多起爆點小直徑藥卷光面爆破技術的應用

朱志國

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司）

在地下礦山開拓掘進爆破過程中，巷道爆破后要保證掘進面巖體充分、均勻破碎，方便巖渣裝運；減少爆破作業對圍巖的損傷，確保圍巖穩定，輪廓光滑，從而降低巷道開拓工程中的支護工作量，確保平巷道的長期穩定和安全［1-2］。在巷道掘進爆破過程中，為保證其斷面輪廓盡可能與設計一致，需對周邊孔采用控制爆破措施，控制巷道輪廓面成形。為了獲得光滑的巷道輪廓面，傳統巷道周邊孔爆破通常采用光面爆破技術［3］。

在傳統導爆索間隔裝藥光面爆破施工中，常會存在施工步驟繁瑣、施工成本高、傳爆中斷及殘藥、爆破效果差等問題［4］。面對傳統導爆索工藝存在的相關問題，研究出一種低成本、高效率光面爆破技術替代現有導爆索間隔裝藥技術顯得尤為必要。在新型光面爆破技術研究方面，國內外學者進行了大量的試驗與理論研究，張迅［5］對光面爆破不耦合裝藥參數進行了試驗優化；朱禮淵［6］使用新型聚能切割光面爆破技術進行了掘進爆破試驗；郭學庭等［7］對山東某金礦掘進巷道進行優勢節理組分析及光面爆破方案優化設計；陶明等［8］采用大孔徑無導爆索光面爆破技術進行了邊坡成形光爆試驗；唐喜明［9］采用導爆管雷管替代導爆索，無導爆索光面爆破技術提高了邊坡的穩定性，確保邊坡的成形質量。

本文基于某地下礦山掘進爆破實際工況，設計多起爆點小直徑藥卷軸向間隔裝藥結構進行周邊孔光面爆破作業，以期能省去導爆索及其他輔助材料，同時取消起爆藥包制作工序等，爆破后巷道成型良好，光爆孔痕清晰連續，超欠挖量在合理閾值內，對類似光面爆破裝藥結構設計具有良好的借鑒作用。

1 多起爆點小直徑藥卷光面爆破機理

傳統巷道光面爆破技術是沿巷道輪廓面上均勻布置密集小間距、小直徑的炮孔，采用導爆索間隔裝藥結構，在內部圍巖爆破拋擲后，周邊孔同段別齊爆，相鄰兩裝藥孔在炮孔中心線的中點發生應力波的疊加，形成孔間貫穿裂紋，之后爆生氣體在靜壓作用下擴展，最終形成光滑的貫穿裂縫，將光爆層圍巖整體剝離。采用間隔裝藥可有效減少爆破作用產生的壓應力，保障巖壁不受壓破壞，從而保留下光滑連續的半孔痕。傳統φ32 mm 藥卷間隔裝藥結構，藥卷直徑較大，對巖壁破壞加劇，無法有效留存半孔壁面，且空氣段與裝藥段會呈現不同程序的超欠挖現象，采用多起爆點小直徑藥卷，減少空氣間隔段，能量分布更加均勻，可有效降低壁面超欠挖量，保障整體巷道成型光滑平整，同時能避免掛口產生，提高爆破效果，同時多起爆點可有效控制間隙效應導致的不傳爆問題，降低殘藥率。

2 有限元分析

2.1 數值仿真研究目標

采用有限元數值仿真軟件LS-DYNA 建立單個炮孔多起爆點小直徑藥卷裝藥爆破模型，對其整個爆破過程進行仿真，并使用LS-Prepost后處理軟件對其爆破過程中壓力變化、材料侵蝕失效情況及孔壁的位移情況進行分析，進而判斷出炮孔受拉壓變化及光爆半孔保留等情況。

2.2 仿真方案

（1）采用有限元數值仿真軟件LS-DYNA 建立單個炮孔裝藥1/2爆破有限元模型。

（2）采用映射法劃分材料網格，定義材料網格最優尺寸。

（3）選擇合適的材料參數并賦值。

（4）定義流固耦合關鍵字、接觸關鍵字、接觸控制等參數，定義失效條件并進行仿真運算。

（5）采用LS-Prepost 后處理軟件分析炮孔內壁壓力和位移，觀察材料失效情況。

2.3 裝藥結構

多起爆點小直徑藥卷間隔裝藥結構是采用1支φ35 mm 乳化炸藥作為底部起爆藥包，連續裝填2 支φ27 mm 水膠炸藥，同時在炮孔中間位置布置560 mm 的空氣間隔，以達到減小爆破沖擊波對孔壁的壓縮破壞的目的，后裝填2 支φ27 mm 的水膠炸藥，選取同段別雷管，同時起爆，圖1 為裝藥結構設計。

該結構屬于偏心結構裝藥，底部φ35 mm 乳化炸藥主要用于破除底部磁鐵礦石的夾制力，φ27 mm 水膠炸藥存在直徑小、爆破威力較高的優點，緊貼于炮孔底部一側，相較于普通φ32mm 乳化藥卷有效增大了軸向空氣間隔層的體積，從而減小了對圍巖的爆破損傷。同時，水膠藥卷猛度及做功能力均高于乳化藥卷，彌補了藥卷減小導致的爆破能量不足問題，可有效保障光爆層的順利崩落破碎。

2.4 模型建立

模型組分中包含炸藥、磁鐵礦及空氣組分，采用偏心距裝藥結構，空氣組分位于兩固體組分間隙之間，其中空氣和炸藥材料定義為流體，磁鐵礦為固體，炸藥和鐵礦石的物理力學參數見表1，采用流固耦合算法進行計算。建模過程中為保障計算精度，劃分網格采用映射方法。為減少計算時長，在對稱面施加對稱位移約束，以模擬整體模型，同時通過添加相應關鍵字定義礦石抗拉、抗壓失效條件，模型如圖2所示。

2.5 結果分析

觀察模型流體組分壓力變化趨勢，如圖3 所示。由壓力云圖可以看出，280 ms 左右炸藥基本全部傳爆，炸藥爆炸沖擊作用開始作用于壁面，其中最大壓力為51.6 MPa，低于礦體抗壓強度，高于礦體抗拉強度，炸藥貼近的壁面滿足失效標準。600 ms 左右后爆炸沖擊波繼續傳播并逐漸衰弱至5.534～55.34 kPa，進一步觀察磁鐵礦體組分爆破后材料變化情況，如圖4 所示。由圖可以看出，1 000 ms 時，炮孔底部巖體基本失效完全，其余未崩落巖體會在后續爆生氣體持續作用下完全崩落。炮孔上部巖體處孔底處存在部分失效，其余部分均未出現明顯的失效情況。模擬結果顯示：多起爆點小直徑藥卷間隔裝藥結構爆破后對炮孔上部圍巖損傷較小。可保障圍巖質量，形成痕跡清晰連續的半孔，同時該裝藥結構爆破可有效損傷炮孔底部巖體，確保底部巖體順利崩落破碎。

為了進一步量化炮孔上部巖體受爆破沖擊作用的損傷程度，選取炮孔上部部分測點（圖5），觀測其位移變化，如圖6所示。

由圖6 可知，測點1 位移約0.2 cm，2～6 號測點位移均在0.15 cm 左右。由此可知，在爆破過程中炮孔上部巖體基本未發生異動，僅存在一定的物質壓縮，進一步說明炮孔上部材料受爆破沖擊影響較低，礦體保留完好，可有效形成光爆孔痕。

3 現場應用實驗

3.1 爆破初始條件

現有某地下礦山1號穿脈須進行開拓作業，現場實際揭露的巖石顯示，主要為磁鐵礦巖，層理裂隙較為發育，整體穩定性一般。據地質報告，貫通區域含水層為頂板裂隙水含水層，含水性較弱，同時根據已施工巷道情況，確認無水。巷道斷面規格為5.24 m×3.89 m，為典型三心拱斷面，使用機械鑿巖臺車進行鉆孔，成孔孔徑45 mm，單次循環鉆孔深度為3m。

3.2 周邊孔間距及最小抵抗線

根據磁鐵礦石物理力學性質，通過查表法及長期施工效果綜合分析，確定巷道頂孔和幫孔間距范圍為550～650 mm，最小抵抗線為650～700 mm。

3.3 爆破參數

經計算，巷道斷面需要布置70個炮孔，其中掏槽空孔4 個、掏槽孔5 個、擴槽孔8 個、輔助孔23 個、頂孔和幫孔21 個、底孔9 個。每種類型炮孔的裝藥系數、鑿巖孔深、所用卷裝藥的單卷質量和長度及爆破參數見表2，掘進面炮孔布置如圖7所示。

3.4 現場施工

現場施工作業需先對現場條件進行檢查，該試驗面現場巖體較為完整，無明顯礦巖分界，為均勻硬質巖層，掘進面壁面平整，頂板較為完整。按照設計根據具體孔位選取不同裝藥系數裝填相應炸藥，周邊孔采用多起爆點小直徑藥卷間隔裝藥結構裝填φ35 mm 乳化炸藥和φ27 mm 水膠炸藥，使用PVC 管輔助裝藥。

現場施工作業中需采取以下措施控制光爆效果：

（1）周邊孔裝藥時需注意相鄰炮孔錯開空氣間隔段，均勻布藥，避免同一位置爆破能量過少或冗余而產生掛口或坑洞。

（2）裝藥過程中應采用有標記的炮棍進行裝藥，從而確保藥卷位置符合裝藥原始設計，保障爆破效果。

3.5 爆破效果

觀察多起爆點小直徑藥卷光面爆破效果，如圖8所示。可以發現，多起爆點小直徑裝藥結構光面爆破后，圍巖頂部孔痕連續清晰，保留較完整半孔孔痕11 個，半孔率達到76%，超欠挖量在20 cm 以內，無掛口或坑洞現象，基本達到光面爆破要求，光面爆破的爆破效果和巷道成形情況良好，符合設計要求和規范，同時省去了導爆索成本及綁縛導爆索等復雜的爆破施工步驟，提高了現場施工效率和礦山經濟效益。

4 結論

本文主要研究了多起爆點小直徑藥卷光面爆破技術，通過有限元數值模擬發現，該技術裝藥結構對炮孔上部壁面損傷較小，可有效損傷炸藥貼近壁面，分析炮孔上部壁面有效應變發現，均未超過材料失效應變，從而保障光爆孔痕有效留存。現場試驗結果發現，多起爆點小直徑藥卷光面爆破后，半孔率達到76%左右，超欠挖量在20 cm 以內，基本達到光面爆破要求，節約了施工成本，提高了施工效率，具有良好的借鑒作用。