 参考文献 ［1］ 陈士海,魏海霞,薛爱芝. 坚硬岩石巷道中深孔掏槽爆破试验研究［J］. 岩石力学与工程学报, 2007,26S13498-3502. ［2］ 李启月,李夕兵,范作鹏,等. 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