基于数值模拟的矿柱扇形中深孔爆破参数研究与应用

王正英，张纪堂，张海云，李 强，徐新海，毛思雨

基于数值模拟的矿柱扇形中深孔爆破参数研究与应用

王正英1，张纪堂1，张海云2，李 强1，徐新海1，毛思雨3

(1.山东能源临矿集团会宝岭铁矿，山东 兰陵市 277712；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3.中南大学，湖南 长沙 410012)

会宝岭铁矿一直采用分段空场嗣后充填法开采，当前主采水平矿房底部结构均为堑沟式，每个矿房底部结构约占矿房可采储量的3.5%，矿石损失率较高。为了实现矿山高效回采，运用LS-DYNA软件对三角矿柱进行爆破参数设计，通过对比不同模拟方案，确定了三角矿柱回采最佳孔网爆破参数：孔底距与排距分别为2.0 m与1.8 m，现场试验应用证实爆破效果良好，可推广应用到整个水平和类似矿山。

矿柱回收;中深孔;爆破参数;LS-DYNA

0 引 言

会宝岭铁矿是一座大型地下矿山，生产规模为300万t/a，采用分段空场嗣后充填采矿方法。矿体为急倾斜矿体，倾角76°~85°，中段高度70 m，采场沿走向布置，矿房长54 m，矿柱为6 m，宽为矿体厚度。在矿房底部集中出矿，底部结构布置为无轨自行设备出矿的型式，包括出矿巷道、出矿进路、凿岩兼受矿巷道，底部堑沟由中深孔炮孔形成。根据测算底部堑沟矿柱体积占采场矿石量的3.5%，为最大程度地回采矿石资源，对底部结构矿柱回采技术方案进行了研究。

当前残矿回采往往采用浅孔爆破落矿的上向分层充填方式[1-2]，而会宝岭铁矿底部结构矿柱体积大，且工程条件复杂，该方法难以实现安全高效回采收目的。故结合矿区工程条件，提出中深孔落矿方案进行矿柱回采。而目前爆破参数选取多采用经验公式或工程类比[3-4]，具有较大的模糊性，需要在工程实践中不断调整优化，以实现良好的爆破效果。故为了减少现场工作量，探索在不同工况条件下的爆破新参数，实现高质量爆破，本文利用LS-DYNA软件进行三角矿柱中深孔爆破数值模拟，探讨不同孔底距与排距下的爆破效果，最终确定最优爆破参数[5-8]。

1 矿岩力学性质与模型参数

会宝岭铁矿分为南北两个矿带，共4个矿体：北矿带为N1、N2两个矿体，南矿带为S1、S2两个矿体。矿体呈层状、似层状产出，产状与地层产状一致。矿体横贯全区，赋存标高为+60～−970 m。矿体平均总厚度41.16 m，矿床平均品位TFe 31.34%，mFe 18.81%。目前主要回采中段为−130 m中段、−340 m中段和−410 m中段，采空区主要采用废石尾砂胶结充填和尾砂胶结充填两种方式。矿体为磁铁角闪石英岩、磁铁石英角闪岩等，粒状变晶结构，条带状构造，岩体较完整，稳定性较好，矿岩物理力学参数见表1。

表1 矿岩物理力学性质

根据会宝岭铁矿前期室内试验得出的岩石力学参数利用ROCLUB软件进行参数折减得出矿体岩石参数，见表2。

表2 矿体岩石力学参数

数值模拟时，矿岩按弹性体处理，忽略节理裂隙以及前期工程损伤的影响，材料模型选用*MAT_ PLASTIC_KINEMATIC。炸药选用岩石乳化炸药为爆源（见表3），采用JWL方程描述爆破过程的膨

胀驱动关系[3-4]。

式中，为爆炸压力，Pa；为格林艾森参数，即定容条件下压力相对于内能的变化率；，为材料常数，GPa；1，2为无量纲常数；为爆轰产物的相对体积；0为初始比内能，GPa。

表3 岩石乳化炸药参数

2 数值计算

为保证模拟结果的准确性，结合会宝岭铁矿底部三角矿柱情况，建立扇形中深孔爆破模型，分析爆破冲击波压力变化值，确定单孔爆破的作用范围；设计不同的孔距与排距进行多孔微差爆破数值模型，分析其对矿柱回采的最佳爆破效果。

2.1 孔底距的确定

依据会宝岭铁矿实际情况，拟由出矿进路钻凿中深孔炮孔进行采场底部三角矿柱回采，结合矿岩力学参数以及炮孔布置情况，建立不同孔底距的单排炮孔进行数值模拟，且综合考虑会宝岭铁矿中深孔机械性能，选用炮孔直径为76 mm。由经验公式初步计算得出：矿体最小抵抗线为1.9 m，孔底距为2.09 m[9-10]。通过数值模拟对会宝岭中深孔爆破参数进行确定，孔底距分别取2.0，2.1，2.2 m。其计算模型和3种孔底距下同时刻的应力结果如图1所示。

图1 孔底距计算模型与结果

根据不同孔底距的数值模拟结果发现：在炮孔壁附近的应力状态相近，这是由于圆形炮孔的均匀爆轰作用效果；而在炮孔之间的矿岩区域不同孔底距下作用效果相差较大，孔底距越小，作用力越大。从应力分布上看，孔底距为2.0 m时，炮孔之间应力分布均匀，应力值在51.45~102.9 MPa之间，模型顶板存在高应力区，能够实现炮孔顶板的充分破碎；孔底距为2.1 m时，炮孔底部之间存在低应力区域，应力值在26.48~52.96 MPa之间，小于矿岩的单轴抗压强度，且延伸至模型顶板，爆破后易形成大块；孔底距为2.2 m时，炮孔底部之间的低应力区域范围更大，应力值在25.39~50.78 MPa之间，不利于矿岩的破碎，极易形成大块。故会宝岭铁矿的中深孔爆破最佳孔底距为2.0 m。

2.2 排距的确定

根据会宝岭铁矿三角矿柱实际形状比例截取区段建立数值模型，模拟不同排距下的双排炮孔的爆破效果。结合经验公式计算得出的矿体最小抵抗线为1.9 m[9-10]与最佳孔底距模拟结果2.0 m，排距分别取1.8，1.9，2.0 m进行数值模拟对比。

为减少计算机计算单元数量，建立的模型去除了巷道拱顶以下部分，主要研究双排炮孔之间的爆破效应，且为方便分析取巷道中心线剖面作为研究区域。由于三角矿柱呈坡面状，异排炮孔存在高差，故存在爆轰作用较小区域，其对爆破效果影响较大，同时为减小爆破抛掷作用，采用孔口爆破，双排炮孔同时爆破，其计算模型和3种孔底距下同时刻的应力结果如图2所示。

图2 排距计算模型与结果

根据不同排距的数值模拟结果发现：双排炮孔之间的夹制作用相同，由孔口至孔底逐渐同时段叠加，作用于矿岩；而在不同排距下作用效果相差较大，排距越小，作用力越大；从应力分布上看，排距为1.8 m时，炮孔之间矿岩应力分布均匀，应力值在51.03~102.1 MPa之间，矿岩应力分布差异小，能够实现矿岩的充分破碎；排距为1.9 m时，炮孔之间矿岩分布不均匀，应力值在39.44~98.61 MPa之间，其中39.44~78.88 MPa应力区域较多，小于矿岩的单轴抗压强度，爆破后易形成大块；排距为2.0 m时，炮孔之间矿岩应力分布不均匀更为明显，低应力区域范围更大，应力值在45.75~91.50 MPa之间，不利于矿岩的破碎，极易形成大块。故综上，会宝岭铁矿的中深孔爆破最佳排距为1.8 m。

3 现场试验

根据数值模拟结果，会宝岭铁矿回采三角矿柱最佳孔底距与排距分别为2.0与1.8 m，为验证深孔爆破参数进行了爆破现场试验，试验地点选在41103矿房。

为充分利用现有设备，保证施工效率，在出矿进路中采用上向扇形布孔方式，排线平行于凿岩巷中线。上向扇形孔排距取1.8 m，孔底距为2.0 m，采用Simba1254台车施工Φ76 mm扇形孔，设计孔深1.2~6 m。为防止两相邻进路内中深孔穿孔，孔底留1 m保护层（见图3）。

图3 矿柱中深孔排线与正排中深孔布置

以试验矿房41103矿房为例，东二进路为切割槽位置，拉槽过程中已爆破三角矿柱区域，其他各进路三角矿柱区域均布置了中深孔，以其中一排为例，其装药参数如表4所示。

采用复式微差起爆方式，起爆药包为两卷Φ32 mm乳化药卷（0.2 kg/卷）与塑料导爆管雷管加工而成。起爆时，3条进路同时起爆，进路内各排按雷管段数依次起爆。矿房正排爆破完成，出空矿房后进行进路三角区域爆破。

表4 西一第2排中深孔装药参数

通过现场观测，三角矿柱爆破效果良好，大块率极低，不需进行二次破碎作业。试验矿房设计回采量3356 t，爆破后采用LH410铲运机出矿，实际出矿615铲斗，以平均每铲6 t计算，实际回采矿量为3690 t，达到了预期效果。

41103矿房，在无掘进成本的情况下，回收矿量3690 t，矿房回采率提高2.46%，可磨选铁精粉738 t，去除爆破、提运和选矿等成本，按2018年670元/t铁精粉平均售价计算，为矿山创造效益21.4万元。

首个矿房取得成功后，在41305和41311矿房推广应用了本成果，分别回采资源4038 t和4026 t。主采−410 m水平有近40个矿房可以利用该法回采三角矿柱，预期可创效850余万元，资源回采率可提高约1.5~2.5个百分点，经济效益和社会效益 显著。

4 结 论

（1）采用理论计算得出初步参数，再通过数值模拟探索最优爆破孔网参数，通过软件LS- DYNA直观表现中深孔爆破效应，减少了现场试验次数，方便可靠。

（2）针对会宝岭铁矿三角矿柱的工程条件，分别进行了孔底距与排距的多孔多参数爆破数值模拟，模拟结果表明：三角矿柱的最佳孔底距为2.0 m，最佳排距为1.8 m。

（3）会宝岭铁矿的现场试验以及推广应用情况表明，矿柱回采爆破效果良好，块度均匀，几乎不需进行二次破碎工作。模拟确定的孔网参数在实际生产中取得了极为显著的效益，以−410中段为例，预期可创效850余万元，资源回采率可提高约1.5~2.5个百分点，经济效益和社会效益显著。

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(2019-07-11)

王正英(1984—)，男，山西汾阳人，硕士，高级工程师，主要从事金属矿采矿工程研究，Email: 51021377@ qq.com。