地下金屬礦山扇形中深孔孔網參數優化研究①

李林軍， 史秀志， 胡洪文， 黨建東， 劉增輝， 王衍海

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；2.安徽銅冠（廬江）礦業有限公司，安徽 合肥 231500；3.安徽理工大學 礦業工程學院，安徽 淮南 232000）

扇形中深孔爆破是地下礦山常用的爆破崩礦方式［1］。 由于每個炮孔的深度和角度不同，爆炸應力波初始應力場分布不均勻，極易造成爆堆塊度不均勻問題［2］。 銅綠山銅鐵礦分段高度逐漸增加，原有孔網參數（2.0 m × 1.9 m）已不適用于新的回采高度，爆堆塊度大，采場漏斗堵塞、超爆超采等問題日趨嚴重，需要對扇形孔孔網參數進行合理優化來改善爆破效果。

許多學者開展過扇形孔破巖機理研究［3-4］。 經驗公式、工程類比法等方法只能確定孔網參數的一個合理范圍，最優參數的確定還需通過現場試驗或數值模擬。 現場試驗費時費力［5］。 隨著計算機技術的發展，一大批學者選用數值模擬方法對孔網參數進行優化并取得了良好的爆破效果［6-9］。

本文擬采用數值模擬方法優化扇形中深孔孔網參數，基于爆破漏斗理論對試驗方案進行設計，以Von Mises 屈服準則對巖石破壞特征進行分析，確定扇形孔適宜的孔距和排距，改善礦巖爆破塊度，為礦山合理開采提供指導。

1 爆破模擬方案制定及數值模型建立

1.1 方案制定

應用礦山現有鑿巖設備鉆鑿64 mm 炮孔，僅對扇形孔的孔距和排距進行優化。 需要確定64 mm 炮孔藥包的最佳埋深，計算公式為［10］：

式中D為藥包最佳埋置深度，m；Δ為最佳深度比，是實際埋深與臨界深度之比；E為應變能力系數；Q為炸藥每米裝藥量，kg。

銅綠山銅鐵礦之前的爆破試驗結果（見表1）表明，藥包最佳埋深為1.2 m。 通常，排距或孔距為藥包最佳埋深的1.0 ～1.5 倍，可得孔距、排距選取范圍為1.2～1.8 m。 孔網參數中一般孔距大于排距，初步確定孔距a為1.2 ～2.2 m，排距（最小抵抗線）W為0.8 ～1.8 m。 各選取6 種不同孔距與排距數值模擬方案，如表2 所示。

表1 銅綠山銅鐵礦原爆破漏斗參數［11］

表2 數值模擬方案

1.2 數值模型建立

將扇形孔簡化成準二維模型，考慮到側崩爆破作用范圍大，求解時間設置為1.5 ms。

孔底是破巖最困難的區域，因此僅需考慮孔底的巖石破碎效果。 為簡化模型，取上部3 m 部分即可滿足研究需求，孔距計算模型尺寸和邊界條件如圖1（a）所示。 排距只考慮自由面的影響。 排距計算模型尺寸和邊界條件如圖1（b）所示。 炮孔下側3 m 范圍的巖石實體是為了排除反射應力波對研究區域爆破效果的影響。

圖1 扇形孔爆破數值計算模型

1.3 材料參數選取

1） 被爆巖體的材料模型選用塑性動力學模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC），模型參數引自文獻［6］。

2） 選用2 號巖石乳化炸藥，材料模型選用高能材料本構模型（*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），模型參數引自文獻［11］。

1.4 計算結果分析方法

據文獻［12］，爆炸應力波峰值是影響巖石破碎的主要因素之一。 在兩孔孔底連線上0.25d和0.5d處設置A、B 共2 個應力監測點，上方0.5 m 處布置C、D 共2 個監測點，用來觀察頂板巖石穩定性。 在排距數值模型中兩炮孔連線中垂線附近巖石破碎效果最差，故在兩炮孔連線中垂線上間隔0.33W處均勻布置E、F、G 共3 個應力監測點。 如圖1 所示。

孔底部分自由面少，巖石夾制作用明顯，其破壞形式主要為壓縮破壞。 由于自由面的存在，最小抵抗線方向破壞主要以反射拉伸破壞為主。 孔距模型中單元等效應力大于巖石動態抗壓強度、排距模型中單元等效應力大于巖石動態抗拉強度，則判定為巖石破壞。該銅鐵礦巖石動態抗壓強度和動態抗拉強度分別為72.8 MPa 和10.9 MPa。

2 數值模擬結果及分析

2.1 孔距數值模擬結果

孔距大小不會影響爆炸應力波的傳播過程，只會影響其疊加時刻。 以方案4（a=1.8 m）為例（見圖2），爆炸應力波以球形向外傳播后在中線處相遇，并產生疊加，之后繼續沿炮孔向孔口傳遞，并在模型底部發生反射。 在兩炮孔連線中點處應力波疊加效應明顯，爆炸應力也明顯高于炮孔兩側。

圖2 孔距a =1.8 m 時數值模型爆炸應力云圖

方案4 中各監測點應力時程曲線如圖3 所示。 爆炸應力波最先到達與炮孔距離最近的A 點，且峰值應力最大，B、C、D 點峰值應力隨著與炮孔距離增大而下降。

圖3 孔距a =1.8 m 時各監測點等效應力時程曲線

不同孔距模擬方案各監測點等效應力峰值見表3。 由表3 看出，方案1～3 中，監測點A～D 等效應力峰值均大于巖石動態抗壓強度，即孔距1.2 ～1.6 m時，孔底均有良好的破碎效果，但頂板破壞大，不符合要求。 方案5～6 中，監測點C、D 等效應力峰值小于巖石動態抗壓強度，能夠保障頂板安全，但兩孔底連線上，B 點可能出現大塊，說明孔距大于2.0 m 不符合要求。 為保證孔底破碎均勻，同時保護頂板穩定性，孔距取1.8 m。

表3 不同孔距模擬方案各監測點等效應力峰值

2.2 排距數值模擬結果

雖然炮孔自由面距離不盡相同，但爆炸應力波傳播過程及規律并無較大差異，這里僅給出方案11（W=1.6 m）的情況，結果見圖4。 由圖4 可知，炮孔起爆后產生的應力波以球面波形式向外傳播，到達自由面附近反射產生拉伸波，兩炮孔應力波相遇后在兩炮孔連線的中心線上發生應力疊加。

圖4 排距W=1.6 m 時數值模型爆炸應力云圖

方案11 中各監測點等效應力時程曲線如圖5 所示，E 點距炮孔較近，應力較高，較遠的G 點因爆炸應力波發生反射，使得等效應力峰值較大。 故最難破碎點應為炮孔與自由面之間的F 點。 其他方案的監測點等效應力時程曲線分布與方案11 類似。

圖5 排距W=1.6 m 時各監測點等效應力時程曲線

不同排距模擬方案各監測點等效應力峰值如表4所示。 由表4 可知，所有方案的E、G 點等效應力峰值均大于巖石動態抗拉強度，最難破碎點F 點僅在W=1.8 m時未達到要求，故排距應不大于1.6 m，否則易產生大塊。 考慮到過小的排距會增大鑿巖成本及炸藥單耗，排距定為1.6 m。

表4 不同排距下各監測點等效應力峰值

3 現場試驗

優化后的孔網參數現場試驗在銅綠山銅鐵礦9310 采場進行，孔距1.8 m，排距1.6 m。 5503 采場采用原有的孔網參數（2.0 m × 1.9 m），采場結構參數與9310 采場相同，起爆方式均為孔底起爆。 采場炮孔設計如圖6 所示。

圖6 現場試驗采場結構設計圖

采場爆破塊度累計分布情況見圖7。 由圖7 可知，9310 采場礦石塊度均在27.86 cm 以內，D20和D80分別為6.18 cm 和17.43 cm。 同時，小于5 cm 的粉礦和大于20 cm 的大塊均較少，表面破碎整體塊度均勻。5503 采場D20和D80分別為4.5 cm 和29.58 cm，最大塊度為56.9 cm，表明5503 采場粉礦和大塊率均高于9310 采場。 采用優化后的孔網參數進行爆破，所得D20提高了37%，D80下降了41%。

圖7 采場爆破塊度累計分布圖

4 結 論

1） 為了能在頂板保持穩定的前提下最大限度破碎孔底巖石，適宜的孔距為1.8 m。

2） 考慮鑿巖成本及炸藥單耗，適宜的排距為1.6 m。

3） 將優化后的孔網參數應用于現場爆破實踐，與原孔網參數的爆破效果相比，D20提高了37%，D80下降了41%，證明爆破參數選取合理。