露天含水炮孔臺(tái)階爆破數(shù)值模擬與分析

王 浩，張智宇，雷 振，李超強(qiáng)

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 國土資源與工程學(xué)院，昆明650093；3.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093；4.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴陽 550000；5.中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，西安 710038)

隨著露天礦山開采深度不斷加深，大氣降水以及裂隙水無法及時(shí)排除[1-3]，導(dǎo)致炮孔內(nèi)積水嚴(yán)重，含水炮孔爆破后大塊率高、根底多，直接影響后續(xù)礦石鏟裝運(yùn)輸工作效率。因此原有的露天臺(tái)階爆破參數(shù)已不能滿足礦山的正常生產(chǎn)，為保障礦山安全、高效率開采，研究含水炮孔條件下臺(tái)階爆破參數(shù)已成為解決該問題的關(guān)鍵。

諸多學(xué)者對(duì)含水炮孔爆破展開了較為深入的研究，王冬兵[4]通過現(xiàn)場水孔爆破研究，得出含水巖層中，水耦合裝藥爆破可以降低孔壁應(yīng)力，降低粉碎區(qū)范圍，提高爆炸能量利用率；梁向前等[5]通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，得出水介質(zhì)爆破具有減震降耗和減少飛石的效果；楊海濤等[6]通過空氣耦合裝藥及水介質(zhì)耦合裝藥爆破模型試驗(yàn)，得出在藥量相同的條件下，水介質(zhì)爆破的粒度更加均勻，爆破作用強(qiáng)度大、能量利用率高；米中陽[7]通過模型試驗(yàn)研究，得出不同不耦合系數(shù)下水孔爆破模型塊度及爆腔體積的變化規(guī)律；張瑋等[8]通過有限元對(duì)水孔爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了應(yīng)力波在水孔中的傳播規(guī)律；張忠和等[9]通過LS-DYNA有限元軟件模擬了水下爆破破冰過程，得到水下沖擊波壓力對(duì)冰層的破壞起主要作用；朱飛昊等[10]通過ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，建立了水和空氣不耦合裝藥的松軟煤體爆破模型，得出了水不耦合裝藥爆破改善了爆破效果，減少事故的發(fā)生；還有眾多學(xué)者[11-13]論證了水介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，成功利用水介質(zhì)能有效傳遞能量以及不可壓縮的特性，證明水介質(zhì)用于爆破的可行性。

可見，目前對(duì)水介質(zhì)爆破研究的方法及思路已經(jīng)較為成熟。為了改善晉寧磷礦因孔內(nèi)積水而導(dǎo)致爆破效果不理想的情況，本文通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，將模擬所得最佳孔網(wǎng)參數(shù)在積水嚴(yán)重的九號(hào)坑內(nèi)開展現(xiàn)場臺(tái)階爆破試驗(yàn)，以此改善露天礦含水炮孔爆破效果。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 臺(tái)階模型

本次模擬臺(tái)階模型如圖1所示，臺(tái)階模型長×高=1 000 cm×1 000 cm，臺(tái)階縱向長度為1 580 cm，臺(tái)階斜面傾角φ=60°，炮孔直徑Φ=150 mm。考慮實(shí)際爆破為毫米延期爆破，起爆點(diǎn)非爆破臺(tái)階中心炮孔，故本次模擬建立整個(gè)實(shí)體模型。臺(tái)階斜面及臺(tái)階上平面采用自由邊界條件，其余面采用無反射邊界約束。對(duì)臺(tái)階模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，炸藥和水采用歐拉網(wǎng)格建立模型，巖石與填塞材料采用拉格朗日網(wǎng)格建立模型，臺(tái)階模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，模型單元網(wǎng)格劃總數(shù)共198 211個(gè)。建模過程中單位均采用mm-kg-μs制式，且材料值在換算過程中需注意單位的統(tǒng)一。

圖1 露天臺(tái)階模型Fig.1 Model of strip mine bench

圖2 露天臺(tái)階劃分網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh generation model of strip mine bench

1.2 材料模型選擇

本次數(shù)值模擬計(jì)算采用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)軟件，因其能模擬真實(shí)世界二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆破等問題而被廣泛應(yīng)用至現(xiàn)代的動(dòng)力學(xué)計(jì)算中。該軟件具有許多優(yōu)點(diǎn)，不僅材料模型豐富并且可根據(jù)實(shí)際問題自定義材料屬性；且該軟件單元?jiǎng)澐诸愋捅姸啵蓾M足各種實(shí)體結(jié)構(gòu)以及薄壁結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分需要；在進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算時(shí)，可通過直接修改K文件的方式修正存在的錯(cuò)誤與減少二次建模的時(shí)間。

1)巖石材料模型

本次數(shù)值模擬主要研究飽和巖石在爆破沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而巖石力學(xué)特性在飽和狀態(tài)下服從水—巖相互作用機(jī)理，巖體內(nèi)部裂隙水會(huì)施加動(dòng)、靜荷載而改變白云巖原有力學(xué)特性[14]，故巖石的材料模型選擇適用于運(yùn)動(dòng)塑性與各向同性的*MAT_003號(hào)材料，即*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。本次數(shù)值模擬以白云巖作為研究主體，其巖石飽和狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 飽和白云巖力學(xué)參數(shù)

2)炸藥材料模型

選用LS-DYNA材料庫中的高性能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN描述炸藥的物理化學(xué)性質(zhì)，高性能炸藥起爆后，爆轟產(chǎn)物傳遞行為將導(dǎo)致炸藥單元體內(nèi)部壓力與體積的變化，引入JWL狀態(tài)方程衡量爆轟后系統(tǒng)內(nèi)部物理量之間的關(guān)系，該方程可較為精確地描述爆轟產(chǎn)物膨脹驅(qū)動(dòng)做功的過程。

(1)

式中：P—爆轟產(chǎn)物系統(tǒng)內(nèi)的壓力值；A、B、R1、R2、w為與模型材料相關(guān)的待定常數(shù)；E0—單位體積爆轟產(chǎn)物初始比內(nèi)能；V—爆轟產(chǎn)物體積與初始體積之比。選用1#巖石乳化炸藥，其參數(shù)見表2。

表2 1#巖石炸藥參數(shù)

3)堵塞材料模型

考慮礦山實(shí)際堵塞材料為黏土材質(zhì)，即堵塞的材料模型同樣選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，其力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 黏土力學(xué)參數(shù)

4)水和空氣材料模型

本次模擬將空氣簡化為無黏性理想氣體，水和空氣材料模型采用常用的*MAT_009號(hào)空材料模型即*MAT_NULL，該材料模型并非用于建立結(jié)構(gòu)的部分，僅用于模擬接觸。水和空氣采用*EOS_LINEAR_POLYNOMAL線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程進(jìn)行定義。

2 模擬計(jì)算及分析

2.1 計(jì)算模型

本次模擬在巖石性質(zhì)、炸藥、堵塞材料、底盤抵抗線均不變的情況下，基于礦山系列爆破漏斗試驗(yàn)，僅改變孔距與排距的大小。分別建立了排距為3 m和4 m，孔距為5、6、7 m的6組數(shù)值模擬計(jì)算模型，本次模擬起爆方式為微差延時(shí)逐孔起爆，根據(jù)孔間延時(shí)65 ms，排間130 ms，設(shè)置模擬計(jì)算總時(shí)長為260 ms，計(jì)算步長為0.1 ms。計(jì)算模型參數(shù)如表4所示。

表4 計(jì)算模型參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

將6組數(shù)值計(jì)算模型K文件分別加載至ANSYS中的LS-DYNA Solver進(jìn)行求解，并將求解所得到的D3plot文件用LS-Prepost軟件進(jìn)行后處理分析，觀察分析不同時(shí)刻爆炸應(yīng)力波的傳遞過程以及特定單元點(diǎn)的有效應(yīng)力。選取不同時(shí)刻的有效應(yīng)力云圖，查看爆炸應(yīng)力波的傳遞過程發(fā)現(xiàn)，隨著排間距的增加，相鄰炮孔周圍有效應(yīng)力存在下降趨勢(shì)，即相鄰炮孔間應(yīng)力波疊加效應(yīng)減小。為更好地選擇合適的孔網(wǎng)參數(shù)，在各個(gè)臺(tái)階模型底盤抵抗線上取特定單元，記錄底盤抵抗線上巖石有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，比較不同單元的有效應(yīng)力場，圖3、圖4列舉了部分選取單元有效應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線。得到了不同孔網(wǎng)參數(shù)下所選單元的最大有效應(yīng)力，具體情況如表5與表6所示。

圖3 排間距為400 cm、孔間距為600 cm時(shí)有效應(yīng)力時(shí)間曲線Fig.3 The effective stress time curve when the row spacing is 400 cm and the distance between holes is 600 cm

圖4 排間距為400 cm、孔間距為700 cm時(shí)有效應(yīng)力時(shí)間曲線Fig.4 The effective stress time curve when the row spacing is 400 cm and the distance between holes is 700 cm

表5 排間距為300 cm時(shí)所選取單元最大有效應(yīng)力

表6 排間距為400 cm時(shí)所選取單元最大有效應(yīng)力

從表5可看出，在排間距為300 cm，孔間距為500、600和700 cm的3個(gè)模型中，其單元有效應(yīng)力為飽和狀態(tài)下白云巖屈服強(qiáng)度的1.69倍、1.48倍與1.36倍，均遠(yuǎn)大于巖石屈服強(qiáng)度，即該單元處巖石可能出現(xiàn)粉質(zhì)破碎或者拋擲現(xiàn)象，與礦山實(shí)際生產(chǎn)需求不符。從表6可以得出，在排間距為400 cm的條件下，隨著孔間距的不斷增加，所選取單元的有效應(yīng)力值反而不斷減小，并且在孔間距為700 cm時(shí)，選取的100 852單元的最大有效應(yīng)力值為16.16 MPa，低于巖石的屈服強(qiáng)度，說明此時(shí)該單元點(diǎn)處的巖石并未發(fā)生破碎；孔間距為600 cm時(shí)，單元最大有效應(yīng)力與巖石屈服強(qiáng)度接近，即此時(shí)的巖石已開始破碎，且破碎塊度適中，利于后續(xù)鏟裝作業(yè)，符合礦山實(shí)際生產(chǎn)需求；當(dāng)孔間距為500 cm時(shí)，此時(shí)單元最大有效應(yīng)力值為巖石屈服強(qiáng)度的1.56倍，巖石破碎塊度與生產(chǎn)要求不符。從整體數(shù)據(jù)分析可知，在排間距、巖石性質(zhì)、炸藥等條件一定的情況下，孔間距的大小存在臨界值，在低于臨界值以前，坡底抵抗線選取單元有效應(yīng)力值增幅較小；超過臨界值，單元有效應(yīng)力值遠(yuǎn)大于巖石屈服強(qiáng)度，相鄰炮孔爆破后應(yīng)力波發(fā)生疊加，導(dǎo)致巖石發(fā)生粉質(zhì)破碎以及巖石拋擲的現(xiàn)象；在孔間距、巖石性質(zhì)、炸藥等條件一定的情況下，隨著排間距的增加，單元的有效應(yīng)力值呈下降趨勢(shì)，即相鄰炮孔爆破后應(yīng)力波疊加效應(yīng)減弱。因此看來，在其他條件一定的情況下，改變臺(tái)階爆破的孔間距與排間距均改變了爆炸應(yīng)力波的疊加效果，綜合考慮單元最大有效應(yīng)力，建議采用600 cm×400 cm的孔網(wǎng)參數(shù)。

3 生產(chǎn)試驗(yàn)及結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)模擬結(jié)果和礦山實(shí)際狀況，本次爆破試驗(yàn)選取地質(zhì)巖性相符、孔內(nèi)積水嚴(yán)重的九號(hào)坑中部2120平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)臺(tái)階高度10 m，孔間距600 cm，排間距為400 cm，選用1#巖石乳化炸藥，單孔藥量60 kg，炮孔深度10 m，孔徑為150 mm，裝藥高度4 m，孔間延時(shí)65 ms，排間延時(shí)130 ms，裝藥方式為耦合裝藥。參數(shù)改進(jìn)后爆破效果與改進(jìn)前爆破效果對(duì)比如圖5所示，可見試驗(yàn)爆破效果良好。為了量化改進(jìn)后的爆破效果，對(duì)反應(yīng)爆破效果的大塊率、炸藥單耗等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表7所示，研究分析發(fā)現(xiàn)大塊率較改進(jìn)前下降20.6%，塊度適中，爆堆松散程度良好，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3，采場開采成本降低、開采能力提高，礦山經(jīng)濟(jì)效應(yīng)得到明顯改善。

圖5 爆破效果對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of blasting effect

表7 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)晉寧磷礦炮孔積水情況，設(shè)置了6組不同爆破參數(shù)的計(jì)算模型，通過對(duì)比分析底盤抵抗線上特定單元最大有效應(yīng)力，得到含水炮孔的最佳孔網(wǎng)參數(shù)，并將模擬所得結(jié)果用于現(xiàn)場含水炮孔臺(tái)階爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合礦山生產(chǎn)需求。

1)在巖石性質(zhì)、炸藥等條件一定的情況下，改變臺(tái)階爆破的孔間距與排間距均改變了爆炸應(yīng)力波的疊加效果，孔間距、排間距的大小存在臨界值，低于臨界值時(shí)選取單元有效應(yīng)力值增幅較小。

2)分析6組不同孔網(wǎng)參數(shù)臺(tái)階爆破模擬結(jié)果，考慮單元最大有效應(yīng)力，得到最佳孔間距為600 cm、排間距為400 cm。

3)將數(shù)值模擬所得孔網(wǎng)參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場爆破工程，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)大塊率較改進(jìn)前下降20.6%，爆堆松散程度良好，塊度適中，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3。