段军 霍晓伟
内蒙古科技大学 内蒙古包头 014010
摘要：随着高精度钻机的应用和矿山开采效率的提升，巴润矿在上部台阶靠帮部位采用并段预裂爆破，为得到理想爆破效果，本文通过ANSYS/LS-DYNA建立爆破模型进行数值模拟，模拟裂隙发育及z方向时程图进行分析并在实际工况下进行预裂爆破。结果表明：预裂爆破得到孔间炸药爆炸过程中产生的最大拉应力为15.109MPa，最大压应力11.09MPa，小于炮孔岩壁抗压强度。对比实际工况下，应力响应值较理想，裂隙发育较好，现场预裂爆破与模拟爆破效果基本吻合，达到预期爆破效果。
关键词：预裂爆破；数值模拟；裂隙发育；拉应力；爆破效果
0 引言
预裂爆破作为一种控制爆破技术，是保护欲保留边坡稳定性以及坡面平整度的一种重要手段。在具体施工过程中，既要利用好炸药爆炸产生的能量来破碎设计中的土石方量，也要把炸药爆炸的能量对保留岩体的破坏程度降到最低。预裂爆破因其减震和阻隔作用较好被广泛的研究应用[1-3]。然而，预裂爆破的成缝大小不能通过试验对爆破效果进行定量分析。近几年，国内相关专家针对预裂爆破的成缝机理及爆破参数做了大量的研究，戴兵，赵国彦通过动力分析软件ANSYS-LSDYNA对不同爆破参数下的预裂成缝机理进行研究，得出预裂缝是从孔壁形成并向其中点扩展，而不是应力波作用[4]；朱兆文，徐敏，黄治成等运用非线性有限元软件LS-DYNA模拟研究16组预裂爆破成缝机理，并使用回归分析拟合出预裂孔线装药密度公式[5]；一般预裂爆破台阶高度超过15m会进行分层穿孔爆破，高台阶预裂爆破参数目前研究较少，由于不同的预裂施工现场地质条件存在很大的差异，所计算得出的参数值与现场实际情况存在误差且爆破检测不能对预裂缝附近关键部位的速度、位移、加速度等具体参数进行监测，除此之外，存在不耦合系数[6-9]数值大小等人为因素，因而获得的爆破效果不是很理想，同时施工过程中也会存在一定隐患，多次试验爆破方案必然引起采矿成本增加。因此，鉴于现场爆破数据与设计参数存在的较多干扰因素，基于LS-DYNA建立预裂爆破成缝模型模拟具有重复性、可行性等优点，借助仿真模拟分析软件对预裂爆破方案作数值模拟分析，为预裂爆破机理研究及直观效果的分析提供便捷。在爆破过程中要注意在达到预裂效果的同时，尽量减小对缓冲孔的影响，需要研究爆炸应力波在预裂孔间的应力强度及孔壁裂隙发育程度，确定预裂爆破设计参数的合理性。把得到的理论分析进行现场工业试验验证分析，达到综合运用计算机分析手段和爆破理论知识来指导生产实践的目的。
1 实际工况
巴润矿是包钢集团的子公司，作为包钢集团公司的大型原料供给基地，是国内冶金矿山少有的实现扩帮生产台阶24m双段爆破、单次爆破量规模达到173万吨级的现代化露天矿山。巴润矿设计年矿石生产能力为1 500万吨，剥岩总量为9 850万t/a，采剥总量11 350万t/a，采场东西长近5 km，南北宽1 km左右的范围内，其中有数十个铁矿体，附属矿体有一百个左右。采场内岩性主要为白云岩、板岩、第四系等，岩性变化大，采场上部台阶岩性风化作用较为强烈，强度低，随着开采水平的下降，岩性强度变大。巴润矿设计靠界边坡角为65°，常规预裂爆破采用120mm直径钻机钻孔，为提高爆破效率和高精度钻机的应用，在靠近边坡部位经调整，将目前采场由先前上部12m高度台阶，采用直径150mm钻孔进行24m高台阶双段穿孔爆破。
2 巴润矿1560m水平24 m靠帮控制爆破设计
2.1台阶14m主爆破设计
本爆区主爆区12m台阶正常爆破，采用孔径φ150 mm 潜孔钻机穿凿炮孔，炮孔布置按照3 m×7 m三角形布孔，炮孔超深2.0 m。堵塞长度为4.0 m，为减小爆破对边坡稳定性的影响，主爆区采用逐孔起爆方式。
2.2缓冲爆破设计
主爆孔孔径φ150mm，主爆炮孔爆破时会对后侧边坡产生很大的影响，因此增设两排缓冲爆破孔，距离预裂孔第一排缓冲孔，孔间距a=3m，b=2.5m，角度75°，装药量为主爆孔装药量60%，填塞长度5m；距离预裂孔第二排缓冲孔，孔间距a=4 m，孔排距b=3 m，角度85°，装药量为主爆孔装药量70%，填塞长度4.5m。起爆方式为排间起爆，具体高边坡爆破布孔形式详见图1（a）、（b）。
2.3高台阶靠帮预裂爆破设计
线装药密度Q线计，采用长委长科院经验公式计算：
Q线计=0.36[σ压]0.63[a]0.67
式中：Q线计——计算线装药密度（g/m），具体结合预裂爆破试验确定；
[σ压]——岩石抗压强度（kg/cm2）；
[a]——孔距（cm），当孔径采用φ150mm时，[a]取150cm按照实际布孔计；
Q线系采用岩石乳化炸药，Q线系为：中间长度装药量（不包括孔顶和底部药量）
与中间长度（不包括堵塞段）之比。
结合采场岩性和具体施工条件，预裂爆破钻孔直径采用φ150mm，药卷直径采用φ45mm，不耦合系数为3.33。根据台阶段高和现场岩性情况，预裂孔深度确定为27 m，孔间距a=1.5m，炮孔倾角为65°，线装药密度q=1.35kg/m，每个药柱长度0.5m，重量0.6kg。底部8个药柱为一组（每两根药柱绑扎一起），共一组，总长度2m，和中间装药间隔0.5m。中间6个药柱一组共6组，药柱总长度2m，各组距离0.5m，和顶部装药间隔0.5m。顶部每组4个药柱，共3组，药柱总长度2m，各组距离0.5m。填塞长度2m。单孔装药Q1=33.6 kg（56节）。具体装药结构示意图如下图2：
2.4预裂孔的装药结构
预裂孔起爆方式为每20孔为一段，设置段间17ms延期。堵塞长度为2m，并用钻孔岩粉等惰性材料堵塞炮孔。顶部减弱装药段，设计Q线顶=（2/3～1/2）Q线计；孔中部装药段，设计Q线中=Q线计；药包中心距为40～60cm或连续装药均可；孔底加强装药段，设计长度为0.5～1.5m；孔深，设计（2～5m）Q线底=（1～2）Q线计；（5～10m）Q线底=（2～3）Q线计；10～15mQ线底=（3～5）Q线计，装药药量呈减弱趋势设计。同时考虑底部岩石岩性装药，整体结构设计为上部减弱装药，下部加强装药，详见表1中的装药结构示意图。
3 建模及模拟过程
根据巴润矿设计现状及实际问题，模拟岩石选择双线性随动硬化模型，该材料模型适用于包含应变率效应的各向同性、随动硬化或各向同性和塑性随动强化材料，是用来模拟岩石较为常用的一种材料模型。建立以预裂孔为对称面1/2的模型，模拟参数与预裂设计方案设计参数相同，孔距为1 500mm，孔深27 000mm，边界设置均为无反射边界（无限岩体），采用cm-g-us单位制。便于观察爆破机理，将炮孔处网格细化，见图3。堵塞与岩石材料采用采用*MAT--003材料，实体单元为*sect-lag，具体参数设置见下表。
空气采用*MAT--009材料，状态方程*EOS--Air（*EOS-001），空气的实体单元*sect-ale，流体ale结合Lagrange模型表面网格点和Euler空间网格点的优点，模型中岩石和堵塞材料采用ELFORM为1的常应力实体单元算法，空气和炸药均采用ELFORM为11的多物质单元算法；空气密度设为1.29g/L，其他参数使用默认。
乳化炸药采用*MAT--008材料，具体参数见表4，乳化炸药的实体单元*sect-ale，状态方程*EOS-Jwl（*EOS-002），该方程用于定义功能炸药，这是一种不限含化学反应，能够精确地描述炮轰产物做功过程，JWL表现形式：
式中：P---所要求得压力值；
E----爆轰产物的内能；
V---爆轰产物的体积大小；
A、B、R1、R2及w为待定系数。
4 预裂爆破效果分析与现场试验
4.1预裂效果分析
由图4对称面等效应力图分析，炮孔周围应力场分布较为均匀，但未超过预裂孔壁岩石强度，并且在炮孔连心线方向合应力达到最大值，使炮孔间形成预裂缝。表明不耦合系数3.33装药间隔空气的作用使有效应力分布更均匀，能在控制孔周围产生更多破坏，裂缝贯通效果较好。模拟设计的药量合适、预裂缝贯通，进行两排预裂孔同时起爆，岩石承受拉应力作用，形成拉伸破坏，应力均匀分布，破坏区的范围达到最大并保持不变。裂隙发育过程为预裂缝先从两孔孔壁出现，然后沿着炮孔方向向中间发展，预裂缝不断向前发展，直至两预裂孔形成贯通，形成较整齐的预裂缝。分析模型结果可以得出孔径150mm和孔距1.5m时，由于上、中、下部装药量不同，预裂缝贯通的情况表现出差异，炮孔周围应力场有差异。同时爆破的爆轰能量主要集中于炮孔附近的岩石中，单孔应力均没有达到孔壁岩石强度，在炮孔间中心线方向，炮孔的合应力超过了岩石强度，预裂缝形成贯通，应力分布均匀，达到预裂的效果。本次预裂爆破模型证实预裂爆破设计参数：不耦合系数3.33、孔间距等参数的合理性，与预期预裂爆破效果要求一致。
4.2现场试验
本次预裂爆破药包加工按设计的装药量和各段的药量分配，将药卷绑扎在导爆索上，形成炸药串。装药时，将炸药串按设计慢慢装入炮孔并使其置于炮孔中间位置。为防止冲孔，堵塞进行密封处理。本次预裂的规模较大，为减弱预裂爆破振动的影响，所以施行分段起爆，各段起爆之间分别用高精度毫秒延期导爆管雷管传爆。预裂爆破后，由图6可见爆破效果，台阶坡面整齐，在开挖轮廓面上，残留炮孔痕迹均匀分布，根据有关规范规定预裂面不平整度整体控制在15 cm范围内，现场形成的台阶坡面不平整度基本合格，本次爆破效果与预期效果吻合。
5 结论
本文在针对巴润矿实际出现的问题上，采用模型分析了预裂爆破设计参数下应力波在预裂孔间岩体中的传播规律，对模拟效果做出分析，并进行了工业试验验证，得到以下结论：
（1）通过数值仿真计算和现场工业试验验证，得出巴润矿在白云岩条件下，孔间炸药爆炸过程中产生的最大拉应力为15.109MPa，单孔其他方向应力未超过炮孔周围岩体强度，为巴润矿高台阶预裂爆破提供了明确的数据指标；
（2）在巴润矿现有的双段预裂爆破实际工况下，验证了适合现场24m的高台阶深孔预裂爆破参数，并且达到预期效果，满足设计要求结果，为巴润矿今后爆破技术工作的突破创新提供了更加科学和直观的理论方法。
（3）由于巴润矿岩性地质条件复杂，没有进一步分析验证岩体裂隙和炸药参数的变化对爆破效果的影响，应在后续的工作当中进一步探索和积累经验。
论文作者:段军,霍晓伟
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/26
标签：裂孔论文; 应力论文; 药量论文; 效果论文; 炸药论文; 台阶论文; 岩石论文; 《建筑模拟》2019年第1期论文;