径向不耦合装药对粉矿控制的影响研究.pdf
第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.008 径向不耦合装药对粉矿控制的影响研究* 罗志华,史秀志,陈飞理贤阳躍晓锋 中南大学资源与安全工程学院,长沙410083 摘要粉矿率是矿山经济技术指标评定的重要因素之一,粉矿数量多会增大铲装、运输的难度,也会扩大 矿石损失进而影响矿山开采经济效益。为了在爆破开采过程中有效降低粉矿的数量,减少矿山的损失,提高 经济效益,通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟的方法,分析模型单元失效比例和运用块度处理系统加工处理模 型裂纹进一步分析块度,研究径向不耦合装药对粉矿控制的影响。研究结果得出当炮孔直径为110 m时, 随着药包直径从60 mm增大到110 mm,整体失效体积比例由27. 83增大到46.73,岩体破碎粉矿程度逐 渐增高,与此同时,大块率比例由初始的17.60先下降至0再升高至20.01。药包直径在80 mm时,粉矿 率低,大块率符合要求。现场实证表明优化后的装药药包直径爆破过程中,所产生粉矿有明显的降低,且块 度适中。 关键词粉矿;径向不耦合装药;块度;裂纹 中图分类号TD235 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0047 - 09 Study on I nfluence of Radial Decoupling Charg e on Fine Ore Control L UO Zhi-hua, SHI Xiu-zhi, CHEN Fei, QIU Xian-yang, HU0 Xiao-feng Sch o o l o f Reso u r ces a n d Sa fet y En gin eer in g, Cen t r a l So u t h Un iver sit y, Ch a n gsh a 410083 , Ch in a Abstract Fine ore is one of the important factors in the uation of economic and technical indicators of mines. The increase of fine ore will not only complicate the difficulty of shovel loading and transportation, but also will increase the economic loss of ore which would further affect the economic benefits of a mine. I n order to effec tively reduce the quantity of fine ore during the blasting process, and improve the economic benefit, this paper ana lyzed the failure ratio of the model throug h ANSYS/LS-DYNA numerical simulation . And the model crack was also studied by the block processing system to analyze frag mentation and study the effect of radial decoupling charg e on the control of fine ore. The results show that when the diameter of the blast hole is 110 mm,as the diameter of the charg e increases from 60 mm to 110 mm, the proportion of the total failure volume rises from 27. 83 to 46. 73 , and the deg ree of fine ore g radually increases. When the diameter of the charg e is 80 mm,the fine ore ratio is low, and the larg e block rate meets the requirements. The field experiments showed that under the optimized charg e diameter, the produced fine ore is obviously reduced, and the frag mentation is moderate. Key Words fine ore ; ; radial decoupling charg e ; ; block size ; ; crack 粉矿产出率太高不仅对生产造成影响还浪费资 收稿日 802020-04-21 作者简介罗志华1994 -,男,硕士研究生,从事采矿与爆破方面 的研究工作,E-mail 1172445900 qq. como 通讯作者史秀志1966 -,男,教授、博士生导师,从事采矿与安全 方面的研究与教学工作, E-mailbaopo csu. edu. cno 基金项目“十三五”国家重点研发计划课题2017YFC0602902 源,因此粉矿的控制在矿山生产中十分重要。粉矿 问题归根结底还是块度问题,粉矿主要来源于爆破 破岩过程中。在爆破中块度的可控影响因素主要 有装药结构⑷、孔网参数⑵、起爆顺序⑶、起爆位 置⑷、炸药单耗㈤、最小抵抗线等同,其中装药结构 对爆破块度的影响最为明显[“。对装药结构进行 48爆破2020年9月 优化主要集中在对径向耦合系数优化这个方 面P为爆轰压力;Eo为单元最大面积;V为爆轰产 物相对体积;少为格林爱森参数。 无反射边界条件 无反射边界条件 图2径向不耦合装药模型示意图单位mm Fig . 2 Schematic diag ram of the radial uncoupled charg e modelunit mm 采用的2号岩石乳化炸药及其状态方程参数如 表2、表3所示[1546\ 表2炸药参数 Table 2 Explosive of parameters 密J/g - cm-3爆速/m・ ・ -1 \ S 爆轰压力/GPa 1.240007.4 表3炸药状态方程参数 Table 3Explosive state equation parameters AB R\ R2 3 Eq 2.144E 11 1.82E8 4.20.90.15 4.193E91 2.144E 11 1.82E8 4.20.90.15 4.193E91 2空气材料模型 在LS-DYNA软件中,空气模型采用* MAT_ NULL定义,空气密度是1.293 kg/m3o空气的状态 方程采用* EOS_LINEAR_POLYNOMIAL定义,其状 态公式如下“冏 p Co CfjL C2[x C3/x3 C4 C5/jl C6/i2 E 2 式中C〜C Tmax 6 2 6 W ac 3 式中6和cr3分别为最大主应力和最小主应 力;丁唤为最大剪应力;九为岩石抗剪强度;帀为岩 石抗拉强度。 本文中模拟采用的岩体模型为HJC模型,该模 型综合考虑了应变率效应和围压效应,其最突出的 特点就是可以反映出岩体的损伤演化效应,可较好 的描述岩体在高应变和高压力状态下的物理力学特 性[15,16]。 HJC 模型定义为 * MAT_JOHNSON_HOLMQU IST_CONCRETE,根据现场实际情况,表5为文中采 用的岩石HJC模型本构参数。 表5岩石HJC材料状态方程参数表 Table 5 Rock HJC material state equation parameter table 参数R0GABCNFC 数值24401.486E100.791.60.0070.6111.4E7 参数TEPS0EFMINSFMAXPCUCPL 数值9E61E-60.0171.6E70.0018E8 参数ULD1D2K1K2K3FS 数值0.10.0418.8E7-1.71E82.08E8-1 表中各项参数物理意义如下送0为质量密度; 为应变率系数;N为压力硬化指数;FC为准静态单 G为剪切模量;4为粘性常数;〃为压力强化系数;C 轴抗压强度同fJ ;T为最大拉应力;EPS0为参考 50爆破2020年9月 应变率;EFMIN为损伤常数(同min) ; SFMAX为归 一化最大强度(同Sma x);PC为压碎体压力(同 Pcr ush) ; UC为压碎体应变(同“沁h) ; PL为压实压力 (同Pl ock) ; UL为压实应变(同如Q ; D1为损伤常 数;D2为损伤常数;K1为材料压力常数;应为材料 压力常数;K3为材料压力常数;FS为失效形式。 在模拟岩体爆破时候。为了更好地表现出岩体 的失效,在关键字文件中添加拉伸失效的命令 * MAT_ADD_EROSION,来定义矿体受到拉伸应力 的失效条件,其中矿岩静态抗压强度为H4 MPa ,静 态抗拉强度为9 MPao在工程爆破中,岩石在加载 速率很大的爆破动载下发生破坏,故模拟中采用相 应的动态荷载强度作为单元失效判据,其与加载应 变率有关⑻,根据式(4)确定岩石动态抗压强度, 由式(5)确定动态抗拉强度[19-21]o CTcd 二 6丫3 (4) o-td (5) 式中兀为岩石静态抗压强度;兀/为岩石动态 抗压强度;乞为粉碎区加载应变率,取ioS-1;为 岩石静态抗拉强度;”血为岩石动态抗拉强度;㈢为 裂隙区加载应变率,取l o r “。 14失效计算结果分析失效计算结果分析 为方便观察失效扩展的情况,特给出其中一个 模拟(模型IV药包直径为90 mm)的数值模拟失效 应力云图演化过程。观察图3,随着时间推移,失效 裂纹和外围的高应力同时向外扩张。在0.6 ms时 候,冲击波传递到最右侧的自由面附近,接着会发生 应力波反射现象,自由面附近开始出现拉伸失效。 纵使在模型的上下两侧及左侧添加了无反射边界条 件,但是实际计算过程中,仍然会有产生反射应力 波,为避免来自炮孔左侧的反射应力波的干扰,故研 究计算时间最大是1・2 ms。而在实际计算过程中, 最大可能降低无关因素的影响,选取炮孔右边的开 挖区为研究对象,且最上边一条药和最下边的药所 对应的范围会受到模型边界的影响,因此也不在研 究范围内。 如图4所示的各种装药方式的范围即为本文数 值模拟的研究范围,现给出上文中表1中的六种模 型的最终失效图。图中B区域代表空气间隔所对 应的研究爆破失效范围”和C区域代表炸药所对 应的研究爆破失效范围。研究思路如下求出人、〃、 C这三个区域各自的失效比例,以及4BC整体区域 的的失效比例(如图4中模型II框内区域分别为指 代4、B、C区域)。划定一个失效比例最小值,若小 于这个比例值,说明该对应区域的破碎效果不好,尤 其是最中间的空气间隔的失效比例。对比各个区域 以及整体的失效比例,若失效比例之间差别不明显, 就说明了其对应的装药方式会使得储藏在炸药中的 能量能够较均匀的分配在待爆破岩体中,也就代表 了该种装药方式较同组的装药方式更为合理。 /0.2 ms 0.4 msZ 0.6 ms 0.8 ms 1.0 mst1.2 ms 图3模型应力与失效演化图 Fig . 3 Model stress and failure evolution diag ram 模型i 模型h 模型in (药包直径为60 mm)(药包直径为70 mm)(药包直径为80 mm) 模型W 模型V 模型VI (药包直径为90 mm)(药包直径为100 mm)(药包直径为110 mm) 图4六种模型的最终失效图 Fig . 4 Final failure diag ram of the six models 在后处理中,可统计得到研究区域的体积变化 情况,其中体积减少量就是因失效而删除的单元总 体积。失效体积与研究区域总体积的比值就是失效 比例。设置显示了最大值与最小值,可得到损伤体 积的变化。最大值是选中模型研究区域的初始体 积,即模拟运算开始之前的体积,最小值是经过 1.2 ms失效运算后对应区域的体积,二者相减就可 以得到失效的体积,其单位是立方米。将六组模型 依次操作,可得到表6。 第37卷第3期罗志华,史秀志,陈飞,等径向不耦合装药对粉矿控制的影响研究51 表6径向模型失效表单位 m3 Table 6 Radial model failure table unit m3 组编号模型I模型H模型血模型IV模型V模型VI 原有4.400E-24.400E-24.400E-24.400E-24.400E-24.400E-2 整体剩余3.176E-22.983E-22.783E-22.738E-22.681E-22.344E-2 区域失效1.225E-21.418E-21.618E-21.662E-21.719E-22.056E-2 比例/27.8332.2236.7637.7839.0646.73 A 区 域 原有1.400E-21.400E-21.400E-21.400E-21.400E-21.400E-2 剩余9.999E-39.025E-38.847E-38.483E-38.489E-37.942E-3 失效4.001E-34.975E-35.513E-35.517E-35.511E-36.059E-3 比例/28.5835.5336.8139.4139.3643.28 B 区 域 原有1.600E-21.600E-21.600E-21.600E-21.600E-21.600E-2 剩余1.187E-21.113E-21.034E-21.003E-29.951E-3X50逐渐减小但到了 110 mm直径模型又略微反 弹;X80以及Ma x最大块先是逐渐减小,到了 100 mm模型和110 mm直径模型时急剧增大,说明 随着药包直径变大,岩石爆破破碎程度增加,但是在 100 mm药包直径和110 mm药包直径(全耦合)装 52爆破2020年9月 药情况下的破碎块度分布极为不合理,且最大块度 尺寸达755 mm,对于该系列模拟实验认定为超大 块。为方便观察,将表中数据绘制块度累积尺寸分 布曲线如下。 图6中模型V和模型VI的曲线,X20小而X80 大,表明其块度主要集中在小尺寸和大尺寸的块度 上,均匀性较差。炸药爆炸后由于不耦合的空气不 足甚至没有,致使在炸药近区消耗过多能量用于破 碎形成小尺寸块度粉矿,而在炸药远区能量不足 形成较多的大尺寸块度大块。模型I的块度整 体都比较大,虽说降低了小尺寸块度粉矿,但是 易产生较大尺寸块度。 a 处理前 a Befo r e pr o cessin g b处理后 b Aft er pr o cessin g 图5块度分析图 Fig . 5 Block analysis chart 表8块度尺寸分布表 Table 8 Block size distribution table 尺寸/ 比例/ mm模型I模型U模型皿模型W模型V模型VI 300.130.530.500.640.670.67 500.552.001.962.082.863.44 701.314.124.066.467.189.13 1003.157.878.2414.9417.8920.58 1508.8516.1921.4527.2738.0637.89 20017.4126.5135.7442.0553.2049.35 25027.4736.7450.1158.6764.0356.11 30038.0148.1366.2974.5773.0660.17 35048.4460.2378.5887.9781.3964.07 40058.7570.3288.5595.2088.0368.03 45068.6175.5995.1698.8393.0072.19 47573.1079.9997.4199.8394.8074.51 50077.4883.8998.41100.0096.0276.92 52581.4687.1399.12100.0097.1779.39 55085.1489.8299.84100.0098.2581.85 57588.1092.37100.00100.0099.2584.30 60090.9494.46100.00100.00100.0086.70 65095.3496.63100.00100.00100.0091.25 70098.29100.00100.00100.00100.0095.42 X20/ mm213.11175.48143.52126.07105.0298.56 X50/ mm357.61319.17250.68224.95187.84203.61 X80/mm515.76452.74358.29320.54341.20531.22 Max/mm724.57648.91552.68478.83581.45755.17 由于不同情况下粉矿和大块的界定标准不一 样,因此只有同一情况下的系列试验才具有可比性。 据此本文采用卢文波等提出的关于块度处理的“两 边法则”国],该法则具体操作步骤是在图6中分别 做过点0,20与点0,80垂直于y轴的射线,取过 点0,20的射线与图6中曲线的第一个交点为粉 矿上界,取过点0,80的射线与图6中曲线的最后 一个交点为大块下界,如图6所示,据此得出六个模 型的块度和分布比例,如表9所示,此结果虽然不能 真是代表实际爆破的结果,但在反映趋势与揭示规 律方面为定量评价爆破破碎块度效果提供了一定的 参考依据并具有高度合理性。 观察表9可知,表中模型I虽然粉矿率较低,但 是大块率高达17.60 ;相反地,模型V的大块率较 低但是粉矿率又太高;以及模型VI的粉矿率和大块 率都是同类型最高的。此三种药包直径首先便可排 除。型皿与模型II的粉矿率最大相差1左右,但 大块率相差在9以上,也可排除模型U。模型皿 第37卷第3期罗志华,史秀志,陈 飞,等 径向不耦合装药对粉矿控制的影响研究53 的粉矿数量少于与模型IV的粉矿数量,两者大块率 都在合理范围内。结合上文单元失效综合考虑可得 出,模型皿为最优方案。 100 80 70 60 50 40 30 20 10 0 90 200 300 400 块度尺寸/mm 图6块度尺寸累计分布曲线 Fig . 6 Cumulative distribution curve of block size ----Mo del I -----Mo del II Mo del HI . [Mo del IV/ r . ......Mo del .....Mo deVjy / 98.56,20 /// / \ / / / / 531.22,80 表9粉矿、大块尺寸分布比例表 Table 9 Mag nesium ore, larg e size distribution ratio table 组编号 粉矿大块 粉矿上界 尺寸/mm 比例/ 大块下界 尺寸/mm 比例/ 模型I98.563.04531.2217.60 模型u98.567.63531.229.22 模型I D98.567.97531.220.68 模型W98.568.54531.220 模型V98.5617.30531.222.55 模型VI98.5620.01531.2220.01 2工程实例 通过现场实地调查研究发现,爆破块度尺寸小 于3 cm不利于铲装,易造成损失,且对于含硫矿石 极易发生板结现象,因此将块度尺寸为3 cm定义为 粉矿上界。将本文研究成果运用于矿山实验采场进 行爆破试验,图7为采场爆破效果图,图中参考物为 矿泉水瓶水瓶尺寸瓶盖直径为3 cm;瓶底直径为 5. 5 cm;高为18 cm o从图7a 为改善前采场爆破 效果图,采场采用直径为90 mm药包进行装药,炸 药单耗0. 22 kg/t爆破后块度小于3 cm的较多,矿 石爆破后较为破碎,粉矿数量较多。图7b为改善 后采场爆破效果图,采场爆破使用直径为80 mm药 包,炸药单耗0.18 kg/t ,改善后的爆破块度3 cm以 下的数量明显减少,块度多数处于5.5 18 cm且大 块率少,块度大小分布较为均匀,很好的满足矿山生 产需求,减少开采损失。 a 改善前 a Befo r e impr o vemen t b改善后 b Aft er impr o vemen t 图7爆破效果图 Fig . 7 Blasting effect diag ram 3结论 1 采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件, 对6组模型I〜VI进行数值模拟,通过对选定区 域的单元失效比例分析发现,随着装药药包直径从 90 mm增大到110 mm,其整体区域单元失效比例增 大,岩体破碎程度逐渐提高。药包直径为80 mm 时,三个小区域方差S]与整体区域S2数值差值小, 炸药层和空气层分布的能量较为均匀。 2 运用块度处理系统对6组I〜VI模型数 值模拟的裂纹进行处理以进一步块度分析,研究结 果表明随着装药药包直径从90 mm增大到 110 mm,其粉矿率占比逐渐提高,大块率占比先降 低再提高。药包直径为80 mm、90 mm时,粉矿率比 例小,大块率在合理范围内,且块度分布均匀。文章 从粉矿角度出发,综合全文考虑优选直径为80 mm 药包为最佳装药方案。 3 将确定的最佳装药药包直径应用于实际采 场爆破,得到较好的爆破效果,矿山爆破过程中产生 的粉矿数量明显降低且大块少,块度分布较为均匀, 表明调整装药药包直径来控制粉矿产出率有十分明 显的优势,可为解决类似矿山问题提供一定的参考 依据。 参考文献参考文献References [1]李新平,陈萍萍,罗 忆,等非对称不耦合装药结构 对预裂爆破效果的影响[J] 爆破,2017,34325-30. 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