精確短延時球狀藥包爆破成井技術研究與應用

李必紅

(1.福建省天玉方圓礦業有限公司, 福建 龍巖市 3640002;2.國防科技大學, 湖南 長沙 410073)

0 引言

天(溜)井在地下采礦工程中應用十分廣泛,如常見的通風井、人行天井、溜井、充填井、切割井等,且掘進占比大[1]。在傳統天井掘進方式的基礎上改進的深孔爆破一次成井技術應用越來越廣泛[2-3]。深孔爆破成井法按裝藥結構和掏槽形式分為平行空孔掏槽微差爆破成井和多孔球狀藥包爆破成井2種模式[4]。平行空孔掏槽微差爆破成井模式對鉆孔施工精度要求很高,其成井效率和成井高度受限[5-6]。相比之下,多孔球狀藥包爆破成井受炮孔偏斜影響較小,但該成井方法爆破單段藥量大、振動強烈,對于環境保護和周邊設施保護不利。探索通過精確延時控制爆炸能量釋放,以取得優化爆破成井效果和降低爆破地震效應的平衡,是工程爆破迫切需要解決的關鍵問題,也是精細爆破技術的要求和發展趨勢。

近年來研發使用的高精度雷管因其精度高、安全性好的優點,逐漸在爆破工程中得到廣泛應用[7-8]。目前研究精確短延時爆破在改善爆破效果及降低地震效應的內在機制方面的文獻較少[9]。鐘冬望等[10]基于炸藥爆炸能量分配原理,推導了精確延時逐孔爆破孔間延期時間的計算公式;李順波等[11-12]通過模型試驗和數值模擬研究了精確延時間隔對爆破振動的影響;袁康[13]研究了短時差起爆的預裂爆破成縫原理。目前,對于延期時間短于自由面形成時間的精確短延時爆破鮮見報道。鑒于此,本文采用LS-DYNA動力分析軟件對精確短延時爆破成井進行模擬,研究延期時間對爆破成井效果和爆破振動的影響,并通過現場試驗驗證模擬結果,為精確短延時爆破成井的應用提供參考。

1 短延時球狀藥包爆破成井數值模擬

1.1 計算模型

數值計算模型如圖1所示。根據多孔球狀藥包爆破成井實際,建立雙圈炮孔爆破模型,其中內圈布孔圓圈直徑為1 m,外圈布孔圓圈直徑為2.5 m,炮孔直徑為165 mm,總炮孔數量為12個,孔深為10 m。

圖1 數值計算模型

1.2 材料模型與參數

本次模擬采用的巖石力學參數見表1。

表1 巖石物理力學參數

LS-DYNA程序中的炸藥材料可以直接模擬高能炸藥的爆炸過程,數值模擬中炸藥狀態方程為[14]:

式中:P——由JWL狀態方程決定的壓力;

A、B、R1、R2、ω——與炸藥相關的材料常數;

V——相對體積;

E0——初始比內能。

模擬炸藥采用與現場試驗一致的二號巖石乳化炸藥,參數見表2[6]。

表2 炸藥材料參數

2 計算結果分析

2.1 應力分析

對計算后的模型提取關鍵位置的單元,獲取該點的最大有效應力值即Von Mises有效應力峰值(見圖2),通過對比巖石的動態抗拉強度判定爆破巖體是否破碎,本次研究巖體的動態抗拉強度值取9.5 MPa。由圖2可以看出,延期時間為0 ms時,有效應力分布邊界并不明顯,而9 ms短延時爆破疊加區有效應力分布邊界變得清晰。

圖2 有效應力分布

圖3為單元A有效應力峰值隨延期時間的變化曲線,圖4為有效應力大于動態抗拉強度的作用時間隨延期時間的變化曲線。從圖3和圖4可以看出,單元有效應力峰值在0～9 ms以內隨延期時間變化較慢,9 ms以后加速下降,而有效應力大于動態抗拉強度的作用時間隨延期時間逐步增加,9 ms以后增速放緩。該現象表明,為了保證爆破的破巖效果,形成束狀孔共同爆破漏斗,受爆體的有效應力峰值不宜過小,故天井爆破的延期時間應不大于9 ms。

圖3 有效應力峰值隨延期時間的變化曲線

圖4 有效應力作用時間隨延期時間的變化曲線

2.2 延期時間對質點振動速度的影響

為了便于分析短微差時間對模型質點振動速度的影響,在模型頂部平面取點監測各關鍵節點的振動速度峰值(見圖5),圖5中a、b、c、d、e鄰近點之間的距離均為0.88 m。

圖5 頂部平面振動監測點布置

圖6為頂部平面關鍵節點振速峰值隨延期時間的變化規律。由圖6可以看出,齊發爆破模型(延期時間為0 ms)關鍵節點振動速度峰值最大,隨著延期時間的增加振速峰值降低;當微差時間為7～9 ms時,振動速度峰值下降明顯。表明與齊發爆破相比,通過精確控制爆炸能量延時釋放可在一定程度上降低振動影響,但延期時間較短時降振效果不明顯,延期時間7 ms以上爆破降振效果顯著。

圖6 節點振速峰值隨延期時間的變化曲線

圖7為不同延期時間爆破模型中間切面關鍵節點振速峰值隨距離的變化規律。由圖7可以看出,隨著距離的增加,節點振速峰值呈減小的趨勢,5.2 m之前振速峰值衰減較為迅速,5.2 m以后變化趨勢趨于平緩,這與工程爆破實測爆破振動信號的衰減規律一致。在靠近爆源位置的F點,不同延期時間模型的振速峰值相差較大,隨著距離的增加差距逐漸減小。眾多爆破振動實測數據表明,精確短延時爆破產生的振動信號是高頻成分占比較多的復雜信號,而高頻信號衰減較快,距離爆源較遠的位置振動信號變成衰減較慢的低頻成分,因此,不同延期時間在遠端的振動幅值更為接近,這也與模擬結果一致。

圖7 節點振速峰值隨距離的變化曲線

3 工程應用

為了驗證精確短延時爆破成井的可行性,根據數值模擬研究結果,在某銅鐵礦進行了采場通風天井爆破試驗。天井高度為16 m,直徑為2.6 m,布置兩圈炮孔,內圈孔孔間距為1.0 m,第二圈孔均勻分布于天井周邊,如圖8所示。

圖8 天井炮孔布置

天井采用一次爆破成井,每孔分4層裝藥,由于現場炮孔偏斜較大,為確保天井爆破效果,同層炸藥的內圈孔與外圈孔間采用精確短延時(高精度9 ms延時雷管)起爆,層間采用200 ms雷管延時起爆,如圖9所示。

圖9 裝藥結構(單位:m)

經現場爆破,天井成形較好,達到了設計尺寸和規格,爆破塊度適中,天井照片見圖10。爆破中振動強度低,對周邊巷道和工程影響較小。現場爆破試驗證明了精確短延時束狀孔爆破技術應用于天井爆破的可行性。

圖10 天井成井

4 結論

(1)延期時間對天井爆破內外圈的有效應力疊加效應產生一定影響,隨著短微差時間的增加,天井爆破模型有效應力峰值減小,有效應力作用時間變長;為了保證爆破的破巖效果,形成多孔共同爆破漏斗,天井爆破內外圈的延期時間應不大于9 ms。

(2)隨著延期時間的增加節點振速峰值降低,表明通過精確控制爆炸能量延時釋放可在一定程度上降低爆破振動影響,但延期時間較短范圍內降振效果不明顯,延期時間7 ms以上爆破降振效果顯著。

(3)爆破成井現場試驗驗證了數值模擬結論,表明7～9 ms精確短延時爆破可在保證多孔球狀藥包爆破成井效果的同時降低爆破地震效應,并能有效彌補炮孔偏斜對爆破的不良影響。