基于損傷的光面爆破參數優化數值模擬研究

劉淑鵬，李祥龍，簡錫明，郭曉強，唐紹輝，李文東

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.內蒙古金陶股份有限公司，內蒙古 赤峰 024300；3.紫金礦業集團股份有限公司，福建 上杭 364200）

0 引言

在井下巷道掘進過程中，光面爆破是井巷掘進常用的方法之一，相對于普通鉆爆法，井下巷道掘進法打孔數量多，施工時間長，但可以使爆破后巷道成型規整，降低對圍巖的損傷，所以選取合理的爆破參數可以降低掘進成本和巷道維護成本。顧義磊等[1]提出以超欠挖量（50～100 mm）、炮痕率（>50%）及圍巖損傷程度作為隧道光面爆破質量進行驗收的標準；王東旺等[2]運用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 對隧道掘進爆破中炮孔間距進行模擬優化；陳必港等[3]利用模擬的方法分析了不同位置空氣間隔對巖石振動及應力峰值的影響；關振長等[4]利用模擬的方法驗證了應力峰值隨距離的增大逐漸衰減，空氣間隔部分有利于應力波的傳播；耿立才等[5]認為合適的光面爆破參數，可以有效控制超欠挖現象，提高施工效率，降低了初期支護成本；王振浩[6]認為合理的光面爆破參數可以有效降低單耗，提高炮孔利用率，提高周邊孔的孔痕率；劉俊軒等[7]采用全斷面光面爆破技術，提高了巷道的掘進速度和成巷質量；劉國強等[8]通過模擬計算對參數進行調整并進一步降低了單耗，有效控制了光面爆破的超欠挖現象；馬元磊等[9]在巖石破碎、整體性較差的巖石中采用光面爆破技術有效維護了圍巖的穩定性，有效解決了斷層冒頂問題；宗琦等[10]從理論上提出了軸向不耦合系數的一種計算方法，并在實踐中得到了應用；閆國斌等[11]運用模擬軟件比較了水與空氣間隔的應力及位移的變化為光面爆破參數計算提供了理論依據。以上研究通過模擬和理論計算得出光面爆破的參數優化至關重要，可以有效維護圍巖穩定，提高成型效果。同時，對空氣間隔的分析研究得出空氣間隔裝藥可以有效降低爆轟波和爆生氣體的壓力，減少對孔壁巖石的沖擊壓縮破壞，延長爆生氣體準靜壓力作用時間，提高巖石光面爆破成縫的質量。運用LS-DYNA顯性有限元分析在不同空氣間隔長度、不同孔間距、不同光爆層厚度的情況下巖石損傷的規律，并根據模擬計算對現場試驗進行指導，可以為類似爆破設計提供借鑒與參考。

1 試驗方案

1.1 光面爆破參數計算

光面爆破的影響因素主要有不耦合系數、光面孔孔間距、光爆層厚度、線裝藥密度，其中光爆孔孔間距、光爆層厚度與線裝藥密度對光面爆破效果影響最大，根據光爆經驗公式對其進行計算[4,12]。

1）周邊孔孔距計算公式見式（1）。

式中：a為周邊孔孔距；d為炮孔直徑，取值50 mm。

2）光面爆破層厚度W。光面爆破層厚度一般取值大于或等于光面爆破層炮孔孔間距，見式（2）。

式中，W為光面爆破層厚度。

3）線裝藥密度。線裝藥密度是指單位長度炮孔中的裝藥量，在保證炮孔連心線破裂的情況下盡量減少裝藥量。此礦山采用1#巖石乳化炸藥，炸藥直徑為3.2 cm，不耦合系數為1.56。因此，炮孔孔內裝藥間隔距離會對孔內裝藥量產生影響。試驗方案見表1。

表1 試驗方案Table 1 Test scheme

1.2 光面爆破數值模擬建立

研究建模采用cm-g-μs 單位制，使用solid-164 實體單元，采用巖石與炸藥、空氣接觸的流固耦合算法，尺寸360 cm×180 cm×120 cm，炮孔直徑5 cm，藥卷直徑3.2 cm，長度35 cm，巖石部分共計650 000 個單元。模型前側為自由面，左右兩側和后側自由面采用無反射邊界，表明左右兩側和后側為無限介質，不會發生應力波反射。為觀測爆破后巖石向自由面方向（Y+方向）損傷變化，設置上下兩面相對于Z方向固定。模擬選用炸藥*MAT_HIGH_EXPLOSION_BURN，狀態方程使用關鍵字段*EOS_JWL 進行定義，炸藥參數見表2，巖石參數選用RHT 巖石材料模型的參數見表3，試驗模型如圖1 所示。

圖1 模型網格劃分Fig.1 Diagram of model grid partition

表2 炸藥參數Table 2 Explosives parameters

表3 RHT 巖石材料模型參數Table 3 Parameters of RHT model for rock material

2 模擬結果

2.1 巖石的損傷

模擬過程中通常用損傷值D（0

2.2 損傷演化過程

2.2.1 孔間損傷演變

以炮孔間距50 cm，光爆層厚度70 cm 為例，截取不同時刻損傷變化圖，如圖2 所示。由圖2 可知，炮孔起爆0.10 ms 時，炮孔周邊由于沖擊波的作用形成損傷擴展區即粉碎區域，隨著沖擊波衰減為應力波傳播；在0.12 ms 時，在兩孔中心線的中點上產生應力波的疊加形成損傷區域，并隨時間逐漸延伸；在0.20 ms 時，兩孔中心線上形成貫穿性損傷破壞。在0.29 ms 時，在自由面處形成損傷破壞區。

2.2.2 軸向空氣間隔損傷演變

以光面爆破層厚度800 mm，間隔裝藥800 mm為例，截取不同時刻損傷變化，如圖3 所示。由圖3可知，炮孔起爆0.15 ms 時，炸藥起爆后裝藥部分產生損傷；隨之向空氣間隔區域及炮孔兩側傳播，損傷區域寬度隨傳播距離增大而逐漸降低；損傷在0.80 ms 時向間隔中間位置匯聚，應力波在間隔區域中間位置疊加，損傷厚度增大，應力波向外擴展過程中加劇了損傷的擴展。對各間隔長度進行分析發現，各間隔損傷匯聚時間分別為0.31 ms、0.43 ms、0.54 ms、0.80 ms。損傷匯聚時間隨間隔距離增加逐漸延長。

圖3 軸向間隔區域損傷變化圖Fig.3 Damage change diagram of axial spacing area

2.3 間隔距離對損傷的影響

以光面爆破層厚度800 mm 為例，間隔裝藥500 mm逐漸增大至800 mm，截取在1 ms 時不同間隔距離的損傷圖，如圖4 所示。炮孔的裝藥區域較空氣間隔區域巖石變形大，且在間隔裝藥距離為500 mm 時，在空氣間隔至自由面之間損傷擴展較大，說明空氣間隔可以有效降低孔壁巖石的過粉碎現象，有利于應力波的傳播，促進損傷的擴展。隨著空氣間隔距離的增大，在中間炮孔連心線的垂直方向上產生破壞的區域面積逐漸減小說明空氣間隔距離的增大，可以有效降低對巖石的損傷，此模型空氣間隔為500 mm 較為合適。

圖4 空氣間隔長度對損傷影響圖Fig.4 Diagram of the effect of air spacing length on damage

2.4 光面爆破層厚度對巖石損傷變化影響

在光面爆破層厚度500～800 mm 的四個模型中，空氣間隔區域自由面上相同位置分別取單元44410、單元61306、單元78202 與單元316870 進行壓力及有效應力分析，如圖5 所示。

圖5 空氣間隔區域光面爆破層自由面處壓力及有效應力曲線Fig.5 Pressure and effective stress curves at free surface of smooth blasting layer in air spacing area

由圖5 可知，應力峰值隨著光面爆破層厚度逐漸增大，壓力的峰值應力逐漸降低，有效應力峰值也逐漸降低，符合應力波隨距離增大峰值逐漸減小的規律[15]。

圖6 展示了光爆層損傷的變化情況。結合圖5和圖6 可知，當光爆層厚度為500 mm 時，在三個炮孔與自由面之間及兩個炮孔之間都產生了損傷，損傷區域較大；在光爆層厚度為600 mm 時，在中間炮孔及兩個炮孔之間產生了損傷，較500 mm 光爆層損傷區域減小；在光爆層厚度為700 mm 與800 mm 時，雖然在中間炮孔與自由面之間和兩個炮孔之間的損傷區域較600 mm 時有所降低，但在中間炮孔與自由面之間都形成了貫穿性的損傷（圖7）。

圖6 光爆層損傷變化圖Fig.6 Damage change diagram of smooth blasting layer

圖7 光爆層在中間炮孔至自由面間的損傷變化圖Fig.7 Damage change diagram of smooth blasting layer from middle blasthole to free surface

綜上所述，隨著光面爆破層厚度的增加，光面爆破層的損傷區域面積逐漸變小。光面爆破層厚度為500 mm 和600 mm 時，光面爆破層破碎區域較大，破碎程度較高；厚度為700 mm 和800 mm 時破碎程度較小，但形成了中間炮孔與自由面之間的貫穿性損傷破壞。比較這幾組試驗可知，在光面爆破層厚度選取700 mm 時，可以充分利用炮孔間應力波的疊加與反射拉伸破壞，又不會造成光爆層的過度破壞。在炮孔與自由面之間形成貫穿性損傷破壞，因此，在這幾組試驗對比中選取700 mm 較為合理。如圖7所示，截取損傷值為0.75 以上的破碎狀態巖石，展示中間炮孔空氣間隔區域至自由面間損傷情況。

2.5 孔距變化對間隔裝藥中間部分損傷的影響

取500 mm、600 mm、700 mm、800 mm 孔間距，間隔裝藥長度500 mm，以光爆層厚度800 mm 為例，對間隔部分原巖的損傷情況進行分析。取相同位置單元分別為單元177200、單元305856、單元338137、單元400033 進行壓力及有效應力分析，分析結果如圖8 所示。

圖8 空氣間隔中心位置原巖的有效應力及壓力曲線Fig.8 Effective stress and pressure curves of original rock at air spacing center

由圖8 可知，隨著孔間距的增大，疊加應力峰值由35.48 MPa 降至0.483 MPa，有效應力二次峰值由50.1 MPa 降至21.2 MPa。說明隨著炮孔間距的增大，在垂直于炮孔連心線的方向上，應力的疊加效果會逐漸減弱。

圖9 為中間炮孔在垂直于炮孔連心線方向的損傷圖。結合圖8 和圖9 可知，在中間孔垂直于炮孔連心線方向上，損傷程度逐漸降低，由此可知，增加炮孔間距可以降低爆破過程對原巖的損傷。

圖9 中間炮孔在垂直于炮孔連心線方向的損傷圖Fig.9 Damage diagram of middle blasthole in direction perpendicular to centerline of the blasthole

在原巖側，空氣間隔不變的情況下，空氣間隔區域炮孔近端破壞區域厚度基本維持不變，但隨著炮孔間隔距離的增大，破壞區域外側原巖，隨孔距變化損傷程度逐漸降低。

圖10 和圖11 展示了炮孔連心線方向的損傷情況以及空氣間隔區域中心線與炮孔連心線交點處有效應力變化情況。由圖10 和圖11 可知，隨著炮孔間距的增大，在空氣間隔區域炮孔連心線上有效應力峰值逐漸下降，說明應力波在兩孔之間疊加效果逐漸降低，損傷貫穿效果也逐漸減弱，當孔間距為700 mm 和800 mm 時，無法形成貫穿效果。

圖10 炮孔連心線方向的損傷圖Fig.10 Damage diagram in the direction of centerline of blasthole

圖11 空氣間隔區域中心線與炮孔連心線交點處有效應力變化圖Fig.11 Effective stress variation at intersection of the centerline of air spacing area and the centerline of blasthole

綜上所述，炮孔間距的增大，有利于降低空氣間隔區域原巖遠端的損傷，同時也降低了兩孔間損傷的貫穿程度；在孔間距對空氣間隔區域損傷影響的試驗中，炮孔間距為500 mm 與600 mm 時在炮孔連心線方向與炮孔與自由面方向都基本呈現出了良好的貫穿效果。考慮降低周邊孔炸藥單耗可以降低爆破對原巖的損傷，并與其他幾組試驗比較，炮孔間距選為600 mm 較為合理。

3 現場試驗

根據上述試驗選用參數：炮孔間距為600 mm，空氣間隔裝藥距離為500 mm，光爆層厚度為700 mm，進行現場試驗，取得了良好的效果，降低了巷道掘進成本，把巷道的平整度降低至10 cm 以內，有效控制了超欠挖現象，降低了支護成本。效果展示圖如圖12所示。

圖12 現場試驗圖Fig.12 Diagram of field experiment

4 結論

1）增加孔間距可以有效調節中間炮孔垂直于炮孔連心線方向上空氣間隔區域遠端的損傷區域厚度，增加空氣間隔距離可以有效降低中間炮孔垂直于炮孔連心線方向上空氣間隔區域近端的損傷厚度，隨著空氣間隔距離增大，應力波峰值逐漸降低，對原巖與自由面方向上的損傷也都逐漸減小。選用優化后的參數試驗，巷道爆破質量良好，巷道的平整度降低至10 cm 以內，有效控制了超欠挖現象。

2）通過改變炮孔間距與間隔裝藥距離，降低了炮孔數量與裝藥量，從而減少了對圍巖的擾動，降低了二次維護的成本。

3）結合理論計算，數值模擬和現場試驗，可獲得爆破的優化方案，為礦山提供合理爆破參數。