復雜環境露天礦爆破參數優化研究*

王冠,張寶崗,駱天,李振陽

(1.北方礦業有限責任公司,北京 100053;2.北京奧信化工科技發展有限責任公司,北京 100040)

0 引言

露天礦臺階爆破作為露天開采工藝的重要一環,爆破參數的合理性直接決定爆破安全、質量及作業效率,影響后續鏟裝、運輸作業的效率,爆破塊度的大小也直接影響后續選礦作業的經濟性,對露天礦山的安全及高質量發展意義重大[1-4]。近年來,大量學者對爆破參數進行了優化研究,饒運章等[5]通過正交試驗及經驗公式等方法優化了某露天礦爆破參數;許名標等[6]采用ANSYS/LS-DYNA 數值模擬得出了不同炮孔直徑對應的理想爆破參數;鄭位等[7]采用模糊聚類分析優化了露天礦爆破參數;張衛中等[8]基于最優傳遞矩陣改進AHP法,研究獲得了露天礦最佳爆破參數。LK 露天銅鈷礦位于剛果(金)科盧韋齊市,礦區水文地質條件復雜,采場內地下水極為豐富。隨著開采深度的逐漸增加,采坑涌水量也大幅增加,導致采坑排水壓力較大。由于坑底排水設備較多,且移動不便,因此在爆破過程中對飛石控制要求較高。同時,礦石區域的爆破對爆破塊度要求較高,因此,對采場底部礦石區爆破參數進行優化研究具有重要意義。

1 工程概況

LK 礦區處于剛果(金)南東部的加丹加高原,海拔標高在1470～1550 m 之間,地勢平坦,區內僅有一些小山丘,最高海拔標高為1535 m,北西部最低海拔標高為1478 m,南東部最低標高為1390 m。礦區所在地屬溫和熱帶草原氣候,每年11月至次年4月為雨季、5 月至10 月為旱季。年平均降雨量為1250 mm,最大瞬時雨量為80～100 mm。年平均蒸發量為1671 mm。LK 露天銅鈷礦采場臺階高度設計為12 m,礦石硬度較大,穿孔孔徑為152 mm,鉆機設備型號為阿特拉斯FD55,目前采場底部排水設備較多,且拆卸不便。

2 爆破參數方案優化

礦區原設計的爆破參數炮孔布置如圖1 所示。由圖1可知,相鄰排間的排距為4 m,孔間間距為5 m,起爆方式為間隔逐孔起爆,排間間隔25 ms,孔間間隔17 ms,起爆順序如箭頭所示,詳細的爆破參數見表1。

表1 原設計爆破參數

圖1 原炮孔布置

由于礦石裂隙孔洞發育,爆破后孔口區域飛石較多,在距離排水管路、電纜、水泵等設備較近的爆區進行爆破作業時,若仍采用原設計的爆破參數,爆破產生的飛石勢必對排水管路、電纜及相關設備造成損傷,因此,需要增大填塞高度。但由于礦石較為堅硬,若填塞高度過大,爆破產生的大塊率較高,將對后續鏟裝工作造成極大的不便。

此外,由于礦石裂隙、孔洞較多,鉆孔孔壁質量極差,坑底涌水較大且均為水孔,爆破時選用混裝乳化炸藥。采用混裝乳化炸藥車進行裝藥,將輸藥管插入炮孔底部進行裝藥作業,混裝乳化炸藥車裝藥效率高、安全性好。混裝乳化炸藥裝入炮孔之后,需要一定的時間發泡才可以進行填塞,但由于當地員工執行力較差,采用分段裝藥不僅會極大地影響作業效率,而且容易在裝藥過程中出現安全質量問題。同時,剛果(金)當地法律規定,裝藥作業完成當天必須進行爆破,對爆破作業效率要求較高。因此,本次研究提出了一種兼顧爆破作業效率與安全質量的爆破參數設計,即將原爆破參數調整為孔距、排距均為5 m,在4個孔中間增加1個淺孔的爆破設計方案,優化后的炮孔布置如圖2所示。

圖2 優化后的炮孔布置

圖2中,圓圈表示孔深為13 m 的深孔,采用混裝乳化炸藥;菱形表示孔深為5 m 的淺孔,采用乳化藥卷,起爆順序與原方案相同。優化后的詳細爆破參數見表2。

表2 原設計爆破參數

3 模型構建與參數選擇

由于現場爆破試驗施工耗時長,開展現場爆破試驗前,采用數值仿真分析開展優化前后的方案爆破效果評估,對于指導礦山開展現場爆破試驗具有重要的指導意義。因此,本文針對優化前后的參數,采用了LS-DYNA 開展了爆破仿真分析。

3.1 軟件及模型構建

LS-DYNA 非線性有限元軟件是顯式動力學軟件的理論先導,該軟件以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法[9-10];以顯式求解為主,兼有隱式求解功能;以結構分析為主,兼有熱分析、流體、電磁、流體-結構等多物理場耦合功能。LS-DYNA 在隱式計算、S-ALE 流固耦合計算、DEM 離散元、NVH 分析、SPH 粒子法、EFG 無網格法、ICFD 不可壓縮流體及CESE 高速可壓縮流體計算、Peri-Dynamic算法等領域均有較多的應用研究。

根據優化前后的爆破參數方案,設置了如圖3所示的爆破邊界條件。

圖3 爆破邊界條件

3.2 炸藥材料模型

采用HIGH-EXPLOSIVE 模型來描述炸藥的本構關系,并采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態方程(EOS)來描述炸藥體積膨脹與爆炸壓力之間的關系,JWL狀態方程如下[11-12]:

式中,P為炸藥爆炸產生的爆轟壓力;V為爆轟產物的相對體積,E0是爆轟產物的初始比內能;A,B,R1,R2,ω為材料常數。

3.3 巖石材料模型

巖石材料模型采用RHT 本構模型[13],該模型是由Riedel、Hiermaier和Thoma三名學者在HJC(Holmquist-Johnson-Cook) 模型的基礎上提出,引入了偏應力張量第三不變量J3對破壞面形狀的影響,對材料應變類型和應力狀態進行定性判定,并通過屈服面、失效面和殘余強度面對材料的強度進行描述。該模型也常應用于巖石沖擊和爆破模擬損傷本構模型計算。

4 數值計算結果對比分析

利用LS-DYNA 數值模擬軟件分別對原始方案和優化后的方案進行模擬爆破分析,通過巖體損傷裂隙發育情況對兩種方案進行對比分析。各方案模擬情況如圖4、圖5所示。

圖4 原始方案模擬爆破損傷裂隙發育情況

圖5 優化后方案模擬爆破損傷裂隙發育情況

根據爆破破巖機理,巖石的爆破損傷主要是由于爆炸沖擊波傳遞至自由面產生了反向拉伸應力波,從而導致了拉伸破壞。通過圖4和圖5可知,爆破時靠近自由面的位置由于反向拉伸應力的作用,爆破損傷效果更為明顯,而越往后排礦體夾制作用越大,爆破損傷效果也越差。同時爆破時,前排已爆炮孔又為后排炮孔提供了爆破自由面,因此在圖中相鄰段炮孔之間的損傷裂隙較為明顯。

對圖4和圖5分析可知,兩種方案的起爆順序基本一致,損傷裂隙擴展情況也基本一致,而優化后的方案爆破時在排間的損傷裂隙發育情況要明顯優于原始方案,分析可能是由于中間淺孔的存在,為周圍深孔爆破提供了一定的自由面,從而實現了較好的爆破效果。

通過對比圖6兩種方案最終的爆破損傷云圖可知,原始方案雖然是采用了梅花型布孔,但是爆破時在排與排之間仍產生了較大面積弱損傷作用的三角區域。而優化后的方案雖然是矩形布孔且增大了排間距,但通過在排與排之間設置淺孔爆破,淺孔的存在一定程度上為周圍深孔提供了爆破自由面,在較大程度上加大了排間的爆破損傷效果。

圖6 最終爆破損傷效果對比

綜合以上分析可知,從LS-DYNA 模擬爆破得到的結果來看,優化后的方案爆破效果要明顯優于原始方案。

5 現場爆破試驗

5.1 試驗區選取

LK 銅鈷礦礦床內各礦體嚴格受R2地層內的泥質粉砂巖、白云質片巖、白云巖、滑石巖、硅化白云巖控制,銅礦物基本沿層呈散點和沿層理的層紋狀分布。礦體頂、底板界線與圍巖較清晰,易于區分。圍巖與礦體成份基本相同,不同的是含銅、含鈷在數值的差異,即含銅、含鈷達到工業品位的稱為礦體,沒達到的稱為圍巖及夾石。本次爆破試驗區位于PN 采場東部1410～1398 m 階段,礦石為含孔雀石白云巖,銅金屬礦物以孔雀石為主,常以條帶狀或集合體的形式產出,礦石硬度大,節理裂隙較為發育。

5.2 爆破效果評價

圖7顯示了爆破參數優化前及優化后的現場爆破效果。由圖7可知,優化前的爆破塊度均勻性較差,爆破飛石距離遠;優化后的爆破塊度相對均勻,爆堆距離自由面近,僅有少許飛石,并且距離相對較近,不會對排水管道、電纜及設備造成損傷。

圖7 現場爆破效果

通過現場爆破試驗對比可知,與優化前相比,優化后的方案礦石塊度大幅降低,飛石得到了一定程度的控制。雖然穿孔及爆破器材成本稍有增加,但有效保障了當天爆破作業的裝藥效率,避免了爆破飛石對排水設備的損壞,保障了礦山安全、穩定運行。

6 結論

由于LK 礦區采場涌水較大,排水設備不便拆卸,原設計參數在爆破過程中產生的飛石易對排水管道、電纜及設備造成損傷,因此,對LK 礦區爆破參數開展了優化研究,主要研究結論如下。

(1) 在原設計爆破參數方法基礎之上,提出了將孔距、排距調整為5 m,并在相鄰排的4個炮孔中間增加1個淺孔的爆破參數方案。

(2) 采用LS-DYNA 對優化前后的爆破參數方案開展了爆破過程的仿真分析,最終的爆破損傷云圖表明:優化后的方案雖然增大了排間距,但通過排間設置淺孔,一定程度上為周圍深孔提供了爆破自由面,爆破損傷效果較好。

(3) 選取試驗區開展了爆破參數優化前后的現場試驗,與優化前試驗效果相比,優化后的方案礦石塊度大幅降低,飛石得到了一定程度的控制;雖然穿孔及爆破器材成本稍有增加,但有效保障了當天爆破作業的裝藥效率,避免了爆破飛石對排水設備的損壞,保障了礦山安全、穩定運行。