崩落采礦法擠壓爆破質(zhì)量控制方法的實(shí)驗(yàn)

明 建， 高永濤， 胡乃聯(lián)， 謝經(jīng)鵬

(北京科技大學(xué) a. 土木與資源工程學(xué)院； b. 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

崩落采礦法擠壓爆破質(zhì)量控制方法的實(shí)驗(yàn)

明 建a,b， 高永濤a,b， 胡乃聯(lián)a,b， 謝經(jīng)鵬a

(北京科技大學(xué) a. 土木與資源工程學(xué)院； b. 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

為提高崩落采礦法擠壓爆破作業(yè)中的爆破質(zhì)量，應(yīng)用物理模擬實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法對(duì)中深孔擠壓爆破質(zhì)量控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。基于礦巖爆破破碎機(jī)理和相似理論，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)工藝流程和實(shí)驗(yàn)裝置。進(jìn)行了可爆性實(shí)驗(yàn)、物理相似材料模擬爆破實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬爆破實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)和爆速條件下巖體的破壞效果、應(yīng)力場(chǎng)變化和爆破能量釋放規(guī)律進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：較高爆速炸藥在應(yīng)力作用、裂隙形成和破壞效果方面均優(yōu)于低爆速炸藥，孔底起爆和孔內(nèi)布設(shè)全長(zhǎng)導(dǎo)爆索有利于改善爆破質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)成果可以為中深孔擠壓爆破質(zhì)量控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

崩落采礦法； 崩礦質(zhì)量; 物理模擬實(shí)驗(yàn)； 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

0 引 言

無底柱分段崩落采礦法廣泛應(yīng)用于我國(guó)金屬礦山的生產(chǎn)中。該方法具有結(jié)構(gòu)參數(shù)大、同時(shí)投入生產(chǎn)的工作面多、生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度靈活、每米炮孔崩礦量較大、可應(yīng)用大型鏟運(yùn)機(jī)械等優(yōu)點(diǎn)，其采礦強(qiáng)度明顯高于其他采礦方法[1-2]。但由于每米炮孔崩礦量、裝藥結(jié)構(gòu)等方面的影響，采用無底柱分段崩落采礦法進(jìn)行地下開采時(shí)常出現(xiàn)中深孔爆破質(zhì)量較低的問題。其主要表現(xiàn)為爆破大塊產(chǎn)出率高、眉線破壞嚴(yán)重和二次爆破頻繁，以上問題不僅會(huì)降低出礦效率和礦石的回收率，還會(huì)增加爆破成本，因此改善中深孔爆破質(zhì)量對(duì)提高無底柱崩落法礦山的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[3-4]。

為提高崩落采礦法擠壓爆破作業(yè)中的爆破質(zhì)量，本文應(yīng)用物理模擬實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法對(duì)其質(zhì)量控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?；诘V巖爆破破碎機(jī)理和相似理論，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案、工藝流程和實(shí)驗(yàn)裝置，研究了不同裝藥結(jié)構(gòu)和爆速條件下巖體的破壞效果、應(yīng)力場(chǎng)變化和爆破能量釋放規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)原理

在金屬礦山開采過程中，利用炸藥爆破來破碎巖體是最有效和應(yīng)用最廣泛的手段。無應(yīng)力疊加的爆破破巖機(jī)理為：爆炸產(chǎn)生的沖擊波首先在炮孔附近區(qū)域形成粉碎區(qū)，其后沖擊波衰減為應(yīng)力波向周圍礦巖傳播。徑向壓應(yīng)力導(dǎo)致切向拉應(yīng)力的產(chǎn)生，在爆生氣體的膨脹、擠壓、氣楔作用下徑向裂隙網(wǎng)隨之形成。礦巖在壓縮過程中積蓄的彈性變形能被釋放并轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d波，形成了環(huán)狀裂隙。隨著徑向、環(huán)狀和剪切裂隙的形成、擴(kuò)展和貫通，礦巖體被分割成大小不等碎塊，最終構(gòu)成了破裂區(qū)[5-6]。

由于柱狀藥包起爆后沿傳爆方向?qū)a(chǎn)生應(yīng)力疊加區(qū)域。本實(shí)驗(yàn)將柱狀藥包分為有限個(gè)球形藥包進(jìn)行應(yīng)力疊加分析。設(shè)傳爆方向由相鄰兩個(gè)假設(shè)的球形藥包A及B，應(yīng)力波在點(diǎn)C正交，兩點(diǎn)與C間距離分別為r1和r2。實(shí)驗(yàn)采用兩應(yīng)力波正交作為假設(shè)模型，分析應(yīng)力疊加區(qū)域的受力和裂隙的生成過程，如圖1所示。

圖1 應(yīng)力波正交受力圖

隨應(yīng)力波傳播距離的增加，礦巖受到的壓力會(huì)逐漸衰減。令σ1、σ2為A、B兩點(diǎn)炮孔壁受到的壓力，根據(jù)衰減規(guī)律可知應(yīng)力波傳播到C點(diǎn)時(shí)存在：

(1)

式中：r0為炮孔半徑，mm；α為應(yīng)力衰減指數(shù)。根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可知，AC方向上受到的合力為：

(2)

式中：σr1為C點(diǎn)受到的沿r1方向的徑向壓應(yīng)力，Pa；μ為巖石的泊松比，令γ=μ/(1-μ)；σθ1為σ1施加于C點(diǎn)沿r2方向的切向壓應(yīng)力，Pa。

令σ1=σ2，分析可知，當(dāng)θ∈(0，arctan(γ1/α))時(shí)，F(xiàn)AC表現(xiàn)為拉應(yīng)力，同理推導(dǎo)可知FBC此時(shí)表現(xiàn)為壓應(yīng)力。該受力狀態(tài)將導(dǎo)致沿BC方向的裂隙的產(chǎn)生，并促進(jìn)裂隙寬度和發(fā)育程度逐漸增大，輔以爆生氣體的作用，礦巖體更易于被破壞。綜上所述，當(dāng)初始爆轟壓力增大時(shí)，根據(jù)應(yīng)力波的衰減規(guī)律，沿BC方向受到的徑向壓力和沿AC方向受到的拉應(yīng)力將會(huì)增大，生成的裂隙也會(huì)更廣、更寬，有利于破碎礦巖。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦巖爆破破碎機(jī)理及其實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了大量研究，但由于爆破反應(yīng)及其對(duì)礦巖的作用非常復(fù)雜，因此爆破理論遠(yuǎn)未達(dá)到完善的程度[7]。近年來，隨著物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，爆破機(jī)理研究取得了明顯的進(jìn)步[8-10]，爆破實(shí)驗(yàn)的安全性也有了較大的提高[11-12]。本實(shí)驗(yàn)在數(shù)學(xué)力學(xué)模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，遵循真實(shí)物理模擬為主、虛擬數(shù)值模擬為輔的原則對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)和不同爆速條件下的礦巖爆破破碎機(jī)理和應(yīng)力、裂隙變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案采用了物理模擬實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法，前者主要通過爆破后介質(zhì)的破壞情況來判定爆破效果；而后者能夠模擬出爆破過程中應(yīng)力和裂隙的變化過程[13-14]。影響礦巖爆破效果的因素可分為內(nèi)在因素(礦巖的物理力學(xué)性質(zhì))和外在因素(爆破相關(guān)的技術(shù)和參數(shù))[15]。本實(shí)驗(yàn)首先通過能量沖擊破碎實(shí)驗(yàn)獲得礦巖的可爆性數(shù)據(jù)，然后通過物理模擬實(shí)驗(yàn)獲得不同裝藥結(jié)構(gòu)條件下的炸藥爆破及炮孔破壞特征，再通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)力作用、裂隙形成和破壞效果的規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的相互驗(yàn)證。

2.1能量沖擊破碎實(shí)驗(yàn)

礦巖強(qiáng)度和脆性是內(nèi)在因素中的主要因素，通常礦巖強(qiáng)度越低可爆性越差，脆性越強(qiáng)越易于破碎。本實(shí)驗(yàn)主要從脆性的角度對(duì)礦巖進(jìn)行可爆性分級(jí)，采用能量沖擊破碎實(shí)驗(yàn)法，即應(yīng)用物理沖擊能量對(duì)炸藥的爆破能量進(jìn)行模擬，利用重錘從一定高度下落所形成的物理沖擊破碎礦巖。在重錘同等高度的沖擊下，由不同類型礦巖破碎的塊度分布來表征其脆性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括重錘、重錘沖擊筒、分級(jí)篩。首先將同種巖性的礦巖破碎至塊度30～40 mm，稱取600 g放入沖擊筒中底部，然后使重錘由沖擊筒口處自由落下往復(fù)沖擊6次，再將沖擊破碎后的礦石置入分級(jí)篩內(nèi)篩分并稱取篩上質(zhì)量，最后整理數(shù)據(jù)并進(jìn)行礦巖脆性分析。

2.2中深孔爆破物理模擬實(shí)驗(yàn)

在國(guó)際貿(mào)易交易中，交易企業(yè)和交易單位是國(guó)際貿(mào)易交易的主體，減少國(guó)際貿(mào)易風(fēng)險(xiǎn)，要對(duì)雙方交易國(guó)家做好充分調(diào)研，減少可預(yù)見性的風(fēng)險(xiǎn)損失，提高風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)見性，完善國(guó)際貿(mào)易體系。

物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虿糠帜M實(shí)際爆破過程，采用監(jiān)測(cè)設(shè)備觀測(cè)爆破過程中模型的變形，推斷原型上所發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象。在中深孔爆破中，如果孔內(nèi)未布置導(dǎo)爆索，正向或反向起爆后，爆轟波主要沿炮孔軸向傳播。當(dāng)孔內(nèi)布置全長(zhǎng)導(dǎo)爆索時(shí)，由于導(dǎo)爆索的爆速遠(yuǎn)大于孔內(nèi)裝填的乳化銨油炸藥的爆速，可近似地看成沿藥柱同時(shí)起爆，爆轟波的傳播方向?qū)l(fā)生改變不再主要沿軸向傳播。為研究炮孔內(nèi)布置全長(zhǎng)導(dǎo)爆索對(duì)炸藥爆破及炮孔破壞的影響，對(duì)孔底和孔口起爆方式分別設(shè)計(jì)了物理模擬實(shí)驗(yàn)，每種起爆方式分為未布置和布置全長(zhǎng)導(dǎo)爆索兩種方案。

實(shí)驗(yàn)使用φ6 cm×75 cm的鋼管模擬炮孔，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料還包括起爆器、導(dǎo)爆管、雷管、起爆藥包、導(dǎo)爆索、乳化銨油炸藥、鋼板底板等，其中乳化銨油炸藥的爆速是導(dǎo)爆索的爆速的1/2左右。物理相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)前將鋼管焊接在鋼板底板上，使鋼管垂直于鋼板并保持穩(wěn)定接觸；將起爆藥包與雷管和導(dǎo)爆管聯(lián)結(jié)，在鋼管內(nèi)布置起爆藥包和導(dǎo)爆索，裝填藥乳化銨油炸藥并壓實(shí)；將裝填完畢的實(shí)驗(yàn)裝置緊靠實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的巷道壁；將導(dǎo)爆管引至安全地點(diǎn)與起爆器相連。爆破后收集破壞的實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)巷道壁面和底板損傷程度進(jìn)行觀測(cè)和記錄。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置附近巷道壁和孔底巖石的破壞程度、底板破口周圍的塑形變形和破口邊緣的卷曲情況，分析爆破時(shí)鋼管的徑向受力和底板在鋼管軸向上的受力。

2.3中深孔爆破數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬炮孔中裝填的炸藥的爆破過程，研究炸藥爆速的改變對(duì)巖體破壞的影響，以驗(yàn)證全長(zhǎng)導(dǎo)爆索條件下和一般狀態(tài)下炸藥爆炸的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)爆速為3 km/s的方案1和爆速為6 km/s的方案2進(jìn)行數(shù)值模擬，通過爆破后的裂隙發(fā)育情況來判別爆速對(duì)爆破效果的影響。模型尺寸為500 cm×500 cm×500 cm的立方體，炮孔尺寸為φ7 cm×500 cm，貫穿模型，起爆方式為孔底起爆。

3 結(jié)果與討論

3.1能量沖擊破碎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果中各巖性破碎礦巖的篩上比率，即在10 mm分級(jí)篩上的百分比，確定礦巖破碎的難易程度。沖擊破碎粒度分布如圖3所示。

圖3 沖擊破碎粒度分布

表1 礦巖可爆性分級(jí)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該礦體的主要礦巖類型——磁鐵片麻巖型具有較差的可爆性，需要通過優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)提高爆破質(zhì)量。

3.2中深孔爆破物理模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在物理模擬爆破實(shí)驗(yàn)中，爆破后在實(shí)驗(yàn)裝置底板的中心處形成了近似于圓形的破口，在破口周圍存在塑形變形區(qū)域。爆破物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

采用孔口起爆且無導(dǎo)爆索方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此裝藥結(jié)構(gòu)未形成穩(wěn)定的爆轟波，爆轟方向和壓力均不穩(wěn)定；全長(zhǎng)導(dǎo)爆索方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此裝藥結(jié)構(gòu)形成的爆轟波較為穩(wěn)定，沒有很強(qiáng)的爆轟波作用在鋼板上，更多的爆破能量作用于徑向方向上。采用孔底起爆且布置全長(zhǎng)導(dǎo)爆索方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：全長(zhǎng)導(dǎo)爆索方案起爆后，由于爆速快，短時(shí)間內(nèi)形成了大量高溫、高壓氣體，并產(chǎn)生了較大的爆轟壓力；起爆后，起爆藥包迅速引爆孔內(nèi)炸藥，瞬時(shí)內(nèi)產(chǎn)生極強(qiáng)的爆轟波擊穿了鋼板，其爆轟波反彈后再次作用在鋼板上，使破口周圍的鋼板卷曲；巷道壁面損傷表明，產(chǎn)生了較大的徑向受力。綜上所述，無導(dǎo)爆索的方案與布置全長(zhǎng)導(dǎo)爆索的方案相比，后者產(chǎn)生的爆轟壓力更大，破壞范圍更大，對(duì)鋼管徑向方向和巷道壁面的破壞也更嚴(yán)重。

3.3中深孔爆破數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)將不同方案典型的破壞縱剖面和橫剖面進(jìn)行裂隙生成效果的對(duì)比分析，礦巖體模型縱剖面見圖4。

圖4 礦巖體模型的縱剖面

由圖4可知，孔底起爆初始時(shí)，兩方案的裂隙發(fā)育程度和爆轟波的影響范圍均較小。傳播至孔中部時(shí)，方案2的粉碎區(qū)和破裂區(qū)范圍明顯增大，大量裂隙在炮孔周圍形成，更有利于礦巖的破碎。傳播至孔口時(shí)，方案2由于爆速高、爆轟壓力大，形成的裂隙規(guī)模依然較大，較高的爆速加大了孔口的破壞。由整體爆破效果可知，方案2起爆時(shí)趨近于沿藥柱同時(shí)起爆，其破壞特征表現(xiàn)為炮孔兩端破壞較輕，中間區(qū)域破壞嚴(yán)重，而方案1從孔底到孔口的破壞范圍相差不大。推論可知，中深孔爆破中炸藥的爆速越高，其爆破效果越趨向于柱狀藥包的爆破特征，其破壞范圍明顯增大。

由模型中應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可知，方案2首先達(dá)到應(yīng)力峰值，其應(yīng)力峰值接近于方案1的2倍。在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，方案2中的最大和最小應(yīng)力值均高于方案1，表明方案2在相同時(shí)間內(nèi)對(duì)礦巖的作用力更大，更利于礦巖的破碎。

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，爆速高的炸藥爆破時(shí)，炮孔壁及炮孔周圍區(qū)域受到的應(yīng)力值大于爆速低的炸藥，生成的裂隙寬度值和深度值均較大。由于裂隙在破巖過程中發(fā)揮著重要作用，因此增加爆速利于礦巖的初步破碎。隨著徑向壓應(yīng)力的增長(zhǎng)，切向拉應(yīng)力也隨之增長(zhǎng)，更大數(shù)量和尺寸的裂隙隨之產(chǎn)生，從而有利于爆生氣體對(duì)礦巖的進(jìn)一步破碎。爆速越高，炮孔的破壞特征越近似于柱狀藥包爆破的破壞效果，即炮孔中部區(qū)域破壞較重，炮孔兩端及其附近區(qū)域破壞較輕。數(shù)據(jù)表明爆速的增長(zhǎng)幅度與最大應(yīng)力峰值的增長(zhǎng)幅度存在近似的正比例關(guān)系。三維數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較高爆速炸藥在應(yīng)力作用、裂隙形成和破壞效果方面均明顯優(yōu)于低爆速炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)方案能夠提高礦山中深孔的爆破作業(yè)的效率和效果，驗(yàn)證了物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文將物理模擬與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，對(duì)崩落采礦法中深孔擠壓爆破質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了優(yōu)化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了工藝流程和實(shí)驗(yàn)裝置。對(duì)不同孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)和炸藥爆速條件下，礦巖爆破破碎機(jī)理和應(yīng)力、裂隙變化的規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過分析和研究中深孔爆破過程中礦巖的可爆性、裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥爆速對(duì)爆破能量的釋放過程和炮孔附近區(qū)域裂隙生成效果的影響，揭示了爆破對(duì)巖體破壞效果和應(yīng)力場(chǎng)變化的規(guī)律，并提出了最優(yōu)的中深孔裝藥結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果能夠?yàn)椴捎帽缆洳傻V法的礦山確定合理的中深孔擠壓爆破質(zhì)量控制方案提供依據(jù)。

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ExperimentofOreBlastingQualityControlTechnologyofExtrusionBlastinginCavingMethod

MINGJiana,b，GAOYongtaoa,b，HUNailiana,b，XIEJingpenga

(a. School of Civil and Resource Engineering; b. State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083, China)

In order to improve ore blasting quality in the blasting operation of caving, physical simulation experiment and numerical simulation experiment are used to study the ore blasting quality control technology of caving method. Based on the mechanism of ore rock fragmentation by blasting and the similarity theory, the experimental scheme was optimized, and the experimental process and devices were designed. By means of the ore rock blast ability experiment, the physical simulation experiment and the three-dimensional numerical simulation experiment are carried out, the experiment study with different explosive detonation velocities and charge structures gives the change law of the blasting effect on the ore rock, the distribution law of stress field and the energy release law of explosive blasting. Experimental results showed that the effect of stress, the crack forming and the damage effect of the explosion of the higher detonation velocity are better than those of the explosion of the low detonation velocity. The hole-bottom detonating technique and the arrangement of the prima cord in full length of the blasting hole can improve the quality of blasting. Experimental results can provide the basis and support for the experimental study and experimental design of the ore blasting quality control technology of caving method.

caving method; ore blasting quality; physical simulation experiment; numerical simulation experiment

TD 851

A

1006-7167(2017)09-0010-04

2016-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374032)；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃(2012BAB01B04)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(FRF-OT-16-015ST)

明 建(1979-)，男，山東夏津人，博士，工程師，現(xiàn)主要從事采礦方法和數(shù)字礦山研究。Tel.:010-62332081; E-mail:mingjian@ustb.edu.cn