新橋硫鐵礦鑿巖爆破參數(shù)優(yōu)化研究＊

何姣云,張電吉,任高峰,陳先鋒

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430202;2.武漢工程大學(xué),湖北武漢 430074;3.武漢理工大學(xué),湖北武漢 430070)

新橋硫鐵礦鑿巖爆破參數(shù)優(yōu)化研究＊

何姣云1,張電吉2,任高峰3,陳先鋒3

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430202;2.武漢工程大學(xué),湖北武漢 430074;3.武漢理工大學(xué),湖北武漢 430070)

本文通過數(shù)值模擬并利用室內(nèi)模型試驗研究,對新橋硫鐵礦水平分層充填采礦爆破孔網(wǎng)參數(shù)的進行優(yōu)化,確定合理的微差延期時間為 25～50ms,梅花形布孔等爆破參數(shù)。認為目前在 -270m中段 E25采場二分層生產(chǎn)爆破的孔間距過小,造成礦巖爆破的平均炸藥單耗過大。通過數(shù)值模擬及試驗給出的建議平均炸藥單耗比現(xiàn)用的降低了近 50%,且孔間距比原來增大,使得鉆孔工作量大大降低,極大地降低了生產(chǎn)成本。

鑿巖爆破;參數(shù)優(yōu)化;數(shù)值模擬

1 概述

新橋硫鐵礦是以硫為主,伴生銅、鐵、鉛、金、銀、鋅等多種金屬元素的大型化學(xué)礦山。已探明礦石儲量 1.75億 t,其中硫鐵礦礦石8711萬 t,鐵礦石2400萬 t,銅金屬 50萬 t,鉛鋅金屬 4萬 t,還有一小部分金銀等貴金屬礦石[1]。

目前新橋礦坑下開采采用了上向水平分層充填采礦法,采取礦房礦柱交替布置,即先采礦柱,礦柱回采完畢后,膠結(jié)充填形成人工礦柱,在人工礦柱的保護下,再回采礦房[2]?？酉抡w采用鑿巖臺車、鏟運機等無軌設(shè)備配套開采。在井下生產(chǎn)爆破工作中,鑿巖爆破參數(shù)的合理與否,直接影響礦巖的爆破效果。不合理的爆破參數(shù)往往會造成懸頂、采場留頂、隔墻、大塊現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)個別炮孔盲炮,不利于炸藥能量的充分利用;有時還會引起相臨炮孔破壞,影響鏟運機挖礦及下一次的裝藥爆破工序的工作,降低生產(chǎn)效率;有時還會影響礦石的回收與貧化指標(biāo)。

鑿巖爆破參數(shù)包括最小抵抗線、炸藥單耗、炮孔直徑、炮孔深度、孔間距、炮孔密集系數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等。以上這些爆破參數(shù)及其他孔網(wǎng)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的,并且與所用采礦方法及礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)有密切聯(lián)系。爆破參數(shù)的合理優(yōu)化,可充分發(fā)揮采掘設(shè)備的潛力,有利于提高爆破效果和質(zhì)量,有利于后續(xù)采礦工序的順利進行,并可大大降低采礦生產(chǎn)成本。本文采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DY NA,運用數(shù)值分析與室內(nèi)模型相結(jié)合的方法,對新橋礦業(yè)公司井下上向水平分層充填采礦爆破孔網(wǎng)參數(shù)進行了優(yōu)化研究。

2 目前鑿巖爆破參數(shù)及存在的主要問題

新橋公司經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐,采用如下采場爆破技術(shù)及參數(shù):

(1)為控制頂板安全,每排炮孔呈大拱形布置;(2)采場最大空頂高度 6.0～6.5m,每次充填高度3.5～4.0m,工作空間高度 2.5～3.0m,每次回采高度 4.0m。鑿巖時首先挑一層頂,然后鉆鑿傾斜炮孔(傾角 40～50°),爆破后再采用水平炮孔壓頂;(3)炮孔交錯布置,排距和孔間距均為 0.5～0.8m;(4)使用銨油炸藥,藥卷直徑 32mm,藥卷長度 200mm,裝藥密度 0.95 g/cm3,每卷質(zhì)量 152.8g,近似相當(dāng)于炸藥 150g;(5)孔內(nèi)連續(xù)裝藥,裝藥系數(shù) (裝藥長度與炮孔長度之比)0.91,即 3.5m深炮孔裝藥長度為 3.2m,每個炮孔裝入 16個藥卷,裝藥線密度為: Q線 =16×150 g/3.5m=0.685kg/m;(6)工作面導(dǎo)爆管布置原則是:同排同段,隔排分段,秒延期塑料導(dǎo)爆管聯(lián)結(jié)。

存在的主要問題:(1)鑿巖爆破材料消耗量大。由于鑿巖爆破參數(shù)未通過優(yōu)化試驗研究,仍然沿用以前普通鑿巖機鑿巖時的參數(shù),因此鑿巖爆破材料消耗量大。(2)由于爆破材料消耗偏高,致使采場鑿巖爆破礦石成本較高;(3)炮孔直徑與藥卷直徑不匹配。鑿巖臺車鉆鑿炮孔直徑為 48mm,而藥卷直徑僅為 32mm,其裝藥不耦合系數(shù)為 1.5。(4)由于炮孔直徑與藥卷直徑不匹配,致使采場爆破礦石大塊率偏高,約為 25%～30%。(5)鑿巖爆破工藝復(fù)雜,無軌設(shè)備移動頻繁,使用效率較低。

3 數(shù)值模型的建立

數(shù)值模擬的可靠性在很大程度上取決于所選取的計算模型及物理力學(xué)的正確選取。由于新橋礦坑下工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜,巖體的類型較多,為了滿足計算的需要,必須將礦體的基本情況加以簡化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3.1 力學(xué)參數(shù)的選取

根據(jù)地質(zhì)報告提供的巖石力學(xué)參數(shù),用于爆破計算的巖石的具體參數(shù)如表 3-1所示,動力參數(shù)僅彈性模量增加 30%,其余不變。

表 3-1 巖石數(shù)值模擬參數(shù)

3.2 計算模型及參數(shù)

水平炮孔爆破計算模型及網(wǎng)格見圖 3-1,圖中單位尺寸為 cm,采用映射網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分模型的網(wǎng)格,由于該模型只是半無限巖體的一部分,出現(xiàn)了人為邊界,為了減少計算量和消除人為邊界處的反射波對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響,計算過程中將模型四周設(shè)定為非反射邊界[3]。對于孔網(wǎng)參數(shù)為1.0×0.8的水平孔,其爆破計算模型共有單元136992個。水平炮孔采用兩種不同的孔網(wǎng)參數(shù)進行計算,考慮起爆點和延時的情況,水平孔爆破數(shù)值模擬具體的爆破參數(shù)見表 3-2。

表 3-2 水平孔爆破數(shù)值模擬采用的爆破參數(shù)表

圖 3-1 水平炮孔爆破計算模型及網(wǎng)絡(luò)

3.3 爆炸載荷的處理

由于在爆炸場的數(shù)值模擬中,炸藥的爆轟產(chǎn)物的壓力波動范圍很大,從幾十萬個大氣壓到低于一個大氣壓,很難找到一個適合所有范圍的狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程能精確描述凝聚炸藥圓桶實驗過程,且具有明確的物理意義,因而在爆炸數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用。對高能炸藥的爆轟產(chǎn)物采用 JWL狀態(tài)方程,其狀態(tài)方程的一般形式為:

式中:A、B、R1、R2、ω為炸藥特性參數(shù);P為壓力;E、V分別表示爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能和相對體積。本文計算中銨油炸藥的具體參數(shù)為:炸藥密度 ;炸藥爆轟速度 。對于空氣,近似采用理想氣體狀態(tài)方程[4]。

3.4 計算和分析

不同孔網(wǎng)參數(shù)的水平爆孔,分別以孔間和孔底兩種不同起爆方式起爆,起爆后不同時間有效應(yīng)力分布情況見圖 3-2至圖 3-4。

從圖中我們可以看到:對圖 3-3與圖 3-4進行比較可以看到,對于水平爆孔 (孔距 1.0m,排距0.8m),當(dāng)采用孔間起爆時,孔間齊發(fā)起爆與孔間延時 25ms起爆,起爆后不同時間應(yīng)力波的傳播發(fā)展及疊加情況無明顯區(qū)別,這說明要采用微差延時起爆時,孔間的微差間隔時間應(yīng)大于 25ms。因此在下一步現(xiàn)場實驗時,孔間微差間隔時間初選 50ms,即采用 1、3、5、7跳段微差起爆。

VonMises有效應(yīng)力是表征介質(zhì)應(yīng)力特征的一個重要參數(shù)。炸藥爆炸后在巖體中產(chǎn)生應(yīng)力波,應(yīng)力波從藥包處向外傳播。在相鄰兩孔同時起爆的情況下,炮孔間存在應(yīng)力波的疊加作用。同時起爆兩個炮孔時,炸藥既要繼續(xù)爆轟傳播,同時又要作用周圍的巖石介質(zhì)形成應(yīng)力波,起初在每個炮孔附近都形成膨脹波,此時兩個炮孔的動態(tài)斷裂過程是相互獨立的,由于爆轟波的傳播速度與介質(zhì)應(yīng)力波的傳播速度不一致,最初應(yīng)力場的形狀是“紡錘形”。隨著兩個炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波的相互作用,在孔間連線方向上有一個連通兩個炮孔的斷裂最終控制了這個動態(tài)過程。隨著沖擊波陣面遠離藥包,其能量向外擴散,應(yīng)力發(fā)生很大變化。當(dāng)藥包爆轟完畢后,由于沿徑向離藥包中心越近能流密度越大,應(yīng)力波向外傳播速度越快,“紡錘形”越來越不明顯,同時在軸向端部出現(xiàn)“孔穴”,后來發(fā)展為“缺口”,而且隨著時間的增加,“缺口”逐步擴大。同時計算發(fā)現(xiàn),底部藥包以柱面波的形式向外擴展,同時炸藥爆轟由孔底向孔口傳播,因而波陣面與炮孔之間形成一定的角度,并以基本不變的角度向外傳播,直至爆轟結(jié)束。有效應(yīng)力場的變化較好地反映了爆炸傳播規(guī)律[5]。

4 爆破參數(shù)室內(nèi)模型試驗研究

目前用于爆破技術(shù)研究主要方法有三種:數(shù)值模擬、模型實驗和現(xiàn)場試驗。模型實驗的研究方法能克服現(xiàn)場試驗耗費大,影響正常工作秩序的缺點,所獲得的數(shù)據(jù)又可用于指導(dǎo)生產(chǎn),實現(xiàn)爆破結(jié)果的定性與定量相結(jié)合的分析,因而具有很大的經(jīng)濟和實踐意義。本文對合理微差間隔時間的進行了試驗研究。

微差爆破技術(shù)的應(yīng)用,在國內(nèi)外有較長的歷史,對于合理微差間隔時間的確定,前人也總結(jié)了不少經(jīng)驗。根據(jù)一些經(jīng)驗公式及前人的試驗數(shù)據(jù)得出當(dāng) f為8～14時最佳微差時間集中在 25～50ms的范圍內(nèi)[6]。并且隨著 f值的降低,最佳微差間隔時間相應(yīng)增大。

4.1 試驗方案

用水泥砂漿試抉進行模擬實驗,試塊的尺寸為600×600×100mm,中間有兩個澆鑄時預(yù)留的炮孔,孔間距為100mm,兩孔孔徑均為 8mm。水泥砂漿各成分的重量比為:水泥∶砂∶水 =1∶2.5∶0.72,水泥為普通硅酸鹽水泥,標(biāo)號 500號,砂子是經(jīng)篩分后的最大粒徑 3mm的河砂。每個孔裝黑索金炸藥 1.5g,用特制小型瞬發(fā)電雷管起爆,兩孔間的起爆時差用BS6-1型數(shù)字式微差起爆儀來實現(xiàn)。

4.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明,以 20ms時差起爆時的破碎效果最佳,然后隨著微差間隔時間的增大,爆破破碎效果逐漸變差。在齊發(fā)起爆時,由于沒有新增自由面的產(chǎn)生,雖在兩孔爆后齊力推動下,可產(chǎn)生較大的爆破量,但是由于兩孔周圍的裂紋沒能夠得到充分擴張,便在爆轟產(chǎn)物的作用下,將兩孔間的漏斗巖石拋出,以致產(chǎn)生較多的大塊 (即大塊率較高),使得破碎效果較差?？紤]到實際生產(chǎn)中礦巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,以及實際應(yīng)用中雷管的段數(shù)分布限制,建議現(xiàn)場試驗及實際生產(chǎn)中,微差間隔時間取 25～50 ms。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬研究水平炮孔在不同起爆位置、不同延期時間的炸藥爆轟過程,并利用室內(nèi)模型試驗研究對數(shù)值模擬研究的結(jié)論進行驗證,確定合理的微差延期時間為 25～50ms,炮孔布置方式為梅花形布孔,排間微差起爆網(wǎng)路等爆破參數(shù);最后進行現(xiàn)場爆破試驗,與目前生產(chǎn)爆破的孔網(wǎng)參數(shù)比較,認為目前生產(chǎn)爆破的孔間距過小,造成礦巖爆破的平均炸藥單耗過大。通過試驗給出的建議值的平均炸藥單耗比現(xiàn)用的平均炸藥單耗降低了近 50%,并且孔間距比原來增大,使得鉆孔工作量大大降低,每米鉆孔破巖效率大幅度提高。

REFERENCES

[1] 王新民,張欽禮.深部礦體水平分層充填法高效機械化裝備與采出充配套工藝技術(shù)研究實施方案[D].長沙:中南大學(xué),2004.

[2] 王新民,曹剛﹒新橋硫鐵礦機械化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究﹒工業(yè)安全與環(huán)保,2008,34(4).

[3] 唐巨鵬,李英杰.阜新五龍礦深部沖擊地壓ANSYS有限元數(shù)值模擬.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2005.(9).

[4] 方曉瑜,王成﹒中深孔掏槽爆破裝藥優(yōu)化的數(shù)值模擬研究﹒煤礦開采,2006,11(4).

[5] 徐光彬﹒耦合裝藥情況下臺階深孔爆破的數(shù)值模擬﹒廣西水利水電,2007,(3).

[6] 東兆星,邵鵬﹒爆破工程﹒北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

Research on Blasting ParametersOpti m ization of exploitation at Xinqiao PyriteM ine

HE Jiao-yun1,ZHANGDian-ji2,REN Gao-feng3,CHEN Xian-feng3
(1.HubeiWater Resources Technical College,Wuhan,Hubei 430202; 2.Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430074;3.Wuhan Institute of Technology,Wuhan,Hubei 430070)

By numerical simulation andmodel experi mentation atXinqiao PyriteMine,the optimal blastingparameter isobtained. The reasonable defer time is 25～50ms and the optimal hole pattern is staggered pattern.The unit explosive consumption of actual application is too big due to the s mall interval between holes.The proposed unit explosive consumption value is decreased by 50%now. The drillingwork and production cost are greatly reduced for the increased interval between holes.

drilling and blasting;parameters opti mized;numerical si mulation

book=5,ebook=165

TD23

A

1009-3842(2010)03-0005-04

2010-07-06

NSFC國家自然科學(xué)基金(50804038號)及高校博士點新教師基金([2008]04971055號)資助項目

何姣云(1975-),女,湖南邵東人,博士研究生,講師,主要從事水利水電建筑工程和爆破技術(shù)的研究和教學(xué)工作,E-mail: hjy950411@163.com