某骨料礦山臺階爆破參數優化

鄭宗棋

摘要：針對某骨料礦山的生產爆破現狀，從巖石破碎機理和爆破工藝方面分析了粉礦產生的原因，并結合合理選擇炸藥、調整裝藥結構、選擇合理的毫秒延期時間等優化措施來降低粉礦率。通過理論分析和數值模擬相結合的研究方法，使用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對不同裝藥結構和不同毫秒延期時間進行數值模擬，根據模擬結果確定最佳的裝藥結構和最佳延期時間。結果表明，40%空氣間隔裝藥和42ms延期爆破的效果最好。

關鍵詞：爆破;粉礦率;數值模擬;參數優化

引言

在石灰石骨料礦山，對礦石產品塊度有嚴格的要求，巖石破碎粉礦率高低直接影響著礦山企業的經濟效益，減少粉礦率尤為重要。骨料礦山巖體節理裂隙發育，爆破過程中極易產生粉礦，造成粉礦率過高，骨料產品減少，影響礦山企業的經濟效益。因此，優化爆破工藝，減少粉礦率，增加資源利用率，提高經濟效益。

隨著數值模擬技術的發展，裂隙巖體爆破研究得到了迅速發展。結合著數值模擬軟件工具廣泛應用，為當前研究爆破作用提供了全新的研究方法。由于方法基于系統的守恒方程、材料本構模型和狀態方程，可以對系統的整個過程進行模擬和觀察，所以分析技術得到了廣泛應用[4]。LS-DYNA是一個具有完整的功能非線性、材料非線性和接觸非線性的應用程序。其中結構分析、動態受力分析等分析功能結合現場工況模擬為參數優化提供重要的指導。

1.礦山爆破現狀

某骨料礦山是生產石灰石骨料的露天礦山，生產過程中采用露天深孔爆破的方式，要想確定最佳的爆破參數，降低粉礦率，必須從該礦山現有的爆破情況出發，分析其產生粉礦的原因，調整爆破參數，來達到降低粉礦率的目的。目前生產爆破使用的炸藥為銨油炸藥，其中表1是骨料礦山生產中某臺階的爆破參數。

2.骨料礦山粉礦產生原因分析

2.1.地質條件

在集礦中，初始狀態下有大量的小塊巖石。當應力波在巖體中傳播時，在遇到結構面時會產生復雜的應力狀態。由于軟弱帶或弱面的存在，破壞了巖石的連續性。當巖石受到作用力時，巖石就開始從最小的薄弱區域或弱的表面斷裂。在開裂過程中，應力在裂隙尖端集中，由于巖石的破壞是瞬時的，在脆性狀態下，應力集中現象更為明顯[5]。應力集中處的應力強度大于巖石抗拉強度，使巖石發生粉碎，造成粉礦率增加。

軟弱帶的巖石的各種力學參數都與兩側不同，當波傳至軟弱帶和完整巖體的交界處時會發生反射，反射波與原始波疊加，當其為同相位時，反射波波峰與原始波波峰疊加，使應力波增強，巖石破壞更嚴重，易產生粉礦，造成粉礦率增加。

2.2.爆炸過程的內部作用

當炸藥裝在巖體的深部位置時，認為爆破作用不能到達自由表面，在這種情況下的爆破作用稱為爆破的內部作用。根據爆破過程中巖石的破環特征，可將受破壞的巖石劃分為三個區域：粉碎區、破裂區和振動區[6]。

2.3.爆破過程的外部作用

根據應力波的反射原理，爆破產生的應力波傳播到兩個性質不同介質的接觸面時，會發生反射，變為性質和方向相反的拉伸應力波，拉伸應力波可產生以下兩種效果：

（1）自由面附近的巖石會產生細小的落石。根據霍普金森效應，當反射回來的波產生的應變值高于巖石所能承受的極限范圍時，可以使脆性巖石發生拉伸破壞，造成自由面附近巖石發生破損。

（2）徑向裂隙延伸。當波產生的應變峰值小于巖石的極限范圍時，雖然不會對自由面處的巖石造成損傷，但是會與巖石徑向破裂縫尾端相互疊加，使得巖石沿半徑方向的裂隙向前發育。

3.數值模擬

3.1.模型材料和參數

采用ANSYS/LA-DYNA有限元分析軟件建立三維模型進行爆破模擬，使用的單元類型是Solid164，采用六面體網格對模型進行網格劃分。數值模擬中涉及的材料參數及模型尺寸的單位均采用g-cm-us。巖石采用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE簡稱JHC。該材料在模擬大應變、高應變率和高壓力時能取得較好的效果。

堵塞材料選用 SOIL_AND_FOAM;炸藥材料選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN，完整地定義炸藥模型，還需要設置JWL狀態方程。JWL狀態方程公式為：

空氣材料選用NULL，要完整地定義空氣材料模型，還需要設置狀態方程LINEAR_POLYNOMIAL，狀態方程公式為：

3.2.建立模型

結合礦山的爆破現狀，其爆破參數為：孔徑為152mm，臺階高度為12m，孔深為14m，超深為2m，孔距為6m，堵塞長度為4.5m，利用ANSYS軟件建立三維模型進行爆破模擬。

3.2.1.裝藥結構模型

為了研究裝藥結構對爆破產生的粉礦率的影響，本文模擬在炮孔中部不同空氣間隔比例爆破時對炮孔周圍巖石的破壞作用，分別建立連續裝藥、10%空氣間隔比例、20%空氣間隔比例、30%空氣間隔比例和40%空氣間隔比例5種單孔爆破模型。模型尺寸為長15m、寬15m、高20m的長方體，炮孔位于模型中間，炮孔直徑為152mm。為了減少單元數，節省計算時間，根據模型的對稱性，可只建立1/4模型，對兩個對稱面施加垂直模型的無位移約束條件，對另外兩個側面和底加施加無反射邊界條件模擬無限介質。整個模型采用六面體單元劃分網格，網格數為29478，如圖1所示。

3.2.2.毫秒延期模型

為了探究兩個炮孔毫秒延期時間對爆破產生的粉礦率的影響，模擬炮孔正中部40%空氣間隔裝藥條件下兩個炮孔在不同毫秒延期時間下爆破對周圍巖石的破壞作用，分別建立無延期時間、25ms延期時間、42ms延期時間和65ms延期時間4種模型。模型尺寸為長12m、寬6m、高20m的長方體，炮孔直徑為152mm，兩炮孔之間的距離為6米。為了減少單元數，節省計算時間，根據模型的對稱性，可只建立1/2模型，對對稱面施加垂直模型的無位移約束條件，對另外三個側面和底面施加無反射邊界條件模擬無限介質。整個模型采用六面體單元劃分網格，網格數98940，如圖2所示。

3.3.空氣間隔裝藥爆破巖體損傷

3.3.1.巖體損傷云圖

JHC模型可以反映巖體在壓力、塑性體應變下損傷情況，利用該種特性，可以觀察不同空氣間隔比例下炮孔周圍巖石的損傷范圍，比較不同空氣間隔比例裝藥爆破時對炮孔周圍巖石的破壞作用。

圖3表示不同空氣間隔比例單孔爆破的巖石損傷范圍，其中紅色區域表示粉碎區。根據巖石損傷范圍云圖，連續裝藥時，炮孔周圍紅色區域較大，說明連續裝藥結構在爆破時炮孔周圍的粉碎區較大，產生的粉礦較多。隨著間隔比例的增加，紅色區域面積不斷減小，炮孔周圍粉碎區不斷減小，粉礦率不斷降低，減小的區域主要為炮孔空氣間隔段周圍的巖石，在裝藥段粉碎區的減小不明顯。

3.3.2.最大應力分析

為了進一步了解不同空氣間隔比例裝藥結構爆破時對炮孔周圍巖石的破壞作用，在炮孔周圍選擇距離炮孔50cm、100cm、150cm三個單元對比其最大有效應力，不同空氣間隔比例在三個測點的最大有效應力值如下表2：

從曲線圖中可以看出在距離炮孔50cm、100cm、和150cm的位置，最大有效應力隨空氣間隔比例的增加而降低，隨著空氣間隔比例增加，最大有效應力的減小幅度逐漸降低，空氣間隔比例在0～10%時，最大有效應力減小最為明顯，空氣間隔比例在30%～40%時，最大有效應力減小幅度最小。

3.4.毫秒延期爆破最大有效應力分析

為了研究正中部40%空氣間隔裝藥條件下毫秒延期時間對爆破時周圍巖石的破壞作用，在后段起爆的炮孔周圍選擇距離炮孔50cm的單元進行應力分析。分別分析不同毫秒延期時間對應的有效應力隨時間的變化，得到如下曲線圖5。

對比四張有效應力曲線圖，在不設置延期時間時，測點的有效應力峰值遠高于毫秒延期爆破測點的有效應力峰值。且5個測點有效應力最大值的平均值也高于毫秒延期爆破測點有效應力最大值的平均值，說明采用毫秒延期爆破時，后段起爆的炮孔周圍巖石的有效應力明顯減小。對比25ms延期、42ms延期和65ms延期有效應力曲線，42ms延期爆破時，測點有效應力峰值和有效應力最大值的平均值都比25ms延期和65ms延期時的有效應力小，在42ms延期時，對于減少粉礦率的爆破效果最好。

4.結論

（1）結合礦山地質條件和礦山生產爆破現狀，分析了粉礦產生的原因，是因為爆破時炮孔周圍存在粉碎區。為了減小粉碎區的大小，可從選擇猛度低的炸藥、采用空氣間隔裝藥的裝藥結構和采用毫秒延期爆破來減小粉碎區的大小。

（2）裝藥結構對于減少爆破粉礦率具有重要作用，采取正中部空氣間隔裝藥時，炮孔周圍粉碎區的大小隨空氣間隔比例逐漸減小，主要減小區域為空氣間隔段。當空氣間隔比例增大時，粉碎區減小幅度逐漸減小，在空氣間隔比例達40%，粉碎區的減小趨勢已不明顯。

（3）毫秒延期爆破對于減少爆破粉礦率也有一定影響，在采用毫秒延期爆破時，不論其延期時間長短。在后段起爆炮孔周圍巖石的應力都比同時起爆時炮孔周圍應力顯著減小，毫秒延期爆破對于減小后段炮孔周圍粉碎區的大小有一定效果。對比25ms、42ms、和65ms延期，42ms延期時后段起爆的炮孔周圍應力最小。

參考文獻

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