近充填体崩矿过程爆破振动控制研究.pdf

第3 l 卷第5 期 2 0 1 1 年1 0 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 哐T A L L U R G H A LE N G I N E E R I N G v 0 1 ．3 l №5 O c t o b e r2 0 ll 近充填体崩矿过程爆破振动控制研究① 刘优平1 一，龚敏1 ，赵江倩2 ，黄刚海2 1 ．北京科技大学土木与环境T 程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西南昌3 3 0 0 9 9 摘要采用A N S Y S ／L S D Y N A 分析凡口铅锌矿问柱采场近充填体炮孔的爆炸应力场，提取充填体内一系列节点的振动速度，加 以对比分析，以优化炮孔装药结构，控制爆破对充填体的影响。研究结果表明炸药在炮孔内分布越均匀，爆破对充填体的破坏效 应越小；采用空气间隔装药时，爆破能量分布更为均匀，能更有效地控制爆破振动。 关键词采矿工程；爆破振动；A N S Y S ／L S D Y N A ；充填体；装药结构 中图分类号T D 8 5 3 ．3 4文献标识码文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 1 0 5 - 0 0 1 3 - 0 5 S t u d yo nB l a s t i n gV i b r a t i o nC o n t r o ld u r i n gM i n i n gn e a rt h eF i l l m a s s L I UY o u ．p i n 9 1 - 。G O N GM i n l ，Z H A OJ i a n g q i a n 2 ，H U A N GG a n g - h a i 2 1 ．S c h o o lo fC i v i la n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，B e 彬n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c e T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fC i v i la n dS t r u c t u r eE n g i n e e r i n g ，N a n c h a n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，N a n c h a n g3 3 0 0 9 9 ，五a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t A N S Y S ／L S D Y N Aw 豳u s e dt oa n a l y z eb l a s ts t r e s sf i e l do fb l a s t - h o l en e a rt h ef i l l m a s si nc o l u n l ns t o p ei n F a n k o uL e a d z i n cM i n e ．T h ev i b r a t i o nv e l o c i t yo fas e r i e so fn o d e si n s i d et h ef i U - m a s sw a ge x t r a c t e df o rc o m p a r i s o na n d a n a l y s i s ，8 0a st oo p t i m i z et h eh o l e ’Sc h a r g i n gs t r u c t u r e ，b r i n g i n gt h eb l a s t i n ge f f e c tt ot h ef i l l m a s su n d e rt h ec o n t r 0 1 ． R e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tm o r ee v e nd i s t r i b u t i o no fe x p l o s i v e si nb l a s t i n gh o l ec o u l dr e d u c et h eb r e a k i n ge f f e c to f b l a s t i n gt o6 l l - m a s s ，a n da i r d e c hc h a r g i n gs t r u c t u r ec o u l db r i n gam o r ee v e nd i s t r i b u t i o no fb l a s t i n ge n e r g y ，r e s u l t i n gi n b l a s t i n gv i b r a t i o nu n d e rm o r ee f f e c t i v ec o n t r 0 1 ． K e yw o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；A N S Y S ／L S - D Y N A ；f i l l - m a s s ；c h a r g i n gs t r u c t u r e 采用二步骤房柱法进行采矿的矿山，在间柱采场 矿石的回采过程中，邻近充填体炮孔 下称边孔 的爆 炸应力场在充填体内产生的振动常使充填体垮塌，造 成矿石贫化，同时降低了充填体对顶板的支撑作用，影 响采矿安全；矿房充填体能否保持稳定是判断崩矿爆 破是否成功的重要标准。在爆破载荷作用下，如何保 持充填体的稳定，一直是采矿工作者努力研究的问题。 前人的研究成果对间柱采场崩矿过程爆破振动的控制 起重要指导作用。o 。 目前，研究充填体在爆破载荷下的稳定性最有效 的办法仍是现场爆破试验，其次是物理模型试验，这两 种方法可直接发现充填体在爆炸载荷作用下的稳定性 特征，从而有效地调整爆破参数。然而这两种方法成 本较高，且需较长时间进行准备工作。近年来，随着计 算机技术的发展，数值方法可以实现对爆破的模拟，在 一定程度上可代替试验来研究爆破对周围介质的影 响。在国内，A N S Y S ／L S D Y N A 是分析爆炸应力场最 常用的工具p ’7 0 。 鉴于A N S Y S ／L S D Y N A 对爆破过程进行模拟的 可行性，本文采用该软件对凡口铅锌矿间柱采场边孔 的几种装药结构进行了爆破模拟，研究了边孔爆破引 发充填体振动的特性，以控制边孔爆破对充填体的 影响。 1工程概况 广东凡口铅锌矿为实现年产1 8 万吨铅锌金属量， 决定采用深孑L 爆破崩矿高效采矿方法。目前，该矿山 崩矿过程中，边孔不合理的装药结构常造成矿房充填 体坍塌，给间柱采场矿石的回采带来诸多问题。通过 现场爆破试验，反复改变边孔装药结构，最终确定炮孔 长度方向上间隔比例大约为0 ．4 时边孔爆破效果较 好，块度均匀且基本不出现充填体的大范围坍塌。 ①收稿日期2 0 1 1 - 0 3 1 1 基金项目国家自然科学基金 5 0 9 6 9 0 0 7 ；江西省教育厅青年科学基金课题 G J J l 0 2 7 2 作者简介刘优平 1 9 7 9 一 ，男，湖南醴陵人，博士研究生；讲师，主要从事采矿与爆破方面的研究。 万方数据 1 4 矿冶工程第3 l 卷 然而，同一装药量可有多种装药结构，不同的装药 结构爆破效果可能截然不同。图l 所示为在爆破试验 中曾采用的5 种边孔装药结构，它们装药量相同，间隔 比例均为0 ．3 8 5 ，但从爆破试验结果上难以对比出这5 种装药结构的优劣。这是因为充填体不同位置的强度 不尽相同，使现场爆破试验缺乏可比性。只有保证每 种装药结构的爆破条件相同，并对爆破结果进行深入 细致地监测和分析，才能确定何种装药结构最优。这 是现场爆破试验难以做到的。 方寨l方案z方寨3方寨4方寨5 其中 方寨1 炸药2 軎 l m 河秒方案2 舴南2 者 o ．5 m 河秒 o ．5 1 竹■ 方案3 炸药2 卷 lm 竹俺方案4 炸药I 卷加．5 m 河秒 方案s 姊药I 考 n 5 m 竹筒 图l 间隔比例为0 ．3 8 5 的5 种边孔装药结构示意 ①所有装药结构炮孔全长敷设导爆索，町认为各段药柱同时起爆； ②河砂及竹筒均为间隔介质，竹简间隔同等于空气问隔；③所用炸药 为乳化炸药，药卷直径为9 0m l n ，单卷长度8 0c m 。 已知炮孔装药量，却难以确定何种装药结构最能 控制爆破对充填体的影响，以便日后长期采用，这是间 柱采场边孑L 控制爆破有待解决的问题。 2 研究技术路线 针对上述问题，可用A N S Y S ／L S D Y N A 有限元 软件分别对5 种装药结构进行爆破模拟，分析充填体 在爆破作用下的动力响应，比较动力响应的大小即可 确定5 种方案的优劣顺序。充填体在爆破载荷作用下 的动力响应可用质点振动速度来表示，可在模拟结果 中提取充填体内一系列质点的振动速度曲线，读取曲 线的峰值加以对比，即可对5 种装药方案进行评价。 2 ．1 A N S Y S ／L S D Y N A 简介 A N S Y s ／L S D Y N A 3 D 是由美国A N S Y S 公司和 L S T C 公司合作开发的一个显式非线性动力分析通用 有限元程序，是A N S Y S 的高度非线性瞬态动力分析模 块，可以求解各种二维和三维非弹性结构的高速碰撞、 爆炸和模压等大变形动力响应，同时可以求解传热、流 体及流同耦合问题旧。9J 。 2 ．2 数值模拟模型 图2 为爆破模拟模型示意图。边孔距矿房充填体 1 ．2m ，爆破最小抵抗线1 ．5m ，充填体受爆破影响的 深度一般不大，取其宽度为1 ．3m 可满足分析要求。 模型中炮孔的长度不必取实际长度，因为装药结构在 炮孔长度方向上是均匀分布的，可认为炮孔包括了若 干药柱和间隔柱时其爆破效果与无限长炮孔的爆破效 果相差不大；最后取模型高度为9 ．0m 。为消除人为 边界影响，除自由面外，其他边界均设置为透射边界 透射边界不造成波的反射 。考虑模型的前后和上 下对称性，取1 ／4 模型进行计算，以缩短计算机时。 图2 数值模拟计算模型示意 2 ．3 材料模型及其参数 模型网格采用多物质共用节点A L E 算法隋] ，该算 法同普通的L a g r a n g e 方法一样先将网格固定在介质 上，然后根据计算需要 即变形发展情况 每隔一个或 几个步长时间间隔，按一定的规则重新构造网格；在时 间步长满足随声速增大而减小的规定时可保证显式格 式的稳定性。A L E 算法在处理较大畸变的介质运动 问题中比纯E u l e r 算法提高了精度。 表1 4 为几种物质的材料模型及其参数 充填 体参数难以确定，最后取为矿岩强度弱化后的参数，该 做法不会影响5 种装药方案优劣顺序 。表中各符号 物理意义参见文献[ 8 ] 。 表1 河砂M A ．r - S O l L _ A N D F O A M 模型参数 1 ．3 1 0 62 ．1 1 0 6 2 ．7 1 0 63 ．9 1 0 65 ．5X 1 0 6I ．2 1 0 7 万方数据 第5 期刘优平等近充填体崩矿过程爆破振动控制研究 表2 炸药M A _ L H I G H E X P L O S I V E B U R N 模型参数 表3 矿岩M A _ L P L A S T I c L K I N E M A T I C 模型参数 3 爆破数值模拟结果分析 3 ．t 有效应力场分析 图3 为方案l 爆破过程各时刻有效应力分布图 其他方案的有效应力场类似，不做分析 。 毯一 翘 _ ， 昌蠢蔼雪 t 0 ．0 6 m sf - 0 ．4 m sf n S 4 咖，- 1 ．0 6r e f - 1 ．4 m st 2 ．7 8 m J 图3 方案1 爆破过程各时刻有效应力分布 a 整个模型； b 充填体 从图3 a 可看出，6 个药包从药包中心同时起 爆，t 0 ．1m s 时两相邻药包的应力场开始叠加，t 0 ．2 8m s 时三段药柱的应力场开始叠加并融合成柱状 应力波向外传播；应力波到达采场边界时发生一定程 度的反射，使该处附近应力波强度得到加强 见图中 椭圆圈出的部分 ；t 3 ．3 2m s 时应力波强度已经 很弱。 从图3 b 可看出，炸药起爆0 ．0 6m s 后应力波开 始进入充填体，之后充填体内的应力强度逐渐增大，在 t 0 ．5 4 1 ．4m s 时充填体内的应力波强度最大。 3 ．2 关键位置节点振动速度对比分析 如图4 所示，选择充填体内靠近矿岩边界的1 8 个 节点 n o d e 用于对比分析。为使模拟结果具有可比 性，除模拟所用的模型及其网格划分一致外，还保证每 个模型提取的节点坐标一致。由于模型具有一定的上 下对称性，故提取的1 8 个节点均位于模型的下半部。 t 3 m1 0 Ⅲ1 ．S m 矿 岩 与1 8 十节点。其编号为 罐 炮 札O l ，2 ，⋯，I S 。所 体 7 孔 有点的x 坐标均为1 0 ， y 坐标均为o ，z 坐标 葬 最小值为加，最大值为 4 ．4 ，增加步距为札2 ／ ，‘7 图4 模拟结果分析所用的节点位置示意 研究表明，对于岩石巷道、充填体等具有直立面结 阳的构筑物，在爆破载荷作用下，造成直立面发生破坏 『{ ‘J 振动主要是垂直于该面的质点振动。因此，下面分 析内容的曲线均为各节点的x 方向振动速度时程曲 E 参照图4 坐标系 。 图5 9 分别为5 种装药方案1 8 个节点的振动速 』蜘} 程曲线。每个图的模型仅含充填体的下部分。各 H 线的峰值见表5 。为对比5 种装药方案的优劣，分 圳计算了5 种方案1 8 个数据的数字特征值，包括最大 仉、平均值和方差，记于表5 中。 h E 方案4 方案5 。由于节点振动速度峰值 的最大值反映了各种装药结构爆破过程的最大破坏效 应，平均值在某种程度上反映了平均破坏效应，方差反 映了各关键点振动速度峰值的均衡程度，方差越小．表 明各节点的振动速度峰值越相近，即爆破能量分布越 均匀，所以，从爆破的破坏效应及爆破能量的分布上考 加坫o o{仲2加 冲2 m o o{埔2柚 如加埘o m 加鲫 拼哪；呈拼拼啷Ⅲ善|晰“啪 n ㈠坻慨n n 性协琏{窨ⅢⅢ{蕃蚴掰Ⅲ|暑抛|暑郴 n ㈧㈨n m m 坻㈠㈨仍姗矧御柏螂饼Ⅲ彻跏捌忆￡|垃㈦￡|n孤珐珊若{；耋l餐嘲彤m扔鼢m鳓 氓他缇n n佗忸∞a粥Ⅲ啦嘶粥柳Ⅲ弼渤毫 旺m m h旺￡|坫‰孔a 嘶坫h 王 幅仲o o{2加 万方数据 第5 期刘优平等近充填体崩矿过程爆破振动控制研究 1 7 虑，上述5 种装药结构中，方案5 为最优方案，其次依 次为方案4 、方案3 、方案2 、方案1 。 4 结语 1 5 种边孔装药结构从优到劣的顺序为方案5 、 方案4 、方案3 、方案2 、方案l 。建议爆破过程对边孔 采用“0 ．8m 药卷 0 ．5m 竹筒”装药结构。 2 5 种装药结构的炸药在炮孔内分布越来越均 匀，由此可知，对于相同装药量的装药结构，炸药在炮 孔长度方向上分布越均匀，爆破破坏效应越小。 3 间隔介质对爆破效果产生较大影响，采用空气 间隔装药时，与河砂间隔装药相比，爆破能量分布更为 均匀，且能更好地控制爆破振动。 4 应考虑在爆破现场进行爆破振动监测，以实际 数据来验证5 种方案数值模拟结果的正确性。该研究 工作将在后续的科研中进行。 上接第1 2 页 问题、矿体安全高效采矿与扩大生产能力问题、海底开 采合理保安矿柱及其安全开采等技术问题的解决提供 理论依据，为我国第一个海洋金属矿山的安全高效开 采工艺水平的设计与完善提供了一个科学、详实和全 面的基础研究。 参考文献 [ 1 ] 蔡美峰．地应力测量原理和技术[ M ] ．北京科学技术出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ]陈晓祥，韦四江．初始地应力场对煤矿巷道围岩稳定性的影响 [ J ] ．矿冶工程．2 0 0 8 。2 8 6 l 一4 ． [ 3 ]马春德。李夕兵，陈枫，等．自然崩落法矿山深部地应力场分布 规律的测试研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 0 。3 0 6 1 0 一1 4 ． [ 4 ]马春德．徐纪成，陈枫，等．大红山铁矿三维地应力场的测量 及分布规律研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 7 ，8 1 4 2 4 6 ． [ 5 ]吴满路，廖椿庭。张春山，等．红透I U 铜矿地应力测量及其分布规 律研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 。2 3 2 3 3 9 4 3 3 9 4 7 ． [ 6 ]张镜剑，傅冰骏．岩爆及其判据和防治[ J ] ．岩石力学与工程学 报，2 0 0 8 ，2 7 1 0 2 0 3 4 - 2 0 4 2 ． [ 7 】李满洲，余强，郭启良，等．地应力测量在矿床突水防治中的应 参考文献 [ 1 ] 刘志祥。李夕兵．爆破动载下高阶段充填体稳定性研究[ J ] ．矿 冶工程，2 0 0 4 ，2 4 3 2 1 2 4 ． 。 [ 2 ] 陈跃达，谢源，袁向全，等．爆破载荷作用下充填体稳定条件分 析[ J ] ．工程爆破。1 9 9 7 。3 3 2 9 3 2 ． [ 3 ] 赵国彦，张磊，陈志强，等．中深孔爆破效果的非线性预测[ J 】． 矿冶工程，2 0 1 0 2 l 一4 ． [ 4 ] 赵彬，王新民，史良贵，等．基于B P 神经网络的爆破参数优选 [ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 4 2 4 2 7 ． [ 5 ] 周传波．深孔爆破一次成井模拟优化与应用研究[ D ] ．武汉中 国地质大学工程学院地质工程系，2 0 0 4 ． [ 6 ] 郑样滨，璩世杰，范利华，等．单螺旋空孔直眼掏槽成腔过程数值 模拟研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 9 2 5 8 9 - 2 5 9 4 ． [ 7 ] 姜鹏飞，唐德高，龙源．不耦合装药爆破对硬岩应力场影响的 数值分析[ J ] ．岩土力学，2 0 0 9 。3 0 1 2 7 5 2 7 9 ． [ 8 ] 时党勇，李裕春，张盛民．基于A N S Y S ／L S D Y N A 8 ．1 进行显式 动力分析[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 5 ． [ 9 ] A n s y sh e ．A N S Y S ／L S D Y N AU s e rG u i d e [ R ] ．1 9 9 9 ． 用以河南夹沟铝土矿床突水防治工程为例[ J ] ．地球学报， 2 0 0 6 ．2 7 4 3 7 3 3 7 8 ． [ 8 ] 张百红，韩立军，韩贵雷，等．深部三维地应力实测与巷道稳定 性研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 9 2 5 4 7 2 5 5 5 ． [ 9 ] 罗超文。李海波，刘哑群．深埋巷道地应力测量及围岩应力分布 特征研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 0 ，2 9 7 1 4 1 8 1 4 2 3 ． [ I O ] 蔡美峰，乔兰，余波，等．金川二矿区深部地应力测蕈及其分 布规律研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，1 9 9 9 ，1 8 4 4 1 4 - 4 1 8 ． [ 1 1 ] 董诚。王连捷，杨小聪，等．安庆铜矿地应力测量[ J ] ．地质力 学学报。2 0 0 1 ，7 3 2 5 9 2 6 3 ． [ 1 2 ]葛修润，侯明勋．一种测定深部岩体地应力的新方法钻孔局部 面应力全解徐法[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 2 3 3 9 2 3 3 9 2 7 ． [ 1 3 ] 侯明勋．深部岩体三维地应力测量新方法、新原理及其相关问 题研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 2 4 4 2 5 8 - 4 2 5 8 ． [ 1 4 ] 蔡美峰，刘卫东，李远．玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应 力场分布规律【J 】．岩石力学与工程学报，2 0 1 0 ，2 9 2 2 2 7 2 3 3 ． [ 1 5 ] 苗胜军，万林海，来兴平，等．三山岛金矿地应力场与地质构造 关系分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 2 3 3 9 9 6 3 9 9 9 ． 万方数据