水炮泥堵塞作用机理模型试验及应用研究.pdf

中图分类号婴2 圣 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 三三 密级公珏 水炮泥堵塞作用机理模型试验及应用研究 M o d e lt e s ta n da p p l i c a t i o ns t u d yo n w a t e rs t e m m i n gm e c h a n i s m 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 刘博 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 史秀志教授 黄沛生教授级高工 论文答辩日期丝』笙到i答辩委员会主 中南大学 二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名立虹 日期盟年』月卫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名蛆 日期盟年』月卫日 导师签名 万方数据 水炮泥堵塞作用机理模型试验及应用研究 摘要金属矿山井下开采多采用爆破法，炮孔堵塞是保证爆破效果的 重要因素。本文以凡口铅锌矿井下爆破为工程背景，基于水炮泥堵塞 的模型试验，通过理论探讨、试验验证、建模计算和指标评判等手段 对不同堵塞方式下模型试验结果进行分析，总结试验结论，并应用于 工程实践。本文主要研究的内容与结论如下 1 采用长度合理的水炮泥堵塞炮孔时可有效取代河砂的堵塞 效果，且具有较好的降尘效果，爆炸能量利用率和爆破效果也更好。 2 采用水炮泥在河砂之上的复式结构堵塞炮孔时，堵塞操作 性较好，并可获得满意的爆破效果。 3 根据G r i m t l l 理论和损伤力学理论，建立了合理堵塞长度计 算模型和裂纹扩展长度计算模型。计算得到模型爆破合理堵塞长度为 7 ．7 5 c m 水炮泥或5 ．3 c m 河砂或5 ．1 c m 水炮泥 3 ．4 c m 河砂的复式结构， 计算模型爆破主裂纹平均扩展长度为2 5 ．1 8 c m 。将堵塞长度和裂纹扩 展长度作为爆炸能量利用的评判指标，用F M - A H P 综合评判试验结 果，得到较好的堵塞方式为8 c m 水炮泥和复式结构I 。 4 利用基于计算机图像处理技术的M A T L A B G U I 爆破块度 分析系统处理试验结果，绘制块度分布曲线，并输出块体尺寸统计表， 由此计算合理的块度尺寸为4 ．7 c m ，根据分形理论，计算合理的块度 分布指数 分形维数 为1 ．3 。将块度尺寸和块度分布指数作为爆破 效果的评判指标，用F M ．A H P 综合评判试验结果，得到较好的堵塞 方式为复式结构I 和8 c m 水炮泥。 5 根据试验结论，确定矿山爆破孔堵塞方案，在某矿山采场 予以应用。结果表明应用效果良好，且工程效果与试验结论相互验证。 图6 0 幅，表3 1 个，参考文献8 9 篇 关键词模型爆破试验；水炮泥；堵塞方式；裂纹扩展；断裂损伤； 爆破块度；分形维数； 分类号T D 2 3 5 ；T D 8 5 3 万方数据 M o d e lt e s ta n da p p l i c a t i o ns t u d yo n w a t e rs t e m m i n gm e c h a n i s m A B S T R A C T B l a s t i n gm e t h o di so f t e nu s e di nu n d e r g r o u n dm i n i n gi n M e t a lm i n e ．B a s e do nt h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do fd o w nh o l eb l a s t i n g o p e r m i o ni nF a n k o ul e a d ．z i n cM i n ea n dt h em o d e l t e s to fw a t e rs t e m m i n g ， t h i sp a p e ra n a l y z ea n di n v e s t i g a t et h er e s u l t so fm o d e lt e s tt oa p p l yf o r d i f f e r e n tb l o c kw a yt h r o u g ht h et h e o r e t i c a l r e s e a r c h ，e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n ，m o d e l i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n di n d i c a t o r sj u d g e ．S u m su p t h et e s tc o n c l u s i o n ．a n dR i v eg u i d a n c ei nt h ee n g i n e e r i n g 印p l l c a U o n ．上n e 一一 一● ‘o ●●● ●● ●，1一n m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 E m p l o y i n gr e a s o n a b l el e n g t ho fw a t e rs t e m m i n g i nb l a s t i n g h o l e sc a ne f f e c t i v e l yr e p l a c es a n ds t e m m i n g ，a n dh a sb e R e re f f e c tt o r e d u c et h eb l a s t i n gd u s t ，w h o s ee x p l o s i o ne n e r g yu t i l i z a t i o na n dt h e b l a s t i n ge f f e c ti sb e t t e rt o o ． 2 E m p l o y i n gw a t e rs t e m m i n gc l o g g i n go nt h es a n do fc o m b i n e d s t r u c t u r ei nb l a s t i n gh o l eC a na c h i e v eb e t t e rb l o c k a g eo p e r a b i l i t ya n d s a t i s f a c t o r yb l a s t i n ge f f e c t ． 3 A c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t so fG r i m 血t h e o r ya n dd a m a g e m e c h a n i c s ，s e tu pc a l c u l a t i o nm o d e lo fr e a s o n a b l el e n g t ho fs t e m m i n g a n dc r a c kp r o p a g a t i o nl e n g t h ．功ec a l c u l a t i n gr e a s o n a b l el e n g t ho f ‘ o f ‘1 b l a s t i n g 。 7 ．7 5 c ml e n g t ho fw a rs t e m m i norstemming o tm o d e lb l a s t i n g1 S ／／3 c ml e n g m0 1w a t e rs t e m m i n g , o r ● 5 ．3c ml e n g t ho fs a n ds t e m m i n g ，o r5 ．1c ml e n g t ho fw a t e rs t e m m i n gp l u s 3 ．4 c ml e n g t ho fs a n ds t e m m i n gf o rt h ec o m b i n e ds t r u c t u r e ．C a l c u l a t i n g t h em a i nc r a c ke x t e n s i o na v e r a g el e n g t hi s2 5 ．18 c m ．D e f i n et h el e n g t ho f s t e m m i n ga n dt h el e n g t ho fc r a c ke x t e n s i o na st h ej u d g i n gi n d e x e so f e x p l o s i o ne n e r g y u t i l i z a t i o n ．U s eF M - A H Pt h e o r yt oe v a l u a t e c o m p r e h e n s i v e l yt h e t e s t r e s u l t s ，w h i c hs h o w st h a t t h ep r e f e r a b l e b l o c k i n gw a y sa r e8c ml e n g t ho f w a t e rs t e m m i n ga n dc o m b i n e ds t r u c t u r e I ． 4 B a s e d o n c o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , d e v e l o p b l a s t i n gf r a g m e n t a t i o na n a l y s i ss y s t e mi nt h eM 棚，A B G L Ⅱ p l a t f o r m t od e a lw i t ht e s tr e s u l t s ，d r a wd i s t r i b u t i o nc u r v ea n do u t p u tb l o c ks i z e s t a t i s t i c s ．C a l c u l a t i n gr e a s o n a b l eb l a s t i n gb l o c ks i z ei s4 ．7 c m ，a c c o r d i n g I I I 万方数据 t ot h ef r a c t a lt h e o r y , c a l c u l a t i n gr e a s o n a b l ef r a g m e n t a t i o nd i s t r i b u t i o n i n d e x f r a c t a ld i m e n s i o n i s 1 ．3 ．D e f i n et h e f o r e g o i n gt w oa s t h e e v a l u a t i o n ‘n d e xo fb l a s t i n ge f f e c t ．a n dF M ．御t h e o r yt ouateuationi n d e xo Ib l a s t i n ge f f e c ta n Ou s e M m e o r y e v a l u a t e ， ’A H r c o m p r e h e n s i v e l y t h et e s tr e s u l t s ，w h i c hs h o w st h a tt h ep r e f e r a b l e b l o c k i n gw a y sa r e c o m b i n e ds t r u c t u r eIa n d8c ml e n g t ho fw a t e r s t e m m i n g ． 5 A c c o r dt h et e s tr e s u l t st od e t e r m i n et h eb l o c k i n gs c h e m eo f b l a s t i n gh o l e ‘L i n e ．T h et p p l i c a t i o n f f e c to fb l o c k i n s c h e m ei nblasting h o l emam i n e h ea p p l i c a t i o ne l I e c tO ID l o c K m gs c h e m ei n● m i n es t o p ei ss a t i s f a c t o r y , a n dt h ee n g i n e e r i n ge f f e c ta n dt e s tr e s u l t si s m u t u a la u t h e n t i c a t i o n ． F i g u r e6 0 ，t a b l e31 ，r e f e r e n c e s8 9 K e y w o r d s B l a s t i n gm o d e lt e s t ；W a t e rs t e m m i n g ；B l o c k i n gw a y ；C r a c k p r o p a g a t i o n ；F r a c t u r e a n dd a m a g e ；B l a s t i n gf r a g m e n t a t i o n ；F r a c t a l d i m e n s i o n ； C l a s s i f i c a t i o n 6 2 2 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的来源与研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 ．1 炮孔内堵塞研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 爆炸裂纹扩展研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 岩体爆破块度研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 本文主要内容、方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 主要研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 论文研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 水炮泥堵塞作用机理理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 影响炮孔堵塞的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 孔内堵塞材料的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 水炮泥堵塞作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 水炮泥孔内运动规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 ．1 水炮泥运动分析假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 ．2 水炮泥运动时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．5 不同堵塞方式堵塞效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 ．1 不同堵塞物的堵塞效果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．5 ．2 水炮泥复式结构堵塞效果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．5 ．3 复式堵塞结构中水炮泥合理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 爆破荷载作用下水炮泥堵塞模型试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．1 试验模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．1 试验相似原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 ．1 ．2 模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 V 万方数据 3 ．2 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 试验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．2 试验方案拟定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．3 试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 定量性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．1 药卷导爆索长度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 ．2 模型爆破孔数试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4 水炮泥堵塞长度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．4 ．2 试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 3 ．5 水炮泥堵塞性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．5 ．1 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．5 ．2 试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．6 水炮泥堵塞位置试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．6 ．1 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．6 ．2 试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 不同堵塞方式下爆破裂纹扩展研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 裂纹扩展理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 ．1 基于断裂力学的裂纹扩展分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 ．2 基于损伤力学的裂纹扩展分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．2 ．3 裂纹扩展判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 模型试验的裂纹扩展分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 ．1 裂纹扩展参数数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 ．2 裂纹扩展参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．4 基于裂纹扩展的堵塞方式优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．4 ．1 基于裂纹扩展速度计算堵塞长度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．4 ．2 裂纹扩展长度分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 4 ．4 ．3 堵塞方式优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 不同堵塞方式下模型爆破块度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．1 爆破块度分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 V I 万方数据 5 ．1 ．1 爆破块度测量方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．1 ．2 试验爆破块度测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．2 基于图像处理的爆破块度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 ．1 爆破块度分析系统介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2 ．2 爆破块度图像处理技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2 ．3 爆破块度分析系统处理流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．2 ．4 爆破块度分布测量结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．3 基于分形理论的爆破块度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 ．1 分形理论简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 ．2 爆破块度的分形研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3 ．3 爆破块度分维数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．4 基于爆破块度分析的堵塞方式优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．4 ．1 不同堵塞方式下爆破块度分布参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．4 ．2 堵塞方式优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 6 ．1 采场回采爆破作业介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．1 ．1 矿山采矿方法介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．1 ．2 掏槽爆破介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．2 试验模型与工程实际的相似关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 ．3 工程实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．3 ．1 爆破孔堵塞方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 6 ．3 ．2 采场爆破作业实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 6 ．3 ．3 爆破效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 7 ．1 全文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 7 ．2 工作不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 V I I 万方数据 1 绪论 1 ．1 课题的来源与研究目的及意义 目前国内外金属矿山主要分为两大类，一类是露天矿山，一类是地下矿山， 无论哪类矿山，采矿的主要形式为爆破法采矿，即先在矿体内施工炮孔，然后填 装炸药，利用炸药爆炸的能量破岩，从而将矿石从围岩体中分离出来【1 1 。炸药爆 炸能量的利用直接影响爆破效果的好坏，进而对采矿成本、采矿安全、采矿效率 等诸多因素产生深刻影响【2 】。提高爆炸能量利用率的方法有很多，炮孔堵塞是重 要且较好的途径之一。在没有堵塞物或堵塞质量不好的情况下，爆破产生矿岩的 大块率较高最初产生的爆生气体容易冲出孔口，并且形成高能空气冲击波，造 成孔口的严重破坏；并还有可能毁坏工作面处的设施和机械设备；而且还会使炸 药发生不完全性爆炸，产生大量的有毒、有害气体；在井下实施正向爆破时，较 差的堵塞质量会导致维持爆炸持续发生的高温、高压气体提前卸载，炮孔底部的 炸药发生不完全性爆炸，产生C O 、N O 、N O , 等诸多有害气体，危及施工人员的 人身健康和安全。良好的炮孔堵塞质量可以延长爆生气体在孔内作用时间，进而 在较大范围内产生裂隙，然后扩展、贯通、切割；可以保障炮孔内炸药充分反应， 降低炸药单耗，改善爆破效果【3 】。 本文通过模型试验，在炮孔内填装不同的堵塞材料，不同长度的水炮泥以及 含水炮泥的四种复式堵塞结构，观察爆破中的粉尘情况，比较爆破后模型裂纹扩 展情况和爆破块度分布情况，选择出较好的堵塞方式。本研究对我国矿山在爆破 作业中选择较优的堵塞方式，从而实现施工便捷、安全、可靠、高效的爆破作业 具有重要意义。 ． 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 炮孔内堵塞研究现状 1 孔内不同堵塞材料研究现状 目前的堵塞材质主要分为三大类，即固体、液体和胶体三大类。固体类材料 是最常用的一类，一般为河砂、岩粉、粘土及其混合物；液体材料主要是水，即 将水装入筒状聚乙烯塑料袋并封口制成水炮泥填装；胶体材料是有机物和水形成 的胶结物或速凝胶结溶液。从矿山施工和爆破工艺考虑【4 】，堵塞物材质应该选取 高强度、大质量、大摩擦系数、宜于运输使用、材料来源性广，堵塞成本低的材 料。目前大部分矿山爆破作业时，采用固体材料堵塞炮孔，但其无法解决爆破后 产生的爆破粉尘问题，危害井下作业人员安全【5 1 。水炮泥堵塞炮孑L 是目前国内外 万方数据 井下爆破作业应用较广泛的降尘技术之一，其降尘实质是在爆破过程中，通过水 袋破裂，在爆破产生的高温作用下，一部分水被汽化，产生水雾与爆破粉尘接触、 润湿、沉降，从而达到降尘效果【6 1 。 2 孔内堵塞物运动规律研究现状 堵塞物在孔内的运动规律是影响爆破效果优劣的因素之一，构建堵塞物的物 理力学和孔内运动模型，研究堵塞物在孔内的运动规律，研究发现堵塞物在炮孔 中的运动过程是加速的，而且其初始的运动加速度不为零。堵塞物的运动速度与 材质、长度及炮孔尺寸和装药参数有关，选用高摩擦系数的填塞材料，增加其充 填密度及增加堵塞长度均可起到减缓堵塞物运动速度的目的[ 3 1 。炮孔中药柱上方 的堵塞材料在爆生气体压力作用下向孔口方向运动，堵塞材料从孔内被抛射出 所经历的运动速度的变化趋势和经历的时间，主要受限于爆生气体压力大小的影 响，还受限于堵塞材料本身的物理力学性质，如强度、内摩擦角、材料粒度和密 度等的制约。所以堵塞材料在炮孔中的运动是一个受多因素综合影响的过程。宗 琦【7 】根据动量和能量守恒原则，将堵塞物看成一个整体，分析炮孔装药爆破时的 受力情况，建立爆生气体作用下的堵塞物运动方程，并求出堵塞物的初始运动速 度和脱离孔1 2 1 时的速度。罗勇【8 】等利用爆破理论和爆炸应力波理论研究炮孔堵塞 物的作用机理、受力情况及在炮孔中的运动过程。林大泽【9 】等应用力学相似原则 和计算机模拟理论技术，对硐室大爆破的堵塞长度进行研究，研究发现堵塞物运 动应按照静态条件下进行简化计算，不必考虑冲击条件。采用量纲分析，得出硐 室爆破时堵塞物运动相似性判据，并作为新的药室堵塞长度准则，从理论以及经 验两方面分析，爆破时有效堵塞长度都远小于可堵塞长度。 A ．L ．I s a k o v t l o ] 等人的试验结果表明，孔内堵塞物首先被炮孔内的爆炸冲击波 压实，然后向孔1 2 1 运动，直到全部冲出炮孔。美国人C ．J ．K o n y a 等用臼炮测定不 同装药结构时堵塞物冲出速度，用压力传感器记录爆炸压力，用接触传感器记录 堵塞材料内各点开始移动的时间。美国C h i a p e t t a 阿特拉斯炸药公司在地表漏斗 爆破中测定地表和填塞材料的运动速度，用高速摄像机进行观测，测定堵塞物平 均开始冲出时间为4 5 m s ，堵塞物平均冲出速度为2 5 6 m ／s 。 3 孔内堵塞物堵塞长度研究现状 罗伟【l l 】采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 构建3 种不同堵塞长度的三维有限元模型， 研究炮孔的最佳堵塞长度。结果表明当不堵塞时，孔内径向压力远远超过轴向压 力，形成较强的空气冲击波，不利于爆破效果；同时堵塞长度过大时，容易产生 留门帘的现象或者造成光面爆破质量较差，因此浅量堵塞效果最好。丁希平【1 2 】 等分析堵塞长度对填塞区有效应力场的影响。结果表明深孔台阶爆破时的有效 应力场呈近似椭球状分布，炮孔两端具有明显的端部效应；其有效应力场随堵塞 2 万方数据 长度的增加而呈指数规律衰减。吴德义【1 3 】等基于流体力学，根据保证岩石形成裂 隙所需时间最小的要求，总结出水泡泥堵塞长度的确定方法。张奇通过粘土爆炸 压实试验【1 4 1 ，爆炸空腔半径随炮孔堵塞长度增大而增大；同时堵塞长度较小时， 炸药爆炸对粘土的压实作用并不明显。 加拿大怀里尔教授【1 5 】建立了B L S A P 爆破数学模型，其认为堵塞长度越大， 大块越多，反之则越少。S n e l l i n g 和H e l l [ 1 6 】通过铅柱试验，结果表明堵塞物重量 的增加可导致铅柱空腔体积的增大，但堵塞重量超过临晃值后空腔体积不再继 续增大。同时试验对比黄泥和黄砂两种不同的堵塞材料，发现黄泥封堵的爆破漏 斗体积是新型堵塞材料填基爆破漏斗体积的6 0 ％，且新型材料对炮烟浓度有一定 的抑制作用。 1 ．2 ．2 爆炸裂纹扩展研究现状 1 裂纹扩展速度研究现状 在爆破过程中，固体介质的破裂是由裂纹扩展决定的，为了能够准确反映裂 纹的扩展行为，进行爆破裂纹扩展速度测量，因此对爆炸裂纹扩展规律的研究具 有重要意义【1 7 】1 7 。 金星男【1 8 】在水泥模型中用铅芯通断法测量了裂缝的发展速度，其认为裂纹 扩展速度随距离的增加而衰减。陶颂霖[ 1 9 】通过模拟试验，认为爆炸裂纹扩展速度 与作用时间基本上呈线性关系，其扩展的三个形式分别是是加速、匀速和减速。 王修勇【2 0 】利用天然大理石板为爆破模型进行双孔起爆，利用电测的方法，测量爆 破模型孔问裂纹的扩展速度，然后回归分析出裂纹扩展速度与抵抗线、孔间距和 装药量之间的关系式。吴立[ 2 1 】在对裂纹扩展速度进行理论分析的基础上，对爆炸 荷载作用下大理岩、水泥砂浆和有机玻璃中裂纹的扩展速度进行了测定和讨论 分析，并用多项式曲线拟合的方法得出爆炸裂纹扩展速度随时间的变化规律。张 志呈【2 2 】【2 3 】等人运用不同的方法对爆炸裂纹扩展速度进行试验研究，在此基础上， 综合分析了裂纹扩展速度的影响因素。卢文波和陶振宇【2 4 】认为爆生气体驱动的 裂纹扩展主要有两个阶段组成，即稳定扩展和非稳定扩展，并求得了爆生气体驱 动裂纹扩展速度的计算公式。 ． 2 基于断裂力学理论的裂纹扩展研究现状 国外的N i l s o n [ 2 5 1 和P 舭【2 6 】和B a r k e r 和F o u r n y t 2 7 】等学者分别利用线弹性断 裂力学和流体力学理论，对爆生气体在裂隙内的流动规律、裂纹尖端附近及远场 的应力进行分析；认为模型结构面处产生的新裂纹主要由P 波和S 波联合作用形 成，且由P 波尾部的拉应力引起的剪切形成破裂面。李守斟2 8 】应用断裂动力学原 理，对爆破荷载作用下岩石内无限长和半无限长裂纹的扩展过程进行分析，认为 爆生气体准静态应力对裂纹的扩展起着非常重要的作用。徐颖【2 9 】【3 0 】等人对不耦 3 万方数据 合装药和刻槽爆破时裂纹的动态发展规律进行深入研究。赵志刚【3 1 】采用断裂力学 理论对煤岩裂纹扩展机理进行分析，针对拉剪和压剪两种破坏形式，分析了裂纹 扩展方向、临界瓦斯压力及侧压力系数之间的关系，研究表明拉剪裂纹方向与 最大主应力方向相同时最容易扩展，而压剪裂纹的扩展方向则由压剪参数与摩 擦系数之间的差值决定。张志呈、肖正学、郭学彬【3 2 】【3 3 】【3 4 】等学者对岩体定向断 裂作用机理展开了系统的研究，对岩石裂纹起裂和扩展的性质进行分析，着重分 析了不同爆破方式和装药结构下，断裂控制爆破的裂纹发展规律。杨仁树【3 5 】等利 用动焦散模型试验，分析在不同切槽方式下，双孔同时起爆贯穿裂纹的扩展及尖 端应力强度因子的变化，定性分析应力波与裂纹尖端的相互作用机理。褚怀保【3 6 】 等基于断裂力学，认为爆生气体是裂纹扩展的主要原因，并按照I 型断裂裂纹来 分析裂纹扩展规律，提出了裂纹扩展的判据；在初始裂纹较多时，裂纹容易起裂， 但裂纹扩展长度和宽度有所减小。 3 基于损伤力学理论的裂纹扩展研究现状 杨小林【3 7 】【3 8 】基于岩石细观损伤断裂理论，对岩石爆破细观裂纹扩展的损伤 特性进行分析，认为裂纹扩展的过程就是从裂纹尖端到周围岩石的损伤区不断 移动的过程，通过建立裂纹尖端的局部化损伤模型，探讨爆生气体作用下裂纹的 扩展机理。徐颖【3 9 】M 等人对岩体内原生裂纹和爆炸应力波损伤作用下爆破裂纹 扩展长度进行分析，并与模型试验和数值模拟计算结果对比，在“预损伤“ 作 用后，裂纹的最终长度比不考虑损伤时大。李宁[ 4 1 】通过数值模拟的方法，分析气 体驱动下的裂纹扩展，结果表明爆生气体在压裂过程中起主要作用，弹性应力波 的作用范围相对很小。夏红兵[ 4 2 】利用电法C T 成像技术，对岩体爆破前后的电阻 变化进行测试，观察岩体内损伤范围，得出深部围岩微量炸药爆破条件下，裂隙 的扩展范围。赵建平[ 4 3 l 利用声波测试技术对爆炸后混凝土损伤进行研究，根据其 提出的爆炸波分区，得出爆炸波一区主要作用是产生新裂纹和激活己有裂纹，爆 炸波二区和三区主要作用是扩展已有裂纹，并在损伤界面上应力集中。 1 ．2 ．3 岩体爆破块度研究现状 1 爆破块度测定方法研究现状 岩体模型爆破试验后，需要对产生的爆破堆渣进行研究，研究内容一般是两 个方面一是从理论上分析岩体的爆破机理，并建立爆破过程与爆破块度之间的 联系，能够根据孔网参数、装药参数、起爆方式、堵塞方式和岩体条件在爆前 预测爆破块度分布；二是确定爆破块度的有效分析统计方法，对所获取的爆堆块 度信息进行简捷、准确、快速地处理，继而反过来对爆破条件进行评价和分析㈣。 因此，选取合适的爆破块度测定方法，将所测得的爆破块度信息汇总起来，从而 在其他条件一致的情况下，评价爆破时炮孔堵塞方式的优劣，并选取较优的堵塞 4 万方数据 方式。 爆破块度定量测量方法主要有筛分法、不合格大块计数法、爆堆直接测量法 和摄影法等[ 4 5 】。近年随着电子计算机图像处理与模式识别技术的迅速发展，运用 开发的图像分析系统对爆堆的摄影照片进行自动分析处理，从而使爆堆块度的分 析变得简单、高效[ 4 6 】。 中国在摄