金屬礦小斷面硬巖巷道爆破掘進裝藥結構優(yōu)化研究

摘要：金屬礦山小斷面硬巖巷道爆破掘進中常面臨炸藥能量利用率低、單循環(huán)進尺低、塊度大等問題。以蠶莊金礦-780 m四分層大巷為背景，采用爆破損傷、應力和振速變化作為評價指標，對無封堵、封堵+空氣間隔裝藥、封堵+水介質孔口間隔裝藥、封堵+水介質兩端間隔裝藥等4種裝藥結構進行了模擬分析，選取最優(yōu)的裝藥結構參數(shù)用于現(xiàn)場試驗。研究結果表明：添加封堵有效防止了爆破能量的流失，提高了能量利用率。孔口加封水袋延長了封堵時間，保持了孔內較高的爆轟壓力和較長的作用時間，從而更有效地破碎巖石。孔底放置水袋代替部分炸藥，既保持了爆破效果，又防止了超挖現(xiàn)象。綜合各方面考慮，封堵+水介質兩端間隔裝藥結構表現(xiàn)最優(yōu)。現(xiàn)場試驗結果顯示，優(yōu)化后的裝藥結構使炮孔利用率平均達到95 %，比優(yōu)化前提高了15 %。

關鍵詞：小斷面；硬巖巷道；爆破掘進；裝藥結構；空氣間隔裝藥；水間隔裝藥;炮孔利用率；爆破振動

中圖分類號：TD235文章編號：1001-1277（2024）10-0040-07

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241006

引言

鉆爆法作為巷道掘進的主要開挖方法之一，具有適用范圍廣、成本低、效率高等優(yōu)點，被廣泛應用于金屬礦采掘工程中［1］。然而，由于金屬礦巖石多為堅硬圍巖，同時巷道掘進開挖爆破具有斷面小、自由面少、夾制力強的特點，鑿巖爆破過程中存在炸藥能量利用率低、爆破效果差、爆破振動大、爆破作業(yè)施工成本高、粉塵濃度高等問題，直接影響礦山生產(chǎn)的各項技術經(jīng)濟指標，極大地制約了開采效率［2-4］。因此，開展爆破參數(shù)優(yōu)化，持續(xù)提高鑿巖爆破效率，對于金屬礦安全高效開采至關重要。

如何提高炸藥能量利用率，提升單循環(huán)掘進進尺一直是國內外學者關注的主要研究方向，其中，對裝藥結構的優(yōu)化是改善炮孔利用率的一種主要方式［5-6］。空氣間隔裝藥作為目前最常見的裝藥結構，在工程施工中得到大量應用，受到了眾多學者的普遍關注。朱紅兵等［7］基于爆轟波理論，分析了空氣間隔裝藥對炮孔內壓力變化的影響，并確定了最佳爆破設計參數(shù)；謝烽等［8］研究了不同孔徑下空氣間隔的合理長度，發(fā)現(xiàn)空氣間隔爆破在塊度和級配方面優(yōu)于連續(xù)裝藥；宗琦等［9］采用理論分析方法對空氣墊層軸向不耦合裝藥系數(shù)的計算方法進行了探討；朱寬等［10］通過建立連續(xù)堵塞和空氣間隔堵塞的結構模型，發(fā)現(xiàn)后者能更有效地控制爆源中心的過度破碎和減少粉碎區(qū)域。

近年來，水介質間隔裝藥作為一種新型裝藥結構受到關注。該方法通過在炮孔上部和底部填充水袋并用炮泥封閉，利用水的不可壓縮性和炮泥的封閉作用，減少沖擊波的衰減，延長爆生氣體的作用時間，提高巖石破碎度和炸藥能量利用率。蔡永樂等［11］通過室內試驗證實了水間隔裝藥在致裂效果上優(yōu)于空氣間隔。劉江超等［12］運用LS-DYNA軟件對水封爆破裝藥結構進行了現(xiàn)場施工模擬優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)兩端水間隔裝藥結構的爆破效果更佳。王志亮等［13］也利用LS-DYNA軟件，研究了徑向水不耦合系數(shù)與巖石損傷破壞區(qū)分布和孔壁壓力、加速度等的關系。馮涵等［14］通過理論推導分析了水封爆破振動速度，指出水介質段長度與炸藥段長度比例對爆破振動數(shù)值的影響。

以上研究表明，水間隔裝藥結構可以在一定程度上改善爆破效果，但由于實際施工中裝藥結構比較復雜，不同水間隔裝藥結構參數(shù)對爆破效果的影響有待深入研究。因此，本文以蠶莊金礦-780 m四分層大巷為工程背景，采用LS-DYNA模擬分析水和空氣2種介質間隔裝藥時巖石破碎特征，對比得出最優(yōu)的裝藥結構參數(shù)，然后進行工程試驗驗證，為類似小斷面硬巖巷道爆破掘進提供參考和借鑒。

1工程概況

蠶莊金礦-780 m四分層大巷為主巷道掘進工程，設計斷面為直墻半圓拱形，尺寸為2.8 m×2.9 m，凈斷面面積為8.12 m2，礦巖的堅固性系數(shù)為12，采用鉆爆法掘進，掏槽方式為七星復式掏槽，裝藥結構為傳統(tǒng)填藥方式。斷面原炮孔布置及裝藥結構如圖1所示。現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，由于傳統(tǒng)裝藥結構（爆破設計參數(shù)如表1所示）炮孔無封堵，爆破能量利用率較低，導致爆后斷面殘孔較多，不利于下次循環(huán)進尺的鉆孔工作。爆破后巖石破碎度較低，巖石大塊率高，難以進行有效的出渣工作。斷面循環(huán)進尺約1.9 m，炮孔利用率在80 %左右，且爆后超欠挖現(xiàn)象較嚴重。因此，需要對-780 m四分層大巷爆破裝藥結構及參數(shù)進行優(yōu)化。

2水間隔裝藥爆破機理及爆破效果模擬分析

2.1水間隔裝藥爆破機理

水作為一種難以被壓縮的流體介質，在爆破過程中相較于空氣可激發(fā)更強烈的沖擊波。在水介質中進行爆破時，其高傳能效率和較低的能量損耗使得沖擊波能均勻地作用于被爆巖體，實現(xiàn)有效破裂而非過度粉碎，從而提升能量利用效率［15］。水的高密度意味著炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的氣體膨脹速度顯著低于在空氣中的速度，這有助于減緩爆炸沖擊，降低噪聲和飛石風險［16］。此外，水能吸收部分爆炸能量并轉化為內能，在高溫高壓環(huán)境下，這部分能量可促使水介質和爆生氣體發(fā)生化學反應，生成新物質，從而延長爆炸過程，使能量更平緩釋放，減少爆炸的沖擊波、光和聲效應［17］。特有的氣泡脈動現(xiàn)象也是水介質爆破的一個重要特征。炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣團會在水中引發(fā)向外擴散的沖擊波，導致氣泡在水中產(chǎn)生周期性振動。此外，炸藥爆炸產(chǎn)生的力量可像“水楔”一樣穿透巖石或礦體的裂縫，加速其破裂和擴展［18-20］。

2.2不同裝藥結構模擬計算模型

為了提高巷道爆破掘進循環(huán)進尺，采用數(shù)值模擬對比分析不同空氣/水間隔裝藥結構下爆破后圍巖的破碎特征、有效應力衰減特征及振速傳播規(guī)律，以確定最優(yōu)的裝藥結構。具體的模擬方案有無封堵（組1）、封堵+空氣間隔裝藥（組2）、封堵+水介質孔口間隔裝藥（組3）、封堵+水介質兩端間隔裝藥（組4）等4種裝藥結構（如圖2-a）所示）。模擬采用非線性動力有限元軟件LS-DYNA，二分之一模型尺寸直徑4 m、高3 m。其中，對稱邊界采用位移約束，側邊界和下部邊界為無反射邊界，上部邊界定義為自由邊界。為保證模擬結果的準確性，巖石、空氣、炸藥均采用映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1 cm，計算時長1 ms。為解決模擬中炸藥、空氣、水、炮泥之間的耦合關系及大變形、大位移問題，采用多物質任意拉格朗日－歐拉算法模擬炸藥、水和炮泥，采用常規(guī)拉格朗日算法模擬巖體。在距炮孔0.4 m和孔底0.2 m及圍巖中部0.8 m，1.6 m處分別選取4個監(jiān)測點作為對比分析對象，監(jiān)測點布置如圖2-b）所示。

2.3模型材料及本構方程

1）巖石材料。巖石材料屬于多孔隙脆性材料，其內部隨機分布著大量孔隙和微裂隙，在外力作用下，這些微裂隙將發(fā)生擴展、貫穿，從而形成宏觀上的斷裂，導致材料發(fā)生破壞。巖石材料選用MAT_RHT模型。巖石材料MAT_RHT模型參數(shù)如表2所示。

2）炸藥材料。炸藥為2號巖石乳化炸藥。炸藥材料選用MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN 模型，并用 JWL 狀態(tài)方程加以描述：

P1=A（1－wR1V）e－R1V+B（1－wR2V）e－R2V+wE0V（1）

式中：P1 為爆炸產(chǎn)生的壓力（MPa）；V為相對體積，即當壓力為P1時的體積與初始體積的比值；E0為炸藥的初始比內能；A，B，R1，R2，w為參數(shù)，由試驗確定。炸藥材料模型參數(shù)如表3所示。

3）炮泥材料。炮泥的物理性質與土壤相似，選擇土壤和泡沫模型 MAT_SOIL_AND_FOAM來表示。該模型可以很好地描述爆炸過程中空氣與炮泥二相耦合問題。炮泥材料模型參數(shù)如表4所示。

4）空氣材料。由于空氣對爆炸應力波傳播的衰減作用，在模擬中需要考慮空氣的影響。空氣材料單元選用MAT_NULL材料模型及 LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程加以描述，線性多項式狀態(tài)方程為：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+（C4+C5μ+C6μ2）E（2）

式中：P為爆轟壓力（MPa）；E為單位體積內能；μ為相對體積;其他參數(shù)取值為C0=C1=C2=C3=C6=0， C4=C5=0.4，空氣密度取為 1.225 kg/m3，初始相對體積 V0 取 0。

5）水。水作為一種流體材料，采用空物質材料本構 MAT _ NULL，狀態(tài)方程采用 Gruneisen 方程描述其行為。

P=ρ0C2μ1+1－γ02μ－α2μ21－S1－1μ－S2μ2μ+1－S3μ3（μ+1）22+γ0+αμE（3）

式中：C為vs（vp）曲線的截距；S1，S2和S3分別為vs（vp）曲線斜率的無單位系數(shù)；γ0為無單位格魯尼森；α為對γ0的無單位一階體積修正。水材料模型參數(shù)如表5所示。

2.4模擬結果對比分析

2.4.1爆破損傷分析

4組裝藥結構工況下模擬計算得到的炮孔圍巖損傷云圖如圖3所示。由圖3可知：在相同裝藥量條件下，封堵工況（組2）比無封堵工況（組1）使孔口巖石破碎程度更大。在保持封堵長度和裝藥量不變的情況下，水介質間隔裝藥相較于空氣間隔裝藥結構，其損傷范圍更為顯著。此外，即使減少炸藥量并在孔底增加水袋，巖石損傷區(qū)域相比未減藥工況并未減少，且對孔底的損傷明顯降低。這一現(xiàn)象可歸因于水的高密度和不可壓縮性，這些力學特性使得水在沖擊波傳遞和能量轉換中發(fā)揮重要作用，減少了能量的損耗。同時，水介質的換能作用、氣泡脈動及“水楔”效應均有助于更充分地破壞圍巖，提升爆破效果。

距孔口60 cm和240 cm處的圍巖損傷云圖分別如圖4-a）和圖4-b）所示，對比了不同裝藥結構孔口和孔底損傷情況。由圖4-a）可知：組1（無封堵）的孔口巖石爆破效果不佳，裂隙區(qū)較短，且數(shù)量較少，未形成貫通裂隙，易出現(xiàn)“掛門簾”現(xiàn)象。相比之下，組2（增加炮泥封堵）和組3（添加水袋封堵）均實現(xiàn)了更有效的巖石破碎，裂隙數(shù)量顯著增加。組4通過在孔底使用水袋替代部分炸藥，在減少炸藥量的同時，仍維持了有效的巖石破碎效果，并有效降低了炸藥單耗。由圖4-b）可知：組1至組3的孔底巖石被完全粉碎，造成了能量浪費，而組4通過在孔底裝填水袋，降低炸藥量巖石從完全粉碎轉變?yōu)榫植坑行屏眩行П苊饬耸┕がF(xiàn)場的超挖現(xiàn)象，為下一次循環(huán)進尺提供了更平整的自由面。

2.4.2應力傳播特性分析

為分析爆破過程中巖體內有效應力的變化趨勢，提取并繪制各測點的有效應力時程曲線，結果如圖5所示。由圖5可知：對于監(jiān)測點Ⅰ，組1（無封堵）的有效應力峰值約為85 MPa，這是因為能量流失導致孔口處應力峰值較低。組2的有效應力峰值約為230 MPa，而組3和組4（存在水介質）的有效應力峰值均約為220 MPa，這些組別中的應力峰值晚于組2出現(xiàn)，這一現(xiàn)象可歸因于水中應力傳播的速度較慢。在監(jiān)測點Ⅱ處，組1、組2、組3由于具有相同的炸藥量、距離和介質，所以顯示出相似的曲線形狀，有效應力峰值均約為90 MPa。組4的有效應力峰值約為110 MPa，由于孔底測點距離炸藥更遠（比其他三組多20 cm），其應力峰值出現(xiàn)時間較晚。水介質的存在有效延長了應力在孔底圍巖的作用時間，從而更有效地破裂巖石。在監(jiān)測點Ⅲ處，4組的有效應力峰值均約為90 MPa。這表明，即使在減少炸藥量的情況下（如組4），仍能保持與其他組別相同的有效應力作用于巖石。在監(jiān)測點Ⅳ處，4組的有效應力峰值均為170 MPa，表明使用水袋代替部分炸藥的組4在降低炸藥單耗的同時，保持了高炸藥利用率且不影響破碎效果。

2.4.3爆破后圍巖振動特征分析

為了分析爆破后圍巖的振動特征，提取了各監(jiān)測點的振動速度數(shù)據(jù)并繪制成曲線，結果如圖6所示。由圖6可知：在監(jiān)測點Ⅰ處，組1（無封堵）的最大振速約為3 m/s，而組2的最大振速約為20 m/s，組3和組4（存在水介質）的最大振速均約為18 m/s。在監(jiān)測點Ⅱ處，組1、組2、組3的最大振速均為33 m/s，而組4的最大振速降至8 m/s。這一差異表明，能量的逸散流失導致組1孔口最大振速低于其他組，而水介質的存在使得組3和組4的最大振速小于組2，且峰值出現(xiàn)時間晚于組2。在監(jiān)測點Ⅲ、Ⅳ處，最大振速分別約為8 m/s和27 m/s，表明爆破最大振速隨著距離爆心的距離增大而降低。水間隔裝藥的方式能有效降低圍巖的最高振速，從而減少孔口爆破飛石的拋擲距離及對保留圍巖的擾動作用，降低后期支護成本，提高經(jīng)濟效益。

綜上所述，添加封堵優(yōu)于無封堵，在相同裝藥量的前提下，能獲得更佳的爆破效果，降低炸藥單耗，節(jié)約單次循環(huán)進尺的成本，提升經(jīng)濟效益。對于封堵裝藥結構，孔口加裝水袋能延長封堵時間，更有效地避免能量流失。在孔底加裝水袋不僅避免了對孔底巖石的過度破壞和超挖現(xiàn)象，還能在不影響爆破效果的情況下降低炸藥單耗，提高炸藥能量利用率，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。

3現(xiàn)場試驗

試驗地點為蠶莊金礦-780 m四分層大巷，采用兩端水介質間隔裝藥結構對原裝藥方式進行優(yōu)化，優(yōu)化后斷面炮孔布置及裝藥結構如圖7所示，優(yōu)化后裝藥方案如表6所示。爆破效果較穩(wěn)定，優(yōu)化前后爆破效果對比如圖8所示，優(yōu)化后自由面平整光滑，為下次鉆孔提供良好工作環(huán)境。試驗炮孔平均利用率達95 %，循環(huán)進尺提升了15 %。由于現(xiàn)場實際的圍巖并非理想均質的彈性體，巖體中有空隙、節(jié)理面等存在，水間隔裝藥的“水楔”效應得到更充分發(fā)揮。爆破時水炮泥受到高壓作用進入裂隙，使裂隙進一步擴展延伸，從而獲得了更好的爆破效果。此外，為了掌握水介質裝藥結構對爆破振動的減振效應，在距離掌子面10 m的位置對常規(guī)裝藥和水介質間隔裝藥2種方案進行了振動測試，結果如表7所示。采用水介質間隔裝藥結構后的爆破振動合加速度和振動峰值合速度分別減小了45.4 %和42 %，在保證爆破效果的同時有效降低了爆破振動對鄰近圍巖的擾動，避免了對巷道設備及構筑物的破壞，減少了后期巷道支護的浮石危害，能夠更好地保障井下工人的人身安全。

4結論

本研究以蠶莊金礦工程為背景，對小斷面硬巖巷道掘進過程中的裝藥結構進行了優(yōu)化。通過有限元軟件模擬和實際工程應用，得到以下結論：

1）使用水介質間隔裝藥結構在硬巖巷道爆破中展現(xiàn)了明顯優(yōu)勢。水介質的高密度和不可壓縮性特征減少了爆破過程中沖擊波的能量損耗，從而提高了能量利用率。水介質在爆破過程中的換能作用、氣泡脈動現(xiàn)象和“水楔”效應更有效破碎圍巖，實現(xiàn)了更優(yōu)化的爆破效果，同時降低了炸藥單耗。

2）添加封堵方法在爆破中防止了能量流失，提高了能量利用效率。特別是孔口處加裝的水袋延長了封堵長度，使孔內保持較高的爆轟壓力和更長的作用時間，從而更有效破碎巖石。孔底放置水袋代替部分炸藥，既降低了裝藥量，又避免了超挖現(xiàn)象發(fā)生，實現(xiàn)了更為平整和規(guī)則的損傷區(qū)域。

3）兩端水間隔裝藥結構與傳統(tǒng)裝藥結構相比，在顯著降低爆破振動速度方面表現(xiàn)出色，有效降低了對鄰近圍巖的擾動，避免了對巷道設備及構筑物的破壞，并減少了后期巷道支護的浮石危害，從而更好地保障了井下工人的人身安全。

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Optimization study on charge structure for blasting

in small cross-section hard rock roadways of metal mines

Wang Chunguang1，Han Lei2

（1.Zhaojin Mining Co.，Ltd.;

2.Zhejiang Province Key Laboratory of Rock Mechanics and Geological Hazards）

Abstract：In small cross-section hard rock roadway blasting for metal mines，common challenges include low energy utilization of explosives，short excavation footage per cycle，and large blocks of rock fragmentation.Taking the -780 m four-level main roadway at Canzhuang Gold Mine as a case study，a simulation analysis was conducted using blasting damage，stress，and velocity change as evaluation indicators for 4 charging structures：no stemming，stemming+air gap charging，stemming+water medium gap at the collar，and stemming+water medium gaps at both ends.The optimal charge structure parameters were selected for field tests.The results showed that adding stemming effectively prevented energy loss and improved energy utilization.Adding water bags at the collar extended the stemming time，maintained higher detonation pressure，and prolonged the effective action，resulting in more efficient rock fragmentation.Replacing part of the explosive with water bags at the bottom of the hole maintained the blasting effect while preventing overbreak.Overall，the stemming+water medium gap charging structure at both ends was found to be the most effective.Field tests demonstrated that the optimized charge structure increased the borehole utilization rate to an average of 95 %，15 % higher than that before optimization.

Keywords：small cross-section;hard rock roadway;blasting excavation;charge structure;air gap charging;water gap charging;borehole utilization rate;blasting vibration