李必红

(1.福建省天玉方圆矿业有限公司, 福建 龙岩市 3640002;2.国防科技大学, 湖南 长沙 410073)

0 引言

天(溜)井在地下采矿工程中应用十分广泛,如常见的通风井、人行天井、溜井、充填井、切割井等,且掘进占比大[1]。在传统天井掘进方式的基础上改进的深孔爆破一次成井技术应用越来越广泛[2-3]。深孔爆破成井法按装药结构和掏槽形式分为平行空孔掏槽微差爆破成井和多孔球状药包爆破成井2种模式[4]。平行空孔掏槽微差爆破成井模式对钻孔施工精度要求很高,其成井效率和成井高度受限[5-6]。相比之下,多孔球状药包爆破成井受炮孔偏斜影响较小,但该成井方法爆破单段药量大、振动强烈,对于环境保护和周边设施保护不利。探索通过精确延时控制爆炸能量释放,以取得优化爆破成井效果和降低爆破地震效应的平衡,是工程爆破迫切需要解决的关键问题,也是精细爆破技术的要求和发展趋势。

近年来研发使用的高精度雷管因其精度高、安全性好的优点,逐渐在爆破工程中得到广泛应用[7-8]。目前研究精确短延时爆破在改善爆破效果及降低地震效应的内在机制方面的文献较少[9]。钟冬望等[10]基于炸药爆炸能量分配原理,推导了精确延时逐孔爆破孔间延期时间的计算公式;李顺波等[11-12]通过模型试验和数值模拟研究了精确延时间隔对爆破振动的影响;袁康[13]研究了短时差起爆的预裂爆破成缝原理。目前,对于延期时间短于自由面形成时间的精确短延时爆破鲜见报道。鉴于此,本文采用LS-DYNA动力分析软件对精确短延时爆破成井进行模拟,研究延期时间对爆破成井效果和爆破振动的影响,并通过现场试验验证模拟结果,为精确短延时爆破成井的应用提供参考。

1 短延时球状药包爆破成井数值模拟

1.1 计算模型

数值计算模型如图1所示。根据多孔球状药包爆破成井实际,建立双圈炮孔爆破模型,其中内圈布孔圆圈直径为1 m,外圈布孔圆圈直径为2.5 m,炮孔直径为165 mm,总炮孔数量为12个,孔深为10 m。

图1 数值计算模型

1.2 材料模型与参数

本次模拟采用的岩石力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数

LS-DYNA程序中的炸药材料可以直接模拟高能炸药的爆炸过程,数值模拟中炸药状态方程为[14]:

式中:P——由JWL状态方程决定的压力;

A、B、R1、R2、ω——与炸药相关的材料常数;

V——相对体积;

E0——初始比内能。

模拟炸药采用与现场试验一致的二号岩石乳化炸药,参数见表2[6]。

表2 炸药材料参数

2 计算结果分析

2.1 应力分析

对计算后的模型提取关键位置的单元,获取该点的最大有效应力值即Von Mises有效应力峰值(见图2),通过对比岩石的动态抗拉强度判定爆破岩体是否破碎,本次研究岩体的动态抗拉强度值取9.5 MPa。由图2可以看出,延期时间为0 ms时,有效应力分布边界并不明显,而9 ms短延时爆破叠加区有效应力分布边界变得清晰。

图2 有效应力分布

图3为单元A有效应力峰值随延期时间的变化曲线,图4为有效应力大于动态抗拉强度的作用时间随延期时间的变化曲线。从图3和图4可以看出,单元有效应力峰值在0～9 ms以内随延期时间变化较慢,9 ms以后加速下降,而有效应力大于动态抗拉强度的作用时间随延期时间逐步增加,9 ms以后增速放缓。该现象表明,为了保证爆破的破岩效果,形成束状孔共同爆破漏斗,受爆体的有效应力峰值不宜过小,故天井爆破的延期时间应不大于9 ms。

图3 有效应力峰值随延期时间的变化曲线

图4 有效应力作用时间随延期时间的变化曲线

2.2 延期时间对质点振动速度的影响

为了便于分析短微差时间对模型质点振动速度的影响,在模型顶部平面取点监测各关键节点的振动速度峰值(见图5),图5中a、b、c、d、e邻近点之间的距离均为0.88 m。

图5 顶部平面振动监测点布置

图6为顶部平面关键节点振速峰值随延期时间的变化规律。由图6可以看出,齐发爆破模型(延期时间为0 ms)关键节点振动速度峰值最大,随着延期时间的增加振速峰值降低;当微差时间为7～9 ms时,振动速度峰值下降明显。表明与齐发爆破相比,通过精确控制爆炸能量延时释放可在一定程度上降低振动影响,但延期时间较短时降振效果不明显,延期时间7 ms以上爆破降振效果显著。

图6 节点振速峰值随延期时间的变化曲线

图7为不同延期时间爆破模型中间切面关键节点振速峰值随距离的变化规律。由图7可以看出,随着距离的增加,节点振速峰值呈减小的趋势,5.2 m之前振速峰值衰减较为迅速,5.2 m以后变化趋势趋于平缓,这与工程爆破实测爆破振动信号的衰减规律一致。在靠近爆源位置的F点,不同延期时间模型的振速峰值相差较大,随着距离的增加差距逐渐减小。众多爆破振动实测数据表明,精确短延时爆破产生的振动信号是高频成分占比较多的复杂信号,而高频信号衰减较快,距离爆源较远的位置振动信号变成衰减较慢的低频成分,因此,不同延期时间在远端的振动幅值更为接近,这也与模拟结果一致。

图7 节点振速峰值随距离的变化曲线

3 工程应用

为了验证精确短延时爆破成井的可行性,根据数值模拟研究结果,在某铜铁矿进行了采场通风天井爆破试验。天井高度为16 m,直径为2.6 m,布置两圈炮孔,内圈孔孔间距为1.0 m,第二圈孔均匀分布于天井周边,如图8所示。

图8 天井炮孔布置

天井采用一次爆破成井,每孔分4层装药,由于现场炮孔偏斜较大,为确保天井爆破效果,同层炸药的内圈孔与外圈孔间采用精确短延时(高精度9 ms延时雷管)起爆,层间采用200 ms雷管延时起爆,如图9所示。

图9 装药结构(单位:m)

经现场爆破,天井成形较好,达到了设计尺寸和规格,爆破块度适中,天井照片见图10。爆破中振动强度低,对周边巷道和工程影响较小。现场爆破试验证明了精确短延时束状孔爆破技术应用于天井爆破的可行性。

图10 天井成井

4 结论

(1)延期时间对天井爆破内外圈的有效应力叠加效应产生一定影响,随着短微差时间的增加,天井爆破模型有效应力峰值减小,有效应力作用时间变长;为了保证爆破的破岩效果,形成多孔共同爆破漏斗,天井爆破内外圈的延期时间应不大于9 ms。

(2)随着延期时间的增加节点振速峰值降低,表明通过精确控制爆炸能量延时释放可在一定程度上降低爆破振动影响,但延期时间较短范围内降振效果不明显,延期时间7 ms以上爆破降振效果显著。

(3)爆破成井现场试验验证了数值模拟结论,表明7～9 ms精确短延时爆破可在保证多孔球状药包爆破成井效果的同时降低爆破地震效应,并能有效弥补炮孔偏斜对爆破的不良影响。