爆破微差時間對頂柱回采效果的影響研究

曹勝祥，李小元，王發民，邱賢陽，王遠來

(1.廣西中金嶺南礦業有限責任公司，廣西 來賓市 545999；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

研究表明，爆破過程中采用一定的延時時間，可以使依次起爆的藥包之間形成有力的相互作用，從而達到充分利用炸藥能量、改善爆破塊度、減弱爆破地震效應的目的[1]。關于延時爆破技術增強爆破效果的原因，多數學者認為是由于先爆藥包在爆破區域內產生了一定的殘余應力場，且先前出現裂隙得到充分擴展，后續起爆的炮孔得以利用殘余應力從而加強對礦巖的破碎效果，如果在間隔時間內有新的自由面產生，后續炮孔爆破應力波在自由面附近產生反射拉伸后會進一步改善爆破效果[2]。

頂柱采場在井下主要起管理低壓地作用，其賦存環境十分復雜。其回采時產生的爆破振動對周邊充填體的穩定十分不利，同時邊孔的爆破效果是影響控幫的主要因素，也展現了對邊幫充填體的保護能力。對于盤龍鉛鋅礦頂柱回采的爆破孔網參數已做過大量的優化研究，而對爆破效果同樣影響較大的微差爆破時間還鮮少考慮。

因此，本文將采用數值模擬方法對不同時間間隔下不同監測單元的爆破振動速度峰值以及有效應力值進行模擬分析，探究不同微差時間下監測單元的應力分布規律及振動速度峰值特點，優選出合理的微差爆破時間間隔范圍，并在現場進行生產試驗。

1 工程現狀

盤龍鉛鋅礦主要采用空場嗣后充填采礦法，為了維持圍巖穩定性和管理地壓，開采過程中遺留了大量框架式礦柱，其中頂柱礦體主要是為了支撐頂板。鑒于礦山?320 m 中段以上水平一步驟采場大部分已回采，導致井下可回采礦量逐年減少，而頂柱礦體賦存較多，在近期的采掘計劃中，頂柱采場占了相當大的比例，且頂柱采場的礦石品位較高，頂柱采場的回采可調節出窿品位，平衡生產任務，因此頂柱采場的安全高效回采對礦山的整體效益及可持續發展具有積極的影響。

受開采動力擾動和充填體穩定性等因素影響，頂柱采場與其他采場相比開采技術條件更為復雜，礦體回采難度大。頂柱回采的過程中，巖體受開采擾動的影響，呈現極其復雜的受力狀態，同時反復作用的爆破振動較強、控幫質量不高，極易造成邊幫充填體垮落或礦石損失，嚴重威脅礦山的安全生產。此外，頂柱礦體開采還面臨采切工作量大、貧化損失率較高、安全成本高、鑿巖爆破設備與出礦設備機械化智能化不高等技術難題。

2 微差爆破時間的確定原則和計算方法

眾多研究者對如何選取合理的微差間隔時間進行了研究，取得了較多的成果[2?8]。Fish.B[2]、Kotai[3]和White H.H[4]研究得出最優的微差間隔時間為5～25 ms；日野[5]綜合考慮自由面及爆破效果因素，得出最佳的微差間隔時間為爆生氣體的作用時間，約為10～100 ms；長沙礦山研究院[6]研究得出，為了更好地利用先爆藥包產生的自由面及應力波和爆生氣體的能量，最佳微差間隔時間為25～50 ms。目前對于毫秒延時間隔的選取還存在一定的爭議[7?8]。

本文將參考現有的研究結論，初步確定微差間隔時間的取值范圍，并通過LS-DYNA 模擬，比較分析不同間隔時間起爆時的應力分布及爆破振動，最終選出合理的微差時間。

3 微差爆破時間模擬分析

3.1 模型建立及監測點選取

綜合采場實際情況及計算機求解能力，建立了二維實體簡化模型。模型尺寸為24 m×9.4 m（長×寬），中間為8 m 寬的礦房采場，每排布置6 個Φ64 mm 的炮孔，兩側為礦柱。在模型中設置無反射邊界面，崩礦方向為自由面。由于無法完全實現無反射，故在后處理分析時需選取合理的觀測位置和觀測點以達到滿意的結果[10?11]。在采場控制線上布置A?F 共6 個監測點，在右側相鄰采場布置1個監測點，在靠近自由面處布置1～3 共3 個監測點，如圖1 所示。

圖1 微差爆破模擬模型及監測點布置

3.2 爆破振動分析

由表1 可知，離起爆炮孔最近的監測點A 其振動速度峰值變化較大，5 ms 間隔起爆時最大，為5.0511 m/s，25 m 間隔起爆時最小，為3.0860 m/s，相差超過2 m/s；通過對比監測點M 的振動速度峰值可以發現20 ms 與25 ms 間隔時間下該單元的振速明顯小于其他間隔時間，所以在實際生產中選取25 ms 微差時間有利于減少爆破振動。

表1 不同微差時間各監測單元振動速度峰值/（m·s?1）

由圖2 可看出，離爆破區域較遠的監測點振動速度顯著降低，而較遠處的監測點振動速度衰減較慢；隨著微差時間的變化，靠近爆破區域的監測點振動速度峰值變化較大，而較遠處的監測點振動速度峰值變化較小，說明一定的微差時間對爆破區域近處產生的影響較大，較遠處則影響較小。由圖3可看出，較遠處監測點維持較高振動速度的時間較長，說明遠區爆破能量主要作用在巖體的振動上。

圖2 不同間隔時間采場邊幫監測單元振速峰值

圖3 不同間隔時間采場邊幫監測單元F 的振速曲線

3.3 微差爆破效果分析

（1）同段起爆。圖4 為同段起爆各時刻模型的爆破應力分布狀態圖。由圖4 可知，在所有炮孔同時起爆后，爆破應力波向四周傳播，并產生疊加作用，使得應力波在炮孔與自由面之間分布均勻；在0.71 ms 時，應力波傳至自由面并發生反射，形成拉伸波，且二者發生疊加作用；在4.73 ms 時，應力波較大值主要集中在炮孔周圍，其他區域發生很大的衰減。

圖4 同段起爆不同時刻模型的應力分布

（2）25 ms 微差起爆。圖5 為25 ms 微差時間的模型爆炸應力波各時刻在模型中的分布狀態圖。從圖5 可以明顯看出，在0，25 ms 時起爆的炮孔各自都產生了獨自的應力波傳播圖；后起爆炮孔只在先起爆炮孔附近產生應力波疊加作用，而在自由面附近的炮孔都是由爆破應力波的作用進行爆破，說明25 ms 及以上的微差時間炮孔爆破可以互不干擾；模型爆破時上一次爆破的巖體應力殘留較弱，基本保證了邊排炮孔在微差爆破時相鄰炮孔不存在應力波疊加作用。

圖5 25 ms 起爆不同時刻模型的應力分布

（3）關鍵監測點的有效應力變化分析。由表2可以看出，從0 開始，隨著微差時間的增加1 號監測點的最大有效應力逐漸增加，間隔30 ms 時達到最大，為54.69 MPa，然后又逐漸減小，說明一定的微差時間能改善邊排炮孔的爆破效果，保證采場邊幫的規整，不會產生鋸齒形起伏。2 號、3 號監測點的有效應力基本沒有變化，這說明微差爆破并不會影響采場中間區域的爆破效果。實際中在微差時間25 ms 以上時炮孔爆破后為后爆炮孔形成了新的自由面，可以使后爆炮孔的應力和爆生氣體得到較快的釋放，從而減少粉碎區半徑和爆破振動強度，達到保護邊幫和減震效果。

表2 不同微差時間自由面附近監測點有效應力/MPa

4 現場試驗

將前文的研究成果應用在頂柱回采的爆破設計中，并在井下進行現場試驗。在近期生產計劃中，選擇405 南—1 頂柱作為試驗采場。

本次爆破炮孔的孔徑為64 mm，爆破范圍為正一排至正四排，共24 個中深孔。正排排距為1.8 m，孔底距1.3～1.8 m，排面傾角90°。采用多孔粒狀銨油炸藥，炮孔采用雙發毫秒差導爆管雷管起爆，孔內全長敷設導爆索的裝藥結構，雷管選擇三系列毫秒延期雷管，靠前的雷管段位延期時間為25 ms，炮孔布置如圖6 所示。

圖6 炮孔布置

爆破后，現場無充填體垮落混入，頂板也較穩固。采場邊幫齊整，無鋸齒狀礦體殘留，爆破塊度均勻、基本無大塊，塊度尺寸整體偏小，爆破效果基本達到預期目標。

5 結論

（1）對不同微差時間爆破方案模型進行數值模擬，運用有效應力分析法與關鍵節點振動速度分析法對各模擬結果進行分析及判定，得出微差爆破能降低爆破振動，改善邊幫孔爆破效果，20～30 ms的間隔起爆時間較理想。

（2）將模擬得出的結果運用到試驗采場生產中，對試驗采場的爆破效果進行查看及評估后發現，采場無充填體垮落混入，頂板也較穩固。采場邊幫齊整，無鋸齒狀礦體殘留，爆破塊度均勻、基本無大塊，說明25 ms 微差爆破時間具有很好的保護邊幫及減震效果。