上向中深孔掏槽爆破炮孔布置方式優化研究①

谷亞州， 史秀志， 劉文華， 王勝軍， 石紹飛， 邱賢陽， 王衍海

（1.紫金（長沙）工程技術有限公司，湖南 長沙 410000； 2.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083； 3.臨沂會寶嶺鐵礦有限公司，山東 臨沂 277718）

無切井直孔掏槽爆破是分段鑿巖嗣后充填采礦法的核心技術之一，在掏槽爆破成井高度較高時，成井難度較大。 因此，需對直孔掏槽爆破技術進行深入研究并優化其技術參數。

掏槽爆破的關鍵影響因素［1］有掏槽方式、炮孔直徑、間隔距離和微差時間等。 已有研究多側重于掏槽方式、炮孔直徑組合等方面［2-4］，而鮮有對具體的炮孔布置方式進行深入研究。 合理布置掏槽炮孔與空孔，能夠充分利用空孔的自由面效應和補償空間作用。 合理的首圈掏槽炮孔布置方式可減少爆破振動、減少大塊、提高掏槽爆破效果。 因此，非常有必要對槽區炮孔布置方式對成槽效果的影響機理進行研究，并優化相應的炮孔布置方式。

本文以湖北銅綠山銅鐵礦－485 m 中段9310 試驗采場為工程背景，以九孔掏槽爆破為例，首先結合現場實際及鉆孔偏斜率，利用補償空間理論、裂隙區理論等對掏槽區孔網參數進行了理論計算；然后利用LSDYNA 軟件對4 種不同掏槽炮孔布置方式進行建模求解，通過損傷區域模擬成槽區域，對掏槽爆破損傷進行對比分析，得出了最優的炮孔布置方式及槽腔成型規律。 最后根據模擬分析結果得到的最優參數進行了現場試驗驗證，并取得了良好的爆破效果，可為相關直孔掏槽爆破設計提供參考。

1 掏槽孔網參數計算

1.1 掏槽孔孔徑

湖北銅綠山礦采場采用Sandvik DL331 型上向自動接桿臺車進行掏槽施工，鉆孔直徑分為3 種：64 mm、76 mm 和89 mm。 文獻［4］在研究銅綠山礦掏槽爆破孔徑組合時得到炮孔直徑76 mm、空孔直徑89 mm 的最優孔徑組合，能夠達到很好的掏槽爆破效果。 因此，本文裝藥孔直徑采用76 mm，結合礦山經驗并考慮到擴孔的便利性，空孔直徑采用89 mm。

1.2 掏槽孔間距

掏槽孔間距的選取與掏槽區補償空間、炸藥性質及鉆孔偏斜率相關。

1.2.1 補償空間理論

抵抗線一定時，大的自由面寬度有利于增加炸藥爆炸時反射拉伸波的作用范圍、提高徑向裂隙的發育程度，同時增加破壞范圍［5］，因此應盡可能增加空孔孔徑。 一般情況下空孔直徑要大于炮孔直徑［6］。 裝藥孔、空孔首圈間隔距離如圖1 所示。

圖1 裝藥孔、空孔首圈間隔距離

滿足式（1）的情況下，兩孔之間的巖石能充分破碎，獲得良好的爆破效果。

式中S1為待爆破巖體面積；S2為空孔面積；S3為裝藥孔面積。

由圖1 可計算出兩孔間距L1與裝藥孔、空孔兩孔孔徑的關系：

式中L1為首圈間隔距離，m；D為大空孔直徑，m；d為裝藥孔直徑，m；K為巖石碎脹系數，由于掏槽區礦巖較破碎，取K＝1.3。

1.2.2 裂隙區理論

為確保良好的爆破效果，空孔應處于裝藥孔裂隙區范圍內［7］，炮孔與空孔中心間距L2要小于裂隙區半徑rt：

1.2.3 鉆孔偏斜率

另外，為防止因鉆機作業使孔與孔之間發生穿孔現象，炮孔間距L3與鉆孔偏斜率δ之間還需滿足：

式中l為炮孔深度，取10 m；δ為鉆孔偏斜率。

根據鑿巖臺車規格，鉆孔偏斜率不超過1%，這里取1%。

1.2.4 掏槽孔間距取值

空孔與裝藥炮孔的間隔距離應滿足式（3）～（5）。將本文所選的3 種孔徑代入式（3）～（5），求得的取值范圍為：L1≤0.500 m，L2＜0.322 m，L3＞0.282 5 m。 因此，掏槽孔間距取0.30 m。

2 數值模型

2.1 幾何模型及方案

對九孔掏槽爆破的首圈炮孔布置方式進行研究，提出不同炮孔布置方式的4 種方案，并進行數值模擬計算，如圖2 所示。 圖中數字為炮孔編號，深色孔為裝藥炮孔，孔徑為76 mm，淺色孔為大直徑空孔，孔徑為89 mm，九孔布置采用正方形布置，掏槽炮孔間隔距離均為0.3 m。

圖2 首圈掏槽爆破炮孔布置方式方案圖

2.2 數值模型

為提高計算效率，此次研究進行了模型簡化：采用準二維建模、裝藥炮孔同時起爆，計算模型取全模型的1／4，并采用XZ、YZ平面對稱鏡像來觀察爆破過程。以方案1 布置方式為例，所建模型的簡圖和邊界處理情況如圖3 所示。 模型尺寸為：X方向長度2.0 m，Y方向長度2.0 m，Z為單元厚度，長度0.008 m，即總體為2 m×2 m×0.008 m 的礦體模型，爆破數值模型設置成2 個無反射邊界和2 個對稱邊界，模擬采場實際爆破中的無限邊界條件，等效于模擬無限大礦巖邊界。炮孔直徑76 mm、空孔直徑89 mm。

2.3 材料參數

材料模型的選取不僅要考慮爆炸過程中介質的存在形式及變化情況，還要考慮載荷、加載應力的作用情況。

本文主要模擬礦巖在九孔掏槽爆破不同首圈炮孔布置方式下的爆炸效果，RHT 模型［8-9］能夠模擬巖石爆破產生的剪切破壞與拉伸損傷，將巖石在爆炸沖擊下的破壞過程通過連續的損傷進行疊加，并通過損傷變量D［10］將巖石在爆炸過程中的損傷與破壞程度定量化。 因此本文選用RHT 模型（?MAT＿RHT），材料參數見表1［11］。

表1 RHT 模型材料參數

炸藥選用井下爆破應用廣泛的2 號巖石乳化炸藥，材料本構模型為高能材料本構模型（?MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN）［12］。 在模擬中可用JWL 炸藥狀態方程與炸藥模型共同施加爆破荷載，更精確地描述爆炸過程，材料參數見表2。

表2 乳化炸藥材料參數及JWL 狀態方程參數

文獻［13］從炮孔堵塞物的膨脹運動、炮孔周邊的裂隙擴展情況側面分析了炮孔壓力變化歷程，即爆炸沖擊波與爆生氣體的作用時間歷程，認為這個時間非常短，為微秒量級。 因此本文首圈掏槽爆破炮孔布置方式模擬的求解時間設置為0.4 ms，時間步系數為0.67，每隔400 μs 輸出一步結果文件。

3 數值模擬結果與分析

3.1 掏槽爆破損傷云圖

掏槽爆破損傷云圖如表3 所示。 從表3 可看出，t＝0.08 ms 時爆炸應力波首先從掏槽炮孔向周圍傳播，應力波在炮孔周圍5 倍的ALE 空間范圍內，此時裝藥孔附近的損傷較大；t＝0.16 ms 時，由于空孔周邊存在的自由面與補償空間使爆炸能量與爆生氣體往空孔周邊傳播，損傷主要發生在5 個空孔處，中間大空孔將5 個空孔的損傷連接為整體，并逐步擴大到整個首圈掏槽區范圍；t＝0.24 ms 時，爆炸應力波傳播到距離掏槽區中心約1.0 m 的位置，第一圈掏槽區爆炸基本完成，空孔周邊的巖體被沖擊波擠壓到空孔處，空孔發生明顯變形，同時除了本文研究的首圈掏槽區域，在炸藥連線方向，即九孔掏槽對角線上，損傷也較大；t＝0.40 ms 時，應力波傳播至模型邊緣，但第一圈掏槽區內的損傷云圖無明顯破壞，說明炸藥爆炸過程在0.16 ～0.24 ms 內已完成。

表3 掏槽爆破損傷云圖

3.2 爆破空腔對比分析

為進一步觀察爆破空腔的成型情況，以XZ平面和YZ平面作為對稱平面生成完整的九孔掏槽首圈炮孔模型。t＝0.4 ms 時，通過LS-PREPOST 軟件剔除損傷大于0.6 的部分可以得到首圈掏槽區爆破損傷云圖，如圖4 所示。 可見方案1、方案2 的爆破空腔體積較大，方案3 與方案4 的爆破空腔體積明顯較小，可能難以為后續擴槽爆破提供足夠的補償空間及自由面。

圖4 掏槽爆破空腔成型圖

為了準確分析槽區體積及塊度，采用LS-PREPOST中的Measure 模塊對4 個方案的爆破空腔體積與大塊體積進行統計，結果如表4 所示。

表4 首圈炮孔不同布置方式爆破空腔體積與大塊體積

3.2.1 爆破空腔體積

從表4 可看出，方案1 的爆破空腔體積最大，方案4的爆破空腔體積最小。 方案1、方案3 為五空孔，方案2、方案4 為四空孔，在相同的炮孔位置情況下，方案1的爆破空腔體積較方案2 大，方案3 較方案4 大，因此可認為在爆破過程中大空孔的應力集中效應與自由面效應比較明顯，可以為破碎巖石提供較大的補償空間，空孔數量越多，即補償空間越大，掏槽區爆破效果越好。

3.2.2 空孔與炮孔位置

對比發現，方案2 與方案4 具有相同的補償空間，方案2 的爆破效果明顯優于方案4。 但方案2 與方案3 的爆破空腔體積反而相近，這說明方案4 的中心炮孔在爆炸過程中產生的應力波與爆生氣體在傳播過程中與其余炮孔在能量上相互抵消，從而使其在爆破能量碰撞區域損傷較差。 另外，從炮孔布置位置上可以發現方案1 與方案2 空孔到裝藥炮孔的距離在各個方向分布相對均勻，這說明補償空間的均勻程度也會影響爆破效果，有利于在空孔周圍形成大范圍的拉應力集中區域，從而獲得良好的首圈掏槽爆破效果。

3.2.3 大塊體積

方案3 的大塊體積最小，方案4 的大塊體積最大，說明炮孔與空孔的布置位置與掏槽爆破效果有關。 方案3 中，炮孔在中心大空孔周圍，能量相對集中在掏槽中心區域，存在能量集中效應，使礦巖充分破碎，因此大塊數量較少。 方案4 中，5 個炮孔集中在中心區域，能量過于集中，損傷主要為空孔處的拉伸損傷，在炮孔之間的能量交界處損傷較小，因此大塊數量較多，爆破效果較差。

3.2.4 小 結

綜上，在巖體爆破效果中，方案1，即標號3、5、7、9為炮孔，標號1、2、4、6、8 為空孔的首圈掏槽爆破炮孔布置方式，形成的槽腔斷面最大，掏槽爆破效果最好。

4 現場試驗

將得到的爆破參數應用到銅綠山銅鐵礦－485 m 中段9310 試驗采場中，進行掏槽區炮孔布置，切割槽區域打垂直上向平行孔，切割槽區域鉆孔直徑64 ～89 mm。中央掏槽區九孔區域孔網參數0.3 m×0.3 m。 外面炮孔環形布置，第一圈半徑0.45 m，炮孔分為直徑89 mm 和76 mm 間隔布置。 結果表明，爆后槽區斷面與高度均滿足設計要求，證實炮孔布置方式及參數設置合理。

5 結 論

從實際工程爆破出發，針對掏槽爆破，建立了4 種首圈炮孔布置方式模型，進行爆破仿真計算，選用RHT 本構模型分析爆破載荷下掏槽爆破效果，得到以下結論：

1） 在高分層中深孔鑿巖爆破參數優化中，利用LS-DYNA 軟件對首圈炮孔布置方式進行了爆破仿真模擬，得到最佳方案為方案1（標號3、5、7、9 為炮孔，標號1、2、4、6、8 為空孔）的首圈掏槽炮孔布置方式，該方案形成的槽腔斷面最大，掏槽爆破效果最好。

2） 對比分析了各方案的爆破空腔體積、空孔數量、空孔與炮孔位置及大塊體積，發現了兩個規律：空孔數量越多（即補償空間越大），掏槽區爆破效果越好；空孔位置的均勻程度（即補償空間的均勻程度）會影響爆破效果，空孔位置較為均勻有利于在空孔周圍形成大范圍的拉應力集中區域，從而獲得良好的首圈掏槽爆破效果。