东沟钼矿露天台阶爆破参数优化研究

黄 刚 周文涛 张建华 高 科 张宝岗

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070；2.北京奥信化工科技发展有限责任公司，北京100089）

露天矿台阶爆破随着开采境界加深，岩层性质发生改变，导致按原有爆破设计参数爆破后出现爆破根底增多，大块增多等问题，给矿山的生产和成本管理带来了较大的影响。部分学者对台阶爆破参数优化做了多方面的研究，例如饶运章等［1］通过经验公式算得某露天矿的深孔台阶爆破参数，进一步通过正交试验法优化了爆破参数；张青松等［2］利用工程类比法优化了那林金矿的爆破参数，获得了良好的爆破效果；许名标等［3］通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟，对4种不同炮孔直径的爆破参数进行了优化，并进行现场试验。本研究以东沟钼矿露天台阶爆破为背景，运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立露天矿台阶爆破模型，控制单耗不变将炮孔排距、底盘抵抗线和超深作为后续数值模拟计算的3个变量，合理的台阶爆破参数，为台阶爆破设计提供指导。

1 理论分析

在露天矿台阶爆破生产作业过程中，大块主要集中在前排孔和台阶的坡面，顶部的斜坡，堵塞及软、硬岩石的交界处，节理、裂隙发育等和其他复杂的地质结构的地方。形成大块的原因主要有：①穿爆参数不合理，包括穿孔质量、钻孔超深、装药结构、炮孔布置、底盘抵抗线、装药量、爆破方法等；②节理裂隙，矿区地质构造也在很大程度上会影响大块的产生，特别是断层、裂隙发育的部位，会使得爆破效果差、大块率过高；③炸药单耗，单耗的不合理，特别是在炸药消耗量过小的情况下，大块率会明显上升。根底主要存在于底盘抵抗线过大的区域，底盘倾斜角过小的区域，钻孔超深不够的部位，采用挤压爆破时抵抗线过大区段及产生盲炮的位置等，均为易产生根底的部位。产生根底的原因主要有：①底盘抵抗线过大；②矿岩倾角小；③钻孔深度或超深不足；④挤压爆破；⑤盲炮。

综上结合东沟露天矿水文地质条件及现有台阶爆破参数分析结果表明，单耗、孔距排距、底盘抵抗线以及超深是影响该矿大块率和根底率的最主要因素，为了既优化该矿山的台阶爆破参数，又最大限度地保证经济效益，在本研究中控制深孔台阶爆破参数的单耗作为定量不变，将炮孔排距、底盘抵抗线和超深作为后续数值模拟计算的3个变量予以考虑。

2 数值模拟研究

2.1 建立模型

由于该模型具有对称性，为了尽可能模拟工程实际，减少计算量，只建立1/2模型，通过在对称面加载约束实现，整个模型是尺寸为2 000 cm×1 800 cm×1 000 cm的台阶。为了控制单耗不变，令a为孔距，根据不同的排距b及密集系数m，单孔负担面积固定为a×b=22.5 m2，m=a/b。该模型中，台阶高度为1 200 cm，装药长度为900 cm，炮孔设计成方形，等效直径为14 cm，孔距a和排距b、底盘抵抗线Wd和超深h均为数值模拟变量。为了研究排距的影响，模型中设计2个孔，由于延迟时间不是此次模拟的变量，2个孔并未设计微差，采用孔底同时起爆。如图1实体模型尺寸图所示，单位cm。台阶的顶面、坡面和下坡面为自由面，正面为约束面，其他面均为无反射面。

2.2 材料参数

（1）炸药参数。东沟钼矿露天台阶爆破主要采用乳化炸药进行爆破。由于ANSYS前处理中的材料模型里没有炸药模型，因此，需要在之后生成的K文件里进行修改。在K文件的MATERIAL DEFINITIONS里用命令*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN对材料的属性进行修改，用命令*EOS_JWL定义炸药的状态方程。根据现场调查，东沟钼矿使用的乳化炸药的密度为1 310 kg/m3，爆速为4 500 m/s。

（2）岩石参数。将岩石假设为理想的弹塑性材料，选取*MAT_PLASTIC_KINEMATIC为台阶爆破模拟实验的主体。东沟钼矿当前3种主要岩石的材料参数见表1。

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（3）土壤参数。土壤模型选取*MAT_SOIL_AND_FOAM，该模型较好地反映了堵塞段的力学参数，堵塞段模型密度取1.8 g/cm3

2.3 正交因素确定水平选择

根据理论分析，坡顶是最易产生大块的区域，因此选取坡顶距离2个炮孔之间a/2处的单元D（大块）作为考察爆破大块的试验对象；坡底是最易产生根底的区域，选取坡底距离2个炮孔之间a/2处的单元G（根底）作为考察爆破根底的试验对象。通过比较D、G单元的最大主应力峰值与岩石抗拉强度来分析D、G单元是否破坏，即是否有大块和根底产生，因此分别将模拟结果中得到的D、G单元的最大主应力峰值作为此次数值模拟正交试验方案的试验指标。

现矿山使用的孔距、排距、底盘抵抗线和超深分别为5.0 m、4.5 m、4.7 m、1.0 m。为了保证单耗不变，已确定单孔负担面积固定为a×b=22.5 m2，则可将孔距和排距简化为1个变量，采用排距b作为实验变量，可通过a=22.5/b，m=a/b算出孔距a和密集系数m。根据排距、超深、底盘抵抗线设计5个水平，其中排距和底盘抵抗线较现使用数据设计3个偏小和1个偏大的水平，而超深较现使用数据设计3个偏大和1个偏小的水平。设计的水平如下表2所示。

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根据以上因素和水平设置指标A（大块）与指标B（根底）制定正交试验方案表可知1共有25组数值模拟方案，试验编组如表3所示。通过读取25组试验D、G单元的最大主应力峰值，并将其统计在表中作为模拟结果的分析依据。试验结果分析见表4。

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根据表4，绘制指标A、指标B与各因素关系见图2。图2中纵坐标为在3个不同因素下的D、G单元的最大主应力峰值平均值，即表4中的k1～k5的值，横坐标为3个不同因素的5个水平1、2、3、4、5。

分析表3、表4可得出：

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（1）对于大块（D单元最大主应力峰值）这个指标，1号试验最好，结果为13.2 MPa，条件为①1②1③1即排距×底盘抵抗线×超深=3.9 m×4.1 m×0.8 m，对于根底（G单元最大主应力峰值）这个指标，21号试验最好，结果为13.20 MPa，条件为①5②1③5即排距×底盘抵抗线×超深=4.7 m×4.1 m×1.6 m。

（2）3个因素对2个指标影响的主次关系：大块（D单元最大主应力峰值）③＞①＞②；根底（G单元最大主应力峰值）②＞③＞①。

从A、B2个指标的分析计算可以看出，3个因素对A、B2个指标的影响：

（1）排距对大块影响较大，对根底影响最小，所以可以选取排距的水平为①1。

（2）底盘抵抗线对大块几乎没有影响，对根底影响最大，所以可以确定底盘抵抗线水平取②1。

（3）超深对大块和根底都有很大的影响，且成反比，综合选取超深的水平为③4。

（4）最后用综合平衡法选取3个因素在5个水平下最好的条件为①1②1③4，即排距×底盘抵抗线×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m。

3 参数结论验证

3.1 结论验证

东沟钼矿矿山露天台阶爆破现场使用3个因素排距×底盘抵抗线×超深为4.5 m×4.7 m×1.0 m，即水平①4②4③2，用数值模拟正交试验法优化后3个因素的水平为①1②1③4，即（排距×底盘抵抗线×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m），这2组水平都是25个正交试验方案不存在的组合，为了验证结论的正确性，将2组水平的数据重新建立模型，用数值模拟计算，计算结果如图3：

从图3中可以看出：矿山现场实际使用的3个参数模拟出来的指标A为7.98 MPa，指标B为7.81MPa，均远小于安山岩的抗拉强度11.2 MPa；而优化后的3个参数模拟出来的指标A为11.55 MPa，指标B为12.41 MPa，都大于安山岩的抗拉强度11.2 MPa。模拟结果验证表如下表5。

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可知以安山岩作为台阶爆破数值模拟的岩石主体，优化后的参数（排距×底盘抵抗线×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m）建立模型，计算得到的指标A、指标B均大于安山岩的抗拉强度，坡顶和坡底的岩石均会产生拉裂破坏，因此可认为用数值模拟正交实验方案优化后的参数有效地降低了大块和根底，优化效果良好，达到了试验的预期目标。

3.2 3种不同岩石条件下台阶爆破数值模拟

根据表2，将K文件中用于定义岩石特性的关键字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC相应参数修改成英安岩和火山角砾岩对应的值，重复正交试验方案，得到最优方案依然是①1②1③4，即（排距×底盘抵抗线×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m），但由于英安岩和火山角砾岩岩性较软，弹性模量和抗拉强度都小于安山岩，为了防范岩石爆破后过于粉碎以及产生飞石，可将排距和底盘抵抗线适当增大，超深减小，将能够使得指标A、指标B刚好超过岩石的抗拉强度的方案作为最优方案。根据以上原则反复修改参数进行数值模拟，在英安岩条件下，选择排距×底盘抵抗线×超深最优参数为4.1 m×4.3 m×1.4 m；在火山角砾岩条件下，选择排距×底盘抵抗线×超深最优参数为4.1 m×4.5 m×1.2 m模拟结果如图4所示。

从图4可以看出，只有英安岩条件下模拟的指标B为9.98 MPa，略小于英安岩的抗拉强度10.4 MPa，其他的3个指标均略超过了相应岩石的抗拉强度，表明该参数下台阶爆破数值模拟效果较好。

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3.3 原设计方案与优化后设计方案现场试验

现于东沟钼矿680工作平盘进行2次试爆试验，1号试验采用原设计方案，2号试验采用优化后的方案，待试爆结束后对2次试爆的爆破效果进行对比分析。从图5可明显看出1号试验清运前大块较多爆破效果较差，而2号试验清运前块度较为均匀爆破效果良好。在清运场地后测量得到1号试验爆破矿岩的总方量为48 392 m3，根底方量为361.7 m3，根底率=361.7/48 392=0.74%；2号试验爆破矿岩的总方量为49 251.7 m3，根底方量为169.2 m3，根底率=169.2/49 251.7=0.34%；通过计算结果可以明显看出，2号试验根底率明显下降。

4 结论

（1）在东沟钼矿露天台阶爆破中，排距、底盘低抗线、超深3个因素对2个指标影响的主次关系：大块（D单元最大主应力峰值）③＞①＞②；根底（G单元最大主应力峰值）②＞③＞①。

（2）在安山岩为岩石主体条件下，矿山现场实际使用的3个参数（排距×底盘抵抗线×超深=4.5 m×4.7 m×1.0 m）模拟出来的指标A为7.98 MPa，指标B为7.81 MPa，均远小于岩石的抗拉强度11.20 MPa；坡顶和坡顶的岩石都没有破坏；而优化后的3个参数（排距×底盘抵抗线×超深=3.9 m×4.1 m×1.4 m）模拟出来的指标A为11.55 MPa，指标B为12.41 MPa，都大于岩石的抗拉强度11.20 MPa，坡顶和坡顶的岩石都产生了拉裂破坏。

（3）在安山岩、英安岩和火山角砾岩3种不同岩石条件下，东沟钼矿深孔台阶爆破数值模拟优化后的排距×底盘抵抗线×超深3个参数的推荐值分别为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。上述推荐参数条件下使得大块率明显降低且根底率由0.74%降低到0.34%。