炸藥爆速對中深孔爆破效果的影響研究

羅黎明，謝經鵬

（1.江西銅業集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224；2.銅陵有色金屬集團控股有限公司技術中心，安徽 銅陵 244000）

1 引言

爆破是礦床開采的主要工藝之一，其效果好壞直接影響礦山的回采效率和經濟效益［1-2］。近年來，中深孔爆破技術因其可減少輔助作業時間，提高單循環進尺等優點，被認為是加快破巖速度最為有效的技術手段之一，也是目前礦山爆破的發展方向，特別是在大型金屬礦山開采中，中深孔爆破更是顯現出其不可替代的優越性［3］。

隨著中深孔爆破技術的不斷發展，國內外學者對于中深孔爆破技術領域的研究在不斷的深入。程真富［4］在總結分析巖巷掘進過程中中深孔爆破效果影響因素的基礎上，以淮北礦業集團為例，提出了適合巖巷掘進中的深孔爆破技術參數，并經工程實踐證明，在該參數下具有較好的爆破效果；趙國彥［5］綜合運用層次分析法和模糊評價法構建了中深孔爆破效果的評價模型，并運用該評價模型對黃沙坪礦中深孔爆破效果進行了定性和定量的綜合評價，找出了中深孔爆破效果的主要影響因素；耿貴剛［6］深入探究了中深孔爆破過程中大塊產生的原因，并根據原因有針對性的提出了降低大塊率的技術措施；鄧飛［7］以千家坪釩礦為研究對象，結合現場爆破漏斗實驗結果，對該礦的中深孔爆破技術參數進行了優化，經工程實踐證明，優化后的技術參數具有良好的爆破效果。雖然中深孔爆破領域的研究眾多，然而，對不同炸藥爆速作用下中深孔爆破效果的研究較少。隨著計算機水平的不斷提高，數值模擬軟件功能越來越完善，結果也越來越可靠，可以很好的認識爆破過程中應力和裂隙的變化情況。因此，本文采用ANSYS/LS-DYNA 爆破分析軟件對不同炸藥爆速作用下中深孔爆破效果進行分析研究，以期為中深孔爆破效果的提升提供方法借鑒。

2 數值計算模型

ANSYS/LS-DYNA 是世界上最著名的通用顯式非線性動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，特別適合求解爆炸沖擊荷載作用下巖體結構的動態響應分析。

為了探索炸藥爆速對中深孔爆破的影響，采用控制變量法進行研究，即將炸藥爆速作為單一變量，其他炸藥參數保持一致。根據現場試驗數據，粒狀乳環銨油炸藥的爆速基本保持在3000m/s，而加入導爆索后，其爆速能夠達到6000m/s，故分別對炸藥爆速在3000m/s 和6000m/s 兩種情況下進行數值計算分析，得到不同炸藥爆速對中深孔爆破的影響規律。

為了直觀的分析對比，本文通過爆破后的裂隙生成效果來判別炸藥爆速對爆破的影響。模型尺寸為5m×5m×5m 的立方體， 模型共312867 個單元，炮孔的直徑為70mm，炮孔長度為5m，炮孔貫穿模型，模型如圖1 所示。

圖1 數值模擬模型圖

坐標定義為沿炮孔方向為z 方向，-250～250cm，起爆方式為孔底起爆，即-250cm 處首先起爆，爆破完后，觀測z 水平的斷面圖，看其裂隙的變化和炮孔的損壞情況。

由于炸藥爆破時，應變率效應比較顯著，所以在數值模擬中，采用Cowper-Symonds 模型來分析，相關參數見表1 和表2。

表1 巖體物理力學參數

表2 中：R0為炸藥的質量密度；D0為炸藥的爆速；PCJ 為炸藥的爆轟壓力；A、B、R1、R2、ω為炸藥的相關參數或者常系數；V0為初始相對體積；E0為楊氏模量。

3 數值模擬結果分析

3.1 巖石裂隙分析

在數值模擬完成后，取Z 方向的某些斷面圖進行對比，來分析爆速對爆破質量的影響，如圖1和圖2 為模擬所得的不同斷面的裂隙效果圖。

圖2 爆速6000m/s 時不同斷面裂隙斷面圖

表2 粒狀乳化銨油炸藥參數表

圖3 爆速3000m/s 時不同斷面裂隙斷面圖

從圖1、圖2 中可以看出，孔底起爆初始時，爆速在6000m/s 和3000m/s 時，由于爆速增加，炮轟壓力增大，炮孔形成的壓碎區的范圍爆速大的要稍微大于爆速低的，但總體相差不大，且裂隙發育程度都較小，其爆破過程對應的柱狀藥包的兩端炮轟波以球面波的形式的傳播的過程，影響范圍較小。隨著炸藥的傳播，當傳播到炮孔中部區域時，爆速高的壓碎區和裂隙區范圍明顯的增大，其對應的柱狀藥包柱部的炮轟波以柱面波的形式傳播，在周圍形成了大小不一的裂隙。從爆破結果來看，炸藥爆速6000m/s 時爆破對巖體的影響范圍更大，且破壞更嚴重，有利于巖石的破碎。當炸藥爆破過程至孔口時，炮轟形成的壓碎區的范圍相差不大，但是爆速高的，形成的裂隙的規模要大于爆速低，由于柱狀藥包的炮轟方向是沿著孔底到孔口的，炮孔會受到沿炮轟方向斜方向的沖擊壓力的作用，進而形成裂隙。又由于爆速高，炮轟壓力大，就會擴大裂隙生成的范圍。總體來說提高炸藥的爆速對孔口的礦巖的破壞也相對的嚴重，會導致眉線破壞嚴重，因此在提高炸藥爆速時要相應的增大炮孔的堵塞長度。

圖4 X=250cm 巖石裂隙側面剖視效果圖

3.2 整體破壞分析

選取單元位置為模型側面（250，0，0）位置，得出爆破后巖體模型整體的破壞圖，如圖4 所示，從整體的破壞圖來看，高爆速炸藥破壞的范圍明顯的大于爆速低的炸藥；從模型-150cm 到150cm 的斷面裂隙生成效果圖可知，柱部破壞明顯要比兩端的嚴重，當爆速增加時，更趨向于柱狀藥包的爆破，炮孔兩端破壞較輕，柱部破壞比較嚴重，遵循柱狀藥包的特征。在低爆速作用下，中深孔爆破整體破碎效果較為一致，即由孔底至孔口，破碎的范圍比較接近。但是在高爆速作用下，孔底至孔口的破碎效果差別較大，其爆破破碎特征類似于柱狀藥包。

3.3 炮孔應力分析

為了更好的了解在不同爆速條件下，對巖石裂隙生成的影響，在接近于模型的邊緣處設置監測點，以監測不同爆速對巖石的應力變化規律，經后處理得到圖5應力歷程曲線圖和圖6剪應力歷程曲線圖。

圖5 不同爆速的應力時間歷程曲線

從圖5 不同爆速的應力歷程曲線可知，爆速6000m/s 時炸藥最大應力值達到0.68×10-3MPa， 爆速3000m/s 時炸藥最大應力值達到0.36×10-3MPa，且高爆速炸藥首先達到應力峰值。高爆速炸藥形成的應力峰值接近于低爆速炸藥應力峰值的2 倍，即爆速提高2 倍后，最大應力值相應的提高2 倍。達到峰值后，由于拉應力的作用，高爆速炸藥所形成較大的拉伸應力，使應力值迅速的下降，由于監測點較遠，總體來說仍然受到炮轟壓力的作用。在監測的時間內，高爆速炸藥形成的最小應力值大于低爆速炸藥的最小應力值，說明相同時間內，與低爆速炸藥相比，高爆速炸藥能夠對巖體產生更大的作用力，更加有助于巖體的破碎。另外，高爆速炸藥應力值穩定所需要的時間遠低于低爆速炸藥。

圖6 不同爆速的剪切應力歷程曲線

剪切應力是形成裂隙的主要原因，從圖6 不同爆速的剪切應力歷程曲線可知，切應力的歷程曲線和巖體受到的應力歷程曲線幾乎一致，只是大小的不同，爆速的提高2 倍，剪切應力也接近于增加2倍左右，同時進一步說明徑向壓力和切向拉力存在相應的關系。

綜上所述高爆速炸藥在爆破時，炮孔受到的正向應力和剪切應力增加，產生的裂隙數量和長度明顯增大，且破壞范圍比較廣，而裂隙對于巖體破碎具有重要的促進作用，因此在爆破過程中采用高爆速的炸藥有助于提升巖體的破碎效果。另外，如前所述，炸藥爆速越快，中深孔爆破的碎巖特征與柱狀藥包越接近，柱部破壞嚴重，兩端破壞較輕；同時爆速提高的幅度和最大應力峰值存在一定的關系，爆速提高2 倍，最大應力峰值也提高2 倍左右。

4 結語

運用ANSYS/LS-DYNA 爆破分析軟件構建了中深孔爆破的數值計算模型，探索分析了炸藥爆速對中深孔爆破效果的影響。研究結果表明：中深孔爆破所產生的最大主應力值與炸藥爆速成正比；爆速高的炸藥，在巖石爆破中，所形成的裂隙破壞區范圍明顯廣于爆速低的炸藥，破壞相對嚴重；爆速越高，柱狀藥包爆破時，柱部破壞比較明顯，兩端破壞較輕，和柱狀藥包的應力波的傳播特征相符；當采用上向扇形中深孔爆破時，爆速的提高會在眉線處形成較多的裂隙，且裂隙比較發育，由于爆生氣體的作用，眉線處的巖石易被破壞不利于眉線的保護。