露天采石场中深孔爆破布孔方式优选

2018-08-17刘祖平胡世士

现代矿业 2018年7期

刘祖平胡世士魏巍

(葛洲坝武汉道路材料有限公司)

中深孔爆破技术开采能力大，生产效率高，是露天采石场剥离的主要开挖方式。大规模台阶爆破后的碎石在爆力作用下于自由面抛掷，崩落石料的块度分布及爆堆位置直接影响了机械设备的铲装效率[1]。最大段起爆药量、起爆段数、微差时间、装药结构、布孔方式等参数是影响爆破振动、破碎块度、爆堆分布的主要因素[2-4]。露天台阶爆破中应合理控制爆破参数，将爆破次生灾害的影响降至最小[5]。本研究根据某水泥厂露天采石场实际工况，通过分析碎石块度分布及块石抛掷距离分布规律，对最优布孔方式进行研究。

1 数值模型

1.1 工程背景

某水泥厂的露天采石场开采山体高约45 m，分为4个台阶自上而下进行开采，预计总工程量为120万m3。矿区内构造节理较发育，构造节理大部分较平直，大部分无充填物，少量充填方解石脉或黏土质。矿区属低山丘陵地貌，地形地貌简单，矿体形态较规则，产状分布较稳定，岩性主要为石灰岩。矿区地形有利于排水，主要含水层为碳酸盐岩，岩溶裂隙含水层富水性弱，矿体最低开采标高高于当地侵蚀基准面，矿区水文地质条件为简单型。采坑边坡以坚硬—半坚硬的工程地质岩类为主，硬度系数f=7.0，岩石稳固程度相对较高，抗风化能力较强。爆破区域的工程特点主要有：①距离居民区、乡镇公路、村高压线较近，对飞石、振动等危害效应控制的技术要求高，须采用微差延时控制爆破技术；②爆破区域属亚热带季风气候，雨水充足；③爆炸物品需要量大，对爆炸物品的管理要求高。根据该山体地形状况和周围环境，设计主体采用中深孔台阶爆破方案，露天矿台阶最大高度为15 m，坡角70°，采用微差延时爆破，装药孔直径为90 mm。布孔方式有垂直深孔与斜向深孔2种(图1)。

图1 炮孔布置方式

1.2 数值模型构建

截取500 cm高台阶，根据爆破设计方案，抵抗线取300 cm，构建了“准三维”数值模型，所有节点施加Z向(垂直向内)位移约束(图2)。模型左侧、下方与围岩接触，为模拟无限大空间设置无反射边界。台阶顶部及坡面设置自由边界，爆破后块石将沿自由面抛掷形成爆堆。

图2 数值模型及边界条件

1.3 材料参数

本研究将岩石及炸药简化为各向同性材料，岩石采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC弹塑性材料模型[6-9]。该模型未考虑应变率，是一种双线性随动硬化模型。材料应力应变特性通过2个斜率(弹性和塑性)来表示，本构方程为

式中，E为弹性模量;σy为屈服应力;H为应变硬化指数；ε为加载应变率。

对于金属材料而言，多采用随动强化或等向强化模型，对于岩土材料的静力学求解问题求解多采用等向强化模型，混合硬化或随动硬化模型一般用于求解动力问题或循环加载问题。岩石物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数

采用JWL方程表征乳化炸药的力学行为[8-10]：

式中，P为爆轰压力;V为相对体积；E为单位体积内能；ω、A、B、R1、R2为材料常数(表2)。

表2 乳化炸药材料参数

2 模拟结果分析

2.1 关键节点速度

露天台阶爆破具有2个自由面，即台阶坡顶与台阶坡面。台阶岩体在爆力作用下，破碎块石将沿自由面抛掷形成爆堆。为提高铲运设备的铲装效率，应控制爆破参数使得破碎块度相对均匀，并且块石抛掷后形成的爆堆相对集中。等间距选取了台阶表面节点作为研究对象，并提取了其振动合速度峰值，如图3所示。

图3 关键节点速度

本研究数值模型为“准三维”数值模型，不考虑Z向速度，故关键节点速度为X、Y向速度合成量。斜向深孔同一位置的节点速度普遍大于垂直深孔，表明爆力作用下斜向深孔布孔方案的岩体动力响应更为明显，更有利于岩体破碎。垂直深孔布孔方案中抵抗线自孔底向孔口呈减小趋势，孔底近区抵抗线较大，岩体对爆炸载荷具有更明显的夹制作用，因此靠近坡角位置的节点速度较小。斜向深孔的节点速度均值与标准差分别为12 334.43，4 687.60 cm/s；垂直深孔的节点速度均值与标准差分别为10 131.16，5 147.55 cm/s，表明块石沿自由面抛掷后，落地位置较为集中。

2.2 破碎块度

炸药爆炸时释放大量的能量，其中很大一部分转变为爆炸应力波，并以质点振动的方式向外传播。爆炸应力波在介质中不断传播，随着距离持续增大，波阵面也在不断扩大，由于介质都具有一定的阻尼，不断吸收波的能量，降低其压力，导致爆炸应力波在传播过程中能量和振速不断减小。爆炸载荷作用下岩体内部微裂纹及节理活化，裂纹及节理扩张后交错切割岩体产生块石。露天台阶爆破工程中2个自由面对岩体破碎极为有利，岩体抗拉强度远小于其抗压强度，当爆炸应力波传播至坡顶及坡面时反射产生拉伸应力波，在拉伸应力波作用下更有利于岩体破碎。炮孔右侧靠近坡面的部分如图4所示，黑色区域为拉应力超过岩石动抗拉强度被删除的单元。台阶坡顶位置黑色区域较大，表明来自2个自由面的反射拉伸应力的波叠加作用较明显。垂直深孔爆破方案中孔底近区抵抗线相对较大，故岩体破碎块度也相对较大。斜向深孔与台阶坡面平行，其抵抗线沿炮孔轴向无变化，岩体破碎块度明显的较垂直深孔更为均匀。