厚大磷矿体井下中深孔爆破参数优化研究.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 1 1 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 1 0 厚大磷矿体井下中深孑L 爆破参数优化研究木 柴修伟1 ，张电吉1 ，周文勇2 ，周玉华2 ，何克舰2 ，刘应发2 ，王飞2 1 ．武汉工程大学环境与城市建设学院，武汉4 3 0 0 7 3 ；2 ．瓮福 集团 有限责任公司，瓮安5 5 0 0 0 2 摘要瓮安大信北斗山磷矿矿层比较厚，主要为剩余矿体的开采，且地表允许塌陷，为提高矿岩回收率及 矿山生产安全性，结合矿山开采技术条件及矿山生产经验，由原有房柱法开采改为扇形炮孔无底柱分段崩落 法开采。利用有限元数值计算方法再现不同起爆方式的爆炸应力波传播过程，并在北斗山磷矿进行小型爆 破试验，炸药的平均单耗0 ．4 7 8k g ／m 3 ，矿石破碎效果很好。 关键词厚大矿体；爆破参数；扇形中深孔；起爆方式 中图分类号1 3 3 2 3 5 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 1 2 0 1 1 0 2 0 0 3 5 0 4 R e s e a r c ho nB l a s tP a r a m e t e r so fM i d - d e e pH o l eU n d e r g r o u n d B l a s t i n gi nT h i c ka n dL a r g eP h o s p h o r i t e C H A ／瓜M w e i l ，Z H A N Go m - j i l ，Z H O U 帅舀，Z H O UY u - h u a 2 ，艘K e - j i a n 2 ，L I UM ，咖2 ，W A N GF e i 2 1 ．S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dC i d lE n g i n e e r i n g ，W u h a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 3 ，C h i n a ； 2 ．W E N GF UG r o u p ，W e n g ’a n5 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h em a n t oo fB e i d o u s h a np h o s p h o r i t em i n i n gi nD a x i n ，W e n g ’a l lc i t yi st h i c h e ra n dm o s t l yi sr e m a i n - d e ro r eb o d y ，m e a n w h i l e 。t h ee a r t h ’ss u r f a c ei sp e r m i t t e dt os i n k ．I no r d e rt oi m p r o v et h eo r er e c o v e r yr a t i oa n dt h e p r o d u c t i o ns a f e t y ，t h ef a n h o l e ss u b l e v e lc a v i n gm e t h o dw i t h o u ts i l lp i l l a rs u b s t i t u t e st h ee s t a b h s h e dr o o m - a n d p i l l a r m e t h o do nt h eb a s i so ft h et e c h n i q u ec o n d i t i o na n dp r o d u c t i o ne x p e r i e n c e ．T h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su t i l i z e dt o 静 a p p e a rt h ep r o p a g a t i o no ft h eb l a s tw a v eu n d e rd i f f e r e n ti n i t i a t i o np a R e r n ．A n dt h es m a l lb l a s tt e s ti sd o n ei nB e i d o u s h a r tp h o s p h o r i t em i n i n g ，t l l ea v e r a g es p e c i f i cc h a r s ei s0 ．4 7 8k g ／矗． K e yw o r d s t h i c ka n dl a 瑁ep h o a p h o r i t e ；b l a s tp a r a m e t e r ；f a na n dm i d - d e e ph o l e ；i n i t i a t i o np a t t e r n 瓮安大信北斗山磷矿矿体由上到下分3 大层 b 矿层、G 夹层和口矿层。b 矿层致密性脆、节理及 小滑动不甚发育，稳固性差，属硅质团块白云质磷块 岩、条纹状白云质磷块岩、团块状白云质磷块岩、假 鲡状白云质磷块岩，硬度系数为6 8 ，矿层平均厚 1 0 1 3m ，倾角为0 2 0o ；G 夹层含磷微粒白云岩， 属坚硬岩石，硬度系数6 ～8 ，稳固性好；口矿层薄板 状砂泥质磷块岩，硬度系数为6 ～8 ，稳固性差。矿 收稿日期2 0 1 l 一0 2 2 l 作者简介柴修伟 1 9 8 0 一 ，男，讲师，博士，从事爆破工程及安全技 术研究， E - m a i l c h a i r 2 0 0 0 1 6 3 ．e o m 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 0 5 4 0 0 5 ；武汉工程大学科学 研究基金项目资助 1 3 1 0 5 0 4 2 层平均厚2 0m 左右，为近水平状态，整体上矿层及 顶、底板岩石比较稳定。该矿2 0 0 0 年开始建设，采 用房柱法进行开采，由于历史上不规范的开采，在 a 、b 矿层已掘进多条断面超过4i nx 4m 的巷道，部 分形成空区，造成部分山体塌陷。为提高矿岩回收 率及确保矿山生产安全性，结合矿山实际的开采技 术条件及矿山生产经验，考虑矿层比较厚，且为剩余 矿体的开采，地表允许塌陷，采用中深孔扇形炮孔无 底柱分段崩落法进行开采，利用数值模拟方法对中 深孔扇形炮孔不同起爆方式对爆破效果的影响进行 优化研究，并利用现场小型爆破试验验证扇形炮孔 崩落法的落矿效果引。 万方数据 爆破2 0 1 1 年6 月 1 中深f L 扇形炮孔爆破数值模拟 1l 计算模型 为避免计算过程炸药单元发生严重畸变．导致 计算中断，采用流固耦合算法计算炸药对岩石的作 用。将炸药和空气定义为流体．采用E u l e r 网格建 模，使用多物质A L E 算法岩石采用L a g r a n g e 网格 建模，岩石与炸药和空气材料问采用耦合算法。中 深孔扇形炮孔爆破计算模型见图1 ，模型的整体尺 寸为1 1mx 2 0mx lm ，由于计算模型具有对称性， 为了减小计算时间，建模时只建立1 ／4 模型，并在边 界采用无反射边界条件。 图1 爆破计算模型 单位m 1 2 岩石、炸药计算参数及炮孔爆破参数 1 岩石材料模型 岩石材料模型采用程序自带的M A T P L A S T I C K I N E M A T I C 材料模型，应变率对强度的影响采用 C o w p e r S y m o n d s 模型”，屈服应力与应变率关系为 r ⋯{ 1 叶 1 1 专 l O “ 0 十睥q 1 式中一，为屈服应力；口。为初始屈服应力；s 为应变 率；c 和P 为所谓的C o w p e r - S y m o n d s 应变率参数㈣ 为有效塑性应变；￡。为塑性硬化模量鸿为硬化系数。 根据地质报告提供的岩石材料参数，类比其他 矿山磷矿石物理力学参数，选用的岩石计算参数如 表l 所示’⋯。 寰1 岩石材料的计算参数 2 炸药的状态方程 在A N S Y S ／L S D Y N A 中，通常采用J W L 状态方 程来描述炸药的爆轰，这一过程中压力和比容的关 系为”1 ， 一 ，一剖e 1 7 s 一尚P ” 字 2 式中A ，B ，尺．，尺，∞为材料常数；P 为压力；V 为爆 轰产物相对体积；晶为爆轰产物初始比内能。炸药 的计算参数如表2 所示o 。 裹2 炸药的计算参数 ，密度巴、，爆置．、A ／G P aB ／G P aR 兄 。 g e m “ ⋯“ ‘ 1036 0 02 1 405 1 9 3509 0 1 3 中深孔扇形炮} L 布置、装填长度参数见表3 。 寰3 中深孔扇形炮孔爆破参数 l3 计算结果 扇形炮孔的孔底间距和孔口间距差别较大，孔 口和孔底的炸药能量分布不均导致岩石破碎的效果 有很大的差别，另外起爆方式的不同对岩石爆破的 效果有很大的影响，通过数值计算模拟孔底起爆和 孔口起爆2 种工况，再现炸药爆炸后能量的分布情 况．对比分析不同起爆方式的应力分弗情况。孔底 和孔口起爆的不同时刻应力波分布见囤2 、图3 。 14 结果分析 图2 、图3 中不同时刻的应力分布云图再现了 扇形炮7 L 爆炸应力渡的传播过程，从图2 可知，孔口 起爆时，炸药爆炸后产生的应力渡从孔口炸药部位 向周围传播，同时炸药中的爆轰波沿炸药向孔底传 播，爆轰渡还没用传到孔底的时候，相邻炮孔产生的 爆炸应力波在} L 口部位已经产生相互叠加作用，且 由堵塞部分向自由面方向传播，造成应力波作用主 要集中在炮孔孔口附近，炸药产生的爆轰能量在岩 体中分布严重不均，≠L 底部位岩石的受到的破坏作 用差。而由图3 可知．当起爆药包位于孔底起爆时， 随着爆轰渡迅速从孔底向孔口传播，在15h i s 时间 内应力波几乎传播整个炮孔，使得整个炮孔中的炸 药充分反应，爆炸应力波在岩石中的作用时间长，爆 轰气体作用不会很快的溢出。因此对于扇形炮孔布 孔方式进行破岩时，起爆点放置在孔底部位，有利于 降低孔底部位的大块产生率，改善整体爆破效果。 万方数据 第2 8 卷第2 期 柴修伟．张电吉，周文勇，等厚大磷矿体井下中深孔爆破参数优化研究 3 7 a 1 孔口起爆05 啪时势f b 孔口起爆08 m B 时刻 c 】孔口起爆L 0 m s 时捌 d m 口起爆1 ．5 m 9 时封 图2 孔口起爆后不同时间虚力波分布图 - 鱼蚕_ 盘 f 目孔底起爆05 m s 时刻{ b } 孔底起爆08 m s 时刻 c 1 孔底起量1o m B 时刻{ d } 孔底起攥15 m s 时捌 圈3 孔底起爆后不同时间应力渡分布圉 誉鍪鬻 毖瑟爱 万方数据 3 8爆破2 0 1 1 年6 月 2 现场试验 根据数值模拟的研究成果，在矿山井下采场进 行了现场试验，采用Y G Z - 9 0 凿岩机，上向扇形中深 孔爆破，孔径为6 5m m ，孔底起爆，塑料导爆管非电 起爆系统起爆。装药结构、雷管段别及炮孔堵塞参 数见表4 ，布孔示意图见图4 。 表4 装药结构、雷管段别及炮孔堵塞参数 图4 布孔示意图 单位m 本次试验总装药量为1 3 2k g ，最后爆落下的矿 石约为8 0 0t ，炸药平均单耗为0 ．4 7 8k g ／m 3 。通过 对试验后矿石的破碎块度直观观察，矿石块度基本 均匀，最大块度不超过2 0c m ，破碎效果比较好。 3 结语 瓮安大信北斗山磷矿矿层比较厚，且为剩余矿 体的开采，地表允许塌陷，采用中深孔扇形炮孔无底 柱分段崩落法进行开采，凿岩、出矿效率高，并且安 全性也比较好。利用有限元数值计算方法对上向中 深孑L 扇形炮孔的不同起爆方式进行模拟，用数学手 段再现高速的爆炸应力波传播过程，通过分析不同 爆炸时刻应力波在岩体中的应力分布云图，对于崩 落法中扇形布孔，孔底起爆方式，炸药产生的爆轰能 量在岩体中分布更均匀，爆炸应力波在岩石中的作 用时间长，爆轰气体作用不会很快的溢出，有利于降 低孔底部位的大块产生率，改善整体爆破效果。根 据数值模拟结果在现场进行了小型爆破试验，采用 孔底起爆，最终崩矿的平均单耗为0 ．4 7 8k s ／m 3 时， 比北斗山磷矿原有的房柱法采矿工艺的平均单耗降 低很多，给矿山带来了较好的经济效益。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 郑晓硕，王剑，周乃松．无底柱分段崩落法中深孔爆 破参数试验[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 1 5 0 5 3 ． [ 2 ]秦绍兵．模型试验在井下中深孔爆破参数优化研究中 的应用[ J ] ．金属矿山，2 0 0 1 ，2 9 7 3 1 5 - 1 7 ． [ 3 ] 任凤玉，周宗红，穆太升，等．夏甸金矿中深孔爆破参 数优化研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 5 ，3 5 3 1 1 4 6 ． [ 4 ]罗毓，覃振华，李波文．爆破漏斗形成过程的数值模 拟研究[ J ] ．爆破，2 0 0 7 ，2 4 3 2 0 - 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t u r n e de x p l o s i v e l yf o r m e dp r o j e c t i l e E F P w i t h s t a r - s h a p e df i n s [ j ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 5 ， 2 5 4 3 1 3 - 3 1 8 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 涂侯杰，恽寿榕，赵衡阳．破爆型串联战斗部第一级爆 炸对第二级影响的研究[ J ] ．兵工学报，1 9 9 4 3 1 8 - 2 2 ． [ 6 ] ’r UH o n - j i e ，Y U NS h o u - y o n g ，Z H A OH e n g - y a n g ．B l a s te f f e c t o nt h ef o l l o w - 埘c l l a 学o fat a n d e m 嘲l d 删[ J ] ．A c t a A 唧哪豫m a r i i ，1 9 9 4 3 1 8 - 2 2 ． i nC h i n e s e 万方数据