深部采场爆破参数数值模拟设计优化研究

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，炮孔起爆后應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參数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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