露天采石場(chǎng)中深孔爆破布孔方式優(yōu)選

劉祖平 胡世士 魏 巍

(葛洲壩武漢道路材料有限公司)

中深孔爆破技術(shù)開采能力大，生產(chǎn)效率高，是露天采石場(chǎng)剝離的主要開挖方式。大規(guī)模臺(tái)階爆破后的碎石在爆力作用下于自由面拋擲，崩落石料的塊度分布及爆堆位置直接影響了機(jī)械設(shè)備的鏟裝效率[1]。最大段起爆藥量、起爆段數(shù)、微差時(shí)間、裝藥結(jié)構(gòu)、布孔方式等參數(shù)是影響爆破振動(dòng)、破碎塊度、爆堆分布的主要因素[2-4]。露天臺(tái)階爆破中應(yīng)合理控制爆破參數(shù)，將爆破次生災(zāi)害的影響降至最小[5]。本研究根據(jù)某水泥廠露天采石場(chǎng)實(shí)際工況，通過(guò)分析碎石塊度分布及塊石拋擲距離分布規(guī)律，對(duì)最優(yōu)布孔方式進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模型

1.1 工程背景

某水泥廠的露天采石場(chǎng)開采山體高約45 m，分為4個(gè)臺(tái)階自上而下進(jìn)行開采，預(yù)計(jì)總工程量為120萬(wàn)m3。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育，構(gòu)造節(jié)理大部分較平直，大部分無(wú)充填物，少量充填方解石脈或黏土質(zhì)。礦區(qū)屬低山丘陵地貌，地形地貌簡(jiǎn)單，礦體形態(tài)較規(guī)則，產(chǎn)狀分布較穩(wěn)定，巖性主要為石灰?guī)r。礦區(qū)地形有利于排水，主要含水層為碳酸鹽巖，巖溶裂隙含水層富水性弱，礦體最低開采標(biāo)高高于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，礦區(qū)水文地質(zhì)條件為簡(jiǎn)單型。采坑邊坡以堅(jiān)硬—半堅(jiān)硬的工程地質(zhì)巖類為主，硬度系數(shù)f=7.0，巖石穩(wěn)固程度相對(duì)較高，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。爆破區(qū)域的工程特點(diǎn)主要有：①距離居民區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路、村高壓線較近，對(duì)飛石、振動(dòng)等危害效應(yīng)控制的技術(shù)要求高，須采用微差延時(shí)控制爆破技術(shù)；②爆破區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨水充足；③爆炸物品需要量大，對(duì)爆炸物品的管理要求高。根據(jù)該山體地形狀況和周圍環(huán)境，設(shè)計(jì)主體采用中深孔臺(tái)階爆破方案，露天礦臺(tái)階最大高度為15 m，坡角70°，采用微差延時(shí)爆破，裝藥孔直徑為90 mm。布孔方式有垂直深孔與斜向深孔2種(圖1)。

圖1 炮孔布置方式

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建

截取500 cm高臺(tái)階，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案，抵抗線取300 cm，構(gòu)建了“準(zhǔn)三維”數(shù)值模型，所有節(jié)點(diǎn)施加Z向(垂直向內(nèi))位移約束(圖2)。模型左側(cè)、下方與圍巖接觸，為模擬無(wú)限大空間設(shè)置無(wú)反射邊界。臺(tái)階頂部及坡面設(shè)置自由邊界，爆破后塊石將沿自由面拋擲形成爆堆。

圖2 數(shù)值模型及邊界條件

1.3 材料參數(shù)

本研究將巖石及炸藥簡(jiǎn)化為各向同性材料，巖石采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC彈塑性材料模型[6-9]。該模型未考慮應(yīng)變率，是一種雙線性隨動(dòng)硬化模型。材料應(yīng)力應(yīng)變特性通過(guò)2個(gè)斜率(彈性和塑性)來(lái)表示，本構(gòu)方程為

式中，E為彈性模量;σy為屈服應(yīng)力;H為應(yīng)變硬化指數(shù)；ε為加載應(yīng)變率。

對(duì)于金屬材料而言，多采用隨動(dòng)強(qiáng)化或等向強(qiáng)化模型，對(duì)于巖土材料的靜力學(xué)求解問(wèn)題求解多采用等向強(qiáng)化模型，混合硬化或隨動(dòng)硬化模型一般用于求解動(dòng)力問(wèn)題或循環(huán)加載問(wèn)題。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

采用JWL方程表征乳化炸藥的力學(xué)行為[8-10]：

式中，P為爆轟壓力;V為相對(duì)體積；E為單位體積內(nèi)能；ω、A、B、R1、R2為材料常數(shù)(表2)。

表2 乳化炸藥材料參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)速度

露天臺(tái)階爆破具有2個(gè)自由面，即臺(tái)階坡頂與臺(tái)階坡面。臺(tái)階巖體在爆力作用下，破碎塊石將沿自由面拋擲形成爆堆。為提高鏟運(yùn)設(shè)備的鏟裝效率，應(yīng)控制爆破參數(shù)使得破碎塊度相對(duì)均勻，并且塊石拋擲后形成的爆堆相對(duì)集中。等間距選取了臺(tái)階表面節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，并提取了其振動(dòng)合速度峰值，如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)速度

本研究數(shù)值模型為“準(zhǔn)三維”數(shù)值模型，不考慮Z向速度，故關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)速度為X、Y向速度合成量。斜向深孔同一位置的節(jié)點(diǎn)速度普遍大于垂直深孔，表明爆力作用下斜向深孔布孔方案的巖體動(dòng)力響應(yīng)更為明顯，更有利于巖體破碎。垂直深孔布孔方案中抵抗線自孔底向孔口呈減小趨勢(shì)，孔底近區(qū)抵抗線較大，巖體對(duì)爆炸載荷具有更明顯的夾制作用，因此靠近坡角位置的節(jié)點(diǎn)速度較小。斜向深孔的節(jié)點(diǎn)速度均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別為12 334.43，4 687.60 cm/s；垂直深孔的節(jié)點(diǎn)速度均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別為10 131.16，5 147.55 cm/s，表明塊石沿自由面拋擲后，落地位置較為集中。

2.2 破碎塊度

炸藥爆炸時(shí)釋放大量的能量，其中很大一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楸☉?yīng)力波，并以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方式向外傳播。爆炸應(yīng)力波在介質(zhì)中不斷傳播，隨著距離持續(xù)增大，波陣面也在不斷擴(kuò)大，由于介質(zhì)都具有一定的阻尼，不斷吸收波的能量，降低其壓力，導(dǎo)致爆炸應(yīng)力波在傳播過(guò)程中能量和振速不斷減小。爆炸載荷作用下巖體內(nèi)部微裂紋及節(jié)理活化，裂紋及節(jié)理擴(kuò)張后交錯(cuò)切割巖體產(chǎn)生塊石。露天臺(tái)階爆破工程中2個(gè)自由面對(duì)巖體破碎極為有利，巖體抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)爆炸應(yīng)力波傳播至坡頂及坡面時(shí)反射產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波，在拉伸應(yīng)力波作用下更有利于巖體破碎。炮孔右側(cè)靠近坡面的部分如圖4所示，黑色區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力超過(guò)巖石動(dòng)抗拉強(qiáng)度被刪除的單元。臺(tái)階坡頂位置黑色區(qū)域較大，表明來(lái)自2個(gè)自由面的反射拉伸應(yīng)力的波疊加作用較明顯。垂直深孔爆破方案中孔底近區(qū)抵抗線相對(duì)較大，故巖體破碎塊度也相對(duì)較大。斜向深孔與臺(tái)階坡面平行，其抵抗線沿炮孔軸向無(wú)變化，巖體破碎塊度明顯的較垂直深孔更為均勻。

圖4 破碎塊度

3 結(jié) 語(yǔ)

采用了ANSYS數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)某水泥廠的露天采石場(chǎng)臺(tái)階爆破布孔方式進(jìn)行了優(yōu)選。研究表明：平行于臺(tái)階坡面的斜向深孔布孔方式更有利于巖體破碎，且爆破后破碎塊度分布均勻，塊石拋擲距離更為集中，故推薦該露天采石場(chǎng)采用斜向深孔布孔方式。