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摘要 ：随着国民经济和计算机模拟技术的迅猛发展， 爆破工程在各行各业的应用越来越广泛，随之产生的爆 破震动、粉尘、冲击波等安全问题也日趋严峻，为了更好 的解决其面临的问题和挑战， 工程专家、研究学者将数值 模拟分析技术应用到爆破行业中。本文通过分析国内外 有色金属矿山爆破、数值模拟技术的发展现状， 研究数值 模拟在有色金属矿山爆破中的爆破震动、爆破粉尘、爆破 冲击波、爆破设计、超深等的应用情况，并总结数值模拟 方法在有色金属矿山爆破安全中的应用优势及局限，供 同行参考。
关键词 ：数值模拟,有色金属矿山,爆破安全,应用综述
爆破工程就是利用炸药爆炸释放的能量，对周围介质 进行抛掷破坏，达到特定工程目的的作用。近几十年来， 随着国家经济的高速发展， 有色金属矿山对爆破工程的依 赖越来越严重，其面临的新问题越来越多，面对的挑战越 来越严峻，导致的诸如爆破地震、粉尘、环境破坏、坍塌 失稳等问题也越来越严重，面对新挑战、新问题，传统的 材料设备、研究方法、实施手段也跟不上时代的步伐，爆 破行业在设备、炸药、爆破器材、方法、技术的改革势在 必行。
在爆破行业改革如火如荼、发展日新月异的同时，计 算机科学技术也在突飞猛进的发展，在信息化高速发展 的大数据时代，随着计算机模拟技术的出现，很多工程专 家、研究学者将目光放到了数值模拟上来。数值模拟是通 过计算机对具体问题利用图像直观展示出来， 解决工程中 存在的问题。很多专家学者通过模拟研究，很好地解决了 有色金属矿山工程项目中存在的复杂问题， 比如在井下爆 破中， 通过利用数值模拟分析爆破时对围岩产生的应力的 研究， 大大降低了因爆破带来的围岩失稳问题 ；比如在露 天爆破工程中，通过对爆破地震波的模拟分析，保护了项 目周边的建筑物构筑物， 降低了扰民问题 ；再比如通过对 堵塞的模拟研究，使得爆破产生的有毒有害气体极大降 低，保护了环境等。
数值模拟在有色金属矿山爆破工程中的应用，给行业 带来了极大的好处，当然由于其存在的局限性，也带来了 相应的问题， 如何让数值模拟更好的服务于有色金属矿山 爆破行业， 是爆破行业今后发展的一大方向。
1 国内外工程爆破的发展与现状
随着中国四大发明之一的黑火药的发明，工程爆破也 应运而生，至今已一千多年。大约在 11 ～ 13 世纪，黑火 药技术传入欧洲 ；在 17 世纪，随着雷汞的发明，黑火药 开始用于矿山开采，工程爆破的新篇章有此打开。经过两 百多年的发展， 全世界工程爆破取得了令人瞩目的发展成 就，并不断开拓新的应用领域，矿山开采、水利水电、道 路桥梁、军事、医学、拆除作业、水下作业等大量工程中 采用爆破技术。由此出现了大量的爆破企业，例如澳大利 亚的澳瑞凯公司、美国的奥斯汀公司、欧洲的迈克西姆公 司、中国的广东宏大、北方爆破、保利民爆等，许多爆破 企业经过几十年的发展成为了可以为全球各大矿产开采 商提供爆破服务、生产与采矿相关的各种爆破器材、业务 广泛分布于全球六大洲的大型企业。
我国爆破技术和爆破工程行业在近几十年来发展很 快，新的爆破器材、爆破方法不断被突破，每年炸药的使 用基数大，产值高。很多技术已经达到了世界先进水平， 甚至部分技术还处于领先地位。但是，工程爆破行业也存 在很多问题，比如技术水平、创新研发能力，相比较其他 行业仍然存在很大差距，爆破企业的技术研发投入不足、 研发能力低、研发技术不新、研发人员短缺等问题突出， 甚至科研机构、大学院校也普遍存在兼职研发的现象，专 业搞工程爆破技术研究、技术创新的极少，大多是研究其 他内容的时候会涉及到一部分爆破， 单独以工程爆破为对 象的研发成果很少。
2 国内外数值模拟技术的发展与现状
数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有 限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方 法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研 究的目的。它是计算机技术和数值分析方法支持下发展 起来的有限元分析方法，为解决复杂的工程分析计算提 供了有效的计算途径。数值模拟技术诞生于 1953 年Bruce G.H 和 PeacemanD.W 的两维两相模拟， 经过几十年的发 展，数值模拟技术的发展日趋成熟，国内外出现了很多性 能优越的数值模拟软件或程序，比如德国的ASKA、英国 的 PAFEC、法 国 的 SYSTUS、美 国 的ANSYS/LS-DYNA、 ABQUS、ADINA 等分析系统产品以及我国的中望 3D、3DMINE、DIMINE、IVENT 等。其中美 国的ANSYS/LS- DYNA是使用最广泛的知名有限元显式求解程序之一，其 在工程应用领域中认可度高， 可靠性和实用性也经过大量 工程实践对比得到证实。
3 爆破数值模拟常用软件介绍
爆破数值模拟软件中，应用最广泛可靠性最高的是 ANSYS/LS-DYNA。ANSYS 软件是美国ANSYS 公司研制 的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长 最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅 助设计（CAD， computer Aided design）软件接口， 实现数 据的共享和交换， 如 Creo, NASTRAN、Algor、I － DEAS、 AutoCAD 等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于 一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油 化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、 电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日 用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS 功能强大， 操作简 单方便，已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的 FEA评比中都名列第一。
4 矿山爆破中数值模拟的一般步骤
数值模拟技术在有色金属矿山工程爆破中的应用，通 过模拟对炸药能量对岩石的动态破坏过程的模拟实现的， 数值模拟能展示爆破破坏作用的全过程， 有助于对爆破作 用机理的深入研究，爆破技术参数的优化，爆破效果的提 高，确保爆破施工安全。数值模拟在矿山爆破中的应用一 般分为以下几个阶段。
（1）爆破对象的调查。在接收爆破模拟分析任务后， 要明确数值模拟分析目的，并对爆破环境进行详细勘查， 其中包括爆破岩土性质、结构面、节理、地质构造等地质 情况， 以及爆破对象的水文情况和周边环境 ；
（2）取样研究。对爆破环境的基本情况了解清楚后，需进 行工程取样， 在岩石力学实验室测定样品的物理力学性质。
（3）建立数值模型。根据数值模拟分析任务，构建相 应的爆破工程数值模型，比如对爆破震动研究，则构建爆 破震动数值模型，对粉尘研究，则构建粉尘扩散模型，并 模拟输出成果。
（4）优化模型。数值模拟效果如何，只要通过实践检 验才知道，数值模拟结果出来后，要到现场实地监测，必 要时可进行实践校验， 并将各类数据反馈到数值模拟模型 中，进一步分析优化。
（5）汇总成果。总结分析最终成果，将各部分成果汇 总，得出最终的模拟结论。
5 数值模拟在矿山爆破工程中的具体应用
5.1 爆破震动模拟
在有色金属矿山爆破工程中，爆破震动爆破五大公 害之一，其导致的崩塌、滑坡等边坡、建筑物构筑物等的 不稳定问题比比皆是，利用数值模拟软件，比如ANSYS/ LS-DYNA、FLAC3D 等，不仅能模拟爆破周边一定距离下 的爆破质点的振动情况， 还能结合不同质点的爆破振动要 求，对爆破震动作用下的边坡进行数值模拟分析，分析爆 破过程中边坡、隧道、保护建筑物等的应力、速度和加速 度的分布和传播规律以及观测点的位移，通过模拟分析， 清楚了爆破周边质点的振动规律， 同时也可以为爆破参数 的调整、爆破保护对象的保护措施的选取以及爆破安全距 离的确定提供依据。
5.2 爆破粉尘扩散模拟
爆破粉尘是爆破工程的一大公害，爆破粉尘过高不 仅会给工作人员的身体健康产生影响，还能破坏设备、污 染环境，因此对爆破粉尘的分析治理相当必要，主要利用 ANSYSFluent、Solidworks 等软件，结合露天爆破的具体参 数，可以对露天爆破粉尘扩散分布研究，能够精准模拟出 粉尘突喷阶段、卷积云阶段和扩散阶段的分成的运动过程 及扩散时长， 爆破粉尘集中的范围和自由面前方粉尘沿风 流方向扩散所能达到的最高垂直高度， 以及不同颗粒的粉 尘沿风流方向沉降的距离 ；此外， 还可以模拟采取湿式作 业等降尘措施后降尘效果， 降低爆破过程中的粉尘产生及 危害。
5.3 爆破冲击波模拟
爆破冲击波炸药在介质中爆炸 , 爆炸产物在瞬间高速 膨胀 , 使周围空气猛烈震荡而形成的波动，它的强度取决 于炸药量、装药结构、堵塞结构等参数，也是爆破公害之 一，被称为隐形杀手。数值模拟分析可以模拟出不同堵塞 长度下的爆破冲击波的传播规律， 在爆破冲击波模拟研究 中，大多数学者使用的模拟软件是ANSYS/LS-DYNA。
5.4 爆破设计模拟
在有色金属矿山爆破工程中， 爆破参数的设计不合理， 直接关系到爆破效果的好坏，而为了提高爆破效果，在进 行爆破参数设计时，引入了数值模拟分析，目前很多计算 机数值模拟软件能够模拟设计爆破参数，比如DIMINE、 2DBench等。这些数值模拟软件能根据不同的爆破方式设 计爆破参数，直观显示爆破的炮孔结构、装药、连线等，此 外还能模拟延期时间、等时线、抛掷方向、炮孔的起爆过 程，估算爆破成本、爆破质量并输出爆破设计报告。
5.5 超深模拟分析
超深是消除爆破根底的有效途径之一，合理的超深对台阶爆破的效果有很大影响。在实际爆破过程中，无论是 连续装药还是间隔装药，台阶底部都会留下根底，为了解 决以上问题， 引入了ANSYS/LS-DYNA 等软件对超深的 模拟分析，数值模拟能根据具体的台阶高度，模拟出不同 超深下的应力分布效果和台阶底部的破坏效果， 应力分布 随着超深深度的增加而增大，但是存在一个临界值，当什 么大于等于临界值时，应分变化不大，因此可根据此确定 台阶的最佳超深。
5.6 数值模拟分析在爆破教学中的应用
随着爆破工程技术的应用发展，社会对有色金属矿山 爆破工程高素质人才的需求量越来越大， 因此很多高校对 爆破工程教学的重视程度越来越高。由于有色金属矿山爆 破工程本身存在的危险属性， 以至于高校爆破试验的开展 较为局限，因此，大多教学研究者将目光转移到数值模拟 上。数值模拟能够解决教学过程中理论与实践脱节的基本 问题，通过模拟教学和实操训练，能直观地让学生掌握有 色金属矿山爆破工程的相关知识和技能， 提高学生对爆破 知识及行业的兴趣，让学生能主动投身爆破事业的研究， 推动有色金属矿山爆破的发展。
6 数值模拟方法的应用优势
数值模拟分析方法在有色金属矿山爆破工程的各个 领域中应用广泛， 它的优点主要表现在以下几个方面。
（1）数值模拟分析能直观的获得研究结果，将抽象问 题具体化，能随时地、反复地、立体地对相关问题进行研 究，解决了部分研究人员因抽象思维能力差而出现考虑问 题片面， 分析解决工程实践问题能力弱的问题。
（2）数值模拟研究能够搭建起理论和实践的桥梁，理 论设计可以通过模拟直观反应，然后与实践进行对比，通 过反复的理论—模拟—实践， 能让工程实践取得最佳的效 果， 同时还能推动理论体系的完善。
（3）数值模拟能缩短方案制定的进度，在爆破工程实 践中，存在着很多没有任何经验参考的工程项目，对于 该类工程项目的方案制定，以往的经验是“理论设计—试 验”，反反复复， 直到找到最佳方案。而数值模拟可以在试 验之前对设计方案进行初步审查，这样，可减少方案试验 的次数， 缩短了方案制定周期和初期投入。
7 数值模拟方法的技术局限性
数值模拟技术在有色金属矿山爆破工程的应用中，研 究学者使用广泛，而一线技术者使用较少，值模拟技术在 爆破工程的应用主要局限在经济投入、人才配备、爆破环 境的复杂性等方面。
（1）经济投入不足。数值模拟软件虽然一次购入后，能长期使用，但是其大多比较昂贵。而我们国家爆破行业 公司较多，其中绝大多数是中小型企业，中小型企业资金 并不雄厚， 有些数值模拟软件的价值甚至相当于中小型爆 破企业的全部资产，使得数值模拟软件的购入比较困难。 此外，购入数值模拟软件后，还需投入资金，通过培训或 聘任等方式配备相应的专业人才， 又给公司的资金链上增 加一道枷锁， 更不可能购入数值模拟软件。
（2）人才配备不足。在爆破作业人员中，只有少部分 是通过正规培养掌握爆破知识技能的人员， 他们知识底蕴 较浅，在数值模拟软件的学习中，困难重重。然而，爆破 行业由于其艰苦性，人员流动性特别大，因此很多中小型 企业不愿意花大功夫去培养人才。这就导致爆破行业中， 实践经验丰富又掌握数值模拟分析技术的人少之又少， 局 限了爆破数值模拟技术的应用。此外爆破实践中遇到的工 程问题，有经验的技术人员能根据实际情况很好地解决， 不会用到数值模拟分析技术。
（3）爆破环境复杂。数值模拟技术在模拟分析过程中， 比较理想化，对工程水文地质的复杂性考虑得比较片面， 这导致模拟分析的数据和工程实践的数据之间存在差距， 其差值对研究者来说影响不大，反复进行研究即可，但是 对爆破单位的影响可能就是致命的。因此，数值模拟软件 在研究者中使用较多。
数值模拟软件由于价格昂贵，对企业来说成本较高， 因此其推广应用更适合于在高校专业课堂中， 从培养的人 才上入手，更多的人才掌握了数值模拟技术，才能更好地 解决爆破企业的数值模拟技术的使用问题。
8 结论
随着科学技术水平的发展，数值模拟分析技术在有色 金属矿山爆破工程的应用越来越广泛， 在应用的过程中成 绩骄人。
数值模拟技术在爆破震动、粉尘、冲击波、参数设计 优化、超深包括有色金属露天、地下矿山等方面的研究应 用成熟，实践效果较好，优势突出。由于爆破企业经济投 入不足、技术人员缺乏、人员流动性大、爆破环境复杂等 特点，使得数值模拟分析在爆破中的应用存在局限性，随 着科学技术的发展，数值模拟的应用辐射范围将更广，目 前可以从高校课程入手，扩大爆破课程开设的辐射专业， 加强专门性的爆破技术人员在数值模拟分析方面的学习 培养，竞争归根到底是人才的竞争，解决了人才问题，扩 大企业资金投入， 数值模拟分析在有色金属矿山爆破行业 的应用将会更加辉煌。
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