含夹层矿体分采过程的数值模拟研究.pdf

第2 8 卷第2 期 2 0 1 1 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．2 J u n ．2 0 l l D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 2 ．0 0 8 含夹层矿体分采过程的数值模拟研究宰 叶海旺，张建华，易长平 武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 摘要在鄂西铁矿开采过程中，矿体中可能存在厚度不等的夹层，采用浅孔分采爆破开采工艺，首先剔除 废石夹层，再进行落矿回采。根据相关理论，设计了夹层剔除和矿石回采的爆破参数，采用数值模拟方法，模 拟爆破剔除夹层废石和矿体回采的过程。研究表明设计的爆破参数能合理爆落设计范围内的岩体，且对顶 板围岩不致造成过大的损害。 关键词分采；爆破；数值模拟 中图分类号T D 2 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 2 一 1 0 2 7 0 3 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rM i n i n gP r o c e s so fO r eB o d y w i t hI n t e r c a l a t e dL a y e r Y EH a i w a n g ，Z H A N GJ i a n h a a ，Y IC h a n g - p i n g S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t D u r i n gt h ec o u r s eo fm i n i n gE x ii r o no ∞b o d y ，t h e r ei si n t e r c a l a t e dl a y e rw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s si n o r eb o d y ．B a s eo nt h em i n i n gt e c h n o l o g y ，t h ei n t e r c a l a t e dl a y e ri sr e j e c t e df i r s t l y ，a n dt h e nt h eO r eb o d yi sm i n e d ．T h e b l a s tp a r a m e t e r so fi n t e r c a l a t e dl a y e ra n dO r eb o d ya r ed e s i g n e db a s e dr e l a t e dt h e o r y ．a n dt h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a - t i o nm e t h o di se m p l o y e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fr e j e c t i n go fi n t e r c a l a t e dl a y e ra n dm i n i n go fO r eb o d y ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed e s i g n e dp a r a m e t e r sa r er e a s o n a b l ea n dt h e r ei sal i t t l ed a m a g ef o rr o o fr o c km 如s ． K e yw o r d s s e p a r a t em i n i n g ；b l a s t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 鄂西官店铁矿区凉水井一大庄矿区 段 隶属建 始县，其东部黑石板矿区隶属于巴东县管辖。地质 勘探表明，在其开采过程中，矿体中会出现废石夹层 的情况，设计采用房柱法开采，拟采取浅孔分采爆破 工艺进行废石剔除，采用首先剔除废石夹层，再进行 矿石回采的工艺流程4 J 。根据爆破相关理论，设 计了有夹层时的爆破孔网参数，并采用数值模拟的 方法，模拟爆破剔除夹层废石和矿体回采的过程。 ’ 1 爆破参数设计 根据目前的爆破发展水平，并考虑到当前的铁 收稿日期2 0 1 0 0 2 0 5 作者简介叶海旺 1 9 7 1 一 ，男，武汉理工大学资源与环境工程学 院，博士，副教授，从事爆破与岩土工程理论研究， E m a i l y e h a i w a n 9 3 6 9 h o t m a i l ．c o m 。 基金项目国家十一五科技支撑计划项目 2 0 0 7 B A B l 5 8 0 3 矿石价值，废石剔除的原则是 1 厚度小于0 ．5m 废石夹层不必采用分采爆 破工艺进行废石剔除，按照正常回采工艺进行爆破 落矿，作为正常贫化处理。 2 厚度大于0 ．5m 、小于lm 废石夹层采用分 采爆破工艺进行废石剔除，从爆破的角度考虑，最小 剔除厚度不宜小于lm ，剔除时落下的矿石作为正 常损失处理。 3 厚度大于lm 废石夹层按照实际厚度进行 分采爆破炮孔布置。 以下是考虑矿体厚度为5m ，其中上部矿体厚 2m ，下部矿体厚2 ．5m ，中间夹层厚0 ．5m 时的爆 破参数设计。 1 ．1 剔除夹层爆破参数设计 矿体的坚固性系数， 8 ，爆破钻孔拟采用的孔 万方数据 爆破2 0 1 1 年6 月 径为4 2m m ，孔深为2m ，线装药密度为1 ．3 8k g ／m ， 按同类工程，考虑到上下矿体的夹制作用，单耗取 q 1 ．2k g ／m 3 ，堵塞0 ．8m ，单孔装药量Q 2 ．2k g ， 单孔装药面积S a b Q ／租 0 ．9m 2 ，按a 1 ．1 6 考虑，则b 0 ．8 6m ，则口 0 ．9 5m ，最小抵抗线 W 2 2d 0 ．9 2 4m ，取为0 ．9m 。考虑到夹层的厚 度为O ．5m ，为了不致有大的原矿损失，布置在矿体 中的炮孔距离夹层中炮孔O ．5 5m ，即采用的孔网参 数为排间0 ．8r n ，孔间0 ．5 5n l 的布孔形式，采用排 间微差5 0m s 起爆，炮孔布置形式如图l 所示。 图1 分采分爆炮孔布置示意图 1 ．2 矿体回采爆破参数设计 考虑到夹层剔除后，上部矿体上下矿体间隔约 1m 。此时矿体回采时自由面较多，下部矿体设计爆 破孔网参数为0 ．8m 0 ．8r n ，堵塞0 ．8m ，排间微差 起爆”J ，间隔时间为5 0m s 。 数值模拟过程中考虑到计算的复杂性，仅考虑 2 排炮孔。 2 爆破过程数值模拟 2 ．1 计算参数确定 鄂西铁矿属于缓倾斜薄矿体，顶板为页岩或泥 灰岩，底板为石英砂岩。模拟过程中岩石介质采用 具有弹塑性性质的材料来模拟爆破荷载下岩石的本 构关系，应用L S D Y N A 软件，选取M A T P L A S T I C K I N E M A T I C ，此模型考虑了材料的弹塑性性质，并 且能够对材料的强化效应 随动强化和各向同性强 化 和应变率变化效应加以描述，同时带有失效应 变。计算中各岩体的物理力学参数如表1 所示。 表1 岩体计算力学参数 在模拟中利用了L S ．D Y N A 中的爆轰过程模拟 功能，即通过直接输入装药参数及炸药参数，通过炮 孔内爆轰模拟及爆轰产物与孔壁的相互作用确定爆 炸荷载，炸药在L S ．D Y N A 中采用M A T H I G H E X ． P L O S I V E B U R N 材料。爆轰产物的状态方程反映 了压力与体积变化 或密度变化 之间的关系，是材 料的重要特性之一，计算中炸药的状态方程采用 J W L J o n e s W i l k i n s ．L e e 状态方程，该方程是专为描 述炸药等含能材料爆炸时的压力特性而设定的一种 状态方程，其表达式为 P A 一剖e 吨7 B ，一蒜 e 啦～争 1 式中y 是体积变化；A ，B ，／．O ，R I ，R ，E 。是材料常数。 炸药材料参数及删L 状态方程参数选取如 表2 。 表2 炸药材料参数及J W L 状态方程参数 l 耋兰 f 墨21 竺竺竺． 竺竺竺 竺竺 10 0 034 0 03 ．2 14 7 ．60 ．5 2 93 ．50 ．91 ．34 ．5 由于计算模型只是无限大岩体中的一部分，出 现了人为的边界，为了消除人为边界处的反射波对 结构动力响应的影响，计算过程中将模型中的人为 边界设定为无反射边界。模拟过程中，炮孔起爆顺 序及延时时间根据爆破参数设计确定。分别模拟了 剔除夹层和矿体开采时的爆破过程。 2 ．2 剔除夹层数值模拟结果 夹层爆破剔除过程如图2 所示，三维视图表明 了夹层爆破剔除时夹层岩体的破坏和飞散过程，截 面图显示了微差起爆的过程和原矿损失的范围 主 要是夹层顶部 。 2 ．3 矿体开采数值模拟结果 矿体开采过程如图3 所示，模拟结果显示爆破过 程能有效崩落矿体，表明了爆破参数设计的合理性。 3 分采爆破顶板围岩损伤范围数值模 拟结果 爆破开采造成的顶板损害是造成地下矿山片 帮、冒顶的重要因素之一，因此研究爆破过程中顶板 的损害程度具有重要意义∞] 。图4 是矿体开采时顶 板围岩的塑性区分布图，结合其三维视图和二维的 截面图可以看出，塑性区域呈现倒漏斗状，塑性应变 万方数据 第2 8 卷第2 期叶薄旺，张建华，易长平台夹层矿休分采过程的数值模拟研究 2 9 较小，表明矿体开采对顶板造成的采动损害较小。 舞簪晒辞} 9 ‘一辩嶂窜9 嘶’l 蛰囊登 舅噍孽昂孽翳 羁 r O0 3s产0 1 2s 图2 剔除夹层爆破效果图 弘O0 3 0s忙O0 9 0s 图3 矿体开采爆破效果图 n L a 顶扳围岩塑性区域三维视囤 b 顶板围岩塑性E 域●雏视图 图4 顶板围岩塑性区分布 4 结语 根据鄂西铁矿的矿体赋存情况和地质条件，设 计了分采的开采方案并进行了爆破设计，采用数值 模拟的方法，研究了夹层剔除及矿体回采的爆破效 果，研究结果表明设计的爆破方案对于鄂西铁矿含 夹层矿体的开采是合适的，矿体回采造成的顶板围 岩损害范围较小，程度较轻。 参考立献IR e f e r e n c 酷 1 ] 成汉军缓倾斜薄矿体采矿方法的实践[ J ] 吉林地 质．2 0 0 8 ，2 7 4 7 4 川 2 ] 王宁缓倾斜扳薄矿脉采场结构参数和回采顺序优 化研究[ J ] 金属矿山，1 9 9 9 2 1 2 1 5 3 ] 郭金峰，王汉生南非T w e e f o n t e i n 铅矿缓倾斜薄矿体 开采技术实践与评述[ J ] 金属矿山，2 0 1 0 2 1 8 - 2 1 4 ] 江兵，马建军，叶义华．侧向爆破抛掷出矿技术在分 殷空场法中的应用【J ] 爆破，2 0 0 1 ，1 8 4 2 4 - 2 6 5 ] 张钦札，郏晶晶，张德明，等新桥硫铁矿凿岩爆破参 数优化试验研究[ J ] 爆破．2 0 0 9 ，2 6 3 l - 5 6 ] 李祥龙，刘殿书，董星．等岩石材料损伤与应力渡 参数关系研究[ J ] 爆破，2 0 0 9 ，2 6 3 6 - 9 葛i ；誊 昌茸哥引 雾 訇灞 勇翥～ 一曩一翟 万方数据