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采场轮廓预裂爆破模拟运用

发布日期:2020-05-26   来源:矿道网   投稿者:bzy   浏览次数:2350

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 本文作者:朱兆文 徐 敏 黄治成 许 杰 单位:山东黄金股份有限公司新城金矿 中南大学资源与安全工程学院

地下矿山中,炸药爆破产生的大部分能量以地震波、空气冲击波等形式传递给矿体和围岩,在破碎矿体的同时也对需保留的围岩造成了振动和损伤,甚至会对围岩造成严重破坏[1-3]。为减小爆破对围岩的破坏,并保证围岩按轮廓线开挖,常采用采场轮廓预裂爆破控制技术。预裂爆破能保证开挖面光滑平整,减小爆破对围岩的累积效应和稳定性扰动程度,对爆破质量的提高,实现安全、经济和有效的岩体开挖有重要意义[4-5]。理论研究和工程实践均表明[6-8],预裂爆破效果取决于生成的预裂缝。然而,预裂爆破裂纹的产生是一个既短暂又复杂的过程,期间存在着大量随时间和空间变化的参量。近年来,随着计算机技术和数值计算方法的快速发展,数值模拟方法也越来越多地应用于预裂爆破的研究中[9-11]。本文结合新城金矿具体落矿条件与爆破环境,利用LS-DYNA有限元动力分析软件模拟预裂成预裂缝的过程。根据麦夸特法和全局通用法,选取模拟效果较优的参数拟合出预裂爆破线装药量公式,计算出预裂孔装药量,在该矿试验采场结合生产实践进行了预裂爆破试验。

1预裂成缝的数值模拟

1.1有限元模型的建立及分组采用cm-g-μs单位制建立预裂缝成缝模型。考虑模型为轴对称模型,为了减少计算量,只建立其1/2模型。模型长210cm,宽120cm,厚0.2cm,如图1所示。模型中共有3种材料,即炸药、空气和岩石。三种材料均选用solid164实体单元,对炸药和空气进行扫掠网格划分,对岩石采用自由网格划分。根据计算模型的对称性,左右边界和上边界仅施加垂直方向位移;而下边界既施加垂直方向位移,也施加水平方向位移。为反映模型以外空间的无限状态,减小边界应力波反射的影响,对边界施加无反射边界条件,吸收膨胀波和剪切波。炸药起爆点均为炸药中心,0时刻,两孔同时起爆。对于具体的矿山,预裂爆破效果主要取决于3个要素:孔径、孔距和线装药密度[7]。根据同类矿山预裂爆破孔距、线装药密度和体积不耦合系数的理论计算值、经验公式和经验取值范围分别建立了16组预裂爆破成缝模型,模型分组如表1所示。

1.2材料参数爆破近区矿体发生屈服破坏,矿体的动态抗压强度随加载应变率的提高而增大,选择具有弹塑性性质的动力学模型MAT-PLASTIC-KINEMATIC模拟较合理[12-13]。根据岩石力学试验,上下盘围岩及矿体的力学参数如表2所示。选用LS-DYNA内嵌炸药模型MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模拟2#岩石乳化炸药。炸药密度为1.2g/cm3,爆速为3200m/s。炸药状态岩体爆破产生的粉碎区是岩体受压所致,非粉碎区则是以受拉破坏为主。柱状药包爆破时,炮孔周围的单元受到了不均匀的拉伸,矿岩单元拉伸应力以炮孔为中心向周围呈递减梯度变化。抗拉动载荷强度σtd与静载荷强度σt满足σtd=σt,在非粉碎区模型破坏准则通过__强度理论(最大拉应力理论)判断模型材料的失效,所以定义岩石的抗拉强度需添加MAT-ADD-EROSION关键字,当单元的有效应力达到其设定的抗拉强度时自动消失,以动态显示预裂缝的形成过程[14-15]。

2数值模拟结果及分析

2.1预裂爆破成缝过程分析模型1药量合适、预裂缝贯通、保留岩体保护好,可以看出预裂爆破的成缝过程,如图3所示,两预裂孔同时起爆,起爆80μs内,矿石主要表现为各个方向均匀分布的压缩破坏,尚未形成预裂缝。160μs后,压缩破坏区的范围已经不再增大。预裂缝开始从两孔孔壁出现并沿着两孔连线方向发展。230μs时,预裂缝继续向前发展,准备再贯通两预裂孔。500μs时,中间两预裂孔贯通,形成整齐的预裂缝。分析模型3可以看出同等孔径和孔距时,因为装药量偏大,预裂缝未贯通的情况,如图4所示,爆破的能量主要集中于破碎炮孔附近的矿石中,形成了较大的粉碎圈,而没有形成应有的预裂缝,也就没有达到预裂的效果。在实际工程中,也无法有效的控制采场的轮廓。

2.2预裂爆破成缝结果分析16组预裂爆破模拟成缝效果如表3所示。从表中可以看出,第1、第2、第6、第10和第15组预裂爆破效果较好。这5组预裂爆破成缝模型线装药密度、孔间距合适,预裂缝贯通,孔壁和保留岩体损伤较小。在具体工程中,炸药的种类是确定的,那么影响预裂爆破效果的3大因素为孔间距、孔径和线装药密度。选取这5组预裂爆破效果好的参数,运用Lsopt软件拟合得到其三维参数的关系式,如式(2)所示。式中Δ线为线装药密度,g/m;a为孔间距,cm;d为炮孔直径,cm。由于线装药密度一定的情况下,体积不耦合系数亦确定,所以式(2)中体积不耦合系数不作为自变量。

3现场应用验证

根据数值模拟的研究成果,在山东黄金新城金矿-630m水平,结合实际生产进行了工业试验。试验采场为63762采场,该段矿体以细脉状金矿石为主,网脉状和团块浸染状金矿石为辅。上下盘围岩均为绢英岩质碎裂岩,岩石力学性质如前所述。使用全分段预裂挤压一次爆破强化技术开采矿体,即采用预裂爆破技术控制采场的轮廓,然后通过主爆孔爆破破碎矿石。其中,预裂孔孔径为70mm,孔距为0.7m。使用2#岩石乳化炸药,药卷直径为32mm,长20mm,重0.2kg。将参数带入式(2),可得该采场预裂孔的装药密度为0.286kg/m。南帮预裂孔孔均深3.5m,实际装药1.2kg;北帮预裂孔均深7.8m,实际装药2.6kg。爆破后,采场两帮平整光滑,两帮预裂炮孔清晰可见,采场轮廓控制情况良好,如图5所示。4结语1)运用LS-DYNA软件,根据新城金矿的矿岩条件和凿岩爆破参数,建立了16组预裂爆破成缝模型,模拟了预裂爆破成缝的整个过程。2)选取5组预裂爆破效果较好的参数,运用Lsopt软件拟合出关于孔径和孔间距的预裂爆破线装药量公式。3)数值模拟研究成果应用于新城金矿的采场轮廓控制中,爆破后,采场两帮断面整齐,两帮半边炮孔清晰可见。试验的成功为其它矿山进行采场轮廓控制提供了一条新途径,具有广阔的推广应用前景。

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