崔正榮 張西良 潘祖瑛 李龍福

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽，馬鞍山243000；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司，安徽，馬鞍山243000）

露天礦山在邊坡靠界時，通常使用靠界預(yù)裂控制爆破技術(shù)［1-2］，因其可以在一定程度上較好地降低邊坡巖體裂隙的擴展，削弱爆破對露天邊坡的損傷破壞，有效地避免邊坡發(fā)生滑坡［3-4］。這里定義直徑超過95 mm、孔深超過15 m的爆破稱為超深孔爆破［5］。在超深孔預(yù)裂靠界爆破中，由于底部夾制作用較大，若不采取有效措施（如底部加強裝藥），將影響爆破效果；當(dāng)前超深孔預(yù)裂爆破底部加強高度僅為經(jīng)驗值，綜合考慮影響巖石預(yù)裂爆破成縫的因素，對加強高度優(yōu)化研究，不僅能夠有效地克服底部夾制作用，而且能取得較好的爆破效果，對提高邊坡穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益都有重要意義，也實現(xiàn)了爆破精細化［6］。

雖然預(yù)裂爆破技術(shù)在靠界邊坡治理中較常使用，然而對超深孔預(yù)裂爆破的研究正處在探索階段。徐成光［7］詳細分析了某電站進水塔高邊坡的開挖特點，使用小孔徑超深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，一次預(yù)裂成型的垂直邊坡達到了20 m高，工程爆破效果較理想，可以作為相似爆破工程的經(jīng)驗依據(jù)。李萬洲［8］在某水電站高邊坡開挖過程中，預(yù)裂孔深達到了30 m，施工進度得到了提高，經(jīng)濟效益顯著改善，施工質(zhì)量達到了良好標(biāo)準(zhǔn)。

本次研究以傳統(tǒng)預(yù)裂爆破技術(shù)為基礎(chǔ)，以西北某露天鐵礦并段超深孔預(yù)裂爆破項目為背景，綜合運用理論分析、現(xiàn)場試驗等方法，優(yōu)化超深孔底部加強裝藥高度。

1 礦山概況

西北某露天鐵礦已開采多年，臺階高度為12 m；開采至最終境界位置每2個臺階并段；臺階坡面角65°；基于露天邊坡的安全考慮，采用靠界預(yù)裂爆破技術(shù)。預(yù)裂孔深達26.5 m，由于底部夾制作用較大，前期底部預(yù)裂爆破效果不太理想。目前預(yù)裂爆破后邊坡質(zhì)量較好的邊坡段依然較穩(wěn)定，而預(yù)裂爆破質(zhì)量較差的邊坡段容易發(fā)生失穩(wěn)甚至滑坡現(xiàn)象。怎樣獲得較好的預(yù)裂爆破質(zhì)量，從而在礦山靠界超深預(yù)裂孔爆破條件下獲取穩(wěn)定、平整的預(yù)裂面，是該礦亟待解決的難題。

2 底部加強裝藥高度

超深孔預(yù)裂爆破的裝藥結(jié)構(gòu)包括底部加強裝藥段、正常裝藥段和上部減弱裝藥段，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。國內(nèi)部分工程底部增加的裝藥量如表1所示，根據(jù)表1繪制的散點圖如圖2所示。

工程經(jīng)驗表明，底部加強裝藥高度如果偏小，則底部預(yù)裂面不能完全拉開，因此會削弱預(yù)裂面的阻震和阻止爆破區(qū)裂縫延伸的作用，并且爆破后邊坡下部有巖根，還需要小爆破清理；反之如果底部加強裝藥高度過大，則下部保留基巖將受到破壞。

根據(jù)工程實例提出底部加強藥高度L1取值范圍0.1L～0.2L，其中L∈（15，30）為孔深，m。

3 數(shù)值模擬

3.1 底部加強藥高度不同時數(shù)值模型及邊界條件

本次研究的模型及其裝藥網(wǎng)格密度基本相同，使計算結(jié)果具有可比性。根據(jù)西北某露天鐵礦超深預(yù)裂孔爆破參數(shù)可知，模擬4種不同的加強藥高度，數(shù)值模型采用m-kg-s單位制，本次數(shù)值模擬炮孔直徑為120 mm，炮孔間距為1.3 m，炮孔深為26.5 m，不耦合系數(shù)為2.7，傾角為65°，底部加強段線裝藥密度為正常段的2倍，底部加強段裝藥高度分別為3，3.5，4，4.5，5，5.5 m。模型邊界條件為無反射邊界，可有效地避免邊界條件受求解結(jié)果的影響。因此模型的大小可取為：長×寬×高=4 m×2 m×30 m，如圖3。

3.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

3.2.1 炸藥本構(gòu)模型及其參數(shù)

本次研究使用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。表2為該炸藥的材料和JWL狀態(tài)方程的參數(shù)。

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3.2.2 被爆結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型及參數(shù)

模擬巖性為白云巖，選取ANSYS/LS-DYNA材料庫中的動力學(xué)塑性模型，然后用關(guān)鍵字（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）在.K文件中表示；使用炮泥作為孔口填塞材料，其物理性質(zhì)與砂土接近，本次模擬選取巖石模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）作為材料模型。

炸藥爆炸后，受動載荷的影響，巖石達到了自身的屈服極限，就發(fā)生塑性破壞。此外，伴隨動載荷作用的加大，其抗壓強度將變大，巖石的應(yīng)變率在炸藥爆炸作用下的變化特別大，巖體應(yīng)變過大導(dǎo)致了它的損壞，因此選取了應(yīng)變率能夠變化的塑性模型；通過查找資料開展數(shù)值仿真、模型試驗和現(xiàn)場工程試驗，對比研究得出選用該模型在某種意義上講是較好的［9］。選取C-S模型，對于應(yīng)變值D和P，參考Yang R等［10］的研究成果，即相異的應(yīng)變率下材料介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變之間的相互關(guān)系和應(yīng)力歷時曲線這一理論數(shù)據(jù)，加上夏詳［9］對這種關(guān)系進行了更進一步的求解。模擬所需巖石的力學(xué)參數(shù)經(jīng)折減處理后如表3所示。

選取MAT_NULL空模型模擬炮孔內(nèi)的空氣，使用線性多項式狀態(tài)方程LINEAR_POLYNOMIAL加以描述（其理論詳見軟件介紹部分），其參數(shù)即孔口填塞材料的參數(shù)如表4所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4所示的爆炸應(yīng)力分布表明，炸藥爆炸后，有效應(yīng)力以柱面波的形式從藥卷中心向四周擴散；底部加強裝藥段的應(yīng)力波在疊加后，應(yīng)力波明顯增強，有利于底部裂隙的擴展。均勻分布的裝藥結(jié)構(gòu)使得巖石所受到的應(yīng)力也是較均勻的，疊加后的應(yīng)力達到了巖石強度，底部加強裝藥段完全貫通，有效地克服了底部夾制作用。

提取加強裝藥段關(guān)鍵點單元的相應(yīng)曲線，記錄該單元所受應(yīng)力的最大值。運用有效應(yīng)力屈服理論比較模擬出的結(jié)果，依托比較結(jié)果分析巖石在炸藥爆炸作用后的破碎情況。巖石個別單元在模型中的坐標(biāo)和其對應(yīng)的應(yīng)力曲線，如圖5所示。

根據(jù)模擬計算結(jié)果表5～表8可知，底部加強段裝藥高度為4 m和4.5 m時能夠取得較好的預(yù)裂爆破效果。因此，超深孔預(yù)裂靠界爆破底部加強段裝藥高度滿足關(guān)系式：0.15L≤L1≤0.17L。

4 現(xiàn)場爆破試驗

現(xiàn)場試驗分4種方案，比較其爆破開挖后的邊坡質(zhì)量，結(jié)合理論分析，為參數(shù)選擇提供直接依據(jù)。徑向不耦合裝藥有效地削弱了炸藥爆炸對炮孔壁四周巖石的破壞，同時相鄰炮孔壁受到其中一部分沖擊波的作用而產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成預(yù)裂縫。本礦超深孔預(yù)裂爆破炮孔直徑為120 mm，孔距為1.3 m，孔深為26.5 m，預(yù)裂藥柱的直徑約45 mm，不耦合系數(shù)為2.7，正常裝藥段線裝藥密度0.6 kg/m，底部加強段線裝藥密度為1.2 kg/m，底部加強藥高度分別為3.5、4、4.5、5 m。軸向為不耦合裝藥，使用粘性較好的材料將炸藥固定在起爆器材上。由于炮孔下端受夾制作用的影響較大，對超深孔而言，炮孔底部的夾制作用不可忽視。為消除這一影響，增加的藥量均勻分布在炮孔底部加強裝藥段。上部為裝藥減弱段，最上面為不裝藥段，不裝藥段的長度與該處的巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、裝藥量和預(yù)裂孔直徑等有關(guān)，減弱段的線裝藥密度為正常段的1/3～1/2。

現(xiàn)場試驗方案參數(shù)見表9。

通過對現(xiàn)場試驗的分析，當(dāng)?shù)撞考訌娧b藥高度為3.5 m，預(yù)裂爆破效果明顯變差，底部留有根底，半壁孔未露出。當(dāng)?shù)撞考訌娧b藥高度為4 m和4.5 m時，底部預(yù)裂爆破效果最好，預(yù)裂縫貫通，半壁孔保留完整。當(dāng)?shù)撞考訌娧b藥高度5 m，預(yù)裂爆破效果也明顯變差，藥量的增加不再起到積極作用，而是圍巖受到更大的沖擊損傷。

5 結(jié)論

（1）礦山并段預(yù)裂爆破，底部夾制作用較大，本研究采用了變換底部加強藥高度的方法，確保實現(xiàn)相鄰炮孔之間的巖體能完全貫通，并能避免炮孔壁受到破壞。

（2）以理論分析后的超深孔預(yù)裂爆破參數(shù)為基礎(chǔ)，通過使用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真軟件進行數(shù)值模擬，對比模擬結(jié)果，分析底部加強藥區(qū)域部分節(jié)點應(yīng)力場分布以及壓力峰值，結(jié)果表明底部加強藥高度為4～4.5 m時預(yù)裂爆破效果最好。提出了底部加強裝藥高度范圍公式0.15L≤L1≤0.17L，其中L∈（15，30）為孔深，m。

（3）在西北某礦進行了現(xiàn)場試驗，高度為4、4.5 m的預(yù)裂爆破試驗效果均較理想，底部成縫效果較好，證明了超深預(yù)裂孔底部加強裝藥技術(shù)可行，有效地指導(dǎo)了礦山生產(chǎn)，類似工程也可以借鑒。