超深预裂孔底部加强装药高度试验研究_崔正荣.pdf

超深预裂孔底部加强装药高度试验研究 崔正荣 1， 2 张西良 1， 2 潘祖瑛 1， 2 李龙福 1， 2 （1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 安徽， 马鞍山 243000； 2. 马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司， 安徽， 马鞍山243000） 摘要本次研究以传统预裂爆破技术为基础， 以西北某露天铁矿并段超深孔预裂爆破项目为背景， 在工程实 例的基础上提出了超深孔底部加强装药公式， 即底部加强装药高度L1取值范围0.1 L～0.2 L， 其中L∈（15， 30） 为孔深， m。以底部加强装药的超深孔预裂爆破参数设计为基础， 运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件进行数值模拟， 对比 模拟结果， 分析底部加强药区域部分节点应力场分布以及压力峰值。结果表明底部加强药高度为4～4.5 m时预裂爆 破效果最好。提出了底部加强装药高度L1取值范围0.15 L～0.17 L。并进行了现场试验， 试验效果均较理想， 底部成 缝效果较好， 证明了超深预裂孔底部加强装药技术可行， 有效地指导了矿山生产。 关键词超深孔预裂爆破底部加强装药数值模拟现场试验 中图分类号TD235文献标志码A文章编号1001-1250 （2018） -12-051-05 DOI10.19614/ki.jsks.201812009 Experimental Research on Strengthening Charge Height at the Bottom of Super Deep Pre-splitting Hole Cui Zhengrong1， 2Zhang Xiliang 1， 2 Pan Zuying 1， 2 Li Longfu1， 2 （1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 2. Maanshan Institute of Mining Research Blasting Engineering Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China） AbstractBased on the traditional pre-splitting blasting technology and taking the super deep hole pre- splitting blast- ing project of a certain iron ore in Northwest of China as the background， the ula of strengthening charge at the bottom of the ultra deep hole is put forward on the basis of engineering practice， that is， the height of the bottom strengthening charge is 0.1 L≤L1≤0.2 L，and the depth of L∈（15，30）in the ula is the hole depth. Based on the parameters design of the super deep hole pre-splitting blasting at the bottom， ANSYS/LS-DYNA numerical simulation software is used to simulate the stress field distribution and the peak pressure. The results show that the pre splitting blasting effect is best when the bottom strength- ening charge is at 4 m～4.5 m. It is put forward that strengthening the bottom charge height L1ranges at 0.15 L≤L1≤0.17 L. The field tests have been carried out，and the test results are all ideal and the bottom slit effect is good. It is proved that the strengthening charge technology at the bottom of the ultra deep pre-splitting hole is feasible and can effectively guide the mine production. KeywordsSuper deep hole pre-splitting blasting， Strengthening charge at the bottom， Numerical simulation， Field test 收稿日期2018-11-05 作者简介崔正荣 （1975） ， 男， 高级工程师， 硕士研究生导师。 总第 510 期 2018 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 510 December 2018 露天矿山在边坡靠界时， 通常使用靠界预裂控制 爆破技术 ［1-2］， 因其可以在一定程度上较好地降低边 坡岩体裂隙的扩展， 削弱爆破对露天边坡的损伤破 坏， 有效地避免边坡发生滑坡 ［3-4］。这里定义直径超 过95 mm、 孔深超过15 m的爆破称为超深孔爆破 ［5］。 在超深孔预裂靠界爆破中， 由于底部夹制作用较大， 若不采取有效措施 （如底部加强装药） ， 将影响爆破 效果； 当前超深孔预裂爆破底部加强高度仅为经验 值， 综合考虑影响岩石预裂爆破成缝的因素， 对加强 高度优化研究， 不仅能够有效地克服底部夹制作用， 而且能取得较好的爆破效果， 对提高边坡稳定性和 经济效益都有重要意义， 也实现了爆破精细化 ［6］。 虽然预裂爆破技术在靠界边坡治理中较常使 用， 然而对超深孔预裂爆破的研究正处在探索阶 51 ChaoXing 金属矿山2018年第12期总第510期 段。徐成光 ［7］详细分析了某电站进水塔高边坡的开 挖特点， 使用小孔径超深孔预裂爆破技术， 一次预裂 成型的垂直边坡达到了20 m高， 工程爆破效果较理 想， 可以作为相似爆破工程的经验依据。李万洲 ［8］在 某水电站高边坡开挖过程中， 预裂孔深达到了30 m， 施工进度得到了提高， 经济效益显著改善， 施工质量 达到了良好标准。 本次研究以传统预裂爆破技术为基础， 以西北 某露天铁矿并段超深孔预裂爆破项目为背景， 综合 运用理论分析、 现场试验等方法， 优化超深孔底部加 强装药高度。 1矿山概况 西北某露天铁矿已开采多年， 台阶高度为12 m； 开采至最终境界位置每2个台阶并段； 台阶坡面角 65； 基于露天边坡的安全考虑， 采用靠界预裂爆破技 术。预裂孔深达26.5 m， 由于底部夹制作用较大， 前 期底部预裂爆破效果不太理想。目前预裂爆破后边 坡质量较好的边坡段依然较稳定， 而预裂爆破质量 较差的边坡段容易发生失稳甚至滑坡现象。怎样获 得较好的预裂爆破质量， 从而在矿山靠界超深预裂 孔爆破条件下获取稳定、 平整的预裂面， 是该矿亟待 解决的难题。 2底部加强装药高度 超深孔预裂爆破的装药结构包括底部加强装药 段、 正常装药段和上部减弱装药段， 装药结构如图1 所示。国内部分工程底部增加的装药量如表1所示， 根据表1绘制的散点图如图2所示。 工程经验表明， 底部加强装药高度如果偏小， 则 底部预裂面不能完全拉开， 因此会削弱预裂面的阻 震和阻止爆破区裂缝延伸的作用， 并且爆破后边坡 下部有岩根， 还需要小爆破清理； 反之如果底部加强 装药高度过大， 则下部保留基岩将受到破坏。 根据工程实例提出底部加强药高度L1取值范围 0.1L～0.2L， 其中L∈ （15， 30） 为孔深， m。 3数值模拟 3. 1底部加强药高度不同时数值模型及边界条件 本次研究的模型及其装药网格密度基本相同， 使计算结果具有可比性。根据西北某露天铁矿超深 预裂孔爆破参数可知， 模拟4种不同的加强药高度， 数值模型采用m-kg-s单位制， 本次数值模拟炮孔直 径为120 mm， 炮孔间距为1.3 m， 炮孔深为26.5 m， 不 耦合系数为2.7， 倾角为65， 底部加强段线装药密度 为正常段的2倍， 底部加强段装药高度分别为3， 3.5， 4， 4.5， 5， 5.5 m。模型边界条件为无反射边界， 可有效 地避免边界条件受求解结果的影响。因此模型的大 小可取为 长宽高4 m2 m30 m， 如图3。 52 ChaoXing 崔正荣等 超深预裂孔底部加强装药高度试验研究2018年第12期 3. 2材料本构模型及参数 3. 2. 1炸药本构模型及其参数 本次研究使用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型。表2为该炸药的材料和JWL状态方程的参数。 3. 2. 2被爆结构本构模型及参数 模拟岩性为白云岩， 选取ANSYS/LS-DYNA材料 库中的动力学塑性模型， 然后用关键字 （MAT_PLAS- TIC_KINEMATIC） 在.K文件中表示； 使用炮泥作为孔 口填塞材料， 其物理性质与砂土接近， 本次模拟选取岩 石模型 （MAT_PLASTIC_KINEMATIC） 作为材料模型。 炸药爆炸后， 受动载荷的影响， 岩石达到了自身 的屈服极限， 就发生塑性破坏。此外， 伴随动载荷作 用的加大， 其抗压强度将变大， 岩石的应变率在炸药 爆炸作用下的变化特别大， 岩体应变过大导致了它 的损坏， 因此选取了应变率能够变化的塑性模型； 通 过查找资料开展数值仿真、 模型试验和现场工程试 验， 对比研究得出选用该模型在某种意义上讲是较 好的［9］。选取 C-S 模型， 对于应变值 D 和 P， 参考 Yang R等 ［10］的研究成果， 即相异的应变率下材料介 质应力应变之间的相互关系和应力历时曲线这一理 论数据， 加上夏详 ［9］对这种关系进行了更进一步的求 解。模拟所需岩石的力学参数经折减处理后如表3 所示。 选取MAT_NULL空模型模拟炮孔内的空气， 使 用线性多项式状态方程LINEAR_POLYNOMIAL加以 描述 （其理论详见软件介绍部分） ， 其参数即孔口填 塞材料的参数如表4所示。 3. 3数值模拟结果分析 图4所示的爆炸应力分布表明， 炸药爆炸后， 有 效应力以柱面波的形式从药卷中心向四周扩散； 底 部加强装药段的应力波在叠加后， 应力波明显增强， 有利于底部裂隙的扩展。均匀分布的装药结构使得 岩石所受到的应力也是较均匀的， 叠加后的应力达 到了岩石强度， 底部加强装药段完全贯通， 有效地克 服了底部夹制作用。 提取加强装药段关键点单元的相应曲线， 记录 该单元所受应力的最大值。运用有效应力屈服理论 比较模拟出的结果， 依托比较结果分析岩石在炸药 爆炸作用后的破碎情况。岩石个别单元在模型中的 坐标和其对应的应力曲线， 如图5所示。 根据模拟计算结果表5～表8可知， 底部加强段装 53 ChaoXing 金属矿山2018年第12期总第510期 药高度为4 m和4.5 m时能够取得较好的预裂爆破效 果。因此， 超深孔预裂靠界爆破底部加强段装药高 度满足关系式 0.15L≤L1≤0.17L。 4现场爆破试验 现场试验分4种方案， 比较其爆破开挖后的边坡 质量， 结合理论分析， 为参数选择提供直接依据。 径 向不耦合装药有效地削弱了炸药爆炸对炮孔壁四周 岩石的破坏， 同时相邻炮孔壁受到其中一部分冲击 波的作用而产生拉应力， 形成预裂缝。本矿超深孔 预裂爆破炮孔直径为120 mm， 孔距为1.3 m， 孔深为 26.5 m， 预裂药柱的直径约45 mm， 不耦合系数为2.7， 正常装药段线装药密度0.6 kg/m， 底部加强段线装药 密度为1.2 kg/m， 底部加强药高度分别为3.5、 4、 4.5、 5 m。轴向为不耦合装药， 使用粘性较好的材料将炸药 固定在起爆器材上。由于炮孔下端受夹制作用的影 响较大， 对超深孔而言， 炮孔底部的夹制作用不可忽 视。为消除这一影响， 增加的药量均匀分布在炮孔 底部加强装药段。上部为装药减弱段， 最上面为不 装药段， 不装药段的长度与该处的岩性、 节理裂隙发 育程度、 装药量和预裂孔直径等有关， 减弱段的线装 药密度为正常段的1/3～1/2。 现场试验方案参数见表9。 通过对现场试验的分析， 当底部加强装药高度 为3.5 m， 预裂爆破效果明显变差， 底部留有根底， 半 壁孔未露出。当底部加强装药高度为4 m和4.5 m 时， 底部预裂爆破效果最好， 预裂缝贯通， 半壁孔保 留完整。当底部加强装药高度5 m， 预裂爆破效果也 明显变差， 药量的增加不再起到积极作用， 而是围岩 受到更大的冲击损伤。 5结 论 （1） 矿山并段预裂爆破， 底部夹制作用较大， 本 研究采用了变换底部加强药高度的方法， 确保实现 54 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 相邻炮孔之间的岩体能完全贯通， 并能避免炮孔壁 受到破坏。 （2） 以理论分析后的超深孔预裂爆破参数为基 础， 通过使用ANSYS/LS-DYNA数值仿真软件进行数 值模拟， 对比模拟结果， 分析底部加强药区域部分节 点应力场分布以及压力峰值， 结果表明底部加强药 高度为4～4.5 m时预裂爆破效果最好。提出了底部 加强装药高度范围公式 0.15L≤L1≤0.17L， 其中L∈ （15， 30） 为孔深， m。 （3） 在西北某矿进行了现场试验， 高度为4、 4.5 m 的预裂爆破试验效果均较理想， 底部成缝效果较好， 证明了超深预裂孔底部加强装药技术可行， 有效地 指导了矿山生产， 类似工程也可以借鉴。 参 考 文 献 许名标， 彭德红.边坡预裂爆破参数优化研究 ［J］ .爆炸与冲击， 2008， 28 （4） 355-359. 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