基于ANSYS的一次爆破成井技術(shù)研究

馬天義，耿愛平

(金誠信礦業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司武山項(xiàng)目部， 江西瑞昌市 332204)

基于ANSYS的一次爆破成井技術(shù)研究

馬天義，耿愛平

(金誠信礦業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司武山項(xiàng)目部， 江西瑞昌市 332204)

鑒于武山銅礦現(xiàn)有天溜井施工現(xiàn)狀，決定采用一次爆破成形技術(shù)研究。首先確定天溜井一次爆破掏槽方案及分段高度，然后對(duì)天溜井參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并形成炮孔布置參數(shù)圖及炮孔裝藥量參數(shù)表，完成對(duì)天溜井施工的設(shè)計(jì)部分;采用ANAYS靜力分析方案，建立ANSYS簡化模型，分析得出，該設(shè)計(jì)能夠一次性爆破成型天溜井，對(duì)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

天溜井;一次爆破成型設(shè)計(jì);爆破參數(shù);ANAYS;靜力分析

武山銅礦下屬于江銅集團(tuán)，目前礦山已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段，礦山采、掘工程量大，其中天井施工又是掘進(jìn)工作中最困難的一環(huán)，采用普通法掘進(jìn)存在工效低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、粉塵濃度高、作業(yè)條件差、安全效果不好等缺點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件，對(duì)天溜井掘進(jìn)擬采用一次爆破成井方案。

1 武山銅礦工程概況

1.1 地質(zhì)概況

武山銅礦屬大型熱液充填，急傾斜銅、硫礦床，以棲霞階地層上限為界分為南、北2個(gè)礦帶。北礦帶位于礦區(qū)北部，系層控型銅礦;南礦帶位于礦區(qū)南部，系巖控矽卡巖型銅礦。北礦帶主要為含銅黃鐵礦、含銅碳酸鹽，次為含銅矽卡巖、含銅高嶺土、銅鉛鋅黃鐵礦、黃鐵礦等，礦巖穩(wěn)定性差。北礦帶以砂巖為主，同時(shí)含有少量花崗巖，天然濕度下平均容重為2300 kg/m3，f=6 ～8，礦巖松散系數(shù) K=1.6 ～1.7。

南礦帶以含銅矽卡巖為主，尚有少量的含銅碳酸鹽及含銅花崗閃長斑巖，f=7～8;上盤圍巖為大理巖，f=8～9，天然濕度下平均容重為2700 kg/m3;下盤圍巖為弱風(fēng)化花崗巖，f=4～6，天然濕度下平均容重為2500 kg/m3。南礦帶礦巖穩(wěn)定性較好，礦巖松散系數(shù) K=1.6 ～1.7。

天井所在工程位置巖石為花崗巖，其密度3.04 kg/m3，彈性模量 0.48，泊松比 0.33，單軸抗壓強(qiáng)度為20.6 ～74.2 MPa，抗拉強(qiáng)度為 3.8 ～5.5 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.2 ～3.3 MPa。

1.2 現(xiàn)有天溜井施工方案及相關(guān)參數(shù)

武山在南帶采場(chǎng)采礦過程中存在一系列天溜井，現(xiàn)有天溜井施工主要采用普通法及天井鉆機(jī)法。

普通法掘進(jìn)天井主要工序有搭建作業(yè)平臺(tái)、撬毛、鑿巖、裝藥連線、爆破、出渣通風(fēng)，通過以上工序的循環(huán)完成天井作業(yè)。這種方式作業(yè)循環(huán)多、消耗木材量大、效率低下、通風(fēng)困難，同時(shí)由于工人需要進(jìn)入井筒內(nèi)部作業(yè)，存在工作環(huán)境惡劣，掘進(jìn)速度慢、功效低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、木材消耗量大、粉塵濃度高、通風(fēng)條件差、安全性差等缺陷，但由于種種原因，武山現(xiàn)在大部分天井均由該種方案掘進(jìn)。

天井鉆機(jī)法即采用回轉(zhuǎn)式天井鉆機(jī)，在天井中心沿天井全高鉆1個(gè)直徑為200～300 mm的導(dǎo)向孔，然后換用擴(kuò)孔鉆頭將其擴(kuò)大至天井直徑。該法存在工藝復(fù)雜、鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中防偏斜困難、成本高等缺陷，礦山很少采用。

武山現(xiàn)有開拓系統(tǒng)階段高度50 m，分段高度10 m，每個(gè)分段設(shè)計(jì)施工有天溜井聯(lián)絡(luò)道，將天井分割為10 m高的分段，斷面尺寸為1.5 m×1.8 m。

2 天溜井一次爆破成井方案

天溜井一次爆破成形技術(shù)中主要掏槽方案有螺旋掏槽、菱形掏槽、筒形掏槽、環(huán)形掏槽。現(xiàn)有理論研究及工程實(shí)例表明，螺旋形掏槽比較優(yōu)越，同時(shí)由于分段只有10 m高，采用一次裝藥爆破即可完成作業(yè)。礦山現(xiàn)有鑿巖設(shè)備不具備完成鉆鑿中深孔的能力，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，選用KQD70型潛孔鉆機(jī)完成鑿巖作業(yè)，其作業(yè)能力達(dá)到15 m。根據(jù)KQD70型潛孔鉆機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，采用下向平行中深孔爆破方案，掏槽空孔用KQD70型潛孔鉆機(jī)穿孔后用120 mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔形成。

2.1 爆破參數(shù)

2.1.1 炮孔直徑及數(shù)目

據(jù)KQD70型潛孔鉆機(jī)鉆頭直徑及卷裝炸藥直徑，將炮孔直徑確定為60 mm。

炮孔數(shù)目N如下式計(jì)算:

式中:k——斷面系數(shù)，取 1.2;

r——每米炮孔裝藥量，1.36 kg/m;

s——天井?dāng)嗝妫?.7 m2;

q——單位炸藥消耗量取 4.48 kg/m3。

2.1.2 分段高度

由于現(xiàn)有礦山開拓系統(tǒng)及采礦方案確定為上(下)向分段分層充填采礦法，分段高度為10 m，采準(zhǔn)工程中首先掘進(jìn)分段運(yùn)輸平巷，可以利用該平巷掘進(jìn)天井聯(lián)絡(luò)道，然后利用上下分段聯(lián)絡(luò)道掘進(jìn)天井。同時(shí)由于該礦山礦石條件比較破碎，根據(jù)現(xiàn)有工程實(shí)踐將天井分段高度定為10 m。

2.1.3 第一響掏槽孔至空孔的距離第一響掏槽孔至空孔的距離L按下式計(jì)算:

式中:D——為空孔直徑，120 mm;

n——補(bǔ)償系數(shù)，由于工程所在位置的礦巖松散系數(shù)為1.6，考慮到孔偏和巖礦的粘結(jié)性，如取為0.6，則可能造成實(shí)際的槽腔面積減小，甚至形成再生巖，把槽腔堵死，故在此n取為0.75;

d——第一響掏槽孔孔徑，60 mm。

計(jì)算得到L=287.97 mm，取為250 mm。則炮孔布置方案如圖1所示。

圖1 炮孔布置

2.1.4 堵塞長度

根據(jù)礦山實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于炮孔堵塞長度要小于

式中:d——孔徑，dm;

Δ——裝藥密度，取1 kg/dm;

τ ——深孔裝藥系數(shù)，取 0.7;

m——深孔裝藥密集系數(shù)，對(duì)于平行孔，取0.8 ～1.1，現(xiàn)取1;

q——單位炸藥消耗量，取值 0.84 kg/m3。

對(duì)于炮孔上端堵塞長度取為0.5 m，而對(duì)于下端，在打炮孔時(shí)留0.3 m高度的巖石不穿透，既可減少鑿巖量，也可以利用巖石本身的強(qiáng)度提高填塞效果。故設(shè)計(jì)0#孔深度為為10 m，1#～10#孔深度均為9.7 m。

2.1.5 裝藥量計(jì)算

根據(jù)工程實(shí)踐對(duì)掏槽孔1#～4#、輔助孔5#～7#、周邊孔8#～11#取不同值的裝藥系數(shù)，根據(jù)裝藥系數(shù)確定單孔裝藥量、裝藥線密度及裝藥總量，見表1。其最小抵抗線的長度，約為(0.4～0.5)W，而該礦上目前沒有最小抵抗線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能根據(jù)下式進(jìn)行估算:

表1 炮孔裝藥量參數(shù)

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)及爆破順序

采用2#巖石自制卷裝炸藥，藥包規(guī)格為Φ 50 mm×200 mm，單卷炸藥重量400 g。

2.2.1 裝藥結(jié)構(gòu)

槽孔采用間隔裝藥，根據(jù)抵抗線和自由面大小，所有炮孔均采用空氣間隔裝藥(不同類型炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，其中所用竹筒長度均為100 mm，但其數(shù)量不一樣，見圖2)，并在裝藥全長敷設(shè)導(dǎo)爆索。均從上分段聯(lián)絡(luò)道中裝藥，起爆藥包均置于底部倒數(shù)第二卷藥中，并在炮孔全高敷設(shè)導(dǎo)爆索，采用雙導(dǎo)管起爆方式連線。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)

2.2.2 起爆順序

本方案采用螺旋掏槽方式對(duì)天溜井掏槽(見圖1)。設(shè)計(jì)中為了保證有足夠的補(bǔ)償空間，對(duì)每段次爆破都進(jìn)行了補(bǔ)償系數(shù)校正，同時(shí)為了充分利用每個(gè)炮孔，將掏槽孔布置在天井靠近短邊的位置。

起爆順序按照炮孔布置參數(shù)圖(見圖1)中設(shè)計(jì)的順序進(jìn)行。為保證爆破質(zhì)量，采用毫秒微差爆破，段位設(shè)計(jì)見表1。雷管選用礦山常用延期雷管，連續(xù)段位間隔為25 ms。

3 ANSYS靜壓數(shù)值模擬分析

工程爆破屬于一種瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，在采用靜力學(xué)分析工程爆破作用，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換(瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以用來確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。載荷和時(shí)間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較重要。如果慣性力和阻尼作用不重要，就可以用靜力學(xué)分析代替瞬態(tài)分析)。根據(jù)ANSYS中瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的解算方案分析降低計(jì)算的復(fù)雜程度，在該爆破方案中采用靜力學(xué)代替瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)。

3.1 靜壓計(jì)算

參照炸藥的爆轟理論及熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)可以得到每個(gè)炮孔起爆后作用后炮孔表面的壓力，見表2。

表2 起爆后作用后炮孔表面的壓力

3.2 模型建立

據(jù)以上設(shè)計(jì)并參考有限元分相關(guān)知識(shí)及ANSYS分析軟件教程，該模型屬于平面應(yīng)變問題，可以將模型進(jìn)行適當(dāng)簡化。其體積長×寬×高為250 cm×250 cm×20 cm。炮孔布置具體參數(shù)見圖1。

利用ANSYS本身自帶的建模工具建模，按照上述實(shí)際設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果輸入計(jì)算后顯示警告，警告表明ANSYS在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)下只能支持最大數(shù)據(jù)為1.0×106，在其中單元受力超過上述值之后自動(dòng)結(jié)束計(jì)算。故將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算后的模型受力壓縮103倍后得到以下結(jié)果，見圖3～圖5。

圖3 X平面內(nèi)的拉力

圖4 X平面內(nèi)的壓力

圖5 XY平面內(nèi)剪力

由圖3得出X平面內(nèi)的拉力最大值為4077 kPa;由圖4得出X平面內(nèi)的最大壓力為－133170 kPa;圖5得出XY平面內(nèi)最大剪力為73.2 MPa。而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度為20.6～74.2 MPa，抗拉強(qiáng)度為3.8 ～5.5 MPa，抗剪強(qiáng)度為 2.2 ～3.3 MPa。根據(jù)巖石破碎的原理可以看出，以上裝藥量能都將天井范圍內(nèi)的巖石進(jìn)行充分破碎，從而完成一次爆破成形天井的任務(wù)。

3.3 結(jié)果分析

爆轟理論認(rèn)為，由爆破作用產(chǎn)生的機(jī)械波及強(qiáng)大氣壓使巖石產(chǎn)生大量裂隙，而產(chǎn)生的高壓氣體會(huì)迫使裂隙繼續(xù)發(fā)展至完全破碎。從上述ANSYS結(jié)果圖可以看出，掏槽孔在爆炸后形成強(qiáng)大氣壓下，壓縮直接導(dǎo)致爆破其直徑擴(kuò)大，同時(shí)由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)大拉力，在1～0(空孔)、1～2、2～3、3～4之間出現(xiàn)大量的巖石塑性區(qū)域，對(duì)于掏槽爆破的形成有很大的幫助。從本次ANSYS靜態(tài)分析結(jié)果不難看出，在縮小1000倍后的壓力尚能使巖石產(chǎn)生大量塑性區(qū)域，實(shí)際加載后，其塑性區(qū)域會(huì)增加數(shù)倍，同時(shí)產(chǎn)生的裂隙會(huì)得到充分的發(fā)展，使巖石充分破碎，從而達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

武山銅礦開拓工程所在位置的圍巖中存在大量的地下水，而其天井工程量較大，現(xiàn)有施工方案主要采用普通法掘進(jìn)，但由于工作環(huán)境的惡劣使得工人在天井中作業(yè)困難，從而造成天井掘進(jìn)速度滯后，影響生產(chǎn)，如采用分段一次爆破成形技術(shù)則能很好的解決以上施工難題。經(jīng)過ANSYS結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析之后，一定程度上表明該設(shè)計(jì)能夠一次性爆破成型天溜井，為該技術(shù)在武山銅礦的繼續(xù)研究與應(yīng)用打下基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)解決瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題，在一定程度上降低模擬復(fù)雜程度，同時(shí)能夠反映工程實(shí)際，為以后爆破問題模擬提供借鑒。在將該方案應(yīng)用到武山銅礦天井掘進(jìn)過程中，僅對(duì)其中小部分參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)整，現(xiàn)已經(jīng)很好的完成了360 m中段部分溜礦井及泄水井掘進(jìn)工作。實(shí)踐表明，該參數(shù)對(duì)實(shí)踐具有指導(dǎo)性意義。

[1] 張耀平，曹 平，高賽紅.武山銅礦中深孔爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律的研究[J].有色金屬(礦山部分)，2007，59(6).

[2] 陶頌霖.鑿巖爆破[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1992:145－149.

[3] 萬元林，王樹人.關(guān)于空氣不耦合裝藥初始沖擊壓力計(jì)算的分析[J].爆破，2001，18(1):13 －15.

[4] 李 權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2005:125 －186.

2011－02－10)

馬天義(1987－)，男，湖北恩施人，助理工程師，從事礦業(yè)工程項(xiàng)目管理工作。