深部采场爆破参数数值模拟设计优化研究

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摘要：随着矿山开采进入深部阶段，为了解决现有爆破参数在深部开采时存在爆破效果不理想等问题，保障矿山安全高效的生产，本文基于理论分析和工程经验，对爆破参数进行了设计优化，并通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行多种方案的数值模拟，对不同参数下的爆破应力场进行分析验证。模拟计算结果表明：当孔排距为3.0×2.7与3.0×2.8时，炮孔间特定单元有效应力值大于岩石的动态抗拉强度，岩石能够被破碎，且破碎效果较好，从而确定了最优的爆破参数设计。

Abstract： With the mining enters the deep stage， in order to improve the production efficiency of mine and ensure production safety and aiming at the unsatisfying blasting effects， this paper designs and optimizes blasting parameters of deep stope based on the blasting mechanism and engineering practical experience. Utilizing the numerical simulation of finite element software with ANSYS/LS-DYNA various schemes， analysis validations on the blasting stress field under different parameters are conducted. The simulation results show that： When the holes and rows spacing are 3.0×2.7 and 3.0×2.8， the effective stress of discrete cells between blast holes is bigger than the dynamic tensile strength that rocks can be broken and the blasting effects is better， then confirmed the best blasting parameter design.

关键词：深部开采；爆破参数；数值模拟

Key words： deep stope；blasting parameters；numerical simulation

中图分类号：TD23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0116-05

0 引言

随着国民经济及相关技术的快速发展，工程爆破技术已广泛应用于矿山开采，水利水电，公路隧道以及城市拆除等众多领域。爆破技术的应用极大地提高了矿山企业挖掘和开采作业的劳动效率，降低了劳动强度，而且在一定程度上提高了我国矿产生产能力[1]。但是随着国民经济对于矿产资源的需求量日益增大以及地层浅部矿产资源的逐渐减少，采矿向深部发展已成必然趋势[2]。而深部岩体处于复杂高地应力的力学环境，其具有不同于浅部岩体的特性[3]，使得爆破施工不仅面临着许多挑战，而且爆破效果也影响后续出矿等工序的顺利进行，矿山生产效率以及开采人员的人身安全[4]。因此，优化深部工程爆破设计已成为亟待解决的问题[5]。

目前，爆破参数优化常用的方法主要有现场实验、BP神经网络，遗传算法、数值模拟等[6-7]。基于ANSYS/LS-DYNA非线性动力分析的数值模拟计算具有经济，快速，方便等优势[8]，而且能够直观再现爆破过程，且模拟效果较好[9]，因此本文通过理论分析和工程实践经验选定不同的爆破参数，并运用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟分析，对矿山深部采场爆破参数进行设计优化。

1 爆破参数确定

1.1 工程概况

目前狮子山铜矿生产工程主要包括狮子山铜矿三期工程中的十五中段和四期工程。四期工程中的十六中段为主采中段，十七中段和十八中段于开拓掘进阶段；现在主要生产区域在十五中段和十六中段“西飘”矿带。而本文研究的矿于十六中段，标高为1187m，距离山顶垂直距离在700m以上，按照目前国内学术界对深部的定义[10]，本文研究的矿体已属于深部矿体。

十六中段矿体赋存于青灰色、灰白色白云岩地层和紫色板岩夹白云岩地层中，矿体总体走向为N45°～65°E，倾向SE，倾角65°～85°之间；矿体围岩下盘为青灰色白云岩、紫色板岩夹白云岩和因民组紫色板岩，上盘为灰白色白云岩和紫色板岩，岩体物理力学参数见表1所示，岩石条件如图1所示。

1.2 爆破参数的设计

孔底距和最小抵抗线是爆破设计中最基本也是最重要的两个参数 。目前，该矿山爆破施工主要运用的爆破参数有两种：

①普通法：最小抵抗线W=2.5m、孔底距a=3.0m、密集系数m=1.2。

②大密集系数法：最小抵抗线W=1.5m、孔底距a=5.0m、密集系数m=3.3。如今矿山的生产爆破单耗在1.60kg/m3左右。

爆破参数中的最小抵抗线依据工程中积累的经验公式与矿山现有炮孔孔径进行选择：当单位炸药消耗量一定时，最小抵抗线和孔径成正比，最小抵抗线根据被爆岩石情况按照下列公式[11]选取：

在狮子山矿岩石的坚固性系数为6～8，属于坚硬岩石，故根据上式W取值范围为2.5m～3m。考虑到矿岩大多为白云岩，因此把W值尽量取小值为2.5m～2.8m。扇形孔孔底密集系数为0.9～1.5，以1.0～1.3较多；孔口密集系数为0.4～0.7。选取密集系数时，当矿石愈坚固，要求的块度愈小时，应取较小值；反之，应取较大值[12]。矿山中以前运用的爆破参数孔，底距3m，最小抵抗线为2.5m，这种爆破参数单耗太大，不适合使用，因此本文把孔底密集系数m>3/2.5方案不与考虑。考虑矿山生产要求与岩石硬度，取孔底密集系数为1.0

通过对矿山现有爆破参数的分析，结合原有参数下得爆破效果，初步确定爆破参数设计方案如下：（1）a=2.9，b=W=2.6；（2）a=3.0，b=W=2.7；（3）a=3.0，b=W=2.8（4）a=3.1，b=W=2.7；（5）a=3.1，b=W=2.8。其中a为孔底距，单位m；b为排距，单位m；W为最小抵抗线，单位m。

2 数值模拟模型的建立

2.1 数值计算几何模型

数值模拟计算模型单元采用3D solid164单元类型。模型中设置5个炮孔，呈三角形布置，炮孔内顶部自由面至底部的材料分别为：孔深10m，炮泥填塞、药柱和预留2m的岩石底部，孔口起爆。模型尺寸、形状和炮孔布置如表2和图2所示。

2.2 岩石材料模型

因岩石材料具有复杂性、非均质性以及各向异性等特性，所以当炸药在岩石中爆炸时，会引起炮孔附近岩体发生非常复杂的应力变化，应变率效应尤为突出[13]。因此岩石材料应选用与应变率相关的塑性随动硬化材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。由于狮子山铜矿的矿床中主要的岩石为青灰色白云岩、褪色白云岩，为了保证所有岩石在爆破都能破碎，因此选用坚固性系数最大的青灰色白云岩作为研究对象。通过参考相关文献，结合现有的现场资料，选定岩石具有参数见表3。

2.3 炸药材料模型

狮子山矿地下回采爆破中均采用2#岩石乳化炸药，因此对炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。目前在炸药的数值模拟方面，人们普遍认为JWL方程对描述炸药的爆轰状态比较适合，并且在许多的科学研究工作中被采用，并取得了很好的效果。本文同样采用这一状态方程。炸药爆炸压力P计算采用JWL状态方程：

3 数值计算结果与分析

3.1 模拟计算方案

文章运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件建立爆破模型，按照1.2节设计的5种不同的爆破孔网参数进行数值模拟，预测爆破破碎效果，模拟爆破参数如表5所示。本次数值计算采用ALE算法，网格划分选用映射划分方式进行渐变划分，岩体和炸药之间进行耦合分析[7]，模型网格示意图如图3所示，数值模拟的模型方案如表5所示。

3.2 有效应力波传播过程分析

由于本次模拟目的在于研究分析爆破后岩石的破碎情况，因此对于在不同时刻各个模型中有效应力分布情况不是研究重点，在此仅以2#模型作为分析对象，展示模型不同时刻的应力波传播分布情况。如图4所示。

为了观察应力云图方便，在LS-Prepost后处理程序中将模型内部有效应力值超过其动态抗拉强度（29.56MPa）的区域设置为红色显示。从图4可以看出，炮孔起爆后力波由炮孔出呈现圆形向外传播；35ms，药柱轴向中心部位处首先产生了应力集中；在50ms时，临近炮孔间产生应力集中，说明该部分岩石已达到压缩破坏的条件；到了73ms时，炮孔周围的岩石有效应力都超过了动态抗拉强度；95ms时，炮口部分与孔内部分的有效应力均大于岩石的动态抗拉强度，爆破漏斗形状基本形成。应力云图中红色区域，该部分岩石被压缩破坏；介于蓝色与红色区域间的岩石有效应力未超过岩石的动态抗拉强度，表明该部分岩石发生了拉伸破坏，表现为裂隙发展；蓝色区域内的有效应力最小，表明该区域未进入塑性状态，未发生破坏。

3.3 特定单元应力分析

由于扇形孔是不平行的，两个炮孔之间最大距离处于炮孔的底部，因此只要两炮孔底部之间的岩石能够得到良好的破碎，那么其余部分的岩石自然也可以达到良好的破碎效果。本文主要模拟分析在不同孔底距、排距下爆破作用对岩石的破坏情况，以孔间典型单元的应力情况来判别岩石是否发生破坏。为了判断矿体岩石在不同的孔网参数下能否发生破坏，本文在模型中选取5个典型的单元（如图5所示），通过分析炮孔间典型单元在不同时刻的有效应力曲线图，并与岩石的动态抗压强度做比较来表示该单元处岩石的破坏程度，如果该单元处的应力峰值达到或超过该矿山的深部岩石的动态抗拉强度，那么表示该单元处岩石能够被破坏；反之则表示该单元处岩石不能被破坏。通过判断典型单元是否被破坏及破碎程度以确定最优的爆破参数方案。限于文章篇幅，本文仅列出2#模型中典型单元应力时程曲线图，如图6，其他各组模型特定单元的应力峰值如表6所示。

由表6模型特定单元有效应力值与图6应力时程曲线图可以看出：

①当炮孔孔底距与排距为2.9×2.6时，此时的密集系数m≈1.11。在炮孔底部的孔间应力较大，各个特定单元中的的应力单元的有效应力值大于岩石的动态抗拉强度，这表明该区域岩石能被破碎，且破碎程度较大，但是单元有效应力值过大，存在着过度破碎现象，不符合生产要求。

②当炮孔孔底距与排距为3.0×2.7、3.0×2.8时，此时的密集系数分别为m≈1.11与m≈1.07。从特定单元的有效应力值得分析表中可以看到这两个模型炮孔底部的特定单元A点、B点以及F点处的单元有效应力值都大于岩石的动态抗拉强度，说明模型中该区域岩石能够被破碎。而且与炮孔孔距排距为2.9×2.6时的孔间单元处应力相比，可知在一定范围内，当孔距相同时，随着排距的增大时，孔间的单元应力会随之减小。模型的排间特定单元C点、D点、E点处的单元效应力值也都大于岩石的动态抗拉强度，这表明该区域岩石能被破碎，且破碎程度较佳。

③当炮孔孔距排距为3.1×2.7、3.1×2.8时，密集系数为m≈1.15、m≈1.11。从上表中可以看出这个模型炮孔底部的特定单元A点、B点以及F点处的单元有效应力值在岩石的动态抗拉强度附近，有大有小，说明模型中该区域岩石不能够完全被破碎，可能产生的大块较多，不利于矿山的连续生产。模型的排间特定单元C点、D点、E点处的单元有效应力值大于岩石的动态抗拉强度，这表明该区域岩石能被破碎。

综上所述，经过对设计方案的数值模拟计算可知：根据各个方案模型爆破模拟的特定单元的有效应力与狮子山矿采场的矿岩动态抗拉强度对比，最终确定3.0×2.7与3.0×2.8这种爆破设计方案用于指导现场的爆破生产。

4 结论

①结合矿山现有的爆破⑹及在深部采场的爆破效果情况，文章通过理论分析给出了5种不同的爆破参数。

②通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对设计的爆破参数进行数值模拟，分析炮孔间特定单元应力值表征岩石的破坏程度，得到了孔排距为3.0×2.7与3.0×2.8两组合适的爆破参数。

③数值模拟技术可以有效的模拟爆炸过程，并对不同的参数进行分析比较，但是由于现场条件的复杂性，因此还应根据现场爆破条件及爆破效果，及时的调整相关参数，以获得更好的爆破参数。

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