粒状铵油炸药轴向连续装药预裂爆破数值模拟及应用研究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.018 粒状钱油炸药轴向连续装药预裂爆破 数值模拟及应用研究 刘罠王黠说飞贮周岳刘宗海’ 1.北方爆破科技有限公司，北京100089 ；2,北京奥信化工科技发展有限责任公司，北京100040 摘要针对乳化药卷供应不足制约预裂爆破进展的问题，探索了一种新的装药结构模式，即采用低威力 的多孔粒状铁油炸药轴向连续、径向不耦合的装药方式。在理论上验证了该装药结构的可行性，同时采用 LS-DYNA软件数值模拟的手段，对照矿山实际孔径建立11模型，对比分析了与传统乳化药卷不耦合装药结 构的差别，得出了粒状铁油炸药轴向连续装药在保护孔壁及裂纹扩展方面具有优势的结论，确定了适合莱比 塘矿山岩性的PVC管直径为40 mm,最优孔间距为1.8 m,并在现场实践中得到了验证。 关键词预裂爆破；装药结构；LS-DYNA；数值模拟 中图分类号TD235.3 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0109 - 07 Numerical Simulation and Application of Pre-splitting Blasting with Granulated ANFO Axial Continuous Charg e UU Jian1, WANG Yin-t ao1, WU Fei-qi2 ,ZH0U Yue1 ,UU Zo ng-hai1 1. No r t h Bl a st in g Tec hn o l o gy Co Lt d,Beijin g 100089,Chin a ; 2. Beijin g Au x in Chemic a l Tec hn o l o gy Lt d,Beijin g 100040,Chin a Abstract Aiming at the problem of insufficient supply of emulsion explosive on pre-splitting blasting, a new charging structure model was explored, that is, an axially continuous and radially uncoupled charge with granulated ANFO. The feasibility of the charging structure is verified theoretically. At the same time, LS-DYNA software numeri cal simulation was used to establish a 1 1 model comparing with the actual hole size of the mine, and the difference between the uncoupled charge structure and the traditional emulsion cartridge was compared and analyzed. It is con cluded that the axial continuous charge of granulated ANFO has advantages in protecting hole wall and crack propa gation. The diameter of PVC pipe suitable for lithology of Laibetang mine was determined to be 40 mm, and the opti mal hole spacing was 1. 8 m, which was verified in field practice. Key Words pre-splitting blasting ； charge structure ； 随着露天矿山开采的不断推进,最终边坡高度 逐渐增加,高者达近千米,边坡稳定性成为不可忽视 的问题。相比边坡的后期治理，前期采取相应的减 震降震等控制措施尤为重要。最常用的边坡控制措 施主要有预裂爆破和光面爆破，采用预裂爆破可在 爆破和保留区之间形成一道有一定宽度的贯穿裂 收稿日期2020-12 - 22 作者简介刘 坚1990-,男，中级爆破工程师、硕士，从事岩土爆 破工作,E-mail979662309 qq. com。 i-DYNA ； numerical simulation 缝，减弱主体爆破对保留岩体的破坏，并形成平整轮 廓面⑴。目前国内外矿山预裂爆破普遍采用的装 药结构是径向不耦合、轴向不连续装药，即将小直径 乳化药卷间隔地捆绑在竹片上，用导爆索联接放入 孔内。该方法存在生产效率较低、劳动强度大、经济 成本高等缺点⑵，制约着预裂爆破的广泛推广。 缅甸莱比塘铜矿露天开采已8年之多，要求所 有最终边坡均采用预裂爆破控制技术，范围广要求 高,由于受到乳化药卷供应不足及装药施工速度限 110爆破2021年3月 制,预裂爆破推进缓慢。结合现场实际探索了一种 新的预裂爆破装药方式,采用低威力的多孔粒状钱 油炸药轴向连续、径向不耦合装药方式，在保证预裂 效果的前提下很好的克服了传统装药方式的缺点, 实现了预裂爆破的高效施工，取得了显著经济效益。 1预裂爆破理论计算 11预裂爆破过程分析 最佳的预裂爆破效果要求两相邻炮孔间形成贯 穿裂缝，同时保留部分孔壁相对完整。理论分析表 明,预裂爆破过程中岩石须经历三个阶段开裂、扩 展、止裂，对应的必须满足三个控制条件⑶。边界 条件说明了要使保留部分孔壁不被破坏，必须满足 表1抗压动载荷系数 Ta bl e 1 Co mpr essive d y n a mic l o a d f a c t o r O■压/kg - cm-22000 M757 453 4W3 表2抗拉动载荷系数 Ta bl e 2 An t i-pu l l l o a d f a c t o r 0■拉/kg - cm-22000 巾为切向应力;丘为炮孔 直径;r为据炮孔中心距离;P为炮孔内压力。 当炮孔为耦合装药时,炮孔压力计算式为 P [△线/2制2p] P 6 Po [l/ K l]PoD2 7 式中P。为爆轰压力，MPa;△线为炸药线装药 密度,kg/m；p为炸药密度,kg/m3；p0为装药密度， kg/m3 ；K为系数，一般取3 ;D为炸药爆轰速度,m/s。 对于预裂爆破而言，采用导爆索联接起爆,可以认 为所有孔同时起爆，这时两孔间应力场将产生叠加。 根据预裂缝的贯穿特点，研究炮孔连线上的应力叠加。 两炮孔连心线上任意一点的助为⑷ 4 _ r2 p _ X\ A-Xy ⑻ 式中A为炮孔间距;％为炮孔连心线上任一点 孔壁径向压力不超过岩石动载抗压强度。开裂条件 和扩展条件说明了预裂缝的形成需要满足应力大于 岩石动载抗拉强度。 ⑴边界条件 6 go■压 1 式中O■，为孔壁径向压应力疝为抗压动载荷系 数，见表1Q压为岩体静载荷下单轴极限抗压强度。 ⑵开裂条件 o -f e m 0■拉 2 式中o■加为孔壁环向最大拉应力;2为岩体抗 拉动载荷系数，见表2；O■拉为岩体静载荷下单轴极 限抗拉强度。 据孔中心的距离;R为炮孔半径;其他符号同上。 对式8进行分析可知，当xR时,应力最大 值 o■唤P[1 72/4_r2] ,当％ 4/2 时，应力最 小值0”8疋/42戸。说明孔壁压力最大，炮孔 连线中点应力最小,裂缝是从炮孔壁开始开裂,然后 沿着炮孔连心线扩展,在连线中点处贯通。 根据应力波与爆生气体联合作用理论,岩石的 破碎是炸药爆炸产生的应力波和爆轰气体共同作用 的结果，但它们所处阶段不同，时间有先后,但又是 连续不可分割的,两种作用相互促进，加强了岩石的 破碎效果。爆炸首先产生应力波，应力波使岩石产 生了许多微小的原始裂隙并随着作用力的不断变化 使这种裂隙扩展,随着爆轰气体的“气楔”作用，裂 隙被扩大、贯穿⑸。由于爆炸过程的复杂性和瞬时 性，爆生气体目前还无法通过公式计算得出，暂时理 论上只能分析岩石应力情况。 12预裂爆破参数计算 合理选择预裂爆破参数对保证预裂爆破效果具 有重要意义,预裂爆破参数主要包括孔径、孔距、线 装药密度及不耦合系数⑷0根据前面1. 1的分析, 对于某一确定的矿山岩体,其岩石性质是确定的，其 预裂控制条件也是确定的，孔径参数根据设备类型 第38卷第1期 刘 坚，王银涛,武飞岐，等 粒状钱油炸药轴向连续装药预裂爆破数值模拟及应用研究111 也是确定的,需要重点确定的参数有孔距、装药密度 及不耦合系数。 对于莱比塘露天铜矿，查阅相关地质资料及现 场补充实验，岩石单轴抗压强度o■压59. 72 MPa , 单轴抗拉强度o■拉6.03 MPa。根据式1、2、 8岩体开裂成缝必须同时满足的条件有 aT 41爆破效果上,间距为1.2 m和1.5 m时 拉裂明显，不利于边坡稳定；间距为2.0 m时，贯穿 裂缝不明显，开挖困难;间距为1.8m时孔间贯穿裂 缝效果较好,无拉裂现象,开挖顺利,在岩石完整区 域半孔率可达76以上,满足边坡稳定要求。效果 图如图10o 图10预裂爆破效果图 Fig. 10 Effect picture of pre-splitting blasting 第38卷第1期 刘 坚，王银涛,武飞岐，等 粒状钱油炸药轴向连续装药预裂爆破数值模拟及应用研究115 在经济效果上，与传统乳化药卷装药结构相比， 预计综合成本降低23，主要为炸药成本和钻孔成 本的降低。同时,大幅降低了劳动强度，提高了施工 效率,有助于预裂爆破的推广应用。 4结论 1 针对莱比塘矿山的岩石特性，理论计算证 明了采用粒状钱油炸药轴向连续、径向不耦合结构 在40 mm PVC管内装药能够在岩石开裂的前提下 形成半孔壁。 2 利用LS-DYNA软件模拟分析了乳化药卷 不耦合装药结构与粒状鞍油连续装药结构的不同， 结果表明粒状钱油轴向连续装药较乳化药卷不耦合 装药在保护孔壁及裂纹扩展方面具有优势，且炸药 能量利用率有所提高。 3 粒状鞍油轴向连续装药条件下适用于莱比 塘矿山的最佳孔间距为1. 8 m,并在实践中得到应 用，取得了显著经济效益,大幅降低了劳动强度，提 高了施工效率,有助于预裂爆破的推广应用O 参考文献References [1] 汪旭光.爆破手册[M].北京冶金工业出版社,2010. [1 ] WANG Xu-guang. Blasting manual [ M]. Beijing Metal lurgical Industry Press,2010. in Chinese [2] 张詰.金堆城露天矿预裂爆破装药方式优化研究 [D ] 西安西安科技大学,2010. [2] ZHANG Zhe. Research on optimization of pre-split blas ting charge in jinduicheng open-pit mine [ D ]. Xi anXian University of Science and Technology,2010. in Chinese [3] 陈 超.含水炮孔边坡预裂爆破应用研究[D].唐山 河北理工学院,2001. [3 ] CHEN Chao. Application study on presplitting blasting of water-bearing slope [ D ]. Tangshan Hebei Institute of Technology,2001. in Chinese [4]赵 新大孔径预裂爆破的实践研究[D].北京北京 科技大学,1989. [4] ZHAO Xin. Practical research on large-aperture presplit blasting[ D]. Beijing University of Science and Technolo gy Beijing,1989. in Chinese [5] 周青青.基于ANSYS预裂爆破装药结构研究[D].贵 阳贵州大学,2015. [5] ZHOU Qing-qing. Research on the structure of pre-cracked blasting charge based on ANSYS [ D ]. Guiyang, Guizhou U- niversity,2015. in Chinese [6 ]朱必勇.基于数值模拟的预裂爆破参数优化研究[J]. 有色金属,2019,71432-36. [6] ZHU Bi-yong. Research on parameter optimization of pres plitting blasting based on numerical simulation[ J]. Non ferrous Metals,2019,714 32-36. in Chinese [7] 程玉泉.多孔粒状按油炸药在边坡预裂爆破中的应用 [J]爆破,2003,20194-96. [7] CHENG Yu-quan. Application of porous granular pressed frit in slope pre-splitting blasting [ J ]. Blasting, 2003, 201 94-96. in Chinese [8] 张旭进基于LS-DYNA的聚能装药结构优势数值模 拟[J].矿业研究与开发,2019,396136-140. [8 ] ZHANG Xu-jin. LS-DYNA-based numerical simulation of structured charge structure advantage [J]. Mining Research and Development[ J].2019,396 136-140. in Chinese [9] 田益琳预裂爆破在研山铁矿的研究与应用[J].现代 矿业,2019381-83. [9] TIAN Yi-lin. Research and application of presplit blasting in yanshan iron mine[ J] . Modem Mining,2019 3 81- 83. in Chinese [10] 李兴武预裂爆破技术在伊春鹿鸣钥矿靠帮边坡的 应用研究[J]-现代矿业,2019,171 54-57. [10 ] LI Xing-wu. Application research of pre-split blasting technology on side slope of luming key mine in Yichun [J]. Modem Mining,2019,171 54-57. in Chinese 英文编辑黄刚 上接第63页 [16] YANG Yue-zong,SHAO Zhu-shan,XIONG Xiao-feng,et al. Comparative analysis of radial and axial uncoupled charges in rock blasting[ J]. Blasting,2018,35 4 26- 33,146. in Chinese [17] 张 迅光面爆破不耦合装药参数优化的试验研究 [J].工程爆破,2019,25627-31. [17 ] ZHUO Zhi-xiu, GAO Chun. Experimental study smooth blasting on parameter optimization of deoupled charge in [J]. Engineering Blasting,2019,256 27-31. in Chi nese [18]付 军，郝亚飞,曹进军，等大孔径爆破堵塞技术优 化研究与应用[J].爆破,2019,364150-154. [18] FU Jun,HAO Ya-fei,CAO Jin-jun,et al. Optimization of stemming technology in large diameter borehole blasting and its application[ J] . Blasting,2019,364 150-154. in Chinese 英文编辑陈东方