深部采場爆破參數數值模擬設計優化研究

石晨晨

摘要：隨著礦山開采進入深部階段，為了解決現有爆破參數在深部開采時存在爆破效果不理想等問題，保障礦山安全高效的生產，本文基于理論分析和工程經驗，對爆破參數進行了設計優化，并通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行多種方案的數值模擬，對不同參數下的爆破應力場進行分析驗證。模擬計算結果表明：當孔排距為3.0×2.7與3.0×2.8時，炮孔間特定單元有效應力值大于巖石的動態抗拉強度，巖石能夠被破碎，且破碎效果較好，從而確定了最優的爆破參數設計。

Abstract： With the mining enters the deep stage， in order to improve the production efficiency of mine and ensure production safety and aiming at the unsatisfying blasting effects， this paper designs and optimizes blasting parameters of deep stope based on the blasting mechanism and engineering practical experience. Utilizing the numerical simulation of finite element software with ANSYS/LS-DYNA various schemes， analysis validations on the blasting stress field under different parameters are conducted. The simulation results show that： When the holes and rows spacing are 3.0×2.7 and 3.0×2.8， the effective stress of discrete cells between blast holes is bigger than the dynamic tensile strength that rocks can be broken and the blasting effects is better， then confirmed the best blasting parameter design.

關鍵詞：深部開采；爆破參數；數值模擬

Key words： deep stope；blasting parameters；numerical simulation

中圖分類號：TD23 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0116-05

0 引言

隨著國民經濟及相關技術的快速發展，工程爆破技術已廣泛應用于礦山開采，水利水電，公路隧道以及城市拆除等眾多領域。爆破技術的應用極大地提高了礦山企業挖掘和開采作業的勞動效率，降低了勞動強度，而且在一定程度上提高了我國礦產生產能力[1]。但是隨著國民經濟對于礦產資源的需求量日益增大以及地層淺部礦產資源的逐漸減少，采礦向深部發展已成必然趨勢[2]。而深部巖體處于復雜高地應力的力學環境，其具有不同于淺部巖體的特性[3]，使得爆破施工不僅面臨著許多挑戰，而且爆破效果也影響后續出礦等工序的順利進行，礦山生產效率以及開采人員的人身安全[4]。因此，優化深部工程爆破設計已成為亟待解決的問題[5]。

目前，爆破參數優化常用的方法主要有現場實驗、BP神經網絡，遺傳算法、數值模擬等[6-7]。基于ANSYS/LS-DYNA非線性動力分析的數值模擬計算具有經濟，快速，方便等優勢[8]，而且能夠直觀再現爆破過程，且模擬效果較好[9]，因此本文通過理論分析和工程實踐經驗選定不同的爆破參數，并運用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬分析，對礦山深部采場爆破參數進行設計優化。

1 爆破參數確定

1.1 工程概況

目前獅子山銅礦生產工程主要包括獅子山銅礦三期工程中的十五中段和四期工程。四期工程中的十六中段為主采中段，十七中段和十八中段處于開拓掘進階段；現在主要生產區域在十五中段和十六中段“西飄”礦帶。而本文研究的礦體位于十六中段，標高為1187m，距離山頂垂直距離在700m以上，按照目前國內學術界對深部的定義[10]，本文研究的礦體已屬于深部礦體。

十六中段礦體賦存于青灰色、灰白色白云巖地層和紫色板巖夾白云巖地層中，礦體總體走向為N45°～65°E，傾向SE，傾角65°～85°之間；礦體圍巖下盤為青灰色白云巖、紫色板巖夾白云巖和因民組紫色板巖，上盤為灰白色白云巖和紫色板巖，巖體物理力學參數見表1所示，巖石條件如圖1所示。

1.2 爆破參數的設計

孔底距和最小抵抗線是爆破設計中最基本也是最重要的兩個參數 。目前，該礦山爆破施工主要運用的爆破參數有兩種：

①普通法：最小抵抗線W=2.5m、孔底距a=3.0m、密集系數m=1.2。

②大密集系數法：最小抵抗線W=1.5m、孔底距a=5.0m、密集系數m=3.3。如今礦山的生產爆破單耗在1.60kg/m3左右。

爆破參數中的最小抵抗線依據工程中積累的經驗公式與礦山現有炮孔孔徑進行選擇：當單位炸藥消耗量一定時，最小抵抗線和孔徑成正比，最小抵抗線根據被爆巖石情況按照下列公式[11]選取：

在獅子山礦巖石的堅固性系數為6～8，屬于堅硬巖石，故根據上式W取值范圍為2.5m～3m。考慮到礦巖大多為白云巖，因此把W值盡量取小值為2.5m～2.8m。扇形孔孔底密集系數為0.9～1.5，以1.0～1.3較多；孔口密集系數為0.4～0.7。選取密集系數時，當礦石愈堅固，要求的塊度愈小時，應取較小值；反之，應取較大值[12]。礦山中以前運用的爆破參數孔，底距3m，最小抵抗線為2.5m，這種爆破參數單耗太大，不適合使用，因此本文把孔底密集系數m>3/2.5方案不與考慮。考慮礦山生產要求與巖石硬度，取孔底密集系數為1.0

通過對礦山現有爆破參數的分析，結合原有參數下得爆破效果，初步確定爆破參數設計方案如下：（1）a=2.9，b=W=2.6；（2）a=3.0，b=W=2.7；（3）a=3.0，b=W=2.8（4）a=3.1，b=W=2.7；（5）a=3.1，b=W=2.8。其中a為孔底距，單位m；b為排距，單位m；W為最小抵抗線，單位m。

2 數值模擬模型的建立

2.1 數值計算幾何模型

數值模擬計算模型單元采用3D solid164單元類型。模型中設置5個炮孔，呈三角形布置，炮孔內頂部自由面至底部的材料分別為：孔深10m，炮泥填塞、藥柱和預留2m的巖石底部，孔口起爆。模型尺寸、形狀和炮孔布置如表2和圖2所示。

2.2 巖石材料模型

因巖石材料具有復雜性、非均質性以及各向異性等特性，所以當炸藥在巖石中爆炸時，會引起炮孔附近巖體發生非常復雜的應力變化，應變率效應尤為突出[13]。因此巖石材料應選用與應變率相關的塑性隨動硬化材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。由于獅子山銅礦的礦床中主要的巖石為青灰色白云巖、褪色白云巖，為了保證所有巖石在爆破都能破碎，因此選用堅固性系數最大的青灰色白云巖作為研究對象。通過參考相關文獻，結合現有的現場資料，選定巖石具有參數見表3。

2.3 炸藥材料模型

獅子山礦地下回采爆破中均采用2#巖石乳化炸藥，因此對炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。目前在炸藥的數值模擬方面，人們普遍認為JWL方程對描述炸藥的爆轟狀態比較適合，并且在許多的科學研究工作中被采用，并取得了很好的效果。本文同樣采用這一狀態方程。炸藥爆炸壓力P計算采用JWL狀態方程：

3 數值計算結果與分析

3.1 模擬計算方案

文章運用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件建立爆破模型，按照1.2節設計的5種不同的爆破孔網參數進行數值模擬，預測爆破破碎效果，模擬爆破參數如表5所示。本次數值計算采用ALE算法，網格劃分選用映射劃分方式進行漸變劃分，巖體和炸藥之間進行耦合分析[7]，模型網格示意圖如圖3所示，數值模擬的模型方案如表5所示。

3.2 有效應力波傳播過程分析

由于本次模擬目的在于研究分析爆破后巖石的破碎情況，因此對于在不同時刻各個模型中有效應力分布情況不是研究重點，在此僅以2#模型作為分析對象，展示模型不同時刻的應力波傳播分布情況。如圖4所示。

為了觀察應力云圖方便，在LS-Prepost后處理程序中將模型內部有效應力值超過其動態抗拉強度（29.56MPa）的區域設置為紅色顯示。從圖4可以看出，炮孔起爆后應力波由炮孔出呈現圓形向外傳播；35ms，藥柱軸向中心部位處首先產生了應力集中；在50ms時，臨近炮孔間產生應力集中，說明該部分巖石已達到壓縮破壞的條件；到了73ms時，炮孔周圍的巖石有效應力都超過了動態抗拉強度；95ms時，炮口部分與孔內部分的有效應力均大于巖石的動態抗拉強度，爆破漏斗形狀基本形成。應力云圖中紅色區域，該部分巖石被壓縮破壞；介于藍色與紅色區域間的巖石有效應力未超過巖石的動態抗拉強度，表明該部分巖石發生了拉伸破壞，表現為裂隙發展；藍色區域內的有效應力最小，表明該區域未進入塑性狀態，未發生破壞。

3.3 特定單元應力分析

由于扇形孔是不平行的，兩個炮孔之間最大距離處于炮孔的底部，因此只要兩炮孔底部之間的巖石能夠得到良好的破碎，那么其余部分的巖石自然也可以達到良好的破碎效果。本文主要模擬分析在不同孔底距、排距下爆破作用對巖石的破壞情況，以孔間典型單元的應力情況來判別巖石是否發生破壞。為了判斷礦體巖石在不同的孔網參數下能否發生破壞，本文在模型中選取5個典型的單元（如圖5所示），通過分析炮孔間典型單元在不同時刻的有效應力曲線圖，并與巖石的動態抗壓強度做比較來表示該單元處巖石的破壞程度，如果該單元處的應力峰值達到或超過該礦山的深部巖石的動態抗拉強度，那么表示該單元處巖石能夠被破壞；反之則表示該單元處巖石不能被破壞。通過判斷典型單元是否被破壞及破碎程度以確定最優的爆破參數方案。限于文章篇幅，本文僅列出2#模型中典型單元應力時程曲線圖，如圖6，其他各組模型特定單元的應力峰值如表6所示。

由表6模型特定單元有效應力值與圖6應力時程曲線圖可以看出：

①當炮孔孔底距與排距為2.9×2.6時，此時的密集系數m≈1.11。在炮孔底部的孔間應力較大，各個特定單元中的的應力單元的有效應力值大于巖石的動態抗拉強度，這表明該區域巖石能被破碎，且破碎程度較大，但是單元有效應力值過大，存在著過度破碎現象，不符合生產要求。

②當炮孔孔底距與排距為3.0×2.7、3.0×2.8時，此時的密集系數分別為m≈1.11與m≈1.07。從特定單元的有效應力值得分析表中可以看到這兩個模型炮孔底部的特定單元A點、B點以及F點處的單元有效應力值都大于巖石的動態抗拉強度，說明模型中該區域巖石能夠被破碎。而且與炮孔孔距排距為2.9×2.6時的孔間單元處應力相比，可知在一定范圍內，當孔距相同時，隨著排距的增大時，孔間的單元應力會隨之減小。模型的排間特定單元C點、D點、E點處的單元效應力值也都大于巖石的動態抗拉強度，這表明該區域巖石能被破碎，且破碎程度較佳。

③當炮孔孔距排距為3.1×2.7、3.1×2.8時，密集系數為m≈1.15、m≈1.11。從上表中可以看出這個模型炮孔底部的特定單元A點、B點以及F點處的單元有效應力值在巖石的動態抗拉強度附近，有大有小，說明模型中該區域巖石不能夠完全被破碎，可能產生的大塊較多，不利于礦山的連續生產。模型的排間特定單元C點、D點、E點處的單元有效應力值大于巖石的動態抗拉強度，這表明該區域巖石能被破碎。

綜上所述，經過對設計方案的數值模擬計算可知：根據各個方案模型爆破模擬的特定單元的有效應力與獅子山礦采場的礦巖動態抗拉強度對比，最終確定3.0×2.7與3.0×2.8這種爆破設計方案用于指導現場的爆破生產。

4 結論

①結合礦山現有的爆破參數及在深部采場的爆破效果情況，文章通過理論分析給出了5種不同的爆破參數。

②通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對設計的爆破參數進行數值模擬，分析炮孔間特定單元應力值表征巖石的破壞程度，得到了孔排距為3.0×2.7與3.0×2.8兩組合適的爆破參數。

③數值模擬技術可以有效的模擬爆炸過程，并對不同的參數進行分析比較，但是由于現場條件的復雜性，因此還應根據現場爆破條件及爆破效果，及時的調整相關參數，以獲得更好的爆破參數。

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