基于數(shù)值模擬的銀山礦上向中深孔爆破網(wǎng)格參數(shù)優(yōu)化*

林海祥,洪巧,熊澤華,張?chǎng)?林金山

(江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司,江西 德興市 334201)

0 引言

目前我國(guó)對(duì)于急傾斜薄礦脈開(kāi)采一般采用淺孔留礦法[1-2],但是這種生產(chǎn)方式存在安全性較差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題[3-4]。因此,在綜合考慮礦巖穩(wěn)固條件等因素的前提下,提出采用分段空?qǐng)龇ㄔ陂_(kāi)采銀山井下急傾斜薄礦脈,配套使用上向中深孔落礦工藝進(jìn)行礦石回采[5-6]。

上向中深孔落礦工藝爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的工作[7],很多學(xué)者都進(jìn)行了研究。例如,張金鐘等[8]在謙比希銅礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),利用三維掃描儀對(duì)采空區(qū)進(jìn)行切片,分析不同方案優(yōu)劣,確定合適的爆破參數(shù);谷亞州等[9]基于爆破漏斗理論和LS-DYNA 有限元分析軟件,確定了最優(yōu)的炮孔角度、空氣墊層長(zhǎng)度以及炮孔間距;李紅鵬[5]通過(guò)分析不同爆破參數(shù)下的爆破效果以及關(guān)鍵單元的有效應(yīng)力峰值,實(shí)現(xiàn)了最佳方案的優(yōu)選。

因此,為了解決銀山礦上向中深孔落礦工藝爆破超采、大塊率高[10-12]等問(wèn)題,本文利用ANSYS軟件建立礦體塊段模型,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)參數(shù)開(kāi)展了5組爆破參數(shù)模擬試驗(yàn)。對(duì)爆破模擬過(guò)程中自由面內(nèi)以及采場(chǎng)邊幫上的關(guān)鍵單元爆炸應(yīng)力峰值進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,得出不同方案下采場(chǎng)爆破效果及邊幫的破壞情況,優(yōu)選出了最佳方案。

1 爆破方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

銀山銅鉛鋅多金屬礦床屬陸相火山巖-斑巖型多金屬礦床,受銀山背斜軸部斷裂帶、火山機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格控制。目前礦山采用的采礦方法為分段空?qǐng)龇?礦體屬急傾斜薄礦脈,采場(chǎng)爆破工藝采用上向中深孔落礦工藝[13-14]。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),采用上向中深孔落礦工藝在進(jìn)行礦石回采過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)超采及大塊率高的現(xiàn)象,分析其原因,主要是不合理的爆破網(wǎng)格參數(shù)與炮孔布置方式導(dǎo)致爆破能量分布不均勻。

1.2 爆破方案

針對(duì)上述生產(chǎn)現(xiàn)象,提出符合該地下礦山礦巖條件的多種爆破網(wǎng)格參數(shù)及布置方式。結(jié)合礦山實(shí)際應(yīng)用,本次研究設(shè)計(jì)采用0.5～2.0 m 排距的5組模型,炮孔直徑選用76 mm,篩選出爆破效果最優(yōu)的方案。具體方案見(jiàn)表1,爆破炮孔布置如圖1所示。

圖1 爆破炮孔布置示意

表1 各方案爆破參數(shù)設(shè)置

2 數(shù)值模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)方法確定

2.1 計(jì)算模型的建立

采用數(shù)值分析軟件ANSYS/LS-DYNA 對(duì)爆炸過(guò)程進(jìn)行模擬。為提高模型計(jì)算效率,對(duì)炸藥實(shí)體和巖體分別采用ALE 和Lagrange網(wǎng)格進(jìn)行劃分,計(jì)算過(guò)程基于流固耦合算法進(jìn)行,且不考慮炮孔上下的端部效應(yīng)。根據(jù)爆破網(wǎng)格方案設(shè)定,分別建立方案一和方案二的數(shù)值計(jì)算模型,如圖2和圖3所示。模型為三孔側(cè)向崩礦爆破,側(cè)邊寬度較大,因此,側(cè)向?yàn)橹饕谋谱杂擅妗?/p>

圖2 方案一的數(shù)值計(jì)算模型

圖3 方案二的數(shù)值計(jì)算模型

如圖2和圖3所示,參照各方案爆破網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置,方案一的模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)設(shè)置為3 m×6 m×0.02 m,方案二分別為3.5 m×6 m×0.02 m。在實(shí)際工程中,爆破的自由面一般選擇為自由邊界條件,其余邊界采用全透射邊界條件,模型右側(cè)為側(cè)向自由面。由于方案三、方案四、方案五與方案二的爆破網(wǎng)格參數(shù)差異只體現(xiàn)在炮孔排距的變化,因此構(gòu)建出來(lái)的模型基本一致,主要的差別在于模型長(zhǎng)度參數(shù)上的不同。方案三、方案四、方案五的模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為4.0 m×6 m×0.02 m、4.5 m×6 m×0.02 m 和5.0 m×6 m×0.02 m。模型中X向表示為長(zhǎng)度方向,Y向表示為寬度方向,Z向表示為高度方向。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

(1) 巖石材料模型及參數(shù)。爆破瞬間會(huì)產(chǎn)生較大能量,導(dǎo)致巖石破碎,因此通常情況下巖石的應(yīng)變率會(huì)較大。ANSYS中的塑性動(dòng)力學(xué)模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 包含了應(yīng)變率效應(yīng),非常適用于分析爆破中巖石材料。同時(shí)選取的礦體模型材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 礦體模型材料參數(shù)

(2) 炸藥材料模型及參數(shù)。銀山礦爆破采用的是二號(hào)巖石乳化炸藥,具有較高的能量密度,因此選用軟件內(nèi)部的高能材料本構(gòu)模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 來(lái)進(jìn)行計(jì)算。爆破采用的乳化炸藥相關(guān)參數(shù)及其JWL狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

2.3 爆破效果評(píng)價(jià)方法的確定

為了能夠?qū)δＰ椭械牟糠株P(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力曲線及峰值進(jìn)行分析,本次研究對(duì)被爆實(shí)體設(shè)定兩組關(guān)鍵監(jiān)測(cè)單元,監(jiān)測(cè)單元點(diǎn)的布置如圖4 所示。從圖4可以看出,A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)單元在模型自由面內(nèi)部,A1、B1、C1、D1、E1、F1集中在采場(chǎng)邊幫上。通過(guò)獲取A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力峰值的大小分析不同爆破方案的爆破效果。獲取A1、B1、C1、D1、E1、F1六個(gè)監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力峰值的大小來(lái)判斷采場(chǎng)邊幫的破壞情況。

圖4 模型中關(guān)鍵監(jiān)測(cè)單元的位置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 爆炸應(yīng)力波分析

3.1.1 方案一

為便于觀察側(cè)崩爆破過(guò)程巖體的應(yīng)力破巖過(guò)程,繪制了0.14 ms、0.32 ms、0.54 ms、1.0 ms四個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的爆炸應(yīng)力波云圖,如圖5所示。

圖5 方案一爆炸應(yīng)力波云圖

從圖5可以看出,在t=0.14 ms時(shí)刻,模型中3個(gè)炮孔的爆炸應(yīng)力波在孔間相互疊加,有效增強(qiáng)了炮孔之間巖體的破碎效果;在t=0.32 ms時(shí)刻,爆炸應(yīng)力波幾乎同時(shí)到達(dá)側(cè)向自由面附近,經(jīng)自由面反射拉伸應(yīng)力波,自由面巖體收到反射拉伸應(yīng)力波的作用后開(kāi)始發(fā)生拉伸破壞,并向著炮孔方向發(fā)展;在t=0.54 ms時(shí)刻,反射拉伸應(yīng)力波傳播到3個(gè)炮孔附近,傳播過(guò)程中使炮孔至自由面區(qū)域的巖體發(fā)生破壞;在t=1.0 ms時(shí)刻,爆炸應(yīng)力波基本消失,爆破產(chǎn)生的巖體破壞基本完成。

3.1.2 方案二

方案二中0.30 ms、0.50 ms、1.26 ms、2.0 ms 4個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的爆炸應(yīng)力波云圖如圖6所示。

圖6 方案二爆炸應(yīng)力波云圖

從圖6可以看出,在t=0.30 ms時(shí)刻,中間炮孔的爆炸應(yīng)力波先于兩邊幫的炮孔抵達(dá)側(cè)向自由面附近,經(jīng)自由面反射拉伸應(yīng)力波,自由面巖體收到反射拉伸應(yīng)力波的作用后開(kāi)始發(fā)生拉伸破壞,并向著炮孔方向發(fā)展;在t=0.50 ms時(shí)刻,反射拉伸應(yīng)力波傳播到中間炮孔附近,傳播過(guò)程中使炮孔至自由面區(qū)域的巖體發(fā)生破壞;在t=1.26 ms時(shí)刻,在1.0 ms起爆的兩個(gè)邊幫炮孔的爆炸應(yīng)力波傳遞至中心線附近,并產(chǎn)生疊加,增強(qiáng)了中間巖體的破碎效果;在t=2.0 ms時(shí)刻,爆炸應(yīng)力波基本消失,爆破產(chǎn)生的巖體破壞基本完成。

模型建立的過(guò)程中,方案二、方案三、方案四、方案五的數(shù)值計(jì)算模型基本相同,主要差異體現(xiàn)在炮孔的排距不同。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,其爆破過(guò)程產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波傳播趨勢(shì)基本相似。由于文章篇幅限制,不再將方案三、方案四、方案五的爆破應(yīng)力波云圖進(jìn)行一一列舉。

3.2 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分析

3.2.1 自由面內(nèi)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力曲線及峰值

A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力曲線和峰值的變化主要是為了對(duì)巖體爆破效果進(jìn)行分析,根據(jù)數(shù)值結(jié)果,獲取了方案一、方案二、方案三、方案四、方案五的監(jiān)測(cè)單元結(jié)果,見(jiàn)圖7和表4。

圖7 自由面各監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力曲線

表4 自由面各監(jiān)測(cè)單元爆炸應(yīng)力峰值

從圖7和表4可以看出:

(1) 在開(kāi)挖爆破區(qū)域,方案一、方案二、方案三、方案四中各監(jiān)測(cè)單元的爆炸應(yīng)力峰值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體的抗拉強(qiáng)度值,而方案五中僅B監(jiān)測(cè)單元的爆炸應(yīng)力峰值大于巖體的抗拉強(qiáng)度值;

(2) 方案一中自由面上單元爆炸應(yīng)力值小于自由面與炮孔中心面上單元爆炸應(yīng)力值,而方案二、方案三和方案四則反之;

(3)A、B兩點(diǎn)的應(yīng)力曲線分布狀態(tài)相似,C、D兩點(diǎn)的應(yīng)力曲線分布狀態(tài)相似;

(4) 方案一、方案二、方案三、方案四均可以保證爆炸開(kāi)挖區(qū)域的爆破破碎效果,但方案一、方案二和方案三的孔網(wǎng)參數(shù)過(guò)于密集,爆炸應(yīng)力過(guò)大,易造成鑿巖量和炸藥能量的浪費(fèi),以及粉礦率的提高;

(5) 方案四中各監(jiān)測(cè)單元的爆炸應(yīng)力分布均勻,無(wú)特別大的爆炸應(yīng)力峰值出現(xiàn),說(shuō)明方案四網(wǎng)格參數(shù)合理,可以充分利用各炮孔的炸藥爆炸能量;

(6) 方案五的孔網(wǎng)參數(shù)選取較大,爆炸應(yīng)力較低,難以保證爆炸開(kāi)挖區(qū)域的爆破破碎效果,易形成大塊。

3.2.2 采場(chǎng)邊幫關(guān)鍵監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力曲線及峰值

為探究采場(chǎng)邊幫巖體的破壞情況,提取出了方案一、方案二、方案三、方案四和方案五的A1、B1、C1、D1、E1、F1六個(gè)監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力曲線及峰值,分別見(jiàn)圖8和表5。

圖8 采場(chǎng)邊幫各監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力曲線

表5 采場(chǎng)邊幫各監(jiān)測(cè)單元爆炸應(yīng)力峰值

從圖8和表5可以看出:

(1) 在采場(chǎng)邊幫區(qū)域,方案一中各監(jiān)測(cè)單元的爆炸應(yīng)力峰值均遠(yuǎn)大于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度值,因此,方案一極易造成采場(chǎng)兩幫超采,導(dǎo)致邊幫礦巖的垮落;

(2) 在采場(chǎng)邊幫區(qū)域,方案三、方案四、方案五所有監(jiān)測(cè)單元的爆炸應(yīng)力峰值均小于巖體的抗拉強(qiáng)度值,因此,方案三、方案四和方案五對(duì)于控制采場(chǎng)兩幫超采以及保護(hù)邊幫穩(wěn)定性均具有非常好的效果;

(3) 方案二中A1、D1監(jiān)測(cè)單元的爆炸應(yīng)力峰值均大于巖體的抗拉強(qiáng)度值,但其他監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力峰值明顯減小,未超過(guò)巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度值。方案二的梅花形布孔方式對(duì)于控制采場(chǎng)兩幫超采以及保護(hù)邊幫穩(wěn)定性具有明顯效果。

3.2.3 爆破方案優(yōu)選

根據(jù)各方案開(kāi)挖爆破區(qū)域監(jiān)測(cè)單元的數(shù)值模擬數(shù)據(jù),進(jìn)行采場(chǎng)爆破方案的優(yōu)選。根據(jù)表4可知,方案一、方案二、方案三、方案四均能達(dá)到破巖應(yīng)力要求。方案二、方案三、方案四和方案五的A、B監(jiān)測(cè)單元的峰值應(yīng)力要高于C、D兩點(diǎn),表明梅花形炮孔布置更有利于自由面的利用以及能量的傳遞。同時(shí),方案一、方案二和方案三的監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力峰值較大,容易造成礦石破碎度較大,增加礦石損失。而方案五由于炮孔排距過(guò)大,監(jiān)測(cè)單元受到的應(yīng)力峰值較低,難以實(shí)現(xiàn)較好的破巖效果。因此,綜合考慮爆破效果確定方案四為最佳爆破方案。

由表5可知,方案一和方案二均會(huì)對(duì)采場(chǎng)邊幫巖體造成一定破壞,但是方案二的炮孔布置方式更有利于爆破自由面的發(fā)揮。方案三、方案四、方案五均能保證邊幫礦巖保持良好的整體性以及穩(wěn)定性。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知,不論是從爆破效果還是采場(chǎng)邊幫破壞情況來(lái)看,方案四均具有較好的爆破效果。因此可以認(rèn)為,銀山礦薄礦脈上向中深孔落礦工藝應(yīng)選擇方案四作為采場(chǎng)最優(yōu)爆破參數(shù),見(jiàn)表6。

表6 方案四最優(yōu)爆破參數(shù)

4 結(jié)論

結(jié)合銀山礦礦體、炸藥等相關(guān)材料參數(shù),利用ANSYS軟件建立礦體塊段模型,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)參數(shù)開(kāi)展了5組爆破參數(shù)模擬試驗(yàn)。對(duì)爆破模擬過(guò)程中自由面內(nèi)以及采場(chǎng)邊幫上的關(guān)鍵單元的爆炸應(yīng)力峰值進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,得出不同方案下采場(chǎng)爆破效果及邊幫的破壞情況。通過(guò)模擬銀山薄礦脈中深孔爆破,得出方案四為該模型的最優(yōu)孔網(wǎng)參數(shù),在該條件下模型爆破區(qū)域的破巖效果以及采場(chǎng)邊幫的控制效果均為最佳,為后期現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)的爆破參數(shù)提供了參考。