贾彦州

（山东烟台鑫泰黄金矿业有限责任公司，山东 烟台 265147）

在岩石破碎爆破过程中孔底距与最小抵抗线是爆破作业设计中的主要参数，由于爆破过程十分复杂且实验与测试的条件要求较高，不论是在实验室或者实验场地对于参数的精准计算都比较困难。因此，本文通过借助于ANSYS/LS—DYNA数值模拟软件来模拟扇形炮孔的爆破过程，通过观察爆破中应力场的变化情况，分析Von Mises有效应力峰值与岩石动态抗拉强度最终确定中深孔爆破最大底距与最小抵抗线的合适参数值。

1 爆破模型的建立

本研究以某金矿1号试验采场为研究对象，分析存在自由面的爆破现象。从岩石的破坏形式来看主要有压缩破坏和拉伸破坏两中形式，其中主要以拉伸破坏为主。由于在发生爆破过程中岩石内部的受力分布相对复杂，难以利用Mises屈服准则来分析判断岩石内部具体部位的破坏情况，但可对自由面附近的岩石做出判断，发现其接近简单拉伸状态。所以，根据Mises屈服准则，对于爆破模拟结果，可以提取自由面上的单元（下面称该单元所在的位置为关键位置）的有效应力曲线，读取曲线的峰值，通过比较峰值与岩石的动态抗拉强度来分析岩石的破坏情况，若峰值大于岩石动态抗拉强度，可认为爆破过程中岩石被破碎，否则爆破未能成功爆开岩石[1]。关于岩石动抗拉强度参数的取值，参考了相关资料，最后取用矿岩动抗拉强度为90MPa。

如图1所示，扇形炮孔与自由面之间的距离为最小抵抗线，爆破投掷的方向为自由面，虽然凿岩巷道也算一个自由面，但与主要抛掷方向的自由面比起来，其作用较小），由于各个炮孔均与自由面平行，所以每个炮孔长度方向上的各个点到自由面的距离均相等，它们都等于最小抵抗线。也就是说，若某个炮孔能爆开岩体，那么同排的其他炮孔也都能爆开岩体。因此，在确定最小抵抗线的模拟中，可以用一个炮孔来模拟爆破过程。

图1 扇形孔爆破示意图

图2为确定最小抵抗线的爆破模型，在实际计算过程中除自由面及下表面之外，其他表面都应设置无反射边界条件，表示模型在该方向上都可以无限延伸[2]。

图2 确定最小抵抗线的数值模型示意图

如图3为确定最大孔底距的爆破模型（(a)模型整体，(b)为切开的剖面图内部结构，红色部分为两个扇形炮孔）。该模型下表面为凿岩硐室顶板，为了节省经济和时间成本该表面并未建立计算模型，主要是利用两个炮孔进行模拟试验，其他表面都设置了无反射边界条件，模型在这些表面都可以无限延伸。

图3 确定最大孔底距的数值模型示意图

岩石和炸药选择solid164单元，其中将＊mat_plastic_kinematic作为岩石材料，＊mat_high_explosive_burn作为炸药材料，有状态方程控制其起爆过程，岩石与炸药的参数如表1和表2。

表1 岩石参数

表2 炸药参数

2 确定最小抵抗线

根据以往经验，可先确定最小抵抗线为1.3m，如果能爆开岩体再其基础上将长度增加0.2m，以此类推，直至岩体不能爆开为止。分别依次选取最小抵抗线长度1.5m,1.7m进行有效应力模拟分析。

通过三个模拟可知，当最小抵抗线为1.3m和1.5m时，

3 确定最大孔底距

根据上面的爆破模拟结果，确定爆破最小抵抗线为1.5m。下面的爆破模拟为：在最小抵抗线为1.5m的情况下，逐渐增大孔底距，孔底距的初值为1.8m，若能爆开岩体，则将最大孔底距增加0.2m，以此类推，直至岩体不能爆开为止。依次选取最大孔底距离为1.8m,2.0m,2.2m进行模拟实验。当最大孔底距为2.0m时爆破过程中的有效应力分布情况。

（1）有效应力场分析。通过图4，可看出扇形炮孔从孔口起爆，爆炸应力场在炮孔口产生，并向炮孔内部传播，之后两炮孔的应力场开始叠加，共同作用破碎岩石。

图4 爆破过程有效应力分布图

（2）关键位置有效应力分析。图5，显示了关键位置单元在模型中的位置及该单元的有效应力曲线。能看出单元的有效应力峰值为90.8MPa，大于岩石动态抗拉强度90MPa，可认为当孔底距为2.0m时，爆破能成功爆开岩石。

图5 孔底距为2.0m时关键位置单元的有效应力曲线

通过三个模拟可知，当最大孔底距为1.8m和2.0m时，爆破得到的块度较好，爆破效果好。当最大孔底距为2.2m时，爆破可能出现较多大块，爆破效果不好。因此，应选择最大孔底距为2.0m。

4 结论

孔底距和最小抵抗线是爆破设计中的两个重要参数，本研究通过利用ANSYS/LS—DYNA数值模拟软件，对扇形炮孔爆破过程进行数值模拟，分析出爆炸仿真过程中的Von Mises有效应力峰值能否达到岩石的动态抗拉强度，以进一步确定了适合该金矿中深孔爆破的参数：最小抵抗线为1.5m，最大孔底距2.0m。自由面上的单元的应力曲线峰值均大于岩石动态抗拉强度，可认为在这两种情况下爆破能成功爆开岩石并得到较好的块度。当最小抵抗线为1.7m时，自由面上的单元的应力曲线峰值小于岩石动态抗拉强度，可认为在这种情况下爆破未能很好地破碎岩石。因此，应选择爆破最小抵抗线为1.5m。