露天矿采空区深孔台阶爆破的合理参数确定.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 1 6 年9 月 爆破 B L A S T D 呵G V 0 1 ．3 3N o ．3 S e p ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 3 ．0 0 9 露天矿采空区深孔台阶爆破的合理参数确定木 宋子岭h ，庞湃h ，范军富h ，崔丽楠岫，冯蒴2 1 ．辽宁工程技术大学a ．矿业学院；b ．环境科学与工程学院，阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．神华神东煤炭集团，榆林7 1 9 3 1 5 摘要为了减少安家岭露天矿爆破成本和提高爆破效果，用L s ．D Y N A 软件模拟真实的现场环境和爆破 过程，探讨并获得了3 0m 高度台阶的合理炮孔顶部充填长度和炸药单耗量。结果表明在炮孔充填长度分 别为7m 、7 ．5m 、8m 、8 ．5m 和9m 时，通过比较岩石最不利破碎点y 方向上拉应力与抗拉强度的大小，得出 炮孔充填长度合理区间为8 ～8 ．5m ；在炸药单耗分别为0 ．4 5k s ／m 3 、0 ．5 0k s ／m 3 、0 ．5 5k s ／m 3 和0 ．6 0k s ／m 3 时，通过比较台阶坡底自由面处、两炮孔中心线延线距自由面0 ．5m 处和y 方向上相同高度台阶坡面处的拉 应力与抗拉强的大小，得出合理的炸药单耗量为0 ．5 5k s ／m 3 。 关键词深孔爆破；充填长度；炸药单耗量；采空区 中图分类号T D 8 2 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 3 0 0 4 7 0 6 D e t e r m i n a t i o no fR e a s o n a b l eP a r a m e t e r so fD e e p - h o l e B e n c hB l a s t i n gi nO p e n - p i tM i n eG o a f S O N GZ i ．1 i n g h ，P A N GP a i h ，F A NJ u n - f u h ，C U IL i ．r 1 4 z t ，F E N GS h u 0 2 1 ．a ．C o l l e g eo fM i n i n gE n g i n e e r i n g ；b ．C o l l e g eo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ， L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n12 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．S h e n d o n gC o a lS h e n h u aG r o u p ，Y u l i n7 1 9 3 1 5 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt or e d u c eb l a s t i n gc o s ta n dt oi m p r o v et h eb l a s t i n ge f f e c ti nA n j i a l i n go p e n p i tm i n e ，t h es o f t w a r eo fL S D Y N AW a su s e dt os i m u l a t et h er e a le n v i r o n m e n ta n db l a s t i n gp r o c e s s ，b yw h i c ht h eb l a s t i n gh o l es t e m m i n gl e n g t ha n ds p e c i f i cc h a r g eo nt h e3 0m b e n c hh e i g h tc o n d i t i o nw e r eo b t a i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ，o nd i f f e r e n t c a s e so fs t e m m i n gl e n g t hw i t h7m ，7 ．5m ，8m ，8 ．5ma n d9m ，b yc o m p a r i n gt h em o s tu n f a v o r a b l er o c kb r o k e np o i n t o ft e n s i l es t r e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ho nt h eYd i r e c t i o n ，t h er e a s o n a b l es t e m m i n gl e n g t hW a so b t a i n e da s 8H it o 8 ．5m ；w h e nt h es p e c i f i cc h a r g eW a s0 ．4 5k s ／m 3 ，0 ．5 0k s ／m 3 ，0 ．5 5k s ／m 3a n d0 ．6 0K S ／m 3r e s p e c t i v e l y ，b yc o m p a r i n g t h et e n s i l es t r e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ho nb e n c ht o eo ff r e es u r f a c e ．t h es a i n eh e i g h to fb e n c hf a c eo nt h eY 出r e c t i o na n d t h et w o - h o l ee 】 【e n d e dl i n en e a rt of r e es u r f a c e0 ．5m ，t h er e a s o n a b l es p e c i f i cc h a r g eW a Sg i v e na s0 ．5 5k s ／m 3 ． K e yw o r d s d e e p - h o l eb l a s t i n g ；s t e m m i n gl e n s t h ；s p e c i f i cc h a r g e ；g o a f 收稿日期2 0 1 6 0 5 一0 1 作者简介宋子岭 1 9 6 5 一 ，男，内蒙古赤峰，教授、博士生导师，主 要从事露天开采理论及技术研究， E m a i l s o n g z i l i n g ．1 6 3 1 6 3 ．C O n l 。 通讯作者庞湃 1 9 8 9 一 ，男，辽宁省阜新，硕士研究生，主要从事露天 开采理论及技术研究。 E m a i l 9 1 3 9 1 0 2 8 6 q q ．c o l I l 。 基金项目国家自然科学基金重点项目 煤炭联合基金 大型露天煤 矿绿色开采理论与应用 U 1 3 6 1 2 1 1 ；国家自然科学基金 面上项目基于绿色度的露天煤炭生态环境恢复与开采一 体化技术 5 1 4 7 4 1 1 9 爆破对露天矿生产至关重要。爆破的目的是提 供最佳爆堆尺度和块度，以满足设备的采装要求，提 高采装效率降低采装成本。其中炮孔顶部充填长度 和炸药单耗是主要影响因素。因此对这两项指标的 研究对提高露天矿的生产效率并降低开采成本十分 重要。随着露天开采工艺的逐渐成熟，一些符合开 采条件的矿田，为了提高其开采的安全性和资源回 收率大多数采用露天开采，但是某些矿田由于一些 万方数据 4 8爆破2 0 1 6 年9 月 小煤窑的乱挖乱采给煤田内部留下了很多的采空 区，随着露天矿台阶的不断延伸而带来了很多的安 全隐患。其主要危害有如下几点 1 在采空区形 成的高温明火，可能使已经填充炸药准备爆炸的炮 孑L 提前爆炸造成工作人员身体伤害和设备破损。 2 在爆破过程中采空区积聚的有毒有害易燃的气 体可能被爆破的能量引爆，对人员和设备造成损害。 因此为了提高爆破的效率，降低爆破的成本，防止人 员和设备的破损，应确定合理的爆破参数4J 。 1 安家岭露天矿工程概况分析 1 ．1 矿区概况 安家岭露天矿由安家岭和安太堡二号矿的两个 勘探区组成，坐落于平朔矿区的中南部，被山西省朔 州市平鲁区所管辖。地理坐标为东经11 2 0 2 0 ’5 2 ”～ 1 1 2 0 2 6 ’2 2 ”，北纬3 9 0 2 6 ’0 3 ”一3 9 0 2 9 ’4 3 ”，矿田东西宽 7 8 4 2m ，南北长6 5 5 6m ，面积2 8 ．8 8 3 2k m 2 ，划出南 部西易煤矿2 ．4 9 5 9k m 2 ，东易4 ．3 8 5 5k m 2 ，矿田面 积为2 2 ．0 0 1 8k m 2 。 1 ．2 安家岭露天矿的岩层性质 查阅地址资料得到安家岭的主要含煤层为太原 组地层和本溪组地层。由于本文主要以4 煤上覆岩 石为爆破研究对象，所以主要介绍4 煤及4 煤上覆 岩石的主要性质。4 煤及其以上岩层主要存在于上 统太原组的岩层中。上统太原组岩性是由砂岩、泥 岩、石灰岩和煤为主要成分组成，其中砂岩占 3 1 ．3 l ％，砂质泥岩占3 1 ．0 ％，灰岩仅占1 ．2 ％，剩下的 为煤。岩层是以一套海陆交互相为主的含煤岩系，其 岩相为三角洲相、滨海相、冲积相和泥炭沼泽相。 1 ．3 安家岭露天煤矿采空区分析 安家岭露天矿首采区境界内开采的小煤窑主要 有五块，图1 为磁法推断着火区与瞬变电磁法推断 采空区分布图。随着露天开采的不断延伸，采空区 会不断地被遇到，因此会给露天矿带来许多问题，主 要包括 1 空巷爆破可能造成人员和设备的损害； 2 从采空区上覆岩层现场爆破经验上看，炸药单 耗高，块度不均匀，大块多； 3 空巷爆破后其易燃 气体容易引起火灾； 4 火区爆破对人员伤害和设 备损害的危险程度高。 由A u t o d e s k 教育版产品制作 11 0 0 011 2 0 011 4 0 011 6 0 011 8 0 01 2 0 0 01 2 2 0 01 2 4 0 01 2 6 0 01 2 8 0 01 3 0 0 0 娄 羹0 } 擎 哿 o o d 0Ho ” { I i } 一- * 1 P 图I磁法推断着火区与瞬变电磁法推断采空区对比图 F i g ．1C o m p a r eo fm a g n e t i cm e t h o dt o i n f e rt h ef i r ea r e aw i t ht r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o di n f e rt og o a f 2 安家岭露天矿采空区爆破方案 2 ．1 采空区爆破方案初步确定 根据现场实际情况和深孔爆破的优点，确定4 煤上覆岩石爆破为深孑L 台阶爆破。正向起爆时，由 于炸药起爆点在钻孔上部，一经起爆炸药的能量迅 速溢出钻孔导致能量损耗很大并且爆轰波由孔1 3 向 孔底传播，而其后紧跟的由爆轰产物而产生的膨胀 波使爆轰波衰减快，孔内压力下降迅速。而孔底起 爆具有如下优点首先孔壁所受到炸药产生的压力 万方数据 第3 3 卷第3 期 宋子岭，庞湃，范军富，等露天矿采空区深孔台阶爆破的合理参数确定 4 9 大，冲量和静压作用都增强，并且缓减了加载速率， 使岩石的破碎效果更加理想；然后反向起爆中由于 叠加的原因使应力波的强度增加，并且入射波和反 射波叠加后，使岩石质点运动速度快于正向起爆，在 加上质点的运动方向和爆破产生的裂纹扩展的方向 都有利于岩石爆破；最后反向起爆所产生的气体和 径向裂缝有利于降低大块率和根底率，因此采用反 向起爆‘5 ，6 | 。 2 ．2 爆破数值模拟 2 ．2 ．1 计算模型 利用A N S Y S ／L S D Y N A 软件对岩石爆破过程进 行数值模拟，对深孑L 台阶爆破的发生过程进行了解。 根据现场实际情况和所需的设备确定台阶高度为 3 0m ，钻孔直径为2 5 0m m ，孔距和排距均取3m 。 模拟假定采空区顶板材料为塑性随动模型如图2 ， 即M A T - P L S E T I C - K I N E M A T I C 【7J 。为了提高模拟过 程和结论的可靠性精确性，数值模拟对模型做出以 下假设①把采空区围岩的力学性质都假定为连续、 均质、各向同性；②认为采空区的形状为规则的立方 体，并且只对一个采空区单独考虑；③对爆轰气体产 生的渗流作用不予考虑；④不考虑岩体受到地下水 的影响；⑤不考虑采空区受到软弱夹层的影响；⑥假 设炮轰产物的膨胀过程是绝热过程。 图2 深孔台阶爆破采空区模型 F i g ．2 M o d e lo fd e e p h o l eb e n c hb l a s t i n gg o a f 2 ．2 ．2 合理爆破参数确定 1 合理炮孔充填长度的确定 在爆破施工中确定合理的炮孔充填长度是一个 重要环节，它对爆破的质量有着直接影响。如果填 塞的长度不合理或者没有达到要求就会泻露大量的 有毒气体并产生飞石，并形成强烈的空气冲击波，有 可能使人员的身体受到伤害。所以确定合理的炮孔 充填长度对提高爆破效果和减少对人员和设备的危 害有着重要的意义。本次数值模拟是在炮孔孔网参 数、炸药单耗都保持不变的情况下进行的，但是炮孔 合理的充填长度的选取又与炮f L 孑L 网参数、炸药单 耗、岩石性质、充填物料等很多因素有关40 1 。炮孔 顶部充填长度一般为炮孔直径的2 0 4 0 倍1 | 。以 3 0m 台阶为研究对象，分别选取炮孔顶部充填长度 为7m 、7 ．5m 、8m 、8 ．5m 、9m 进行数值模拟，在模 型最不利破碎点的区域查看岩石的拉应力是否超过 了其抗拉强度，当岩石拉应力峰值超过其抗拉强度 时说明岩石破碎，反之则说明岩石没有完全破碎或 者是破碎的块度达不到工作要求，产生大块。图3 ～ 图7 为各个不同充填长度时相同位置最不利破碎点 的y 方向的应力曲线图。 00 ．51 ．01 ．52 ．O T i m e ／ E 3 图3 充填长度7m 时5 0 5 9 3 单元y 方向应力变化曲线 F i g ．3 T h es t r e s sc h a n g ec u r v e so f5 0 5 9 3Yd i r e c t i o n w h e ns t e m m i n gl e n g t ho f7m 图4 充填长度7 ．5m 时5 0 5 8 9 单元Y 方向应力变化曲线 F i g ．4 T h es t r e s sc h a n g ec u r v e so f5 0 5 8 9Yd i r e c t i o n w h e ns t e m m i n gl e n g t ho f7 ．5m 由图8 可以得知充填长度为7m 时，最不利破 碎点处l ，方向上拉应力峰值大约为5 ．7M P a ；充填 长度为7 ．5m 时，最不利破碎点处y 方向上拉应力 峰值大约为5 ．1M P a ；充填长度为8m 时，最不利破 碎点处y 方向上拉应力峰值大约为4 ．2M P a ；充填 长度为8 ．5m 时，最不利破碎点处y 方向上拉应力 峰值大约为3 ．9M P a ；充填长度为9m 时，最不利破 碎点处y 方向上拉应力峰值大约为2 ．3M P a 。当炮 孔顶部充填长度大于8 ．5m 时，在台阶最不利破碎 ％ 舛 眈 。 眈 ∞ ％ o o o 加 加 加 万方数据 爆破2 0 1 6 年9 月 点处y 方向上岩石的拉应力峰值没有达到其抗拉 强度，使得岩石在台阶爆破后产生了大块炮孔顶部 充填长度为8 8 ．5m 之间时，整个被爆破台阶l ，方 向上的拉应力峰值都达到了其抗拉强度，岩石能破 碎并取得不错的破碎效果，同时由此带来的爆破震 动、飞石等有害效应会减弱，在保证岩石破碎的前提 下又可以保证爆破作业的安全，使得炸药能量得到 充分发挥，即达到了预期目标还降低了炸药成本。 因此，当台阶高度为3 0m 时，炮孔顶部的充填长度 选取8 8 ．5m 之间是比较合理的。 0 0 ．51 ．01 ．52 ．0 T i m e ／ E 3 虱5 充填长度8m 时5 0 0 8 4 单元l ，方向应力变化曲线 F i g ．5 T h es t r e s sc h a n g ec u r v e so f5 0 0 8 4Yd i r e c t i o n w h e ns t e m m i n gl e n g ho f8m 00 ．51 ．01 ．52 ．O T i m e ／ E 3 图6 充填长度8 ．5m 时5 0 0 8 3 单元y 方向应力变化曲线 F i g ．6 T h es t r e s sc h a n g ec u r v e so f5 0 0 8 3Yd i r e c t i o n w h e ns t e m m i n gl e n g ho f8 ．5m 0 ．0 2 5 0 ．0 2 0 岔O ．0 1 5 o 凸o ．0 1 0 葛o ．0 0 5 兰0 墨一O ．0 0 5 图7 充填长度9m 时5 0 0 8 1 单元y 方向应力变化曲线 F i g ．7 T h es t r e s sc h a n g ec u r v e so f5 0 0 8 1Yd i r e c t i o n w h e ns t e m m i n gl e n g t ho f9m 填塞长度／m 图8 炮孔充填长度与最不利破碎点所受 最大拉应力关系曲线图 F i g ．8 T h el a r g e s tt e n s i l es t r e s sc u r v eo ft h ee x p l o s i v e s t e m m i n gl e n g t ha n dt h em o s u n f a v o r a b l eb r o k e np o i n t 2 合理的炸药单耗确定 炸药单耗的确定是深孔台阶爆破的主要参数之 一，目的是为了得到松动岩石的最小炸药量。矿岩 破碎的块度和分布情况受到岩石性质、孔网参数、炸 药性能及其炸药单耗等因素的影响，而炸药单耗是 其中影响作用比较的大的因素2 | 。同样是在台阶 高为3 0m ，孔网采用3m 3m 的情况下分别取炸 药单耗0 ．4 5k g ／m 3 、0 ．5k g ／m 3 、0 ．5 5k g ／m 3 、 0 ．6k s ／m 3 进行数值模拟。其中以0 ．4 5k s ／m 3 为 例。通过L S P r e P o s t 计算并输出其应力时间历程曲 线见图9 所示。 图9 模型所取单元 7 方向上应力曲线网 F i g ．9 T h es t r e s sc h a n g ec a l v e so fYd i r e c t i o n m o d e lf r o mt l l eu n i t 从图9 中可以看出，由于应力波在自由面发生 反射，应力波频繁的出现振荡，不同程度的反射形成 了多个压力峰值，同时也加长了应力波作用时间。 以上各个单元的应力均在爆炸后瞬时达到了很高的 数值，应力开始时为负，后来变为正，说明此处的应 力波发生了反射。结合上面的图可以得出应力波 在传播的过程中，其应力峰值逐渐减弱，同时由于自 由面的存在使得应力波发生多次反射，增强了反射 拉伸波的作用3 1 。同理，对单耗为0 ．5 0k g ／m 3 、 0 ．5 5k g ／m 3 、0 ．6 0k g ／m 3 进行了数值模拟，具体的应 兮舛∞吆叭0叭眈 0 O 0 O O 0 O 万方数据 第3 3 卷第3 期 宋子岭，庞湃，范军富，等露天矿采空区深孔台阶爆破的合理参数确定 5 l 力值见表1 。 表1 不同炸药单耗所对应的最不利破碎点的单元拉应力值 T a b l elT h eu n i tt e n s i l es t 啷sv a l u eo ft h ed 词f e r e n t s p e c i f i cc h a r g et ot h em o s tu n f a v o r a b l eb r o k e np o i n t 炸药单耗／ k g m ‘3 台阶坡底两炮孔中心线l ，方向相同 自由面处 延线距自由面高度台阶坡面 单元的拉应0 ．5m 处单元的处单元拉应 力／M P a拉应力／M P a力／M P a 根据数值模拟的数据分析，提取最不利区域的 单元位置不同，所得到的其拉应力也不同。当炸药 单耗为0 ．5 5k g ／m 3 时三个最不利单元的拉应力都 达到了岩石的抗拉强度，此处的岩石被破碎；当炸药 单耗小于0 ．5 5k s ／m 3 时，最不利区域单元的拉应力 没有达到岩石的抗拉强度，此处的岩石没有破碎，出 现了大块；当炸药单耗大于或者等于0 ．5 5k g ／m 3 时，最不利区域单元的拉应力都已经超过了岩石的 抗拉强度，岩石已经破碎，但增加了爆破成本也加强 了爆破震动、飞石等有害效应。综上所述当炸药单 耗为0 ．5 5k g ／m 3 时，炸药爆炸在保证岩石破碎之后 能得到合理块度的前提下既能保证了爆破作业的安 全，又使得炸药能量得到充分发挥，这样即达到了预 期目标还降低了炸药成本，所以最佳的炸药单耗应 该是0 ．5 5k g ／m 3 。 3 结语 利用L S D Y N A 软件模拟安家岭露天矿采空区 的真实环境和爆破过程，根据比较最不利破碎点拉 应力与抗拉强度的大小，最终得到合理的炮孔顶部 充填长度和炸药单耗量。当炮孔顶部充填长度分别 7I T I 、7 ．5I n 、8I n 、8 ．5I n 和9I n 时，对应的在y 方向 上最不利破碎点的拉应力值为5 ．7M P a 、5 ．1M P a 、 4 ．2M P a 、3 ．9M P a 和2 ．3M P a ，最终得到炮孔充填长 度的合理范围为8 8 ．5I n 。当炸药单耗为 0 ．4 5k s ／I n ’、0 ．5 0k s ／I n ’、0 ．5 5k g ／m 3 和0 ．6 0k s ／I n 3 时，只有炸药单耗0 ．5 5k s ／i n 3 在台阶坡底自由面 处、两炮孔中心线延线距自由面0 ．5I n 处和y 方向 上相同高度台阶坡面处的拉应力均超过了岩石的抗 拉强度也保证了岩石爆破之后合理块度的要求，因 此最终得到合理的炸药单耗量为0 ．5 5k g ／m 3 。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 刘记鹏，尚涛，赵俊，等．露天矿采空区分析处理 [ 1 0 ] [ J ] ．露天采矿技术，2 0 1 2 3 4 - 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