地下硐室淺孔爆破方案設計及數值模擬

馬國強,張成俊,昂朝明,余和平

(1.安徽江南爆破工程有限公司,安徽 寧國 242300;2.中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000;3.爆炸能量利用與控制安徽省重點實驗室,安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著我國礦山爆破開采技術的不斷進步,淺孔爆破技術被越來越多地應用于露天礦山剝離爆破,水利水電開挖爆破,路塹、溝槽或基礎開挖爆破,場地平整爆破等工程施工作業中,均取得了較好的施工效果[1-3]。

淺孔爆破開挖技術及設計研究方面,丁漢堃等[4]根據柱狀巖石體運動、斷裂過程的分析,采用壓桿穩定理論推導得出了淺孔爆破炮孔抵抗線的計算公式,并基于能量方法推導得到了炮孔間距的計算公式。 胡鑫等[5]以某看守所場地平整工程為例,通過選取合理的爆破參數,優化爆破工藝,減小了爆破產生的沖擊、振動和飛石對周圍環境安全帶來的影響,取得了較為理想的效果。 姚煜國等[6]在露天建材礦山場地平整和道路開拓中通過選取合理的爆破參數,優化爆破工藝,采取對應的安全措施,減輕了淺孔爆破作業對周圍環境安全的影響。陳磊等[7]采取多打孔少裝藥的減弱松動爆破方式,結合機械開挖形成臨空面,再根據小臺階爆破思路,每次爆破布孔以 2 排三角形,孔底采用間隔裝藥和局部加強裝藥結合方式,有效地縮小了粉碎區的范圍和控制了爆破飛散物,延長爆生氣體作用時間,減少根底和降低孔口大塊率。 唐小軍等[8]為了減輕爆破振動、爆破飛石對周邊高層建筑物、民房的損害,采用半區深孔爆破,半區深孔與淺孔控制爆破相結合的方式,運用 V 形爆破網路、孔底空氣間隔裝藥、選擇性改變地震波主傳播方向等技術手段將爆破振動控制在安全允許范圍內。

現有某地下礦山硐室,為便于變配電設備安裝需進行底板整平,擬采用淺孔爆破方式對底板部分進行開挖,清渣完畢后敷設混凝土材料。 設計人員借鑒掘進爆破掏槽爆破設計,擬采用一次成型方式進行爆破作業,通過理論計算得出淺孔爆破作業的孔網參數并進行掏槽去優化,同時結合LS-DYNA數值模擬軟件進行仿真計算,預估巖石爆破粉碎、成縫結果,最終成功完成硐室淺孔爆破開挖作業,為類似工程提供參考。

1 工程概況

待爆破硐室地板位于某地下鐵礦 -295 m 水平,根據現場實地觀察結果,爆破工程范圍內巖石介質為花崗巖,硐室底板長度 10 m,寬度 4 m,該硐室為獨立硐室,距離30 m 處有多個電氣設備儲存硐室,故須控制單次爆破規模,防止爆破振動造成破壞。

2 爆破技術方案

2.1 總體思路

根據現場實際情況,鉆機選用 Y-20 型手持式鑿巖機,鉆孔采用直徑40 mm 的鉆頭,炸藥選擇30 cm 長的?32 mm 乳化炸藥,雷管選擇塑料導爆管雷管,起爆網路選擇中心分段掏槽方式,采用空孔提供補償空間,待掏槽區域巖石拋擲完成形成自由面后,其余區域成排依次起爆,通過結合延期、擠壓控制爆破方式調整爆破開挖順序和爆破拋擲方向,以達到控制爆堆形態和破碎效果的目的,提高爆破效果。

2.2 爆破技術參數設計

1)孔徑:D= 40 mm。

2)臺階高度:根據設計要求,本次淺孔爆破須將底板向下開挖 80 cm,擬定炮孔利用率為80%,確定H= 1.0 m。

3)超深:h=(0.10～0.15)H,h取 0.1 m。

4)炮孔長度:L=H+h= 1.0+0.1 = 1.1 m。

5)抵抗線:W=(0.4～1.0)H,鑒于淺孔爆破工況,W取1.0 m。

6)孔距:a=(1.0～2.0)W,a取1.0 m。

7)排距:b=(0.6～1.0)W,b取1.0 m。

8)單位炸藥消耗量q:該工程的爆破巖石為花崗巖(硬巖),通過查詢巖石爆破單位炸藥消耗量q值表。 淺孔松動爆破時,單位炸藥消耗量q= 0.7～0.8 kg/m3。

9)單孔裝藥量:Q=qaWH=0.7～0.8 kg。

10)堵塞長度:根據《爆破安全規程》,炮眼深度超過 1 m 時,封泥長度不得小于0.5 m,故l1=0.5 m。

2.3 掏槽區域爆破設計

由于硐室底板淺孔爆破時無自由面,故須采用強制拉槽保障淺孔爆破開挖效果,選取底板中心地帶1.0 m×1.0 m 的區域作為拉槽區域,結合工程實際情況對爆破參數進行單獨設計,如圖1 所示。

圖1 掏槽區域孔網參數及延期設計

圖1 中,MS-1 段中心孔外圈掏槽設計6 個炮孔,其中含3 個空孔,間距20 cm;一圈輔助孔采用MS-3 段和MS-4 段對孔起爆;二圈輔助孔采用MS-5 段進行擴槽,之后采用毫秒延期起爆方式進一步擴槽直至拉槽完成。

2.4 炮孔布置

整體硐室炮孔布置及導爆管雷管段別布置如圖2 所示,其中孔外均采用MS-1 段瞬發導爆管雷管作為接力雷管,每15 發雷管為1 束,使用雙發MS-1 段雷管反向連接,接力雷管統一綁扎MS-1段雷管,后采用起爆雷管起爆。

圖2 整體爆破設計

2.5 裝藥結構

根據爆破技術參數,在每個炮孔內裝填2.5 支?32 mm 乳化炸藥,每支重300 g,單孔裝藥量共750 g,裝藥時適當壓破藥卷以實現耦合裝藥的目的。 采用鉆屑堵塞炮孔,炮孔堵塞長度為0.5 m,裝藥結構如圖3 所示。

圖3 裝藥結構

2.6 爆破振動安全校核

爆破振動安全校核公式為

式中:R為爆破振動安全距離,m;V為爆破振動安全速度,cm/s,電氣設備取 0.6 cm/s;Q為單次最大齊爆藥量,kg;α、K為與地質條件和爆破場地條件相關的系數,α取1.5,K取150。

根據計算,本次設計單次最大齊爆藥量為7.5 kg,低于理論估計值,符合振動安全要求。

2.7 起爆網路設計

根據爆區實際情況,采用塑料導爆管延期起爆網路進行爆破作業,整體區域共分12 段,各段別依中心線左右對稱分布,拉槽完成后由兩側同時起爆,確保巖石破碎后向爆區中央拋擲、堆積[9]。

1)連接方式

采用孔內和孔外延遲相結合的起爆網路:炮孔內使用高階塑料導爆管延期雷管,炮孔外使用低階塑料導爆管延期雷管,各段按設計間隔時間先后起爆[9]。

2)起爆順序

多炮孔同時起爆,按“先里后外、先掏槽后周邊”的順序起爆。 前后排炮孔之間的起爆時差應控制在50～110 ms 。

3 數值仿真計算

3.1 數值仿真研究目標

采用LS-DYNA 顯式動力學分析軟件建立上述淺孔爆破掏槽區域三維有限元模型并進行計算,對爆破設計合理性進行分析。

3.2 仿真方案

1)采用LS-DYNA 建立掏槽區域淺孔爆破模型,采用1 ∶1 的比例建模建立炸藥、巖石及空氣組分,模型厚0.2 m;

2)采用映射法劃分材料網格;

3)選擇合適的材料參數并賦值;

4)定義流固耦合關鍵字、接觸關鍵字、接觸控制等參數;

5)定義失效條件并進行仿真運算;

6)采用LS-PrePost 后處理軟件分析花崗巖的有效應力變化和材料失效情況。

3.3 材料模型

3.3.1 炸藥材料參數炸藥選取普通 2 號巖石乳化炸藥,采用?MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 關鍵字定義材料屬性,同時利用JWL 狀態方程描述其爆炸產物壓力與體積的關系,材料參數見表1[10]。

表1 乳化炸藥參數

3.3.2 空氣材料

LS-DYNA 中采用?MAT_NULL 材料模型定義空氣材料,選用線性多項式描述其方程,通過?EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 關鍵字定義物質狀態[11],空氣材料具體參數見表2。

表2 空氣材料參數

3.3.3 花崗巖材料

考慮到爆破過程中巖石材料大應變、高應變率和高壓物理狀態,選用塑性隨動材料?MAT_PLASTIC_KINEMATIC 模型對其力學特性加以描述[12]。 材料參數見表3。

表3 花崗巖材料參數

3.4 關鍵字定義

模型建立完成后,采用定義流固耦合關鍵字?CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 完成流固耦合算法定義。 在巖石組分外表面添加無反射邊界條件,設置剪切波和膨脹波的吸收[13],設置?MAT_ADD_EROSION 關鍵字,采用米塞斯應力失效條件(40 MPa)和拉應力失效條件(2.5 MPa)定義材料失效。 在乳化炸藥中點處設置起爆點,按設計段別起爆。 有限元模型如圖4 所示。

圖4 淺孔爆破有限元模型

3.5 數據分析

通過LS-PrePost 后處理軟件對計算結果進行分析,觀察巖石組分材料失效情況并提取關鍵測點有效應力時程曲線,其中關鍵點布置如圖5 所示。

圖5 關鍵測點布置

選取不同時間節點巖石組分材料觀察巖石組分失效情況,如圖6 所示。

由圖中可以看出,在 0～260 ms 時間內,乳化炸藥組分隨著設計起爆時間依次起爆,炮孔壁附近巖石材料迅速受壓失效,形成破碎區,之后在260～800 ms 時間內,各炮孔之間的沖擊波反射拉伸形成貫通裂縫,爆生氣體沿預裂縫進一步擴展裂縫寬度,整體巖石組分分解完全,破碎均勻,掏槽區域成形良好,為后續爆區創造了自由面。

進一步觀測關鍵測點的米塞斯應力變化情況,如圖7 所示。

圖7 關鍵測點1～4 米塞斯應力變化曲線

由圖7 中可以看出,測點1 在 40 ms 時受瞬時爆破沖擊作用,米塞斯應力超過巖體抗壓強度(40 MPa),巖石材料發生失效,有效應力突變為0。測點 2～4 有效應力為 2.5～4 MPa,材料未受米塞斯影響失效,結合圖6 可以看出,炮孔壁及炮孔間的連線受拉應力失效較多,其余材料未達失效條件,但材料間裂縫貫通,促使巖石逐步解體,形成均勻的巖石塊。

綜合上述圖表發現,仿真計算結果顯示該掏槽設計爆破較好,可有效保障掏槽效果,現場作業可使用此強制拉槽方式一次完成硐室底板淺孔爆破開挖作業。

4 現場施工作業

4.1 鉆孔

按照爆破設計方案,采用Y-20 型手持式鑿巖機對須進行淺孔爆破開挖的變電硐室底板鉆孔,鉆孔深度 1.1 m,并使用汽水瓶護孔,如圖8 所示。

圖8 現場鉆孔情況

4.2 裝藥與堵塞

根據爆破設計方案選擇對應的雷管段位,制作起爆藥包放入孔底,并裝入剩余藥卷,輕輕壓實,保障底部裝藥耦合度,所有炮孔裝藥后,剩余段均應用細石粒的鉆屑或細沙塞滿堵實。

4.3 連網與起爆

裝藥完畢后連網,按設計采用采取孔內延期、孔外接力傳爆網路,孔內裝高段位雷管,孔外接低段位雷管接力延時起爆網路。 連網采用普通簇鏈方式連接,將爆破分為5 個片區,各片區導爆管綁扎兩根MS-1 段連接雷管,最后將所有連接雷管綁扎在2 個起爆雷管上,進行引爆,現場施工情況如圖9 所示。

圖9 現場作業

4.4 爆破效果評價

爆破完成后觀察爆堆形態,如圖10 所示。 由圖中可以看出,爆破后爆堆較為集中,巖石較為破碎,塊度整體較為均勻,基本到底,爆破后出渣效果如圖所示,由圖10 中可以看出爆破后底板較為平整,經過測量進尺為0.8～0.9 m,炮孔利用率可達72%～82%,滿足進尺要求,爆破效果符合預期。

圖10 爆破后效果

5 結語

針對地下礦山硐室底板淺孔爆破實踐,采用先掏槽孔后周邊孔一次爆破開挖方式進行作業,通過理論計算得出淺孔爆破技術參數并對掏槽區域進行了單獨設計,同時結合LS-DYNA 數值模擬軟件對爆破設計后預期效果進行了仿真分析,仿真結果表明有效應力遠高于巖石失效應力,巖石破碎失效明顯,沖擊波反射拉伸作用形成貫通裂縫,促使巖石組分均勻破碎成若干塊體。 根據爆破設計進行現場爆破,爆破后巖石破碎均勻、爆堆集中、炮孔利用率在 72%～82%,有效實現了預期爆破目標,為此類工程提供了借鑒。