采矿深孔爆破荷载特性数值模拟研究

摘要： 采用LS—DYNA动力有限元软件对冬瓜山铜矿地下采场单段装药长度为4.5m时的爆破荷载进行数值模拟研究。由模拟结果得到的压力—时间历程曲线可以看出炸药爆炸后粉碎区边界上爆炸冲击波的压力荷载在0.35ms时达到最大值2.79GPa。爆炸过程中爆炸冲击波的压力荷载已经远远超过岩体的抗压强度，岩体产生强烈的压缩破坏。

Abstract： Using LS—DYNA dynamic finite element program， we did a study on numerical simulation for blasting loading of single charge length of 4.5m in Donggashan Copper Mine underground stope. From the simulation results of pressure — time process curve， it can be seen that after explosive explosion，pressure of explosive shock wave reached to the maximum for 2.79GPa in the 0.35ms on the smash district boundary. The pressure of explosive shock wave had been far more than the compressive strength of rock during the process of blasting， rock produced strong compression damage.

关键词： 深孔爆破；荷载特性；数值模拟；采矿工程

Key words： deep—hole blasting；loading characteristics；numerical simulation；mining engineering

中图分类号：TD2 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）28—0086—03

0 引言

随着国民经济的飞速发展，工程爆破的应用领域也在不断的扩大，利用炸药爆炸所释放的能量来破碎岩石，仍旧是岩石采掘中的一种主要手段。炸药在岩石中爆炸时，岩石的破坏是一个非常复杂的动力学过程。炸药在爆炸的瞬间，爆轰冲击波和高温高压的爆生气体产物撞击炮孔壁，在炮孔四周的岩石中激起了径向传播的爆炸冲击波，因为爆炸冲击波具有非常强的冲量和极其高的能量，而且峰值压力远远高于岩石的动态抗压强度，所以受其冲击压缩的作用，炮孔周围岩石被极度粉碎形成了粉碎区。一般认为，岩体的破碎是由于爆炸应力波和爆生气体压力两种荷载一起作用的结果。爆炸压力波对形成岩体的爆破粉碎区和爆破裂隙区起着主要作用，而爆生气体压力则对破碎岩石起主要作用。Donze和Bouchez等认为粉碎区的产生是由于爆破压力超过了岩体的动态强度使岩体破坏引起，爆破高压力使炮孔壁岩石质点发生了径向外移，使得爆腔扩大。一般说来爆破近区的范围不会大于1.7～3倍的炮孔半径。当粉碎区形成后，爆源压力向远区放射，在区域周围出现裂纹并沿径向扩张。

1 冬瓜山铜矿开采概况

冬瓜山铜矿位于安徽省铜陵市东陲的狮子山区，地质总储量为10218万吨，铜金属储量104.68万吨，冬瓜山矿床建设规模为1万吨/日采选能力，属大型金属矿山。矿区内岩浆岩广泛发育，多为小型侵入体，岩性以石英闪长岩、斑状石英闪长岩为主，次为闪长岩、辉石闪长岩等，岩石以层状结构和块状结构为主，力学强度高，岩石坚硬，结构面浅部发育向深部减弱，以Ⅳ级节理裂隙面和层面为主，结构体形态呈块状和板状，岩体质量好。矿床工程地质类型属第二～三类（即块状及层状岩类），工程地质条件简单。由于冬瓜山矿床埋藏深、原岩应力高、地表不允许崩落等特殊开采技术条件的要求，矿床开采设计选用阶段空场嗣后充填采矿法，回采时不留顶、底柱，一次将矿体全厚采完。矿床走向长1800多米，宽500多米，厚20～70米，沿矿体走向每100m划分一个盘区，相邻盘区间留有18m宽的隔离矿柱。盘区宽100m，长度为矿体水平宽度，高度为矿体厚度。每个盘区由20个采场组成，采场沿矿体走向布置，采场宽18m，矿房采场长82m，矿柱采场长78m。盘区内采场按照隔一采一的顺序，分矿房、矿柱两步骤回采，第1步骤回采矿房，嗣后尾砂胶结充填；第2步骤回采矿柱，嗣后全尾砂充填。采矿爆具有破规模大、频次多、药量集中等特点，再加之地下采矿空间密闭等原因，回采爆破振动效应对采场围岩与巷道工程已经产生不良影响，这种害效应的反复作用，使得强度本已弱化了的采场围岩体和充填体受到进一步的损伤，严重影响采场与充填体的稳定。因此对于爆破造成的围岩损伤效应的研究，有助于弄清爆破动态损伤作用机理，控制爆破有害效应和采场边界超挖，对确保矿山安全高效生产有着重要的理论和实际意义。

2 爆破损伤数值模拟

根据冬瓜山铜矿大直径平行深孔爆破的实际参数，炮孔直径为165mm，装药长度为3m～5.5m，堵塞长度为3m。本次模拟选用世界上非常著名的通用显式动力分析软件用于求解现实中的各种复杂问题，尤其LS—DYNA进行计算分析，该程序被广泛应是对爆炸、碰撞以及其他各种非线性动力冲击问题的求解。模型选取岩体的长为10m，宽为10m，模型的高为12m，布置了5个炮孔，装药段长度选4.5m，其中模型的下表面为爆破自由面，其余均为无反射边界。三维计算模型见图1。为了简化计算，根据对称性取1/2的柱体模型，因此，模型长为10m、宽为5m，高为12m，模型如图2所示。模型的前表面约束其法向方向的位移，下表面为爆破自由面，其余面设为无反射边界。计算所采用的炸药材料参数值见表1，各类岩石的物理力学参数值见表2。

3 爆破荷载的模拟结果及分析

经过对每个单孔装药长度为4.5m的炸药爆破模型的计算，可以得到爆炸时在不同时刻冲击波的传播过程图解，见图3～图8所示。

从图3～图8中可以看出，炮孔爆破开始后，冲击波压力值逐渐升高，并且冲击波以柱面波形式向周围传播。在764.46μs时应力波达到最大，应力波不断叠加向周围传播，随后应力波值经过几次上下浮动后逐渐减小。

根据国内外研究成果，一般爆破近区的范围不会大于1.7～3倍的炮孔半径，故本次模拟的粉碎区荷载选取模型半径为0m～0.25m之间的单元，对于每个单孔炸药长度4.5m的模型分别选取单元56571。因此可以得到模型的粉碎区边界压力—时间历程曲线，如图9所示。

由于本次在LS—DYNA数值模拟用到的单位为g—cm—μs，因此，图中压力的单位为0.1GPa，时间的单位为ms，从上述图中可以看出：在炮孔起爆后，粉碎区边界上爆炸冲击波的压力荷载都在很短的时间内达到一个极高的值，在每个单孔装药长度为4.5m时，从粉碎区边界56571号单元的压力—时间历程曲线中可以看出其最大值为2.79GPa左右；这个峰值已经远远超过了岩体的抗压强度190MPa，因此，岩体发生强烈的压缩破坏。其后压力急剧减小，随着时间的增长压力值逐渐趋于0。

4 结论

①当单孔装药长度为4.5m时，炮孔起爆后，冲击波压力值逐渐升高，并且在很短的时间内（大约在764.46μs时）达到最大值，应力波不断叠加，以柱面波形式向周围传播向周围传播，在应力波达到最大随后应力波值经过几次上下浮动后逐渐减小。②爆破粉碎区边界上爆炸冲击波的压力荷载在很短的时间内达到一个极高的值，大约在0.35ms时达到最大值为2.79GPa左右；③炸药爆炸在粉碎区产生的最大荷载值已经远远超过了岩体的抗压强度190MPa，岩体发生强烈的压缩破坏。

参考文献：

[1]唐辉明，晏鄂川，胡新丽.工程地质数值模拟的理论与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2001.

[2]夏详.爆炸荷载作用下岩体损伤特征及安全阀值研究[D].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2006.

[3]彭文斌.Flac3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4]时党勇，李裕新，张胜民.基于ANSYS/LS—DYNA 8.1进行显式动力分析[M].清华大学出版社，2005.

[5]贾光辉.爆炸过程中有关应力波传播问题探讨[J].爆破，Vol18，No.1，2001.

[6]王明洋，戚承志，钱七虎.岩体中爆炸与冲击下的破坏研究[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2001，20（4）：385—389.

[7]高金石，张继春.爆破破岩机理动力分析[J].金属矿山，1989，（9）：6—12.

[8]戴俊.状状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2001，20（20）：144—147.

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