采场轮廓预裂爆破成缝数值模拟及应用.pdf

第3 2 巷第4 期 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R l N G V O I3 2 №4 A u g u s t2 0 1 2 采场轮廓预裂爆破成缝数值模拟及应用① 朱兆文1 ，徐敏2 ，黄治成2 ，许杰2 1 山东黄金股份有限公司新城金矿，J h 尔菜州2 6 1 4 3 8 ；2 扣南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要结合山东新城余矿矿岩的物理力学性质和凿岩爆破参数，运用非线性有限元软什L S ，D Y N A 建立了1 6 组预裂爆破成缝模 型，模拟了预裂爆破成缝的整个过程。选取五组预裂成缝效果较好的模拟参数，运弭lL s o p 软{ 牟拟合出试验采场关于孔径和孔问距 的预裂j L 线装药密度公式，并根据此公式在该矿试验采场结合牛产进行预裂爆破试验。爆破后的采场两帮平整光滑，预裂炮孔清 晰可见，验证了通过预裂成缝控制采场轮廓的町行性和有效性。该研究为其它矿山对采场轮廓的控制提供r 一条新途径，具有广 阔的推广应用前景。 关键词预裂爆破；数值模拟；规裂成缝；采场轮廓；线装药密度 中国分类号T D 2 3 5文蕺标识码A文章编号0 2 5 3 6 明9 2 0 1 2 0 4 3 0 2 0 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dF i e l dA p p l i c a t i o no f P r e - s p l i t t i n gB l a s t i n gt oC o n t r o lS t o p eO u t l i n e Z H UZ h a o w e n2 ，X UM i n 。．H U A N GZ h ic h e n 9 2 ，X UJ ie | 1 ．X i n c h e n gG o l dM i n e ，S h a n g d o n gG o l dC o r p o r a t i o n ，L a i z h o u2 6 1 4 3 8 ，S h a n d o n g ，C h i n a ；2 ．S c h o o lD ，R e s o u r c e sa n d S a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fg o l do r ea n ds u r r o u n d i n gr o c ki nX i n e h e n gG o l dM i n ea n dt h ed r i l l i n ga n d b l a s t i n gp a r a m e t e r s ，1 6g r o u p so fm o d e lf o ’p r e s p l i t t i n gb l a s t i n gf i s s u r ew e r ee s t a b l i s h e db yu s i f i gL S D Y N A n o n l i n e a r d y n a m i cf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t os i m u l a t et h ef i s s u r ef o r m a t i o np r o c e s sb yp r e s p l i t t i n gb l a s t i n g ．5g r o u p so fs i m u l a t i o np a r a m e t e r sw i t hg o o df r a c t u r i n ge f f e c tw e r es e l e c t e dt of i tt h el i n e a rc h a r g ed e n s i t yf o r m u l ab yu s i n gL s o p ts o f t w a r e ， w h i c hh a ds o m er e l a t i o nw i t ht h ep o r ed i a m e t e ra n dh o l ep i t c h ．T h e na nO i l s i t et e s tw a sc o n d u c t e do np r e s p l i t t i n g b l a s t i n gb a s e do nt h i sf o r m u l aT h er e s u l ts h o w st h a tt w os i d e so ft h es t o p earew e l lc o n t r o l l e dw i t hc l e a r l y - v i s i b l e p r e s p l i th o l e s ，w h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fc o n t r o l l i n gt h eo u t l i n eo fM o p eb yp r e b l a s t i n gf i s s u r e T h i sr e s e a r c hp r o v i d i n gai l e wm e t h o dI nc o n t r o ls t o p eo u t l i n e ，s h o w saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ． K e yw o r d p r e s p l i tb 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 ；p r e s p l i t t i n gf i s s u r e ；s t o p eo u t l i n e ；l i n e a rc h a r g ed e n s i t y 地下矿山中，炸药爆破产生的大部分能量以地震 波、空气冲击波等形式传递给矿体和围岩，在破碎矿体 的同时也对需保留的围岩造成了振动和损伤，甚至会 对围岩造成严重破坏。⋯。为减小爆破对围岩的破 坏，并保证围岩按轮廓线开挖，常采用采场轮廓预裂爆 破控制技术。预裂爆破能保证开挖而光滑平整，减小 爆破对围岩的累积效应和稳定性扰动程度，对爆破质 量的提高，实现安全、经济和有效的岩体开挖有再要意 n ，45 ] 义。 理论研究和工程实践均表明”“ ，预裂爆破效果 取决于生成的预裂缝。‘然而，预裂爆破裂纹的产生足 一个既短暂又复杂的过程，期间存在着大量随时间和 空间变化的参量。近年来，随着计算机技术和数值计 算方法的快速发展，数值模拟方法也越来越多地应用 于预裂爆破的研究中”“⋯。 本文结合新城金矿具体落矿条件与爆破环境，利 用L S ．D Y N A 有限元动力分析软件模拟预裂成预裂缝 的过程。根据麦夸特珐和全局通用法，选取模拟效果 较优的参数拟合出预裂爆破线装药量公式，计算出预 裂7 L 装药量，在该矿试验采场结合生产实践进行了预 裂爆破试验。 1 预裂成缝的数值模拟 11 有限元模型的建立及分组 采用c m g 一斗s 单位制建立预裂缝成缝模型。考虑 模型为轴对称模型，为| r 减少计算量，只建立其1 ／2 模 ①收稿日期2 0 1 2 4 2 1 D 作者简介朱兆文 1 9 8 5 一 ，男，山东菏洋人，主要从事采矿呵爆破研究T 作。 万方数据 第4 期朱兆文等采场轮廓预裂爆破成缝数值模拟及应用 型。模型长2 1 0c m ，宽1 2 0c m ，厚0 ．2c m ，如图1 所 示。模型中共有3 种材料，即炸药、空气和岩石。三种 材料均选用s o l i d i 6 4 实体单元，对炸药和空气进行扫 掠网格划分，对岩石采用自由网格划分。 圈】数值计算模型 根据计算模型的对称性．左右边界和上边界仅施 加垂直方向位移；而下边界既施加垂直方向位移，也施 加水平方向位移。为反映模型以外空间的无限状态， 减小边界应力波反射的影响，对边界施加无反射边界 条件，吸收膨胀波和剪切波。炸药起爆点均为炸药中 心，0 时刻，两孔同时起爆。 划分结果如图2 所示。 图2 模型部分有限元网格划分 对于具体的矿山，预裂爆破效果主要取决于3 个 要素孔径、孔距和线装药密度‘7 。根据同类矿山预 裂爆破孔距、线装药密度和体积小耦合系数的理论计 算值、经验公式和经验取值范围分别建立了1 6 组预裂 爆破成缝模型，模型分组如表i 所示。 I2 材料参数 爆破近区矿体发生屈服破坏，矿伴的动态抗压强 度随加载应变率的提高而增大，选择具有弹塑性性质 的动力学模型M A T P L A S T I C - K I N E M A T I C 模拟较合 理”2 - i J ；。根据岩石力学试验，上下盘围岩及矿体的力 学参数如表2 所示。选用L S ．D Y N A 内嵌炸药模型 M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N 模拟2 4 岩石乳化炸药。 炸药密度为1 ．2s ／c m ’，爆速为32 0 0m ／s 。炸药状态 表1 预裂爆破成缝模型组 表2 上下盘岩体及矿体的力学参数 方程选用常用的J W L 状态方程，状态方程参数如式 1 所示。空气材料采用空材料模型M A T N U L L ，密 度为1 ．2 9k s ／m ’。 P n 卜南P ～馏 卜南卜。 等 1 式中P 为压力；v 为相对体积；E o 为初始比内能；A ，日， R 。，R ，Ⅲ均为与炸药有关的常数，A 2 1 4 ．4G P a ，B 0 ．1 8 2G P a ，R I 4 ．2 ，R 2 0 ．9 ，埘 O ．1 5 ，E o 7x 1 0 9J 。 岩体爆破产生的粉碎区是岩体受压所致，非粉碎 区则是以受拉破坏为主。柱状药包爆破时，炮孔周围 的单元受到了不均匀的拉伸，矿岩单元拉伸应力以炮 孔为中心向周围呈递减梯度变化。抗拉动载荷强度 o - 。与静载荷强度口；满足G r 。 口，，在非粉碎区模型破 坏准则通过第一强度理论 最大拉应力理论 判断模 型材料的失效，所以定义岩石的抗拉强度需添加M A T - A D D E R O S I O N 关键字，当单元的有效应力达到其设 定的抗拉强度时自动消失．以动态显示预裂缝的形成 过程‘””j 。 2 数值模拟结果及分析 2 ．1 预裂爆破成缝过程分析 模型1 药量合适、预裂缝贯通、保留岩体保护好 万方数据 矿冶T 程第3 2 卷 可以看出预裂爆破的成缝过程，如图3 所示，两预裂孔 同时起爆，起爆8 0 s 内，矿石主要表现为各个方向均 匀分布的压缩破坏，尚未形成预裂缝。1 6 0 斗s 后，压 缩破坏区的范围已经不再增大。预裂缝开始从两孔孔 壁出现并沿着两孔连线方向发展。2 3 0I x s 时，预裂缝 继续向前发展，准备再贯通两预裂孔。5 0 0I x s 时，中 间两预裂孔贯通，形成整齐的预裂缝。 图3 模型1 不同时问预裂成缝情况 分析模型3 可以看出同等孔径和孔距时，因为装 药量偏大，预裂缝未贯通的情况，如图4 所示，爆破的 能量主要集中于破碎炮孔附近的矿石中，形成了较大 的粉碎圈，而没有形成应有的预裂缝，也就没有达到 预裂的效果。在实际工程中，也无法有效的控制采场 的轮廓。 图4 模型3 不同时问预裂成缝情况 2 ．2 预裂爆破成缝结果分析 1 6 组预裂爆破模拟成缝效果如表3 所示。从表 中可以看出，第1 、第2 、第6 、第l O 和第1 5 组预裂爆破 效果较好。这5 组预裂爆破成缝模型线装药密度、孔 间距合适，预裂缝贯通．孔擘和保留岩体损伤较小。在 具体工程中，炸药的种类是确定的，那么影响预裂爆破 效果的3 大凶素为孔间距、} L 径和线装药密度。选取 这5 组预裂爆破效果好的参数，运用L s o p t 软件拟合 得到其三维参数的关系式，如式 2 所示。 表31 6 组模型预裂爆破成缝结果 △* 一16 3 9 ．5 14 1 3 ．9 I n d 一2 5 ．1 a 0 ．1 8 9 5 a 2 2 式中△＆为线装药密度，g ／m ；n 为孔间距，e m ；d 为炮 孔直径，t i l l 。 由于线装药密度一定的情况下，体积不耦合系数 亦确定，所以式 2 中体积不耦合系数不作为白变量。 3 现场应用验证 根据数值模拟的研究成果，在山东黄金新城金矿 一6 3 0m 水平，结合实际生产进行了工业试验。试验 万方数据 第4 期 来兆文等采场轮廓预裂爆破成缝数值模拟及应用 采场为6 3 7 6 2 采场，该段矿体以细脉状金矿石为主，网 脉状和团块浸染状金矿石为辅。上下盘围岩均为绢英 岩质碎裂岩，岩石力学性质如前所述。 使用全分段预裂挤压一次爆破强化技术开采矿 体，即采用预裂爆破技术控制采场的轮廓，然后通过主 爆孔爆破破碎矿石。其中，预裂孔孔径为7 0m m ，孔距 为0 ．7m 。使用2 。岩石乳化炸药，药卷直径为3 2m m ， 长2 0m m ，重0 ．2k g 。将参数带人式 2 ，可得该采场 预裂孔的装药密度为0 ．2 8 6k s ／m 。南帮预裂孔孔均 深35m ，实际装药1 ．2k g ；北帮预裂孔均深7 ．8m ，实 际装药2 ．6k g 。爆破后，采场两帮乎整光滑，两帮预裂 炮孔清晰可见，采场轮廓控制情况良好．如图5 所示。 图5 采场南北帮预裂爆破效果 a 南帮； 北帮 4 结语 1 运用L S D Y N A 软件，根据新城金矿的矿岩条 件和凿岩爆破参数，建立了1 6 组预裂爆破成缝模型， 模拟了预裂爆破成缝的整个过程。 2 选取5 组预裂爆破效果较好的参数，运用L s o p t 软件拟合出关于孔径和孔间距的预裂爆破线装药量 公式。 3 数值模拟研究成果应用于新城金矿的采场轮 廓控制中，爆破后，采场两帮断面整齐，两帮半边炮孔 清晰可见。试验的成功为其它矿山进行采场轮廓控制 提供了一条新途径，具有广阔的推广应用前景。 参考文献 [ 1 ]同长斌爆破作用下岩体累积损伤效应及其稳定性研究[ D ] 长 沙中南大学资源与安全工程学院，2 0 0 6 ． [ 2 ] D e b 曲a n iH ，A t a e e p o u rM ．D e v e l o p m e n to fam o d e lt op r e d i c tp e a k p a r t i c l ev e l o c i t y i nab l a s t i n g f i e l d [ J ] ．O p e r a t i o n I n t e m a t i o n MJ o u r n a l o fR o e EM e c h a n i c s ＆M i n i n gS c i e n c e s ，2 0 1 0 ．4 8 I 5 1 5 8 [ 3 ]张成良，粱开水，唐海预裂爆破减振作用效果分析[ J ] 爆 破，2 0 0 3 6 1 7 2 1 [ 4 ] D o n z eFV ，B o u n e h e sJ ，M a p i e rSA ．M o d e l i n gF r a c t u r e si nR o c k B l a s t i n g [ J 】I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f R o c k M e c h a n i c sa n d M i n i n gS e i i e n c e s ．1 9 9 7 ，3 4 8 1 5 2 1 6 3 [ 5 ] 杨年华预裂爆破对边坡岩体损伤的试验研究[ J ] 铁道学报， 2 0 0 8 3 9 6 1 0 1 [ 6 】邵鹏．姜涛．张勇岩巷预裂成缝机理的理论探讨[ J ] 爆 破器材，1 9 9 9 6 1 1 1 ， [ 7 ] 吴晓峰，宋照尚，李廷眷．预裂爆破中爆生裂缝扩展的机理探讨 及预裂炮孔间距的设计方法[ J ] ．中国港湾建设，2 0 0 7 1 4 9 一 弱 [ 8 】唐海，粱开水，游钦峰预裂爆破成缝机制及其影响因素的探 讨[ J j 爆破．2 0 1 0 3 1 6 [ 9 ] 钟冬望，李寿贵预裂爆破数值模拟及其应用研究[ J ] 爆破． 2 0 0 1 3 8 1 4 ． [ 1 0 ] 蔡峰，刘泽功，张朝举．高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增 透数值模拟[ J ] 煤炭学报，2 0 0 7 5 二4 9 9 5 0 6 [ 1 1 ] Z h e m i n gZ h uB i b h uM o h a n t y ，H e p i n gX i e ．N u m e r i c a li n v e s t i g a t i o n o fb l a s t i n g - i n d u c e dc r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o ni nr o c k [ J ] I n t e m a t i o n a lJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i e n c e s ．2 0 0 7 5 4 1 2 4 2 4 ． [ 1 2 ] L S T C ．I s D Y N Ak e y w o r dU s e r ’sM a n u a l [ M ] C a l i f o r n i a L i v e r - m o l eS o f t w a 陀T e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n ，2 0 0 3 [ 1 3 ] H a l l q u i s tJ0 ．L S D A N A T h e o r e t i c a lM a n u a l [ M ] C a l i f o r n i a L i v e n n a mS o f t w a r eT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n ．2 0 0 5 [ 1 4 】尚晓江，苏建字，王化锋A N S Y S ／I J s D Y N A 动力分析方法与工 程实例[ M 】．北京中国水利水电出版杜．2 0 0 6 ． [ 1 5 ] 夏样，李海渡，李傻如，等岩体爆生裂纹的数值模拟[ J ] 岩 土力学，2 0 0 6 【1 1 1 9 8 7 1 9 9 2 万方数据