本文選自國家級期刊《煤礦開采》，《煤礦開采》期刊是國家煤礦安全監察局主管、煤炭科學研究總院主辦的國家級綜合性學術期刊,面向國內外公開發行,國內統一刊 號：CN:11-3677/TD，國際標準刊號：ISSN:1006-6225。是煤炭行業礦井開采新技術、新產品及研究成果的主要發布媒體之一。《煤礦 開采》期刊是中文核心期刊,中國科技核心期刊,國家圖書館重點收藏期刊。讀者對象:主要是從事工程行業的技術人員、科研與設計人員、管理干部、大專院校師 生。2012年，《煤礦開采》成為雙核心期刊，《煤礦開采》期刊連續入編《中文核心期刊要目總覽》，在工程類核心期刊表中位列前茅。

　　摘要：露天礦山安全生產中邊坡的穩定性是一項重要的技術，一直以來不乏國內外眾多學者對其進行研究和探討。為了分析露天礦山中深孔爆破對邊坡穩定性影響機理，結合某小型露天礦山工程實際，在確定炸藥及爆破孔網參數的基礎上，引入降振技術并運用LS-DYNA有限元分析程序對中深孔爆破邊坡影響情況進行數值模擬試驗，得出了有指導意義的結論。

　　關鍵詞：邊坡穩定,中深孔爆破,露天礦山,LS-DYNA

　　1工程概況

　　本文以某露天小型金屬礦山為依托，對其中深孔爆破邊坡穩定性影響情況進行試驗研究。

　　1.1工程地質

　　該礦區構造簡單，礦體呈層狀～似層狀產出，礦體賦存標高880m～925.0m，礦床屬沉積熱液疊加改造的矽卡巖型磁鐵礦床。礦區主要巖性屬于硬巖～相當硬巖類矽卡巖，硬度系數為8.2～13.8，為難爆～極難爆巖體。上部礦體賦存較淺，采用中深孔爆破開采。由于該礦區巖體裂隙較為發育，因此進行中深孔爆破后露天邊坡的穩定性成為了工程重點監控對象。

　　1.2爆破參數

　　在該礦山以往爆破計算經驗的基礎上，借鑒國內其他露天礦山爆破參數，并同時引入微差爆破和預裂縫降振技術。本次設計爆破兩排中深孔共32個，孔間距2.0m，排間距2.3m，平均單孔孔深15.5m，孔徑110mm，采用磁電雷管、毫秒雷管、導爆管聯合起爆。選用密度為0.76g/cm3、爆轟速度為3400m/s粉狀乳化炸藥，主爆孔采用耦合裝藥，預裂孔采用不耦合裝藥，導向孔不裝藥。預裂孔最先起爆，主爆孔分段起爆，預裂孔與主爆孔起爆時間間隔不少于150ms，保證預裂成縫。

　　2模型構建

　　在該露天礦山工程實際的基礎上，構建數值分析模型，運用LS-DYNA程序進行中深孔爆破模擬試驗。在本次模擬試驗之前，進行了取樣巖芯物理力學參數測定試驗、炸藥參數類比選擇和模擬試驗方案設計等工作。

　　2.1模型參數

　　本次中深孔起爆選用ANSYS/LS-DYNA程序中的爆轟功能進行模擬試驗，通過模擬炮孔內炸藥爆轟及爆轟產物與巖體之間的相互作用確定其爆炸動荷載，進而研究爆炸荷載對露天礦山邊坡穩定性的影響情況。

　　2.1.1炸藥爆轟參數

　　在炸藥爆轟產物JWL狀態方程中，涉及該乳化炸藥的主要參數為：炸藥密度為0.76g/cm3，爆轟速度為3500m/s，JWL狀態方程中A=326.42GPa，B=5.80892GPa，ω=0.57，R1=5.81，R2=1.56，E0=2.6738。

　　其中，V為體積變量；A，B，ω，R1，R2，E0均為材料常數。

　　2.1.2巖體損傷破壞參數

　　由于炸藥爆炸時具有應變大和應變率效應明顯的主要特征，因此露天礦山邊坡巖體采用包含應變率效應的Cowper-Symonds塑性硬化模型比較合適。巖體的破壞準則取決于巖體的性質和所受荷載情況，在爆破粉碎區范圍內巖體主要受到爆轟沖擊壓力，主要采用Mises破壞準則可以判定；然而在爆破粉碎區之外，巖體則同時受到壓應力和拉應力的作用，由于巖體抗壓和抗拉強度具有較大不對稱性特點，往往表現為拉伸破壞。巖石動態抗拉強度和巖石動態抗壓強度相似，伴隨著加載應變率的提高而增大，一般可近似表達為：

　　其中，σst為巖體單軸靜態抗拉強度，Pa；σtd為巖體單軸動態抗拉強度，Pa。

　　通過爆炸力學相關研究表明，爆轟粉碎區半徑大致為裝藥半徑的2倍～3倍，露天礦山邊坡主要處于爆破非粉碎區范圍內，故本文主要研究露天礦邊坡拉伸破壞為主。

　　2.2數值模擬方案

　　在中深孔爆破對邊坡穩定性影響試驗的同時，引入爆破降振技術，通過對比邊坡降振前后的動載荷區別，從而選擇合適的中深孔爆破參數。許多研究表明，爆破降振的有效手段主要有合適的孔網參數、微差爆破、緩沖爆破和預裂爆破等，本次試驗主要是在確定孔網參數的基礎上引入預裂縫爆破和微差爆破技術降低爆破對邊坡的穩定性影響。

　　為了使數值模型盡可能地與實際工程相似，本試驗數值模型的幾何參數與工程實際保持一致，但由于基于有限元的三維動力學數值分析計算量十分大，因此在不影響計算結果準確性的前提下對稱分塊構建模型。

　　1）最大藥量起爆段：在中深孔爆破中采用分段微差爆破，最大藥量起爆段因其藥量最大而應重點研究，該段主要針對無預裂縫和不同預裂縫長度存在情況下中深孔爆破對邊坡穩定性的影響研究。

　　2）邊幫主孔起爆段：雖然該段裝藥量不是最大，但其作為最靠近邊幫的主孔起爆段應該重點監測，該段模擬試驗中主要進行微差爆破對邊坡的影響研究。

　　3計算結果分析

　　為了研究中深孔爆破對露天礦山邊坡穩定影響機理，在工程實際的基礎上構建了基于有限元的數值分析模型，同時引入微差爆破和預裂爆破兩種降振技術，探討邊坡在中深孔爆破過程中的穩定性。在工程實際中，兩幫邊坡作為露天礦山的最終邊坡，其穩定性分析是本次試驗的重點，因此選取爆心到兩側邊幫的投影點作為本次試驗的觀察點。

　　3.1最大藥量起爆段結果分析

　　最大藥量起爆段為5號段（由8個主炮孔同時起爆），在最大藥量起爆段起爆過程中同時引入預裂縫降振技術，試圖尋找振動峰值和應力強度隨預裂縫變化規律，對研究中深孔爆破邊坡穩定性機理起到指導作用。如表1所示，存在不同預裂縫長度情況下試驗觀察點的振動峰值、最大壓應力和最大拉應力變化規律。

　　本次試驗設計爆破寬度為5.72m，振動峰值、最大壓應力和最大拉應力都隨著預裂縫長度的增加而減少，模擬試驗表明預裂縫對爆破降震起到明顯的作用。當預裂縫長度為5.72m（等于爆破寬度）時，振動峰值較無預裂縫時降低了62.1%，最大拉應力和最大壓應力也較無預裂縫時降低了一半以上，基本達到本次試驗工程巖體的安全閾值。

　　3.2邊幫主孔起爆段結果分析

　　由于邊幫主孔起爆段（6號，7號段）靠近邊坡，爆破影響更為明顯，因此本次在確定預裂縫長度5.72m的基礎上對最靠近邊幫主爆孔進行爆破模擬試驗。在此次試驗中，引入微差間隔起爆，探尋微差時間對邊坡爆破震動的影響機理。

　　相關理論研究表明，進行預裂爆破時，爆破震動的主頻率下降，其衰減周期也相應增長，進而需要更大的微差時間避免爆破震動主相疊加效應，且隨著微差時間的增大爆轟波形分離效果趨好。在預裂縫5.72m情況下進行微差爆破試驗，隨著微差間隔時間的增加觀察點的振動峰值減小，但減小的幅度逐漸趨緩。與25ms微差爆破相比較，在35ms微差爆破時觀察點振動峰值由167.6cm/s下降至118.1cm/s，振動峰值下降幅度達29.5%；但隨著微差時間間隔的進一步增加至50ms，質點振動峰值（108.4cm/s）下降不明顯。

　　4結語

　　本文結合某小型露天礦山工程實際，對中深孔爆破邊坡穩定性影響進行了數值模擬研究，同時引入微差爆破和預裂爆破降振技術，對中深孔爆破邊坡穩定性影響機理進行了探討，得出以下結論：

　　1）預裂縫對礦山邊坡巖體受爆破動載荷影響具有明顯減弱作用，而且伴隨著預裂縫長度增加爆破震動減弱效果遞增。依據本文結合的工程實際，由于邊坡主要為穩固巖體（矽卡巖），當預裂縫長度達到5.72m（等于爆破落礦寬度）時基本滿足巖體的力學強度要求。

　　2）在進行預裂爆破時，爆破震動的主頻率下降，其衰減周期也相應增長，進而需要更大的微差時間避免爆破震動主相疊加效應，但伴隨著微差間隔時間逐步增加，邊坡巖體的降振效果趨于不明顯。通過本文論證該保證工程邊坡穩定性選用微差間隔時間為35ms即可。

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