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第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 008 不同装药形式对柱状结构爆破效果影响分析* 李 梅 1， 王禹函1， 吴 矾2， 谭 海1， 王其洲1 （1. 武汉理工大学， 武汉 434070； 2. 兖州中材建设有限公司， 济宁 272100） 摘 要 磊磊石矿开采过程中需要对突起柱状矿体进行单独拆除爆破， 为确定合理的爆破拆除方案和装药 方式， 降低其大块率， 提高其松散系数， 利用 ANSYS/ LS-DYNA 有限元软件计算分析 3 种装药方式 （同面直线 布孔、 对面交替布孔和四面螺旋上升布孔） 的爆破损伤。通过比较矿柱各水平截面及不同时刻的爆破损伤 值， 发现炮孔以螺旋上升的方式布置时， 各部位爆破损伤值和整体损伤值达到最大， 爆破效果最佳。对该方 案进一步进行优化， 炮孔最小抵抗线为 28 cm 时， 大块率明显降低， 松散系数为 1. 48， 实际爆破效果良好。 关键词 柱状结构；爆破损伤；最小抵抗线；大块率；松散系数 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0054 -05 Analysis on Influence of Different Charge s on Columnar Structure Blasting LI Mei1， WANG Yu-han1， WU Fan2， TAN Hai1， WANG Qi-zhou1 （1. Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 2. Sinoma Construction Yanzhou Co LTD， Jining 272100， China） Abstract In the mining process of Leilei Mine， it is necessary to demolish the protruding columnar orebody by blasting. In order to determine the reasonable blasting demolition scheme and charging mode， so as to reduce the big block coefficient and improve the loose coefficient， the blasting damage of three charging modes was simulated and analyzed with ANSYS/ LS-DYNA， and the blasting damage values of each horizontal section of the pillar were calcu- lated. The results were obtained by quantitative comparison. When the holes are arranged spirally， the blasting dam- age value of each part and the whole damage value reach the maximum， blasting effect is the best. The scheme is fur- ther optimized， and the result is that the minimum burden is 28 cm. The actual blasting results show that after adop- ting the optimized scheme， the big block rate is obviously reduced， the loose coefficient is 1. 48. Key words columnar structure；blasting damage；cinimum resist line；big block coefficient；loose coefficient 收稿日期 2019 -01 -04 作者简介 李 梅 （1976 - ） ， 女， 副教授、 博士， 主要从事采矿工程和 岩土工程的教学和研究工作，（ E-mail） sabina15 126. com。 通讯作者 谭 海 （1970 - ） ， 男， 高级实验师、 学士， 主要从事采矿工 程和安全工程的教学和科研工作，（E-mail） 383394694 qq. com。 基金资助 国家自然科学基金 （51104111、 51704218） 露天爆破作业中， 爆破效果的好坏直接影响挖 装运输效率与二次破碎成本 ［1］， 对周边环境也产生 很大影响 ［2］。目前， 国内学者结合实际工程和数值 分析技术， 在爆破设计与优化领域开展了很多研究 工作。郭进平等和任少峰等对多个爆破工程的几个 重要参数进行探讨， 提出了改善爆破效果的几种途 径 ［3， 5］； 蒙云琪针对 “楼包楼” 特殊结构爆破， 利用 ANSYS/ LS-DYNA 有限元软件对多个爆破方案进行 分析， 筛选出最优方案并进行参数优化， 改善了实际 爆破效果 ［6］； 季杉等 对大型城市高架桥的爆破拆除 工程进行数值模拟， 分析了倒塌过程和爆破对地面 的震动响应 ［7］； 冷振东等采用 3DEC 离散元软件模 拟不同起爆位置下台阶爆破的动态破碎和抛掷过 程， 发现孔底起爆时， 爆破开挖方量最大， 抛掷距离 万方数据 最远， 堆积高度适中， 松散系数最高， 且具有最好的 铲挖效率 ［8］。但是， 对含有柱状材料的工程， 爆破 过程中如何既能改善柱状材料的爆破效果， 又不增 加装药量， 依然是爆破技术的一个难点。 禹州锦信水泥有限责任公司磊磊石矿一采区矿 区内岩体呈层状， 走向近东西向， 倾向 220， 倾角 25， 矿体产状与岩体基本一致， 主要矿物为石灰石。 在开采过程中， 由于地形原因， 需要对突起柱状部分 的石灰石矿进行单独爆破， 但周围环境复杂， 若采取 增加装药量的方式来改善爆破效果， 会对周围环境 产生很大影响。论文以此工程为例， 针对开采过程 中需要爆破的柱状部位， 研究相同药量下不同装药 形式对爆破效果的影响。 1 柱状结构拆除爆破的不同装药形式 以横截面为 80 cm 80 cm 的石灰石柱状结构 为例， 分析采用不同的装药形式时立柱上部的爆破 效果。三种不同的装药形式 （装药量相同） 为 立柱 上部炮孔布置在同一个侧面 （方案 1） ， 立柱上部炮 孔交替布置在相对的两个侧面上 （方案 2） ， 立柱上 部炮孔以螺旋上升的形式布置在四个侧面上 （方 案 3） ， 炮孔布置及装药结构见图 1， 立柱的爆破参 数见表 1。 图 1 不同装药形式结构图 （单位 mm） Fig. 1 Structural charts of different charge scheme （unit mm） 表 1 立柱的爆破参数 Table 1 Blasting parameters of column 立柱尺寸/ mm 最小抵抗线 w/ mm 孔径/ mm 孔距 amm 孔深 L/ mm 单耗 k/ （gm -3） 单孔药量 q/ g 800 800320404004801250320 2 不同装药结构爆破效果分析 采用 LS-DYNA 对不同的装药结构方案进行分 析， 根据同一时刻不同高度截面的损伤值和同一截 面不同时刻的损伤值， 计算出平均损伤值， 并据此选 出一种较好的装药结构。爆破模拟采用 HJC 本构 模型 ［9］， 它广泛应用于冲击爆炸作用下的动态响应 分析中， 被爆层状岩体采用 Lagrange 算法， 炸药和空 气采用 ALE 算法。 2. 1 损伤计算 在 LS-DYNA 后处理程序中， 截面损伤云图的损 伤阈值 D 定为 0. 5， 即当岩石单元损伤达到 0. 5 时， 岩石开始出现损伤； 当 D 大于 0. 5 时， 岩石单元丧 失承载能力， 岩体强度降低， 能满足立柱破碎的要 求。并在此基础上根据损伤面积和总面积的比值计 算损伤值 n， n ＝ （损伤面积/ 截面总积）100％。 55第 36 卷 第 2 期 李 梅， 王禹函， 吴 矾， 等 不同装药形式对柱状结构爆破效果影响分析 万方数据 在截面损伤云图中， 0. 5≤D≤1 为红色区域， 0≤D≤0. 5 为蓝色区域。采用矩阵理论和矩阵算法 对数字图像进行分析和处理， 通过 MATLAB 编程计 算像素点的个数可得到红色面积 r 和蓝色面积 b， 则 损伤百分比 n 的计算公式为 n ＝ r r ＋ b （1） i 个不同高度截面的损伤值为 n1， n2， n3， n4， ， ni， 从而可求出截面的平均损伤值值 n n ＝ n1＋ n2＋ n2＋ ＋ ni i （2） 2. 2 装药结构的爆破损伤分析 2. 2. 1 立柱不同高度截面的损伤程度分析 以炮孔以螺旋上升 （方案 3） 为例， 炮孔同时起 爆， 爆破时间 t ＝300 μs 时， 距立柱模型最下排炮孔 中心5 cm， 10 cm， 15 cm， 20 cm， 25 cm， 30 cm 处6 个 截面的损伤云图见图 2， 由 （1） 、 式 （2） 分别计算 3 个 方案各截面的损伤百分比和平均损伤值 （见表2） 。 图 2 炮孔以螺旋上升 （方案 3） 各截面的损伤云图 Fig. 2 Damage nephogram of each section of the borehole rising spirally（scheme 3） 表 2 三种方案不同截面高度损伤值及平均损伤值 Table 2 Three schemes， damage height and average damage value at different heights 装药方式 101520 距下排炮孔中心高度/ cm 2530N平 方案 154. 6850. 3245. 3450. 3255. 9351. 32 方案 255. 0552. 5449. 9252. 5455. 0553. 02 方案 355. 1053. 3753. 1253. 3755. 1054. 01 单看各自的损伤值， 3 种方案的损伤值都随截 面高度先减小后增大， 在距立柱模型最下排炮孔中 心 d ＝20 cm 处各方案损伤值均达到最小， 依次为 45.34％、 49.92％、 53.12％； 方案 3 的损伤值随高度 变化幅度不大， 最大和最小损伤值的差值为0.89％， 方案 1 的损伤值随高度变化幅度最大， 差值为 10.53％。比较 3 种方案的平均损伤值， N3＞ N2＞ N1， 方案 3 的平均损伤值 N3超过方案 2 0. 99％， 比 方案 1 增大了 5. 24％， 所以从不同截面来看， 方案 3 的爆破效果更好。 2. 2. 2 损伤程度随爆破时间的变化 以距立柱模型下排炮孔中心 d ＝20 cm 的截面 为观察面， 分析结构在不同时刻损伤值的变化。以 方案 3 为例， 不同时刻的损伤云图见图 3。不同装 药方案在距下排炮孔中心线高度 d ＝ 20 cm 截面不 同时刻损伤值及损伤平均值分别见表 3。 3 种方案各自的损伤值随时间增加而增大， 在 400 μs 后， 损伤值增幅微小， 趋向于一个定值， 依次 为 67％、 67％、 79％。3 种方案的平均损伤值 P3＞ P2＞ P1， 方案 3 的平均损伤值与方案 2 相比增大了 6. 93％， 比方案 1 增大了 14. 7％， 所以在同一时刻 方案 3 的爆破效果更好。 图 3 方案 3 20 cm 截面处不同时刻的损伤云图 Fig. 3 Scheme three damage clouds at different sections of 20 cm section 2. 2. 3 方案 3 的爆破参数优化 综合上述分析， 相同药量情况下， 采用方案 3 的 装药形式， 爆破效果更好。进一步对方案 3 的爆破 参数进行优化， 分析最小抵抗线 W 变化情况下， 不 同高度截面损伤值及平均损伤值的变化情况。单孔 65爆 破 2019 年 6 月 万方数据 装药量相同， 保持装药长度不变， 通过改变炮孔长 度， 可以改变堵塞长度和最小抵抗线 W 的值， 因此， 单孔装药量相同情况下， 最小抵抗线 W 值分别取 16 cm、 20 cm、 24 cm、 28 cm、 32 cm、 36 cm 时截面损 伤值及平均损伤值如表 4 所示。 表 3 3 种方案不同时刻损伤值及平均损伤值 Table 3 Damage values and average damage values of three schemes at different times 100200300 不同时刻/ μs 400500600P平 方案 18. 3633. 5945. 3464. 1366. 3267. 1347. 48 方案 28. 2330. 4149. 9264. 2665. 3567. 0247. 53 方案 310. 9434. 2353. 1271. 1378. 0179. 3254. 46 表 4 不同 W 值下各个截面爆破损伤值 Table 4 Blasting damage values of different sections under different W values W 值 10 cm15 cm 高 度 20 cm25 cm30 cmN平 16 cm48. 8647. 6445. 9547. 6448. 8647. 79 20 cm54. 2652. 5450. 4452. 5454. 2652. 81 24 cm56. 7854. 2652. 9754. 2656. 7855. 01 28 cm57. 3754. 1853. 1654. 1857. 3755. 25 32 cm55. 1053. 3753. 1253. 3755. 1054. 46 分析不同最小抵抗线 W 值时截面损伤值随高 度变化情况 （图 4） 和不同 W 值时单个截面平均损 伤值变化情况 （图 5） ， 发现 W 不同时， 各截面损伤 值变化趋势相同， 损伤百分比随着截面高度先减小 后增加。平均损伤值随着 W 值先增大， 后减小， W ＝28 cm 时平均损伤值最大， N平＝ 55. 25％， 说明 最小抵抗线 W 的取值不宜过大也不宜过小， 本工程 中 W 取 28 cm 时爆破效果为佳。 图 4 不同 W 值时截面损伤值随高度变化 Fig. 4 Section damage values varying with height at different W 3 实际工程评价 结合磊磊石矿实际生产要求， 爆破方案采用方 案 3， 将炮孔以螺旋上升的形式布置在一个长 21 m 宽8 m 高18 m 的长方体石灰石矿体的四个侧面上， 最小抵抗线 W 取 28 cm。下面通过测定块度分布和 爆堆松散系数两个指标来衡量方案三的爆破效 果 ［10］。 图 5 不同最小抵抗线 W 值时单个截面平均损伤值变化 Fig. 5 Change of average damage value of single section at different W 3. 1 块度测定与比较 结合生产实际与现有技术条件， 块度分布采用 爆碴测定法， 块度分级标准为 400 mm、 800 mm 和 1000 mm、 400 mm 为过度破碎临界值， 800 mm 为厂 方约定大块标准， 大于 1000 mm 会影响破碎机正常 运行。最终块度分布基本特征如表 5。 75第 36 卷 第 2 期 李 梅， 王禹函， 吴 矾， 等 不同装药形式对柱状结构爆破效果影响分析 万方数据 表 5 使用方案三前后块度测定比较 Table 5 Comparison of block size before and after using schemes three 单耗/ （kgm -3） ＜400 mm 块度分布百分比％ ＜800 mm＜1000 mm 使用方案 3 前块度测定 0. 3726. 384. 689. 3 0. 3515. 472. 585. 2 单耗/ （kgm -3） ＜400 mm 块度分布百分比％ ＜800 mm＜1000 mm 使用方案 3 后块度测定 0. 3739. 492. 398. 6 0. 3525. 391. 696. 3 原始爆破方案将炮孔布置在同一侧面， 平均大 块率为 15％， 大块大部分堆积在爆堆底层， 即第 1 排 所 抛 掷 岩 块，爆 区 两 侧 出 现 特 大 块 岩 石 （ ＞1200 mm） ， 爆破效果差。采用方案 3 后， 由于炮 口布置在空间上相对分散， 能量大部分用于破碎岩 体， 大块率明显减低， 偶出现的大块主要集中在孔口 堵塞段， 即分布于爆堆表层， 爆区两侧偶见大块； 爆 碴分布均匀， 挖机易挖装， 爆破效果明显提升。 3. 2 爆堆松散的测定 爆堆松散系数是衡量爆破质量的一个重要指 标， 松散系数大时， 爆堆块度分布均匀， 过度破碎程 度小， 爆堆稳固， 推动效果明显， 且挖机容易下斗， 生 产效率高； 松散系数小则反之。值得需要注意的是， 松散系数存在一个最优值 ［11］， 高于此值时， 爆堆中 大块增多， 占有体积与缝隙增多， 生产效率反而下 降， 因而不能过分追求较高的松散系数， 应保证单耗 合理性。根据实际经验， 松散系数在 1. 5 左右时， 爆 破效果好。 但由于松散后爆堆形状不规则， 无特定几何尺 寸， 松散系数测算较为困难， 故论文采用 CASS 两期 间方量进行相似计算 ［12， 13］。原岩体积为 3024 m3， 经两期土方计算可得爆堆体积为 4475. 5 m3， 松散 系数为 1. 48， 故采用方案 3 炮孔沿四周螺旋上升布 置， 爆堆松散性良好。 4 结论 为改善磊磊台矿柱状结构矿体的爆破质量， 通 过分析不同截面积不同时刻的爆破损伤， 比较了同 面直线布孔、 对面交替布孔和四面螺旋上升布孔 3 种装药方式的爆破效果， 结论如下 （1） 3 种方案各自的损伤值都随截面高度先减 小后增大， 在距立柱模型最下排炮孔中心 20 cm 处 损伤值达到最小， 各截面损伤值随时间增加而增大， 后趋向于一个定值。 （2） 采取炮孔沿四周螺旋上升布置的装药方式 实际爆破效果最佳， 最小抵抗线为 28 cm 时平均损 伤值最大， 爆堆块度和松散性良好。 参考文献 （References） ［1］ 彭静波. 极硬岩条件下露天台阶深孔爆破质量改善研 究 ［D］ . 武汉 武汉工程大学， 2015. ［1］ PENG Jing-bo. 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