崩落采矿法挤压爆破质量控制方法的实验

明 建， 高永涛， 胡乃联， 谢经鹏

(北京科技大学 a. 土木与资源工程学院； b. 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京 100083)

崩落采矿法挤压爆破质量控制方法的实验

明 建a,b， 高永涛a,b， 胡乃联a,b， 谢经鹏a

(北京科技大学 a. 土木与资源工程学院； b. 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京 100083)

为提高崩落采矿法挤压爆破作业中的爆破质量，应用物理模拟实验法和数值模拟实验法对中深孔挤压爆破质量控制方法进行了实验。基于矿岩爆破破碎机理和相似理论，优化了实验方案，设计了实验工艺流程和实验装置。进行了可爆性实验、物理相似材料模拟爆破实验和三维数值模拟爆破实验，对不同装药结构和爆速条件下岩体的破坏效果、应力场变化和爆破能量释放规律进行了研究。实验结果表明：较高爆速炸药在应力作用、裂隙形成和破坏效果方面均优于低爆速炸药，孔底起爆和孔内布设全长导爆索有利于改善爆破质量。实验成果可以为中深孔挤压爆破质量控制技术的实验研究和实验设计提供依据。

崩落采矿法； 崩矿质量; 物理模拟实验； 数值模拟实验

0 引 言

无底柱分段崩落采矿法广泛应用于我国金属矿山的生产中。该方法具有结构参数大、同时投入生产的工作面多、生产作业调度灵活、每米炮孔崩矿量较大、可应用大型铲运机械等优点，其采矿强度明显高于其他采矿方法[1-2]。但由于每米炮孔崩矿量、装药结构等方面的影响，采用无底柱分段崩落采矿法进行地下开采时常出现中深孔爆破质量较低的问题。其主要表现为爆破大块产出率高、眉线破坏严重和二次爆破频繁，以上问题不仅会降低出矿效率和矿石的回收率，还会增加爆破成本，因此改善中深孔爆破质量对提高无底柱崩落法矿山的生产效率和经济效益具有重要意义[3-4]。

为提高崩落采矿法挤压爆破作业中的爆破质量，本文应用物理模拟实验法和数值模拟实验法对其质量控制方法进行了实验研究。基于矿岩爆破破碎机理和相似理论，设计了实验方案、工艺流程和实验装置，研究了不同装药结构和爆速条件下岩体的破坏效果、应力场变化和爆破能量释放规律。

1 实验原理

在金属矿山开采过程中，利用炸药爆破来破碎岩体是最有效和应用最广泛的手段。无应力叠加的爆破破岩机理为：爆炸产生的冲击波首先在炮孔附近区域形成粉碎区，其后冲击波衰减为应力波向周围矿岩传播。径向压应力导致切向拉应力的产生，在爆生气体的膨胀、挤压、气楔作用下径向裂隙网随之形成。矿岩在压缩过程中积蓄的弹性变形能被释放并转变为卸载波，形成了环状裂隙。随着径向、环状和剪切裂隙的形成、扩展和贯通，矿岩体被分割成大小不等碎块，最终构成了破裂区[5-6]。

由于柱状药包起爆后沿传爆方向将产生应力叠加区域。本实验将柱状药包分为有限个球形药包进行应力叠加分析。设传爆方向由相邻两个假设的球形药包A及B，应力波在点C正交，两点与C间距离分别为r1和r2。实验采用两应力波正交作为假设模型，分析应力叠加区域的受力和裂隙的生成过程，如图1所示。

图1 应力波正交受力图

随应力波传播距离的增加，矿岩受到的压力会逐渐衰减。令σ1、σ2为A、B两点炮孔壁受到的压力，根据衰减规律可知应力波传播到C点时存在：

(1)

式中：r0为炮孔半径，mm；α为应力衰减指数。根据图中的几何关系可知，AC方向上受到的合力为：

(2)

式中：σr1为C点受到的沿r1方向的径向压应力，Pa；μ为岩石的泊松比，令γ=μ/(1-μ)；σθ1为σ1施加于C点沿r2方向的切向压应力，Pa。

令σ1=σ2，分析可知，当θ∈(0，arctan(γ1/α))时，FAC表现为拉应力，同理推导可知FBC此时表现为压应力。该受力状态将导致沿BC方向的裂隙的产生，并促进裂隙宽度和发育程度逐渐增大，辅以爆生气体的作用，矿岩体更易于被破坏。综上所述，当初始爆轰压力增大时，根据应力波的衰减规律，沿BC方向受到的径向压力和沿AC方向受到的拉应力将会增大，生成的裂隙也会更广、更宽，有利于破碎矿岩。

国内外学者对矿岩爆破破碎机理及其实验方法进行了大量研究，但由于爆破反应及其对矿岩的作用非常复杂，因此爆破理论远未达到完善的程度[7]。近年来，随着物理实验和数值模拟实验技术的发展，爆破机理研究取得了明显的进步[8-10]，爆破实验的安全性也有了较大的提高[11-12]。本实验在数学力学模拟计算的基础上，遵循真实物理模拟为主、虚拟数值模拟为辅的原则对不同装药结构和不同爆速条件下的矿岩爆破破碎机理和应力、裂隙变化规律进行了实验研究。

2 实验方案设计

实验方案采用了物理模拟实验法和数值模拟实验法，前者主要通过爆破后介质的破坏情况来判定爆破效果；而后者能够模拟出爆破过程中应力和裂隙的变化过程[13-14]。影响矿岩爆破效果的因素可分为内在因素(矿岩的物理力学性质)和外在因素(爆破相关的技术和参数)[15]。本实验首先通过能量冲击破碎实验获得矿岩的可爆性数据，然后通过物理模拟实验获得不同装药结构条件下的炸药爆破及炮孔破坏特征，再通过数值模拟实验获得应力作用、裂隙形成和破坏效果的规律，从而实现两者实验结果之间的相互验证。

2.1能量冲击破碎实验

矿岩强度和脆性是内在因素中的主要因素，通常矿岩强度越低可爆性越差，脆性越强越易于破碎。本实验主要从脆性的角度对矿岩进行可爆性分级，采用能量冲击破碎实验法，即应用物理冲击能量对炸药的爆破能量进行模拟，利用重锤从一定高度下落所形成的物理冲击破碎矿岩。在重锤同等高度的冲击下，由不同类型矿岩破碎的块度分布来表征其脆性。

实验设备主要包括重锤、重锤冲击筒、分级筛。首先将同种岩性的矿岩破碎至块度30～40 mm，称取600 g放入冲击筒中底部，然后使重锤由冲击筒口处自由落下往复冲击6次，再将冲击破碎后的矿石置入分级筛内筛分并称取筛上质量，最后整理数据并进行矿岩脆性分析。

2.2中深孔爆破物理模拟实验

在国际贸易交易中，交易企业和交易单位是国际贸易交易的主体，减少国际贸易风险，要对双方交易国家做好充分调研，减少可预见性的风险损失，提高风险的预见性，完善国际贸易体系。

物理模拟实验能够部分模拟实际爆破过程，采用监测设备观测爆破过程中模型的变形，推断原型上所发生的力学现象。在中深孔爆破中，如果孔内未布置导爆索，正向或反向起爆后，爆轰波主要沿炮孔轴向传播。当孔内布置全长导爆索时，由于导爆索的爆速远大于孔内装填的乳化铵油炸药的爆速，可近似地看成沿药柱同时起爆，爆轰波的传播方向将发生改变不再主要沿轴向传播。为研究炮孔内布置全长导爆索对炸药爆破及炮孔破坏的影响，对孔底和孔口起爆方式分别设计了物理模拟实验，每种起爆方式分为未布置和布置全长导爆索两种方案。

实验使用φ6 cm×75 cm的钢管模拟炮孔，实验设备和材料还包括起爆器、导爆管、雷管、起爆药包、导爆索、乳化铵油炸药、钢板底板等，其中乳化铵油炸药的爆速是导爆索的爆速的1/2左右。物理相似模拟实验模型如图2所示。

图2 物理相似模拟实验模型

实验前将钢管焊接在钢板底板上，使钢管垂直于钢板并保持稳定接触；将起爆药包与雷管和导爆管联结，在钢管内布置起爆药包和导爆索，装填药乳化铵油炸药并压实；将装填完毕的实验装置紧靠实验地点的巷道壁；将导爆管引至安全地点与起爆器相连。爆破后收集破坏的实验装置，并对实验地点巷道壁面和底板损伤程度进行观测和记录。根据实验装置附近巷道壁和孔底岩石的破坏程度、底板破口周围的塑形变形和破口边缘的卷曲情况，分析爆破时钢管的径向受力和底板在钢管轴向上的受力。

2.3中深孔爆破数值模拟实验

实验采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟炮孔中装填的炸药的爆破过程，研究炸药爆速的改变对岩体破坏的影响，以验证全长导爆索条件下和一般状态下炸药爆炸的区别。实验分别对爆速为3 km/s的方案1和爆速为6 km/s的方案2进行数值模拟，通过爆破后的裂隙发育情况来判别爆速对爆破效果的影响。模型尺寸为500 cm×500 cm×500 cm的立方体，炮孔尺寸为φ7 cm×500 cm，贯穿模型，起爆方式为孔底起爆。

3 结果与讨论

3.1能量冲击破碎实验数据

统计和分析实验结果中各岩性破碎矿岩的筛上比率，即在10 mm分级筛上的百分比，确定矿岩破碎的难易程度。冲击破碎粒度分布如图3所示。

图3 冲击破碎粒度分布

表1 矿岩可爆性分级

实验结果表明，该矿体的主要矿岩类型——磁铁片麻岩型具有较差的可爆性，需要通过优化装药结构提高爆破质量。

3.2中深孔爆破物理模拟实验数据

在物理模拟爆破实验中，爆破后在实验装置底板的中心处形成了近似于圆形的破口，在破口周围存在塑形变形区域。爆破物理模拟实验结果的统计见表2。

表2 物理模拟实验结果统计

采用孔口起爆且无导爆索方案的实验结果表明，此装药结构未形成稳定的爆轰波，爆轰方向和压力均不稳定；全长导爆索方案的实验结果表明此装药结构形成的爆轰波较为稳定，没有很强的爆轰波作用在钢板上，更多的爆破能量作用于径向方向上。采用孔底起爆且布置全长导爆索方案的实验结果表明：全长导爆索方案起爆后，由于爆速快，短时间内形成了大量高温、高压气体，并产生了较大的爆轰压力；起爆后，起爆药包迅速引爆孔内炸药，瞬时内产生极强的爆轰波击穿了钢板，其爆轰波反弹后再次作用在钢板上，使破口周围的钢板卷曲；巷道壁面损伤表明，产生了较大的径向受力。综上所述，无导爆索的方案与布置全长导爆索的方案相比，后者产生的爆轰压力更大，破坏范围更大，对钢管径向方向和巷道壁面的破坏也更严重。

3.3中深孔爆破数值模拟实验数据

实验将不同方案典型的破坏纵剖面和横剖面进行裂隙生成效果的对比分析，矿岩体模型纵剖面见图4。

图4 矿岩体模型的纵剖面

由图4可知，孔底起爆初始时，两方案的裂隙发育程度和爆轰波的影响范围均较小。传播至孔中部时，方案2的粉碎区和破裂区范围明显增大，大量裂隙在炮孔周围形成，更有利于矿岩的破碎。传播至孔口时，方案2由于爆速高、爆轰压力大，形成的裂隙规模依然较大，较高的爆速加大了孔口的破坏。由整体爆破效果可知，方案2起爆时趋近于沿药柱同时起爆，其破坏特征表现为炮孔两端破坏较轻，中间区域破坏严重，而方案1从孔底到孔口的破坏范围相差不大。推论可知，中深孔爆破中炸药的爆速越高，其爆破效果越趋向于柱状药包的爆破特征，其破坏范围明显增大。

由模型中应力观测点的数据可知，方案2首先达到应力峰值，其应力峰值接近于方案1的2倍。在监测时间内，方案2中的最大和最小应力值均高于方案1，表明方案2在相同时间内对矿岩的作用力更大，更利于矿岩的破碎。

3.4实验结果分析

实验结果表明，爆速高的炸药爆破时，炮孔壁及炮孔周围区域受到的应力值大于爆速低的炸药，生成的裂隙宽度值和深度值均较大。由于裂隙在破岩过程中发挥着重要作用，因此增加爆速利于矿岩的初步破碎。随着径向压应力的增长，切向拉应力也随之增长，更大数量和尺寸的裂隙随之产生，从而有利于爆生气体对矿岩的进一步破碎。爆速越高，炮孔的破坏特征越近似于柱状药包爆破的破坏效果，即炮孔中部区域破坏较重，炮孔两端及其附近区域破坏较轻。数据表明爆速的增长幅度与最大应力峰值的增长幅度存在近似的正比例关系。三维数值模拟实验结果表明，较高爆速炸药在应力作用、裂隙形成和破坏效果方面均明显优于低爆速炸药，装药结构方案能够提高矿山中深孔的爆破作业的效率和效果，验证了物理实验结果。

4 结 语

本文将物理模拟与数值模拟实验方法相结合，对崩落采矿法中深孔挤压爆破质量控制实验方案进行了优化，并根据实验方案设计了工艺流程和实验装置。对不同孔内装药结构和炸药爆速条件下，矿岩爆破破碎机理和应力、裂隙变化的规律进行了实验研究。通过分析和研究中深孔爆破过程中矿岩的可爆性、装药结构、炸药爆速对爆破能量的释放过程和炮孔附近区域裂隙生成效果的影响，揭示了爆破对岩体破坏效果和应力场变化的规律，并提出了最优的中深孔装药结构。研究结果能够为采用崩落采矿法的矿山确定合理的中深孔挤压爆破质量控制方案提供依据。

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ExperimentofOreBlastingQualityControlTechnologyofExtrusionBlastinginCavingMethod

MINGJiana,b，GAOYongtaoa,b，HUNailiana,b，XIEJingpenga

(a. School of Civil and Resource Engineering; b. State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083, China)

In order to improve ore blasting quality in the blasting operation of caving, physical simulation experiment and numerical simulation experiment are used to study the ore blasting quality control technology of caving method. Based on the mechanism of ore rock fragmentation by blasting and the similarity theory, the experimental scheme was optimized, and the experimental process and devices were designed. By means of the ore rock blast ability experiment, the physical simulation experiment and the three-dimensional numerical simulation experiment are carried out, the experiment study with different explosive detonation velocities and charge structures gives the change law of the blasting effect on the ore rock, the distribution law of stress field and the energy release law of explosive blasting. Experimental results showed that the effect of stress, the crack forming and the damage effect of the explosion of the higher detonation velocity are better than those of the explosion of the low detonation velocity. The hole-bottom detonating technique and the arrangement of the prima cord in full length of the blasting hole can improve the quality of blasting. Experimental results can provide the basis and support for the experimental study and experimental design of the ore blasting quality control technology of caving method.

caving method; ore blasting quality; physical simulation experiment; numerical simulation experiment

TD 851

A

1006-7167(2017)09-0010-04

2016-09-12

国家自然科学基金资助项目(51374032)；国家“十二五”科技支撑计划(2012BAB01B04)；中央高校基本科研业务费(FRF-OT-16-015ST)

明 建(1979-)，男，山东夏津人，博士，工程师，现主要从事采矿方法和数字矿山研究。Tel.:010-62332081; E-mail:mingjian@ustb.edu.cn