基于數值模擬的銀山礦上向中深孔爆破網格參數優化*

林海祥,洪巧,熊澤華,張鑫,林金山

(江西銅業集團銀山礦業有限責任公司,江西 德興市 334201)

0 引言

目前我國對于急傾斜薄礦脈開采一般采用淺孔留礦法[1-2],但是這種生產方式存在安全性較差、工人勞動強度高、生產效率低等問題[3-4]。因此,在綜合考慮礦巖穩固條件等因素的前提下,提出采用分段空場法在開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行礦石回采[5-6]。

上向中深孔落礦工藝爆破參數的設計是一個非常重要的工作[7],很多學者都進行了研究。例如,張金鐘等[8]在謙比希銅礦進行現場試驗,利用三維掃描儀對采空區進行切片,分析不同方案優劣,確定合適的爆破參數;谷亞州等[9]基于爆破漏斗理論和LS-DYNA 有限元分析軟件,確定了最優的炮孔角度、空氣墊層長度以及炮孔間距;李紅鵬[5]通過分析不同爆破參數下的爆破效果以及關鍵單元的有效應力峰值,實現了最佳方案的優選。

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]等問題,本文利用ANSYS軟件建立礦體塊段模型,并根據現場爆破經驗參數開展了5組爆破參數模擬試驗。對爆破模擬過程中自由面內以及采場邊幫上的關鍵單元爆炸應力峰值進行監測分析,得出不同方案下采場爆破效果及邊幫的破壞情況,優選出了最佳方案。

1 爆破方案設計

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、火山機構的嚴格控制。目前礦山采用的采礦方法為分段空場法,礦體屬急傾斜薄礦脈,采場爆破工藝采用上向中深孔落礦工藝[13-14]。生產實踐發現,采用上向中深孔落礦工藝在進行礦石回采過程中經常出現超采及大塊率高的現象,分析其原因,主要是不合理的爆破網格參數與炮孔布置方式導致爆破能量分布不均勻。

1.2 爆破方案

針對上述生產現象,提出符合該地下礦山礦巖條件的多種爆破網格參數及布置方式。結合礦山實際應用,本次研究設計采用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的方案。具體方案見表1,爆破炮孔布置如圖1所示。

圖1 爆破炮孔布置示意

表1 各方案爆破參數設置

2 數值模型構建與評價方法確定

2.1 計算模型的建立

采用數值分析軟件ANSYS/LS-DYNA 對爆炸過程進行模擬。為提高模型計算效率,對炸藥實體和巖體分別采用ALE 和Lagrange網格進行劃分,計算過程基于流固耦合算法進行,且不考慮炮孔上下的端部效應。根據爆破網格方案設定,分別建立方案一和方案二的數值計算模型,如圖2和圖3所示。模型為三孔側向崩礦爆破,側邊寬度較大,因此,側向為主要的爆破自由面。

圖2 方案一的數值計算模型

圖3 方案二的數值計算模型

如圖2和圖3所示,參照各方案爆破網格參數設置,方案一的模型尺寸(長×寬×高)設置為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,模型右側為側向自由面。由于方案三、方案四、方案五與方案二的爆破網格參數差異只體現在炮孔排距的變化,因此構建出來的模型基本一致,主要的差別在于模型長度參數上的不同。方案三、方案四、方案五的模型尺寸(長×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向表示為長度方向,Y向表示為寬度方向,Z向表示為高度方向。

2.2 計算參數選取

(1) 巖石材料模型及參數。爆破瞬間會產生較大能量,導致巖石破碎,因此通常情況下巖石的應變率會較大。ANSYS中的塑性動力學模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 包含了應變率效應,非常適用于分析爆破中巖石材料。同時選取的礦體模型材料參數見表2。

表2 礦體模型材料參數

(2) 炸藥材料模型及參數。銀山礦爆破采用的是二號巖石乳化炸藥,具有較高的能量密度,因此選用軟件內部的高能材料本構模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 來進行計算。爆破采用的乳化炸藥相關參數及其JWL狀態方程參數見表3。

表3 乳化炸藥材料參數及JWL狀態方程參數

2.3 爆破效果評價方法的確定

為了能夠對模型中的部分關鍵點的應力曲線及峰值進行分析,本次研究對被爆實體設定兩組關鍵監測單元,監測單元點的布置如圖4 所示。從圖4可以看出,A、B、C、D四個監測單元在模型自由面內部,A1、B1、C1、D1、E1、F1集中在采場邊幫上。通過獲取A、B、C、D四個監測單元應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、F1六個監測單元應力峰值的大小來判斷采場邊幫的破壞情況。

圖4 模型中關鍵監測單元的位置

3 模擬結果分析

3.1 爆炸應力波分析

3.1.1 方案一

為便于觀察側崩爆破過程巖體的應力破巖過程,繪制了0.14 ms、0.32 ms、0.54 ms、1.0 ms四個關鍵時刻的爆炸應力波云圖,如圖5所示。

圖5 方案一爆炸應力波云圖

從圖5可以看出,在t=0.14 ms時刻,模型中3個炮孔的爆炸應力波在孔間相互疊加,有效增強了炮孔之間巖體的破碎效果;在t=0.32 ms時刻,爆炸應力波幾乎同時到達側向自由面附近,經自由面反射拉伸應力波,自由面巖體收到反射拉伸應力波的作用后開始發生拉伸破壞,并向著炮孔方向發展;在t=0.54 ms時刻,反射拉伸應力波傳播到3個炮孔附近,傳播過程中使炮孔至自由面區域的巖體發生破壞;在t=1.0 ms時刻,爆炸應力波基本消失,爆破產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個關鍵時刻的爆炸應力波云圖如圖6所示。

圖6 方案二爆炸應力波云圖

從圖6可以看出,在t=0.30 ms時刻,中間炮孔的爆炸應力波先于兩邊幫的炮孔抵達側向自由面附近,經自由面反射拉伸應力波,自由面巖體收到反射拉伸應力波的作用后開始發生拉伸破壞,并向著炮孔方向發展;在t=0.50 ms時刻,反射拉伸應力波傳播到中間炮孔附近,傳播過程中使炮孔至自由面區域的巖體發生破壞;在t=1.26 ms時刻,在1.0 ms起爆的兩個邊幫炮孔的爆炸應力波傳遞至中心線附近,并產生疊加,增強了中間巖體的破碎效果;在t=2.0 ms時刻,爆炸應力波基本消失,爆破產生的巖體破壞基本完成。

模型建立的過程中,方案二、方案三、方案四、方案五的數值計算模型基本相同,主要差異體現在炮孔的排距不同。經過數值模擬結果顯示,其爆破過程產生的爆破應力波傳播趨勢基本相似。由于文章篇幅限制,不再將方案三、方案四、方案五的爆破應力波云圖進行一一列舉。

3.2 各測點應力分析

3.2.1 自由面內關鍵監測單元應力曲線及峰值

A、B、C、D四個監測單元的應力曲線和峰值的變化主要是為了對巖體爆破效果進行分析,根據數值結果,獲取了方案一、方案二、方案三、方案四、方案五的監測單元結果,見圖7和表4。

圖7 自由面各監測單元應力曲線

表4 自由面各監測單元爆炸應力峰值

從圖7和表4可以看出:

(1) 在開挖爆破區域,方案一、方案二、方案三、方案四中各監測單元的爆炸應力峰值均遠遠大于巖體的抗拉強度值,而方案五中僅B監測單元的爆炸應力峰值大于巖體的抗拉強度值;

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

(3)A、B兩點的應力曲線分布狀態相似,C、D兩點的應力曲線分布狀態相似;

(4) 方案一、方案二、方案三、方案四均可以保證爆炸開挖區域的爆破破碎效果,但方案一、方案二和方案三的孔網參數過于密集,爆炸應力過大,易造成鑿巖量和炸藥能量的浪費,以及粉礦率的提高;

(5) 方案四中各監測單元的爆炸應力分布均勻,無特別大的爆炸應力峰值出現,說明方案四網格參數合理,可以充分利用各炮孔的炸藥爆炸能量;

(6) 方案五的孔網參數選取較大,爆炸應力較低,難以保證爆炸開挖區域的爆破破碎效果,易形成大塊。

3.2.2 采場邊幫關鍵監測單元應力曲線及峰值

為探究采場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、F1六個監測單元的應力曲線及峰值,分別見圖8和表5。

圖8 采場邊幫各監測單元應力曲線

表5 采場邊幫各監測單元爆炸應力峰值

從圖8和表5可以看出:

(1) 在采場邊幫區域,方案一中各監測單元的爆炸應力峰值均遠大于巖體的動態抗拉強度值,因此,方案一極易造成采場兩幫超采,導致邊幫礦巖的垮落;

(2) 在采場邊幫區域,方案三、方案四、方案五所有監測單元的爆炸應力峰值均小于巖體的抗拉強度值,因此,方案三、方案四和方案五對于控制采場兩幫超采以及保護邊幫穩定性均具有非常好的效果;

(3) 方案二中A1、D1監測單元的爆炸應力峰值均大于巖體的抗拉強度值,但其他監測單元應力峰值明顯減小,未超過巖體的動態抗拉強度值。方案二的梅花形布孔方式對于控制采場兩幫超采以及保護邊幫穩定性具有明顯效果。

3.2.3 爆破方案優選

根據各方案開挖爆破區域監測單元的數值模擬數據,進行采場爆破方案的優選。根據表4可知,方案一、方案二、方案三、方案四均能達到破巖應力要求。方案二、方案三、方案四和方案五的A、B監測單元的峰值應力要高于C、D兩點,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,方案一、方案二和方案三的監測單元應力峰值較大,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大,監測單元受到的應力峰值較低,難以實現較好的破巖效果。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對采場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定性。

根據上述分析結果可知,不論是從爆破效果還是采場邊幫破壞情況來看,方案四均具有較好的爆破效果。因此可以認為,銀山礦薄礦脈上向中深孔落礦工藝應選擇方案四作為采場最優爆破參數,見表6。

表6 方案四最優爆破參數

4 結論

結合銀山礦礦體、炸藥等相關材料參數,利用ANSYS軟件建立礦體塊段模型,并根據現場爆破經驗參數開展了5組爆破參數模擬試驗。對爆破模擬過程中自由面內以及采場邊幫上的關鍵單元的爆炸應力峰值進行監測分析,得出不同方案下采場爆破效果及邊幫的破壞情況。通過模擬銀山薄礦脈中深孔爆破,得出方案四為該模型的最優孔網參數,在該條件下模型爆破區域的破巖效果以及采場邊幫的控制效果均為最佳,為后期現場工業試驗的爆破參數提供了參考。