金鼎钨钼矿露天台阶深孔爆破参数优化.pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 012 金鼎钨钼矿露天台阶深孔爆破参数优化* 陈清运 1， 余少平1， 彭静波2， 郑祖静3， 徐正碧1， 张惠君1， 黄贞林1 （1. 武汉工程大学 资源与土木工程学院， 武汉 430074; 2. 武汉新航道培训学校， 武汉 430000; 3. 武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070 摘 要 为解决金鼎钨钼矿生产中存在的大块率过高、 根底残留等问题， 通过力学实验研究、 数值模拟和现 场试验， 对该露天台阶深孔爆破参数进行优化。通过常规三轴试验研究， 得到了该矿岩力学参数和矿岩性 质， 确定其矿岩炸药单耗 0. 68 kg/ m3； 运用 ANSYS/ LS-DYNA 软件对爆破参数进行优化， 以炮孔密集系数 m 为变量， 通过比较坡底、 坡顶有效应力与岩石的动抗拉强度， 判断相应炮孔密集系数下矿岩的爆破效果。结 果表明 当炮孔密集系数 m 1. 5 时， 坡底和坡顶岩石均被破坏， 大块明显减少， 振动危害也小， 达到预期爆 破效果。将优化后的爆破参数 孔径 d 20 cm， 炸药单耗 q 0. 68 kg/ m3， 炮孔密集系数 m 1. 5， 孔排距为 600 cm 400 cm 应用于生产现场， 爆破效果大为改善， 大块率低于 5。可以为类似极硬岩矿山提供参考 经验。 关键词 极硬矿岩；深孔台阶爆破；参数优化；炮孔密集系数；ANSYS/ LS-DYNA 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0075 -05 Optimization of Deep-hole Bench Blasting Parameters in Jinding Tungsten Molybdenum Mine CHEN Qing-yun1， YU Shao-Ping1， PENG Jing-bo2， ZHENG Zu-jing3， XU Zheng-bi1， ZHANG Hui-jun1， HUANG Zhen-lin1 （1. School of Resources and Civil Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430074， China; 2. Wuhan New Channel Training Schools， Wuhan 430000， China; 3. School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China Abstract In order to solve the problems of high boulder yield and toe rock residue in the production of Jinding tungsten molybdenum ore， the parameters of deep-hole bench blasting are optimized through mechanics experiment， numerical simulation and field application test. The rock mechanical parameters and rock properties are obtained by the conventional triaxial test， and the explosives specific charge of 0. 68 kg/ m3is determined. Taking borehole com- pression coefficient m as the variable， the blasting parameters were optimized by ANSYS/ LS-DYNA， and the blasting effect under the corresponding hole density coefficient is determined by comparing the effective stress at the bottom and top of the slope with dynamic tensile strength of the rock. The results show that when m 1. 5， the rocks at the bottom and the top of the slope are destroyed， the boulder are obviously reduced， and the vibration hazard gets smal- ler， and the expected effect is achieved. The optimized blasting parameters（hole diameter 20 cm， explosives specific charge 0. 68 kg/ m3， borehole compression coefficient 1. 5， row space 600 cm and hole space 400 cmare applied to the production field， the blasting effect is greatly improved， and the boulder yield is lower than 5， which can pro- vide reference for similar extremely hard rock mine. Key words extra hard ore;deep-hole bench blasting;parameter optimization;borehole compression coeffi- cient;ANSYS/ LS-DYNA 万方数据 收稿日期 2017 -10 -15 作者简介 陈清运 （1964 - ， 男， 博士、 教授， 主要从事采矿工程的教 学与研究工作，（E-mail qingyun2. chen163. com。 通讯作者 余少平 （1992 - ， 男， 硕士研究生， 主要从事采矿、 爆破方 面的学习与研究，（E-mail 970223392 qq. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （51374049 在金鼎钨钼矿露天台阶深孔爆破生产中， 存在 着爆堆大块率过高、 块度分布不均、 根底残留等一系 列问题， 为了降低大块率、 减少二次破碎和根底处理 量， 改善后续作业环境， 须进行台阶深孔爆破参数的 优化工作 [1， 2]。国内外学者在爆破参数优化方面进 行过很多研究， 国外侧重于用图像分析 [3]、 人工神 经网络等技术分析和预测爆破块度 [4]， 从而达到优 化爆破参数的目的; 而国内学者主要采用现场试 验 [5， 6]， 神经网络[7-9]， 数值模拟等手段来研究和优 化爆破参数 [10-12]。 通过力学实验研究， 数值模拟和现场应用试验 三方面， 对该矿的台阶深孔爆破参数进行优化。常 规三轴试验表明该矿岩属于极硬岩， 考虑到这种岩 石本身的特殊性， 可以参考的爆破参数较少， 采取数 值模拟手段来优化爆破参数。根据矿山目前状况， 通过改变炮孔密集系数， 利用 ANSYS/ LS-DYNA 软 件对其分别进行模拟对比分析， 得出符合矿山实际 的爆破参数， 并将其运用到实际矿山。 1 矿岩力学参数研究 1. 1 工程概况 金鼎钨钼露天矿目前处于山坡露天矿开采阶 段， 采场工作平台分别为 132 m 和 120 m 台阶。 132 m台阶为风化矿石， 120 m 台阶除边缘外皆为原 生矿。该区矿石类型按含矿岩性划分， 主要有 花岗 闪长斑岩型、 二长花岗斑岩型和花岗闪长岩型等。 矿区内存在断层和节理， 节理裂隙比较发育。生产 中， 深孔台阶爆破大块率高达 40以上， 二次破碎 量大， 成本高， 同时， 对初碎系统影响大。 1. 2 岩石常规三轴试验研究 试样制作 采用金刚石岩芯钻， 钻取现场取回矿 样的岩芯， 制成直径 50 mm， 高 100 mm 的标准试 样。矿样试件进行常规三轴试验， 围岩压力分别是 5 MPa、 10 MPa、 15 MPa、 20 MPa、 30 MPa、 40 MPa、 50 MPa、 60 MPa。未风化矿岩三轴试验结果如表 1。 在不同围压条件下， 该矿岩的最大轴压见表 1。 基于摩尔应力圆， 确定岩石的黏聚力 c、 内摩擦角 φ 和岩石单轴抗压强度 σc， 各岩石力学参数见表 2。 1. 3 点荷载试验确定 σt 根据点荷载试验来确定点荷载强度， 从而估算 岩石的单轴抗拉强度， 根据文献 [2] ， 未风化矿岩的 点荷载强度 Is （50 9. 632 MPa， 岩石抗拉强度按照 经验公式 σt0. 8Is （50计算， 计算得 σt7. 7 MPa。 表 1 未风化矿岩三轴试验结果 Table 1 Triaxial test results of unweathered ore 试块 编号 围压 σ3/ MPa 最大轴压 σ1/ MPa 弹性模量 E/ GPa 泊松比 μ 15299. 14363. 5850. 323 210356. 78260. 7960. 419 315409. 80163. 4010. 373 420431. 20962. 7280. 409 530505. 72362. 3120. 343 640575. 97062. 4800. 407 750610. 22760. 2880. 394 860656. 42061. 6320. 384 平均62. 1530. 382 综上， 根据岩石常规三轴和点荷载试验， 得到未 风化矿岩的力学参数如表 2， 作为后续爆破参数优 化模拟的依据。 表 2 未风化矿岩力学参数 Table 2 Mechanics parameters of unweathered ore 岩性 单轴抗压强度 σc/ MPa 单轴抗拉强度 σt/ MPa 弹性模量 E/ GPa 泊松比 μ 内聚力 c/ MPa 内摩擦角 φ/ 未风化矿岩241. 337. 762. 1530. 381636. 1157 试验表明 这种岩石具有较大的抗压强度， 内聚 力和泊松比， 岩石坚硬且横向变形性较大， 会给爆破 增加很大的难度。该区矿岩的可爆性属于 Ⅰ 级极难爆 破矿岩， 结合现场生产需要的爆破块度 （≤750 mm 以及矿岩结构面发育和矿岩石风化程度， 确定矿岩炸 药单耗为0.68 kg/ m3。 表 2 是岩石在静载作用下的抗压强度和抗拉强 度， 根据文献 [2] ， 在爆破条件下， 由于受到爆破振 动的影响， 岩石的抗拉和抗压强度均会发生变化， 岩 石在动载条件下抗拉和抗压强度应为静载条件下的 2 2. 7 倍。因此模拟中岩石的动载抗压强度为 482 MPa， 动载抗拉强度为 15. 4 MPa， 作为岩石的临 界压力值， 是后面模拟分析的依据。 67爆 破 2018 年 3 月 万方数据 2 不同炮孔密集系数的数值模拟 2. 1 模型建立及参数 根据矿山实际情况， 基本爆破参数设置为 台阶 高度 H 1200cm， 超深 L1 250 cm， 堵塞长度 L2 250 cm， 底盘抵抗线 W 600 cm， 安全距离 B 250 cm， 炮孔直径 d 200 mm， 炸药单耗 q 0. 68 kg/ m3。以 炮孔密集系数 m 为变量建立三种模型 m 1. 2， m 1. 5， m 1. 8， 即孔排距分别取600 cm 500 cm， 600 cm 400 cm， 900 cm 500 cm。以双排炮孔来 进行爆破模拟分析， 模型尺寸参数如表 3。 表 3 模型尺寸 Table 3 Model size 炮孔密集 系数 m 孔径 d/ cm 顶长 a/ cm 顶宽 b/ cm 底长 a1/ cm 底宽 b1/ cm 高 h/ cm 坡面角 α/ 1. 2201600120026001200200075 1. 5201400120024001200200075 1. 8201600180026001800200075 2. 2 数值模拟结果与分析 炮孔密集系数 m 1. 5 时， 不同时刻爆破模拟 最大主应力变化如图 1。 图 1 分 别 是 T 600 μs、 650 μs、 1050 μs、 2400 μs时刻的最大主应力示意图， 在爆炸初期， 爆 炸压力达到 5329 MPa， 远大于岩石的动抗压强度 482 MPa， 炮孔周围的岩石被破坏、 压碎。T 650 μs 时， 两排炮孔产生的应力波相遇叠加， 叠加区域应力 值增加， 将岩石破坏。随着应力波从中部传至两端， 然后以球状形式向外传播， 爆炸压力逐渐衰减， 传播 到台阶坡顶和坡底自由面以及附近位置时， 岩石主 要以拉断破坏为主。 在台阶的坡底和坡顶自由面处， 每隔 1 m 选择 一个单元， 得到坡底跟坡顶最大主应力时间历程曲 线图， 如图 2、 图 3 所示， 分析坡底和坡顶的爆破 效果。 图 1 m 1. 5 爆破过程图 Fig. 1 Blasting process diagram of m 1. 5 图 2 坡底最大主应力时间历程曲线图 Fig. 2 Time history curve of the maximum principal stress at the bottom of the slope 77第 35 卷 第 1 期 陈清运， 余少平， 彭静波， 等 金鼎钨钼矿露天台阶深孔爆破参数优化 万方数据 图 3 坡顶最大主应力时间历程曲线图 Fig. 3 Time history curve of the maximum principal stress at the top of the slope 从图 2， 图 3 可以看出， 坡底和坡顶处的岩石都 是先受到压应力的作用， 然后才受到拉伸力作用， 具 体的值如下表 4 所示。类似炮孔密集系数 m 1. 5 的应力分析过程， 对炮孔密集系数 m 1. 2 和 m 1. 8 分别做爆破模拟， 得到坡底、 坡顶单元应力峰值 如表 4 所示。 表 4 不同炮孔密集系数下坡底、 坡顶单元应力峰值 Table 4 Peak stress at the bottom and top of the slope under different borehole compression coefficient 炮孔密集系数位置单元123456平均 坡底 拉应力峰值/ MPa014. 7021. 9023. 8022. 5021. 0017. 32 m 1. 2 压应力峰值/ MPa57. 157. 5062. 6062. 2068. 6071. 5063. 25 坡顶 拉应力峰值/ MPa03. 106. 606. 801. 100. 903. 08 压应力峰值/ MPa51. 156. 7061. 6064. 9069. 7073. 9062. 98 坡底 拉应力峰值/ MPa37. 236. 7036. 4036. 4036. 5036. 8036. 67 m 1. 5 压应力峰值/ MPa11. 711. 2014. 1011. 4012. 2012. 4012. 17 坡顶 拉应力峰值/ MPa21. 420. 8018. 4023. 4023. 4021. 1021. 42 压应力峰值/ MPa9. 36. 709. 307. 4010. 408. 808. 65 坡底 拉应力峰值/ MPa34. 142. 8040. 9044. 8048. 9052. 1043. 93 m 1. 8 压应力峰值/ MPa8. 119. 0022. 9026. 9021. 3024. 3020. 42 坡顶 拉应力峰值/ MPa32. 927. 3032. 1029. 1019. 4028. 2028. 17 压应力峰值/ MPa0. 48. 9013. 1016. 906. 808. 409. 08 由表 4 知， 很显然， 当 m 1. 2、 1. 5、 1. 8 时， 坡 顶、 坡底处单元的平均压应力峰值均远小于岩石的 动抗压强度 484 MPa， 所以应力波传播到坡顶、 坡底 处时， 能量不断衰减， 岩石不可能受动压破坏。 便于分析结果， 将三种不同的炮孔密集系数模 型得到的坡顶和坡底的平均拉应力峰值如图 4 中。 图 4 坡顶和坡底的平均拉应力峰值 Fig. 4 Average peak tensile stress at the top and bottom of slope 从图 4 可以看出， 炮孔密集参数 m 1. 2 时， 坡 底处单元的平均拉应力值大于的岩石动抗拉强度， 岩石能被拉伸破坏， 而坡顶处单元的平均拉应力值 小于岩石动抗拉强度， 岩石不能被破坏， 故有大块产 生; m 1. 5 和 m 1. 8 时， 坡顶和坡底处单元的平 均拉应力值均大于岩石动抗拉强度， 岩石能被拉伸 破坏， 均达到预期的爆破效果。随炮孔密集参数 m 增大， 有利于坡顶坡底处应力峰值的增加; 但当 m 大于 1. 5 时， 继续增大 m， 应力峰值增长趋于缓慢。 m 1. 8 时应力值更大一些， 也会产生较大的爆破振 动， 综合考虑， 选择炮孔密集系数 m 1. 5， 选择孔排 距为 600 cm 400 cm。 3 现场应用试验 优化之前 120 水平 （如图 5 的爆破大块率很 高， 达到 40以上。根据数值模拟优化的爆破参数 87爆 破 2018 年 3 月 万方数据 以及现场实际情况， 选择爆破孔径 d 20 cm， 炸药 单耗 q 0. 68 kg/ m3， 炮孔密集系数 m 1. 5， 孔排距 为 600 cm 400 cm。在 96 m 水平 （如图 6 进行现 场试验， 经过统计， 96 m 水平的爆堆平均大块 （块度 ＞750 mm 率小于 5， 较上部平台 （132 m、 120 m 平台 爆破效果有大大的改善。 图 5 120 m 水平爆破效果图 （优化前 Fig. 5 Blasting effect at 120 m level （before optimization 图 6 96 m 水平爆破效果图 （优化后 Fig. 6 Blasting effect at 96 m level （after optimization 4 结论 （1 矿岩常规三轴和点荷载试验结果表明， 矿 岩单轴抗压强度 σc 241. 33 MPa， 单轴抗拉强度 σt7. 7 MPa， 矿岩属于极硬岩， 确定炸药单耗为q 0. 68 kg/ m3。 （2 数值模拟结果表明， 炮孔密集参数 m 1. 5 时， 坡顶坡底处岩石主要以拉伸破坏， 且产生的爆破 振动危害也较小。对于这种极硬岩石的爆破， 适当 增加炮孔的密集系数， 能够改善爆破效果。 （3 现场试验结果表明， 采用炮孔密集系数m 1. 5， 大块率能控制在 5以下， 爆破振动也得到明 显改善。 参考文献 References [1] 彭静波. 极硬岩条件下露天台阶深孔爆破质量改善研 究 [D] . 武汉 武汉工程大学， 2015. 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