神山石灰?guī)r礦邊坡預(yù)裂爆破數(shù)值模擬及應(yīng)用

錢明淵，程 路，袁政委，崔子恒，魯海生，姚昌盛

（安徽江南爆破工程有限公司，安徽 寧國 242300）

露天礦山邊坡控制爆破成型過程中，為形成光滑平整的輪廓面，維持邊坡穩(wěn)定，常會(huì)用到光面爆破或者預(yù)裂爆破技術(shù)[1-3]，其中預(yù)裂爆破是在爆破開挖主爆區(qū)前，在邊坡設(shè)計(jì)輪廓處預(yù)先爆破形成1 條貫通裂縫，以緩沖和反射爆破產(chǎn)生的沖擊波，控制爆破對開挖面的破壞，從而得到較為平坦的開挖剖面[4-6]。預(yù)裂爆破效果不佳，易導(dǎo)致永久邊坡掛幫、根底，嚴(yán)重的會(huì)對邊坡面、坡頂線造成破壞，將會(huì)直接影響企業(yè)施工成本。如何提高露天采場臺(tái)階預(yù)裂爆破效果，是目前露天礦山技術(shù)重點(diǎn)及難點(diǎn)[7-8]。

在預(yù)裂爆破技術(shù)研究方面，張迎春等[9]根據(jù)礦山現(xiàn)狀，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了爆破作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)礦山臺(tái)階降低、坡面規(guī)整、臺(tái)階平整、半孔率高等效果；阮國府[10]采用合適的預(yù)裂孔徑、孔距搭配合適直徑的PVC 管進(jìn)行預(yù)裂裝藥，施工效率、施工質(zhì)量、施工成本等可以滿足在導(dǎo)爆索匱乏的情況下預(yù)裂爆破需求；洪勇等[11]提出了一種間隔裝藥結(jié)構(gòu)一次預(yù)裂爆破成型方法，并對比分析了空孔孔徑、不耦合系數(shù)、孔距等參數(shù)對最終預(yù)裂效果的影響程度；張修玉等[12]針對通過改變孔間距，通過多組現(xiàn)場試驗(yàn)，得出了最優(yōu)孔距。

目前對于邊坡預(yù)裂爆破研究主要采用小直徑、短孔距布孔方式及32 mm 乳化炸藥間隔裝藥結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式對爆破參數(shù)進(jìn)行估算，邊坡成型效果較為一般，爆破效果無法得到有效保障。為合理優(yōu)化爆破參數(shù)，提高邊坡成型效果，基于某露天礦山溜井平臺(tái)邊坡爆破成型工況，采用寬孔距、大孔徑邊坡預(yù)裂爆破技術(shù)，通過經(jīng)驗(yàn)估算和數(shù)值仿真相結(jié)合的方式，驗(yàn)證爆破參數(shù)的合理性，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，為類似工程提供了借鑒。

1 工程概況和預(yù)裂爆破參數(shù)

神山石灰?guī)r礦礦區(qū)屬低山丘陵地貌。礦區(qū)以灰?guī)r為主，構(gòu)造不發(fā)育，局部巖溶較發(fā)育，巖體完整性總體較好，巖石平均飽和抗壓強(qiáng)度25～93.4 MPa，平均63.7 MPa，巖體穩(wěn)定性一般較好；現(xiàn)該礦山四號溜井平臺(tái)＋330 m 水平，因生成建設(shè)需要須進(jìn)行邊坡爆破開挖，擬采用預(yù)裂爆破技術(shù)以形成平整輪廓面，同時(shí)保障保留巖體穩(wěn)定性。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本次爆破擬采用深孔臺(tái)階爆破方式，臺(tái)階高度為H＝15 m，傾斜梅花形布孔，主爆區(qū)采用二號巖石乳化炸藥裝藥，炸藥直徑d＝90 mm，不耦合裝藥。預(yù)裂孔采用32 mm 乳化炸藥不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，爆破過程中做好有害效應(yīng)防護(hù)，控制爆破振動(dòng)和飛石。

為降低爆破成本，提高半孔率，擬定采用寬孔距、大孔徑方案進(jìn)行預(yù)裂爆破。寬孔距、大孔徑邊坡預(yù)裂爆破技術(shù)其主要特點(diǎn)在于不耦合系數(shù)相對較高，應(yīng)力波和高壓氣體對于孔壁的壓力相對較小，可有效避免孔壁受壓破壞[13]，同時(shí)孔內(nèi)空氣起到一定的氣楔作用，可有效儲(chǔ)存炸藥能量，提高爆破做工時(shí)長，保障預(yù)裂縫擴(kuò)展效果，孔距較寬可減少鉆孔工作量和爆破器材使用量。

1.1 主爆孔和預(yù)裂孔參數(shù)

1）孔徑。根據(jù)礦山工程設(shè)備情況選擇鉆孔孔徑：①主爆孔孔徑D1＝140 mm，主爆鉆孔角度θ1＝85°；②預(yù)裂孔孔徑D2＝120 mm，預(yù)裂鉆孔角度：θ2＝70°。

2）超深及鉆孔深度。①超深h＝（8-12）D1＝1.5 m；②主爆孔孔深L1＝（H＋h）/sin θ1＝16.56 m，式中：θ1為主爆孔傾角；③預(yù)裂孔孔深L2＝（H＋h）/sin θ2＝17.56 m，式中：θ2為預(yù)裂孔傾角。

3）底盤抵抗線。①主爆孔底盤抵抗線W1＝k1D1＝4.4 m，式中：k1為常數(shù)，一般為25～45，取k1＝32；②預(yù)裂孔底盤抵抗線W2＝k2D2=1.8 m；式中：k2為常數(shù)，取k2＝15。穿孔時(shí)須控制預(yù)裂孔與主爆區(qū)最后1 排孔孔底距在1.8 m 左右。

4）孔距。①主爆孔孔距a1＝m1W1＝6.6 m，式中：m1為常數(shù)，深孔爆破為1.2～1.5；②預(yù)裂孔孔距a2＝m2W2＝1.5 m，式中：m2為常數(shù)，深孔爆破為0.6-0.8。

5）排距。主爆區(qū)排距b1＝W1＝4.4 m。

6）填塞長度。①主爆區(qū)填塞長度l1≈W1＝4.5 m；②預(yù)裂孔填塞長度l2≈W2＝1.8 m。

1.2 緩沖孔參數(shù)

在主爆孔和預(yù)裂爆破炮孔之間設(shè)置緩沖孔，緩沖孔為垂直孔，起到有效的防沖撞緩沖作用，同時(shí)提高主爆孔和預(yù)裂孔之間的巖體的破碎度，便于挖運(yùn)。緩沖孔孔距a3＝2.0 m，排距b3＝3.2 m，傾斜角度θ3＝85°，鉆孔深度L3＝8 m，堵塞長度l3＝3.5 m。

1.3 裝藥結(jié)構(gòu)

主爆孔與預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

1）主爆孔采用直徑90 mm 炸藥，線裝藥密度為7 kg/m。

2）預(yù)裂孔底部裝填2 卷直徑90 mm 炸藥藥卷用于破除底部夾制力，中間段采用直徑32 mm 乳化炸藥連續(xù)裝藥，上部采用32 mm 乳化炸藥間隔裝藥結(jié)構(gòu)減弱頂部爆破作用，裝藥時(shí)將藥卷和導(dǎo)爆索綁縛在毛竹片上，整體下放至孔內(nèi)。

1.4 起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)絡(luò)如圖2。

圖2 起爆網(wǎng)路

采用“孔內(nèi)高段別，孔外低段接力”導(dǎo)爆管雷管毫秒延期起爆網(wǎng)路進(jìn)行爆破作業(yè)，主爆區(qū)孔內(nèi)使用2 發(fā)MS 9 段導(dǎo)爆管雷管，孔外使用MS3 段導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行延期，排間使用MS5 段接力。預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索起爆，孔間使用導(dǎo)爆索傳爆，孔外導(dǎo)爆索與主索相連，主索端部綁縛兩發(fā)雷管，起爆順序：預(yù)裂孔、主爆孔、緩沖孔。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)溜井平臺(tái)邊坡實(shí)際工況和爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，采用ANSYS/LSDYNA 對溜井平臺(tái)邊坡預(yù)裂爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析巖體爆破成縫過程情況，判斷預(yù)裂爆破成型效果。仿真方案如下：①采用ANSYS/LSDYNA 建立預(yù)裂爆破模型，形成K 文件；②設(shè)置模型邊界條件和起爆時(shí)間，進(jìn)行仿真計(jì)算；③采用Ls-prepost 后處理軟件觀測巖體損傷情況；④分析光面爆破和巖體破碎效果。

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)建立預(yù)裂爆破幾何模型，模型長6 m，寬3 m，厚0.2 m，采用偏心裝藥結(jié)構(gòu)，幾何模型如圖3。

圖3 幾何模型

模型中共有3 個(gè)組分：乳化炸藥，空氣和巖體，其中空氣和炸藥材料定義為流體，石灰?guī)r為固體，采用＊CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 關(guān)鍵字定義流固耦合關(guān)系。整體模型采用映射法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在對稱面施加相對的位移約束。在巖體組分外表面添加無反射邊界條件[14]，設(shè)置剪切波和膨脹波的吸收，設(shè)置炮孔同時(shí)起爆。

2.2 模擬結(jié)果

預(yù)裂成縫過程如圖4。

圖4 預(yù)裂成縫過程

炸藥起爆后，應(yīng)力波呈環(huán)狀向四周擴(kuò)散，50 μs時(shí)，孔壁受壓破壞，此時(shí)孔壁處米塞斯應(yīng)力峰值為88.8 MPa，高于巖石抗壓強(qiáng)度，開始產(chǎn)生粉碎圈；100 μs 時(shí)，粉碎圈不再擴(kuò)大，其大小約為10 cm 左右的圓形，粉碎圈周圍開始形成微小裂縫；100～300 μs時(shí)，徑向裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)形成部分環(huán)向裂隙；425 μs 時(shí)，孔間徑向裂隙擴(kuò)展完全直至貫通。由圖4中可以看出：該裂縫較為平整，整條裂縫基本在開挖輪廓線附近，未出現(xiàn)明顯的超挖和欠挖現(xiàn)象，爆破過程對保留巖體有一定的破壞，現(xiàn)場作業(yè)需采取一定的緩沖措施。

由仿真結(jié)果可以看出，采用32 mm 乳化藥卷，120 mm 孔徑，1.5 m 孔距等參數(shù)可有效形成貫通裂縫，巖體成縫效果較好，可用于現(xiàn)場實(shí)際使用，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)需稍微調(diào)整裝藥位置，減小對保留巖體的損傷。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)方案對溜井平臺(tái)邊坡進(jìn)行預(yù)裂爆破施工作業(yè)。該區(qū)域巖體為石灰?guī)r，巖體微發(fā)育，邊坡開挖線長約60 m，其中預(yù)裂孔40 個(gè)，輔助緩沖孔31 個(gè)，主爆孔26 個(gè)。

1）炮孔驗(yàn)收。為保證爆破效果，在裝藥前，要對預(yù)裂孔進(jìn)行檢查和驗(yàn)收。成孔驗(yàn)收必須逐孔進(jìn)行，對于不合格的成孔，要及時(shí)補(bǔ)孔；驗(yàn)收每個(gè)炮孔的孔深、角度、位置，與設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，每個(gè)炮孔要求深度誤差在±0.5 m、角度±2°、位置±0.5 m；預(yù)裂孔成孔率須達(dá)到100%。

2）裝藥施工要求。預(yù)裂孔采用傳統(tǒng)的導(dǎo)爆索竹片間隔裝藥方式，藥卷、導(dǎo)爆索與竹片均須綁扎牢固。搭接長度不得小于15 cm，綁扎須牢固，確保傳爆穩(wěn)定性，同時(shí)要確保導(dǎo)爆索連接平直，避免拒爆。爆破員嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行裝藥，裝藥過程應(yīng)該實(shí)時(shí)監(jiān)控裝藥長度，保證不超量裝藥，藥卷綁扎完畢后，作業(yè)人員應(yīng)將毛竹一次性置入孔內(nèi)并采用巖粉填塞炮孔。在填塞施工開始之前，需要將巖渣裝入到編織袋內(nèi)，同時(shí)采取控制措施來確保填塞的質(zhì)量，且堵塞長度、質(zhì)量符合設(shè)計(jì)。

3）起爆順序。起爆順序?yàn)椋侯A(yù)裂孔→主爆孔→緩沖孔。

4）爆破效果。爆破后邊坡預(yù)裂爆破后壁面平整，無明顯超欠挖現(xiàn)象，半孔痕跡清晰，孔痕連續(xù)性較好，掌子面根部到達(dá)預(yù)裂線位置，達(dá)到預(yù)定要求，無需二次處理，經(jīng)過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)共有34 個(gè)半孔完全保留，半孔率達(dá)到85%。

4 結(jié)語

針對某露天礦山溜井平臺(tái)邊坡爆破工況，采用寬孔距大孔徑預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行爆破作業(yè)，取得了較好的爆破效果。

1）仿真計(jì)算過程中預(yù)裂孔徑120 mm，孔距1.5 m 條件下炮孔間預(yù)裂縫貫通、孔壁損傷較小，與現(xiàn)場爆破結(jié)果較為一致。

2）采用寬孔距大孔徑預(yù)裂爆破技術(shù)，結(jié)合偏心裝藥結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的質(zhì)量控制措施可有效保證爆破效果，現(xiàn)場爆破后邊坡壁面平整，無明顯超欠挖現(xiàn)象，半孔痕跡清晰，連續(xù)性較好，半孔率達(dá)到85%左右，為類似爆破工程提供了參考。