露天矿爆破振动高程效应研究

随着露天矿开采年限的增加，矿山开采进入了深凹露天矿阶段，边坡的稳定性成为矿山安全生产必须考虑的问题之一，而且爆破作为露天矿生产的主要方法之一，其对边坡的稳定性影响成为不可忽视的问题，虽然控制爆破技术的应用极大地维护了边坡的稳定性，但是随着高程的不断增加，爆破动的高程放大效应成为不可忽视的问题之一，文献[1]基于量纲分析理论，分析影响边坡爆破振动速度相关物理量，并且推导改进考虑高程影响的爆破振动速度衰减经验公式。 并且基于具体的矿山应用，论证了推导公式的正确性，文献[2]依托爆破工程现场监测采到的大量爆破振动信号并用 MATLAB对信号进行线性模型回归分析，比较爆破振动信号在平整场地和存在高程时的边坡爆破峰值振速变化规律进行分析。 相关学者针对矿山的高程放大效应也进行了大量的研究。 本文运用大型显式非线性动力分析有限元程序 LS-DYNA， 结合具体的矿山进行数值模拟分析，对爆破振动的高程放大效应进行探索性的研究。

1 数值模拟分析及本构模型

1.1 选取的炸药参数和控制方程

计算中岩石采用的是双线性随动硬化材料，为了模拟爆破对边坡的影响，在模拟中利用了 LS-DYNA中的爆轰过程模拟功能，也就是通过直接输入装药参数及炸药参数，通过炮孔内爆轰模拟及爆轰产物与孔壁的相互作用确定爆炸荷载。 爆轰产物的状态方程反映了压力与体积应变(或密度变化)之间的关系，是材料的重要特性之一，计算中采用 JWL 状态方程，该方程是专为描述炸药等含能材料爆炸时的压力特性而设定的一种状态方程，即压力p=A(1- ωR1V)e-R1V+B(1- ωR2)e-R2V+ ωE0V(1)式中V———体积变化;E0、R2、ω、B、R1 、A———材料常数。数值模拟中选用的是现场混装乳化炸药，炸药的密度为 950 kg/m3。 根据 HML 生产实际爆破参数，结合参考以前的数值模拟研究成果，选取数值计算模型岩石力学参数：弹性模量 E1=37.4 GPa，切线模量 E2=4.5 GPa，屈服应力 23 MPa，岩石密度 2 700 kg/m3，泊松比 0.3。

1.2 装药结构模型及数值模拟结果分析

根据实际爆破参数，建立单孔直径 准140 mm 全耦合装药条件下的露天矿台阶爆破数值模拟，台阶高度取 HML 矿山台阶高度 10 m， 炮孔最小抵抗线5 m，堵塞 5 m，超深 1 m，边坡角 50°。提取相对应节点爆破振动峰值振速计算放大系数，得出峰值振速在垂直方向和水平方向放大系数如图 2、图 3 所示采取简化的二维数值模型。 由图 2、图 3 可知，高程放大系数不是随着高程的增大单调无限的增大，而是相对高程达到某一临界值之后，随着高程的增大缓慢衰减的。

2 结语

本文运用数值模拟分析的方法得出露天矿特殊地貌的爆破振动波存在高程放大效应， 但高程放大系数不是无限的， 其在到达临界值之前是随着高程的增大而变大的，到达临界值后，高程的放大系数随着高程的增大而减小;以直径 准140 mm 单孔台阶爆破为例， 论证了高程放大系数随着相对高程的衰减规律，为矿山的安全生产、边坡维护提供了一定的理论基础。