東溝鉬礦露天臺階爆破參數優化研究

黃 剛 周文濤 張建華 高 科 張寶崗

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070；2.北京奧信化工科技發展有限責任公司，北京100089）

露天礦臺階爆破隨著開采境界加深，巖層性質發生改變，導致按原有爆破設計參數爆破后出現爆破根底增多，大塊增多等問題，給礦山的生產和成本管理帶來了較大的影響。部分學者對臺階爆破參數優化做了多方面的研究，例如饒運章等［1］通過經驗公式算得某露天礦的深孔臺階爆破參數，進一步通過正交試驗法優化了爆破參數；張青松等［2］利用工程類比法優化了那林金礦的爆破參數，獲得了良好的爆破效果；許名標等［3］通過ANSYS/LS-DYNA數值模擬，對4種不同炮孔直徑的爆破參數進行了優化，并進行現場試驗。本研究以東溝鉬礦露天臺階爆破為背景，運用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立露天礦臺階爆破模型，控制單耗不變將炮孔排距、底盤抵抗線和超深作為后續數值模擬計算的3個變量，合理的臺階爆破參數，為臺階爆破設計提供指導。

1 理論分析

在露天礦臺階爆破生產作業過程中，大塊主要集中在前排孔和臺階的坡面，頂部的斜坡，堵塞及軟、硬巖石的交界處，節理、裂隙發育等和其他復雜的地質結構的地方。形成大塊的原因主要有：①穿爆參數不合理，包括穿孔質量、鉆孔超深、裝藥結構、炮孔布置、底盤抵抗線、裝藥量、爆破方法等；②節理裂隙，礦區地質構造也在很大程度上會影響大塊的產生，特別是斷層、裂隙發育的部位，會使得爆破效果差、大塊率過高；③炸藥單耗，單耗的不合理，特別是在炸藥消耗量過小的情況下，大塊率會明顯上升。根底主要存在于底盤抵抗線過大的區域，底盤傾斜角過小的區域，鉆孔超深不夠的部位，采用擠壓爆破時抵抗線過大區段及產生盲炮的位置等，均為易產生根底的部位。產生根底的原因主要有：①底盤抵抗線過大；②礦巖傾角??；③鉆孔深度或超深不足；④擠壓爆破；⑤盲炮。

綜上結合東溝露天礦水文地質條件及現有臺階爆破參數分析結果表明，單耗、孔距排距、底盤抵抗線以及超深是影響該礦大塊率和根底率的最主要因素，為了既優化該礦山的臺階爆破參數，又最大限度地保證經濟效益，在本研究中控制深孔臺階爆破參數的單耗作為定量不變，將炮孔排距、底盤抵抗線和超深作為后續數值模擬計算的3個變量予以考慮。

2 數值模擬研究

2.1 建立模型

由于該模型具有對稱性，為了盡可能模擬工程實際，減少計算量，只建立1/2模型，通過在對稱面加載約束實現，整個模型是尺寸為2 000 cm×1 800 cm×1 000 cm的臺階。為了控制單耗不變，令a為孔距，根據不同的排距b及密集系數m，單孔負擔面積固定為a×b=22.5 m2，m=a/b。該模型中，臺階高度為1 200 cm，裝藥長度為900 cm，炮孔設計成方形，等效直徑為14 cm，孔距a和排距b、底盤抵抗線Wd和超深h均為數值模擬變量。為了研究排距的影響，模型中設計2個孔，由于延遲時間不是此次模擬的變量，2個孔并未設計微差，采用孔底同時起爆。如圖1實體模型尺寸圖所示，單位cm。臺階的頂面、坡面和下坡面為自由面，正面為約束面，其他面均為無反射面。

2.2 材料參數

（1）炸藥參數。東溝鉬礦露天臺階爆破主要采用乳化炸藥進行爆破。由于ANSYS前處理中的材料模型里沒有炸藥模型，因此，需要在之后生成的K文件里進行修改。在K文件的MATERIAL DEFINITIONS里用命令*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN對材料的屬性進行修改，用命令*EOS_JWL定義炸藥的狀態方程。根據現場調查，東溝鉬礦使用的乳化炸藥的密度為1 310 kg/m3，爆速為4 500 m/s。

（2）巖石參數。將巖石假設為理想的彈塑性材料，選取*MAT_PLASTIC_KINEMATIC為臺階爆破模擬實驗的主體。東溝鉬礦當前3種主要巖石的材料參數見表1。

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（3）土壤參數。土壤模型選取*MAT_SOIL_AND_FOAM，該模型較好地反映了堵塞段的力學參數，堵塞段模型密度取1.8 g/cm3

2.3 正交因素確定水平選擇

根據理論分析，坡頂是最易產生大塊的區域，因此選取坡頂距離2個炮孔之間a/2處的單元D（大塊）作為考察爆破大塊的試驗對象；坡底是最易產生根底的區域，選取坡底距離2個炮孔之間a/2處的單元G（根底）作為考察爆破根底的試驗對象。通過比較D、G單元的最大主應力峰值與巖石抗拉強度來分析D、G單元是否破壞，即是否有大塊和根底產生，因此分別將模擬結果中得到的D、G單元的最大主應力峰值作為此次數值模擬正交試驗方案的試驗指標。

現礦山使用的孔距、排距、底盤抵抗線和超深分別為5.0 m、4.5 m、4.7 m、1.0 m。為了保證單耗不變，已確定單孔負擔面積固定為a×b=22.5 m2，則可將孔距和排距簡化為1個變量，采用排距b作為實驗變量，可通過a=22.5/b，m=a/b算出孔距a和密集系數m。根據排距、超深、底盤抵抗線設計5個水平，其中排距和底盤抵抗線較現使用數據設計3個偏小和1個偏大的水平，而超深較現使用數據設計3個偏大和1個偏小的水平。設計的水平如下表2所示。

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根據以上因素和水平設置指標A（大塊）與指標B（根底）制定正交試驗方案表可知1共有25組數值模擬方案，試驗編組如表3所示。通過讀取25組試驗D、G單元的最大主應力峰值，并將其統計在表中作為模擬結果的分析依據。試驗結果分析見表4。

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根據表4，繪制指標A、指標B與各因素關系見圖2。圖2中縱坐標為在3個不同因素下的D、G單元的最大主應力峰值平均值，即表4中的k1～k5的值，橫坐標為3個不同因素的5個水平1、2、3、4、5。

分析表3、表4可得出：

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（1）對于大塊（D單元最大主應力峰值）這個指標，1號試驗最好，結果為13.2 MPa，條件為①1②1③1即排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×0.8 m，對于根底（G單元最大主應力峰值）這個指標，21號試驗最好，結果為13.20 MPa，條件為①5②1③5即排距×底盤抵抗線×超深=4.7 m×4.1 m×1.6 m。

（2）3個因素對2個指標影響的主次關系：大塊（D單元最大主應力峰值）③＞①＞②；根底（G單元最大主應力峰值）②＞③＞①。

從A、B2個指標的分析計算可以看出，3個因素對A、B2個指標的影響：

（1）排距對大塊影響較大，對根底影響最小，所以可以選取排距的水平為①1。

（2）底盤抵抗線對大塊幾乎沒有影響，對根底影響最大，所以可以確定底盤抵抗線水平?、?。

（3）超深對大塊和根底都有很大的影響，且成反比，綜合選取超深的水平為③4。

（4）最后用綜合平衡法選取3個因素在5個水平下最好的條件為①1②1③4，即排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m。

3 參數結論驗證

3.1 結論驗證

東溝鉬礦礦山露天臺階爆破現場使用3個因素排距×底盤抵抗線×超深為4.5 m×4.7 m×1.0 m，即水平①4②4③2，用數值模擬正交試驗法優化后3個因素的水平為①1②1③4，即（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m），這2組水平都是25個正交試驗方案不存在的組合，為了驗證結論的正確性，將2組水平的數據重新建立模型，用數值模擬計算，計算結果如圖3：

從圖3中可以看出：礦山現場實際使用的3個參數模擬出來的指標A為7.98 MPa，指標B為7.81MPa，均遠小于安山巖的抗拉強度11.2 MPa；而優化后的3個參數模擬出來的指標A為11.55 MPa，指標B為12.41 MPa，都大于安山巖的抗拉強度11.2 MPa。模擬結果驗證表如下表5。

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可知以安山巖作為臺階爆破數值模擬的巖石主體，優化后的參數（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m）建立模型，計算得到的指標A、指標B均大于安山巖的抗拉強度，坡頂和坡底的巖石均會產生拉裂破壞，因此可認為用數值模擬正交實驗方案優化后的參數有效地降低了大塊和根底，優化效果良好，達到了試驗的預期目標。

3.2 3種不同巖石條件下臺階爆破數值模擬

根據表2，將K文件中用于定義巖石特性的關鍵字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC相應參數修改成英安巖和火山角礫巖對應的值，重復正交試驗方案，得到最優方案依然是①1②1③4，即（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m），但由于英安巖和火山角礫巖巖性較軟，彈性模量和抗拉強度都小于安山巖，為了防范巖石爆破后過于粉碎以及產生飛石，可將排距和底盤抵抗線適當增大，超深減小，將能夠使得指標A、指標B剛好超過巖石的抗拉強度的方案作為最優方案。根據以上原則反復修改參數進行數值模擬，在英安巖條件下，選擇排距×底盤抵抗線×超深最優參數為4.1 m×4.3 m×1.4 m；在火山角礫巖條件下，選擇排距×底盤抵抗線×超深最優參數為4.1 m×4.5 m×1.2 m模擬結果如圖4所示。

從圖4可以看出，只有英安巖條件下模擬的指標B為9.98 MPa，略小于英安巖的抗拉強度10.4 MPa，其他的3個指標均略超過了相應巖石的抗拉強度，表明該參數下臺階爆破數值模擬效果較好。

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3.3 原設計方案與優化后設計方案現場試驗

現于東溝鉬礦680工作平盤進行2次試爆試驗，1號試驗采用原設計方案，2號試驗采用優化后的方案，待試爆結束后對2次試爆的爆破效果進行對比分析。從圖5可明顯看出1號試驗清運前大塊較多爆破效果較差，而2號試驗清運前塊度較為均勻爆破效果良好。在清運場地后測量得到1號試驗爆破礦巖的總方量為48 392 m3，根底方量為361.7 m3，根底率=361.7/48 392=0.74%；2號試驗爆破礦巖的總方量為49 251.7 m3，根底方量為169.2 m3，根底率=169.2/49 251.7=0.34%；通過計算結果可以明顯看出，2號試驗根底率明顯下降。

4 結論

（1）在東溝鉬礦露天臺階爆破中，排距、底盤低抗線、超深3個因素對2個指標影響的主次關系：大塊（D單元最大主應力峰值）③＞①＞②；根底（G單元最大主應力峰值）②＞③＞①。

（2）在安山巖為巖石主體條件下，礦山現場實際使用的3個參數（排距×底盤抵抗線×超深=4.5 m×4.7 m×1.0 m）模擬出來的指標A為7.98 MPa，指標B為7.81 MPa，均遠小于巖石的抗拉強度11.20 MPa；坡頂和坡頂的巖石都沒有破壞；而優化后的3個參數（排距×底盤抵抗線×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m）模擬出來的指標A為11.55 MPa，指標B為12.41 MPa，都大于巖石的抗拉強度11.20 MPa，坡頂和坡頂的巖石都產生了拉裂破壞。

（3）在安山巖、英安巖和火山角礫巖3種不同巖石條件下，東溝鉬礦深孔臺階爆破數值模擬優化后的排距×底盤抵抗線×超深3個參數的推薦值分別為3.9 m×4.1 m×1.4 m、4.1 m×4.3 m×1.4 m、4.1 m×4.5 m×1.2 m。上述推薦參數條件下使得大塊率明顯降低且根底率由0.74%降低到0.34%。