銀山礦業中深孔爆破一次成井參數優化與工業試驗

丁家鐸，陳思源，龍躍，林之岳

(江西銅業集團銀山礦業有限責任公司， 江西 德興市 334201)

0 引言

切割天井是礦塊采準切割的關鍵工程，也是采準切割工程中的難點[1-3]。銀山礦業一直采用傳統的普通上掘法掘進天井，由于淺孔掘進效率低，同時施工過程中鑿巖人員直接暴露在作業面下，存在作業效率低、勞動強度大、粉塵濃度高、作業環境差、材料消耗大、安全性差等缺點。在銀山礦業井下產能增大的需求背景下，傳統的淺孔掘進天井方式已經不能滿足生產需求，亟需一種新的天井掘進方式解決切割天井的施工瓶頸。

目前，爆破一次成井技術在越來越多的礦山得到了廣泛應用[4-6]，爆破一次成井技術按照爆破工藝可以歸納的平行空孔掏槽法[7]、平行空孔分段掏槽法[8]以及球形藥包倒置漏斗法[9]，其中掏槽法可操作性強，適用于中短型切割天井的爆破施工成井，同時采用掏槽法一次爆破成井的方式施工切割天井，具有安全性高、縮短生產周期、提高生產效率以及保證生產質量等優勢。

為了探索出適用于銀山礦業的中深孔一次成井工藝，基于平行空孔掏槽法設計了2種一次成井的掏槽孔布置方案，采用LS-DYNA軟件[10-11]開展掏槽布孔方式的數值分析，優選出一次成井的掏槽布孔方案，并在銀山礦業-288 m中段開展中深孔一次成井工業試驗。

1 工程概況

銀山礦業一直采用傳統的人工掘進方式，采用YT-28手持鉆機鉆鑿淺孔掘進天井，其鑿巖效率與一次爆破成井的效率對比見表1，其中一次爆破成井效率參考其他礦山經驗數值。由表1可以看出，一次爆破成井的臺班效率約是傳統人工掘進方式的 6～7倍，且一次爆破成井具有安全系數高、勞動強度低等優勢，采用一次爆破成井技術可大幅度提高銀山礦業的生產效率。

表1 不同掘進天井方式對比

2 一次成井掏槽爆破數值分析

2.1 一次成井掏槽爆破方案設計

為了更好地保障一次成井施工中的掏槽爆破效果，采用LS-DYNA軟件開展掏槽布孔方式的數值分析與對比。掏槽爆破過程中孔口及孔底部分均有上下自由面，而炮孔中部的爆破條件最差，其僅可以利用旁邊空孔的補償空間及自由面，因此炮孔中間部分能否形成較大空腔至關重要，這直接決定了掏槽爆破效果是否能夠達到設計要求。為此，綜合考慮理論設計與現場實際工況，基于平行空孔掏槽法設計了2種掏槽布孔方案（見圖1），相對于方案二，方案一在空孔周圍多設計了 4個輔助炮孔，2種方案的炮孔直徑均為76 mm，空孔直徑均為 127 mm。

圖1 掏槽孔布置方案

2.2 數值分析模型構建

為了加快計算速度，提高模擬準確性，此次模型采用準二維方式對炮孔中間部分進行建模，所構建的方案一與方案二模型及邊界處理情況如圖2所示。在數值分析中以內圈孔為先爆孔，后一段位炮孔延遲1 ms后起爆（掏槽炮孔爆破1 ms內爆生裂紋已基本發育完成），2個模型的尺寸均設置x方向長度為10.0 m，y方向長度為10.0 m，z方向為單元厚度（0.02 m），由于外部設置了無反射邊界條件，等效于模擬無限大礦巖邊界，計算時間為5 ms，整個模擬過程中采用的單位制為kg-m-s。

圖2 數值模型

2.3 數值分析材料賦值

數值分析中巖體采用塑性動力學模型 MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該模型是各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型，與應變率相關，非常適用于爆炸分析中的巖石材料[12]，其計算原理參考式（1），根據礦山先前所進行的巖石力學試驗，選取巖石的材料參數見表2。

表2 巖體模型材料參數

式中，σy為屈服強度；σ0為初始屈服強度；EP為塑性硬化模量；εPeff為有效塑性應變；參數C、P是與巖石應變率相關的參數；β=1表示巖體服從各項同性硬化的特征。

炸藥材料選用LS-DYNA3D內部高能材料本構模型 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，該本構模型主要輸入的參數包括炸藥的材料參數及炸藥的JWL狀態方程參數[13]，JWL狀態方程原理參考式（2），炸藥材料常用的二號巖石乳化炸藥，見表3。

表3 二號巖石乳化炸藥材料參數及JWL狀態方程參數

式中，p為爆轟產生的壓力；V是相對體積；A、B、R1、R2、ω均為JWL狀態方程的參數。

對于存在自由面的爆破，巖石的破壞方式有壓縮破壞及拉伸破壞，但以拉伸破壞為主，而且，爆破后形成的均勻塊度主要是由拉伸破壞形成的[14-15]。所以本模擬還添加了材料失效的模型，通過定義關鍵字MAT_ADD_EROSION來定義礦體受到拉伸應力的失效條件，通過此關鍵字可以近似模擬掏槽過程礦體的破壞、空腔的形成過程以及裂隙的形成過程。此外，巖石動態抗拉強度一般為靜態抗拉強度的3倍，即取礦巖動態抗拉強度為16.4 MPa。

2.4 數值計算結果分析與對比

2.4.1 方案一數值分析

為便于觀察掏槽爆破過程中巖體的應力破巖過程，選取 0.1 ms、0.12 ms、0.22 ms、0.4 ms、1.0 ms、1.06 ms、1.4 ms、2.4 ms、3.4 ms、4.4 ms 10個時刻的掏槽區域附近爆炸應力云圖，如圖3所示。

圖3 方案一掏槽爆破過程應力云圖

通過圖3可以看出，在t=0.1 ms時刻，中心炮孔先起爆，在極高的爆炸應力波荷載和爆生氣體的綜合作用下造成炮孔周圍巖體的壓剪破壞，形成了壓碎區；t=0.12 ms時刻，爆炸應力波到達空孔附近，并在空孔附近形成反射拉伸應力波，造成空孔孔壁破壞，進而與中心槽區貫通；t=0.22 ms時刻，爆炸應力波已傳播至第2圈的輔助孔，隨著應力波向外傳遞以及爆生氣體的擴腔作用，中心槽腔的直徑已擴至 0.6 m，且在槽腔外圍初步形成了徑向裂紋；t=0.4 ms時刻，中心單個炮孔的爆破擴腔過程基本完成，形成了直徑為0.8 m左右的槽腔；t=1.0 ms時刻，第 2圈的 2個輔助孔開始起爆；t=1.06 ms時刻，2個輔助孔爆破形成的爆腔與中心主爆腔開始貫通；t=1.4 ms時刻，2個輔助孔爆破擴腔過程基本完成，形成了1.8 m×0.8 m左右的槽腔；t=2.4 ms時刻，另外2個輔助孔爆破擴腔過程基本完成，形成了 1.4 m×1.4 m 左右的槽腔；t=3.4 ms時刻，4個周邊孔爆破擴腔過程基本完成，形成了 1.5 m×1.5 m左右的槽腔；t=4.4 ms時刻，另外4個周邊孔爆破擴腔過程基本完成，形成了2.0 m×2.0 m左右的槽腔。

2.4.2 方案二數值分析

選取方案二在 0.1 ms、0.12 ms、0.22 ms、0.4 ms、1.0 ms、1.1 ms、1.4 ms、2.4 ms 8 個關鍵時刻的槽區附近爆炸應力云圖，如圖4所示。

圖4 方案二掏槽爆破過程應力云圖

通過圖4可以看出，在t=0.1 ms時刻，中心炮孔先起爆，在極高的爆炸應力波荷載和爆生氣體的綜合作用下造成炮孔周圍巖體的壓剪破壞，形成了壓碎區；t=0.12 ms時刻，爆炸應力波到達空孔附近，并在空孔附近形成反射拉伸應力波，造成空孔孔壁破壞，進而與中心槽區貫通；t=0.22 ms時刻，爆炸應力波已傳播至第2圈的輔助孔，隨著應力波向外傳遞以及爆生氣體的擴腔作用，中心槽腔的直徑已擴至 0.6 m，且在槽腔外圍初步形成了徑向裂紋；t=0.4 ms時刻，中心單個炮孔的爆破擴腔過程基本完成，形成了直徑為0.8 m左右的槽腔；t=1.0 ms時刻，第2圈的4個周邊孔開始起爆；t=1.1 ms時刻，4個輔助孔爆破形成的爆腔與中心主爆腔開始貫通；t=1.4 ms時刻，2個輔助孔爆破擴腔過程基本完成，形成了 1.7 m×1.7 m 左右的槽腔；t=2.4 ms時刻，另外4個周邊孔爆破擴腔過程基本完成，形成了2.1 m×2.1 m左右的槽腔。

2.4.3 方案對比

從上述應力云圖中可以看出，采用方案一時，雖然掏槽爆破效果可以達到設計要求，但由于輔助孔布置較多，在周邊孔起爆時槽腔已擴至 1.5 m×1.5 m，這極易導致周邊孔爆破能量的浪費，也造成了鑿巖量的浪費，因此方案一還需進行炮孔布置參數優化才能更大程度地利用鑿巖、炸藥等資源；采用方案二時，掏槽爆破效果可以達到設計要求，并且所有炮孔的能量均能夠實現充分利用，相比方案一，方案二的炮孔布置方式與參數更為合理，更能充分發揮每個掏槽炮孔的作用。

對 2種方案的爆破擴腔體積進行統計對比分析，如圖5所示。2個方案在0～1 ms期間的破巖體積是最小的，該階段主要是為了與空孔貫通，起到開腔作用；在1～4 ms期間，方案一的破巖體積明顯較小，說明炮孔布置參數過小，造成爆炸能量過多地浪費，而在方案二中，8個周邊孔起爆階段均能保證具有較大的破巖體積，說明該方案的爆炸能量能夠充分用于掏槽破巖，對爆炸能量具有較高的利用率。綜上所述，方案二的掏槽方式能量利用率更高、鑿巖量更少。

圖5 擴腔體積時程曲線

3 現場試驗

3.1 現場施工

根據數值分析所確定的掏槽孔布置方案，選擇銀山礦業-288 m中段二分層 6-4采場作為試驗區域，開展中深孔一次成井現場工業試驗。

（1）穿孔作業。采用Simba 1254中深孔鑿巖臺車進行穿孔作業，考慮到臺車穿孔存在一定的偏斜率，為保證穿孔質量，在單個穿孔鉆鑿完畢后，需逐一檢查其偏斜率。最終實際的貫通孔位與設計孔位對比如圖6所示，除了實測的空孔K4、炮孔8以及炮孔 9與設計孔位偏移，其余成孔質量較為理想。

圖6 孔位對比

（2）裝藥作業。確定好鉆孔孔深與斜率后，采用自上而下裝藥方式進行裝藥，一是為了極大地減少勞動強度，二是可以更好地控制裝藥深度。為提高試驗成功率，試驗方案采用分段掏槽法，第 1段爆破5.5 m，第2段爆破5 m，均采用從上往下裝藥方式，每次裝藥前將提前準備好的水泥塞用鋼絲吊到距離下部孔口0.2～0.3 m處，到達位置后用截好的廢棄管縫錨桿橫放在上部孔口固定，再使用適量石砂進行填塞（約1.5 m），即可順利裝藥。達到裝藥深度后再采用石砂填塞 2～2.5 m（第 1次裝藥），以防止對下一次爆破造成影響。

3.2 試驗效果

試驗完成后，第1段爆破形成進尺6 m、斷面2.88 m2的切割井，切割井上部形成一個爆堆，爆堆中部分廢渣進入中深孔內，造成3個周邊眼未貫通；第2段爆破進尺4.5 m，最終形成深10.5 m、斷面2.88 m2的切割井，從最后的爆破效果來看，本次試驗能夠達到預期的試驗目的。

4 結論

（1）設計了2種中深孔一次成井的掏槽方案，并采用LS-DYNA非線性動力分析軟件對2種不同掏槽方案進行數值分析，對比優選出方案二能更好地利用爆炸能量，提高鑿巖效率。

（2）基于數值分析優選出的掏槽方案，選取銀山礦業-288 m中段二分層6-4采場開展現場中深孔一次成井工業試驗，盡管部分裝藥孔被堵塞，但天井貫通效果較為理想。

（3）由于本次現場試驗采用分段掏槽法，在后續試驗中將嘗試一次爆破方式進行試驗，并進一步調整優化孔口參數，為一次成井技術在銀山礦的實踐應用提供技術支撐。