黑山露天礦爆破參數優化數值模擬研究

戴 林，李思維

(神華新疆托克遜礦業有限責任公司，托克遜縣 838000)

黑山露天煤礦隸屬托克遜縣，位于托克遜縣西北約90 km，北距烏魯木齊市約65 km。黑山礦生產作業中面臨的一個主要問題是地質巖性復雜多變、軟硬巖夾雜，呈現裂隙發育不完整巖體與完整性較好巖體交錯分布的狀態，整體可爆性較差，導致爆后易產生大塊、根底等不良爆破效果，礦山生產成本因此提高。針對黑山露天煤礦現狀，有必要通過對不同地質條件區域針對性研究制定相適應的不同爆破參數及施工標準，從而提高整體爆破效果，減少大塊等不良現象，有效降低成本。實驗手段是爆破參數優化最常用的手段，通過不斷地調整參數開展爆破試驗并對比爆破效果，最終綜合成本、質量等因素確定符合實際的最優爆破方案。實驗手段的缺點在于對爆破效果影響的參數較多，實驗規模較大成本較高，爆破效果精確統計不易。近二十年來，由于數值模擬理論及技術的發展，采用數值模擬技術輔助爆破參數優化逐漸成為一種常用的技術手段[1-4]。基于真實的巖石、炸藥參數建立模型，不斷調整模擬方法及模型，提高模擬效果與真實的接近程度，從而可以通過計算機模擬實現低成本、高效率的對眾多爆破參數的優化給出有價值的參考數據。

本項課題研究主要針對黑山礦具有較好完整性的2505及2520等具有較完整巖體且具有相同類型的較堅硬巖性巖石的平臺，通過數值模擬方法分析孔距、坡頂距對爆破效果的影響，獲得有利于降低爆破大塊率的爆破參數。

1 巖石參數獲取

在露天礦2505及2520平臺現場獲取巖石樣品后切割打磨獲得砂巖巖石樣品，測試巖石樣品的密度、抗壓強度、抗剪強度、抗壓強度、彈性模量等主要巖性參數，為后續數值模擬參數確定提供參考。測試如圖1所示，測試結果如表1所示，其中剪切試驗采用直剪試驗測試，施加的垂直荷載為10 MPa，抗拉強度采用巴西劈裂法測試獲得。

圖 1 巖石力學性能測試Fig. 1 Rock mechanical performance test

表 1 巖石力學參數

2 黑山礦爆破參數優化數值模擬

采用在爆破工程領域應用廣泛的LS-DYNA作為分析用有限元程序。

2.1 計算模型及參數

黑山煤礦主爆孔爆破參數為：孔徑138 mm，孔距5～6 m，排距4.5 m，臺階高度15 m，超深1.5 m，距坡頂線2.5～3.5 m，孔間微差時間42 ms，坡面角70°。基于以上參數，本研究主要針對孔距、坡頂距設計6種工況條件：孔距5 m、5.5 m、6 m，與坡頂線距離2.5 m、3.0 m、3.5 m。

孔距5 m、5.5 m、6 m這3種工況條件，模型整體高度20 m，寬度12 m，坡面角70°，單個炮孔，炮孔距離左側模型邊界固定為3 m距離，右側則根據工況改變坡頂距。與坡頂線距離2.5 m、3.0 m、3.5 m這3種工況條件，模型整體高度20 m，寬度20 m，兩個炮孔，炮孔對稱布置，根據工況改變兩孔孔距。見圖2。

圖 2 模擬模型Fig. 2 Simulation model

采用三維網格，建模時取單層單元，并約束垂直面的位移來模擬平面應變問題，左側、右側、下側設為無反射邊界[5]。模型中共有單元約2.3萬～4萬個，計算過程中都設置為炸藥底部起爆。

巖石及堵塞材料采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模擬巖石，該模型能較好模擬脆性材料在高溫、高壓、大應變率等條件下的受力狀態。該模型的參數較多，部分參數獲取存在困難，因此本次模擬在測試得到的巖石力學參數基礎上，參考相關文獻提供的參數選取相同巖性相近力學參數值進行模擬[6]。采用高能炸藥模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE _BURN以及JWL狀態方程模擬炸藥的爆炸過程。各種物質的材料參數如表2所示。

表 2 材料參數Table 2 Material parameters

2.2 數值模擬結果及分析

2.2.1 巖體的損傷范圍發展過程

通過數值模擬軟件計算，獲得不同坡頂距爆破條件下巖體的損傷發展過程如圖3所示，獲得不同孔距雙孔爆破條件下巖體的損傷發展過程如圖4所示。

圖 3 損傷發展過程Fig. 3 Damage development process

從JHC模型的損傷范圍來看，孔距5 m、5.5 m、6 m雙孔爆破，與坡頂線距離2.5 m、3.0 m、3.5 m單孔爆破，總共6種現有爆破參數工況條件下，爆破后在單孔爆破破巖負擔體積范圍內均能達到理想的爆破破壞效果。

在坡頂線距離2.5 m、3.0 m、3.5 m的3種工況條件下，炮孔至臺階坡面處的巖體都實現了有效的破壞，只是在坡腳處存在一定差異，隨著坡頂線距離的增大坡腳處損傷范圍略有減少，但在3.5 m工況條件下也基本可以保證前排炮孔范圍內巖體的破巖作用。

在孔距5 m、5.5 m、6 m的3種工況條件下，可以看到右邊炮孔爆破后頂部的損傷范圍有一定程度的減少，這是由于左邊先爆炮孔爆破后已經造成了兩孔間巖石的破壞，這種破壞改變了右邊炮孔左側的自由面條件，導致了后爆的右邊炮孔相比左邊其爆破能量一定程度上更多的作用于炮孔左側，于是減少了右側的損傷作用。隨著炮孔孔距的變化，兩孔微差爆破整體的損傷范圍基本是沒有變化的，區別主要在于兩孔間由于孔距的增大，爆破損傷作用程度有所減少，但是也還是保證了兩孔間巖石的破壞作用。由于黑山礦目前采用固定的排距，因此常規的梅花形布孔條件下后排炮孔爆破后可以進一步保證前排兩孔間巖石的充分爆破破壞。

因此，如果僅僅根據JHC模型的損傷范圍模擬結果，坡頂線距離、孔距均宜采用現有參數的最大值，即取坡頂線距離3.5 m、孔距6 m，可以充分利用寬孔距小排距布孔方式，在滿足爆破破巖效果的條件下提高爆破效率并降低爆破成本。

2.2.2 自由面拉應力作用分析

由于計算過程中采用的JHC模型，其損傷范圍只能考慮巖石的壓剪損傷，未能反映拉應力引起的巖體損傷[7-9]，而臺階自由面處的破壞形式主要是爆炸應力波在自由面處的反射引起的拉伸破壞，因此，我們選取自由面上不同位置的3個單元，考察其第一主應力的大小和變化情況，可以有效判斷爆破作用下自由面處的拉伸破壞情況[10]。

選取單元的位置如圖4所示，分別位于平臺孔口、坡面、坡底線的3個單元。由于3種工況下坡頂距越大，模型面積越大，單元數量越多，因此三個模型取單元點的編號存在差異，但是取點的位置是一致的。

圖 4 選取單元Fig. 4 Selected elements

不同工況下三個單元的第一主應力時程曲線如圖5所示。

圖 5 選取單元拉應力Fig. 5 Tensile stress of selected elements

不同工況下三個單元處的最大拉應力統計如表3所示。

表 3 選取單元拉應力(單位：MPa)Table 3 Tensile stress of selected elements(unit:MPa)

依據黑山礦巖樣抗剪強度測試結果，其在10 MPa軸壓下的直剪試驗抗剪強度平均值為13.5 MPa。依據砂巖性質有關研究，砂巖抗拉強度一般不大于其抗剪強度。自由面處巖石不受圍壓，因此自由面處砂巖抗拉強度應小于13.5 MPa。可見，在坡頂線距離2.5 m、3.0 m、3.5 m的3種工況條件下，爆破炮孔在孔口、坡面、坡腳處的拉應力作用均應大于黑山礦砂巖的抗拉強度值，均可以對自由面附近巖石產生拉伸破壞作用效果。

因此，綜合損傷范圍與自由面拉伸應力作用分析結果，宜采用坡頂線距離3.5 m、孔距6.0 m的爆破參數取值，不同工況相比較下較具有技術經濟價值。

3 爆破參數優化效果

南幫2505臺階巖體相對完整，初始炮孔參數為：炮孔直徑138 mm，坡頂距4.0 m，孔間距離為6.5 m，排間距離為5.0 m，臺階高度為15 m，超深1.5 m，孔深為1～15.5 m。經過現場勘查及塊度分析，在爆破后效果一般，坡頂可見大塊。針對該臺階，基于數值模擬分析結果，孔間距離減小為6.0 m，坡頂距減小為3.5 m。

基于上述優化建議，進行了爆破試驗，試驗孔數25個。采用上述優化參數的爆破情況如圖6所示，經過現場勘查及塊度分析，在爆破后效果良好，基本未見大塊，無根底，鏟裝效果得到改善，裝運效率提高3%以上。

圖 6 2505臺階優化后爆破效果Fig. 6 Blast effect of 2505 bench after optimization

4 結論

針對黑山露天煤礦地質巖性復雜，爆破效果不夠理想的問題，開展了如下研究工作：

(1)對于黑山礦的2505平臺等具有較完整巖體與相同較堅硬巖石的平臺，實地采樣加工試件測試了巖石力學參數，從而在實測力學參數的基礎上確定數值模擬材料參數。

(2)采用LS-DYNA模擬了不同孔距、坡頂距對爆破損傷范圍、拉應力作用的影響。

(3)基于數值模擬分析結果，提出黑山露天煤礦中2505平臺及類似巖體完整性與巖性下的適用爆破參數為坡頂線距離3.5 m、孔距6.0 m，并開展了爆破試驗，試驗結果表明參數優化后有效改善了爆破效果。