羅山金礦拱形光面控柱技術及其效果機理

劉景山

(招遠市中礦金業股份有限公司羅山金礦)

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羅山金礦拱形光面控柱技術及其效果機理

劉景山

(招遠市中礦金業股份有限公司羅山金礦)

摘要羅山金礦拱形光面控柱技術的應用，有效降低采場大塊率，壁面較平整，同時降低了浮石，增加了安全性，降低了支護成本。基于常規爆破與拱形光面控柱技術爆破的時空模擬結果，從3個方面解釋了光面爆破效應決策因素。結果表明：光面爆破的能量有效使用率高、應力與擾動較小。

關鍵詞光面控柱技術大塊率支護成本光面爆破

1采礦工藝

羅山金礦屬玲瓏金礦床的一支，為171#礦脈的一部分，礦體平均厚60 m，傾角38°～50°，走向NE45°，中等穩固[1]。結合礦體產狀及環境特征，應用盤區式機械化上向水平分層充填法回采。中段高度40 m，每中段5個盤區，每盤區6個采場，采場平均寬8 m，礦柱平均厚4 m，一次性落礦高度1.8～2 m，控頂高度4.5 m，采場充填結束后留2～2.2 m高度空間。采場參數布置見圖1。

圖1　采場布置示意

2拱形光面控柱爆破技術

隨著淺部資源的逐步消耗，資源回采逐步邁向深部，隨著采深的增加，采場礦壓增大，同時由于局部節理發育，個別地段出現冒頂片幫現象。為提高采場頂板穩定性，較少浮石，現場設計出拱形光面控柱采礦技術，應用光面爆破技術[2-3]形成光面拱型控柱技術，以提高綜合效益，增加安全性，減少貧損及支護成本。炮孔對稱布置，分3排爆破，自上而下依次為光面孔、控制孔、爆破孔，爆破時上向依次爆破。應用間隔及不耦合裝藥，爆破孔與控制孔裝藥長度為60%，光面孔孔口與孔底分別裝1管炸藥。現場檢驗效果表明，拱形光面控柱爆破技術具有采場塊度較好、頂板邊幫完整、浮石較少等優點。炮孔布置見圖2。

圖2　拱形光面控柱爆破結構

3拱形光面控柱爆破效果機理

3.1模型建立

根據回采爆破參數，基于LS-DYNA[4-5]軟件建立了由炸藥、礦石、覆巖組成等比例的準二維模型，模型采用六面體單元，共用節點算法，如圖3所示。為描述無限巖體的情形，在模型上部與兩側均施加無反射邊界，模型底部為自由面，準二面施加對稱約束。

圖3　有限元單元網格

3.2材料參數3.2.1礦巖參數

礦體材料選用塑性隨動模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，主要物理參數見表1。

表1　礦巖主要物理力學參數

3.2.2炸藥參數

選用高能炸藥模型(MAT HIGH EXPLOSIVE BURN)，結合描述爆轟產物壓力、體積的JWL狀態方程計算爆轟過程中的壓力。JWL狀態方程可表示為

式中,ρ為壓力，GPa；V為相對體積；E0為初始內能密度，GJ/m3；A、B、R1、R2、ω等參數由試驗確定。

本研究確定的炸藥參數見表2。

表2　炸藥參數

對于光爆層，為減小裝藥量，炸藥密度改為600 kg/m3。

3.3應力時程分析

爆炸過程的應力時程變化情況見圖4、圖5。由圖4、圖5可知：常規參數下，各炮孔彼此間的應力場較獨立，對上層回采擾動較大，自由面較不規整，而采用光面爆破[6-8]的光爆層彼此貫通，形成了完整的拉裂隙，上層回采自由面較平整。

圖4　常規應力時程變化

圖5　光面爆破應力時程變化

上層未采礦體受爆破應力的影響較大，圖6為采礦體典型單元等效應力的時程分布情況。由圖6可知，3段爆破分別引起各自峰值，然后應力逐漸衰減，彼此未出現明顯干擾，25 ms微差足以為后段爆破形成新的自由面，3段爆破中，尾段對上層礦體擾動最大，最大有效應力超過200 MPa，接近巖石的動態抗壓強度。

3.4眉線應力分布規律

分別記錄上層礦體炮孔正上方和2個炮孔中心單元的最大等效應力，依次分析其沿眉線的分布規律，記錄位置見圖7，各單元最大等效應力分布見表3。由表3可知：采用常規參數的最大等效應力大于光爆參數，這是由于在常規參數下，炮孔均采用連續裝藥，裝藥線密度較大，對上層礦體應力擾動較大，而光爆層的炮孔采用不耦合裝藥，藥量較小，釋放能量較均勻且較小。與此同時，由于相鄰兩炮孔應力波發生疊加，炮孔連線中點上方的等效應力大于炮孔正上方的應力。

圖6　等效應力時程

圖7　單元位置

表3各單元最大等效應力

MPa

將煤孔正上方和連線中點上方的應力視為應力差異典型單元，進而得到眉線的應力分布規律，見圖8。由圖8可知：光面爆破的眉線應力較常規爆破小，且更為均勻，應力波動性顯著減少，眉線破壞較少，從而導致其半孔率更高。

圖8　眉線應力分布規律

4結語

為探究羅山金礦拱形光面控柱技術的效果機理，采用LS-DYNA軟件對常規爆破與拱形光面控柱

技術爆破進行了模擬分析，分別從應力時程曲線、等效應力、眉線應力分布規律等3個方面對光面爆破效果的優越性進行分析，結果表明：①光面爆破層的密布炮孔導致最后1段爆破的爆破層彼此貫通，形成了完整的拉裂隙，上層回采自由面較平整；②光面爆破的裝藥結構使得爆破能量的相互作用更為合理， 爆炸能力均勻，且振動偏小，對非爆破體的擾動與破壞較小；③光面爆破的眉線應力分布較均勻，且眉線應力較常規爆破顯著偏低，故產生眉線破壞較少，半孔率更高，爆破面更平整。

參考文獻

[1]李金奎，孫希端，王遠東，等.招遠市羅山金礦斷裂構造的控礦作用[J].黃金，1998(5)：15-16.

[2]宗琦，陸鵬舉，羅強.光面爆破空氣墊層裝藥軸向不耦合系數理論研究[J].巖石力學與工程學報，2005(6)：1047-1051.

[3]彭剛健.巖體巷道光面爆破參數的分析與應用[J].中國礦業，2009(10)：103-106.

[4]吳賢振，尹麗冰，劉建偉，等.基于LS-DYNA的臨近采空區多段爆破微差時間優化研究[J].爆破，2015(1)：87-92.

[5]王振毅，李靜，胡銳.基于LS-DYNA的某鄰近洞室爆破振動模擬分析[J].爆破，2010(1)：104-106.

[6]俞楊明，祁建東，葉昀，等.利用數值模擬技術優化光面爆破炮孔間距[J].金屬礦山，2013(8)：38-41.

[7]宇文惠鑫.炮孔雙介質不耦合裝藥斷裂控制爆破理論研究與數值模擬[D].太原：太原理工大學，2006.

[8]郭雄，王貽明，周升平，等.現場混裝乳化炸藥在巷道高效光面爆破中的應用[J].現代礦業，2014(8):18-21.

(收稿日期2015-12-28)

劉景山(1972—)，男，副礦長，助理工程師，265400 山東省招遠市城南東區。