露天煤矿高台阶抛掷爆破相似模型试验研究.pdf

第1 3卷 第4期 2 0 0 7年1 2月 工程爆破 ENGINEERINGBLASTING Vol113 , No14 December 2007 文章编号 1006 - 7051200704 - 0020 - 04 露天煤矿高台阶抛掷爆破相似模型试验研究 汪义龙1,赵春涛2,董 星2,刘殿书2 1 1 中国华能集团,北京100082 ; 21 中国矿业大学北京 , 北京100083 摘 要根据露天煤矿高台阶抛掷爆破现场工况和相似准则,建立了高台阶抛掷爆破的相似试验模 型,推导了相似常数。在实验室进行了单孔抛掷爆破试验,观测了台阶爆破漏斗形成过程,分析了抛掷 速度及分布规律。试验表明模拟煤层的部分基本上无破坏,爆破设计应采用欠深预留保护层来保护底 部煤层不受抛掷损害作用。 关键词抛掷爆破;相似模型;抛掷速度;相似常数 中图分类号TD235131 ; TD23514 7 文献标识码 A EXPERIMENTAL RESEARCH ON SIMILARITY MODEL OF HIGH BENCH CASTIN G BLAST IN OPENCU T COAL MINES WA N G Yi2long1, Z HAO Chun2tao2, DON G Xing2,L IU Dian2shu2 11China Huaneng Group ,Beijing100082, China; 21China University of Mining and Technology ,Beijing100083, China ABSTRACT According to the actual condition of high bench in open cut coal mines and similarity law ,a similarity model of high bench casting blast experiment was built and similarity constant was deduced1The single2hole casting blast experiment was conducted in lab1The ation process of blasting crater was ob2 served and the casting velocity and its distribution rule was analyzed1The experiment indicates that the part simulating coal layer was not damaged to some extent ,and suggests that less2deep protection layer should be reserved in order to prevent coal layer from damage1 KEY WORDS Casting blast ; Similarity model ; Casting velocity ; Similarity constant 收稿日期 2007 - 08 - 31 作者简介汪义龙,工程师、 硕士。 1 地质概况 黑岱沟露天煤矿和哈尔乌素露天煤矿地层从上 至下由第四系Q、 第三系N、 二叠系P、 石炭系 C地层组成。成煤时代为石炭纪和二叠纪,含煤 地层以石炭系为主、 二叠系为次。 第四系主要为上更新统马兰组 Q eol 3m风积黄土 层,其次为全新统 Q pl dl eol 4冲洪积、 残坡积松散砂砾 石和风积沙。黄土为粉砂质土,覆盖全区,垂直节理 发育,含钙质结核。 露天煤矿的含煤地层主要是上石炭统太原组 C 3t , 其次是下二叠统山西组 P 1s。主要煤层位于 太原组顶部,上覆地层为山西组。该组平均厚度 57136m ,上部为深灰色细粒、 中粒砂岩、 夹薄层黑色 泥岩、 砂泥岩,1号煤层平均厚度15～20m ;中部为3 号煤层顶板黏土岩至5号煤层顶板粗砂岩夹细、 中 砂岩,平均厚度15～20m ;下部为深灰色砂泥岩、 泥 岩,夹5号煤层底部变为粗砂岩即K2粗砂岩 , 平 均厚度3～15m。 2 抛掷爆破相似模型试验的相似常数 211 相似第二定理П定理 相似第二定理也称 “П定理”,它可表述如下 如果现象相似,描述此现象的各种参量之间的关系 可转换成相似准则之间的函数关系,且相似现象的 相似准则函数关系式相同。因为相似准则是无因次 的,故描述相似现象的物理方 程为f a1, a2,⋯⋯, ak, ak1, ak2,⋯⋯, an 0,其中a1, a2,⋯⋯ak是基 本量,而ak1, ak2,⋯⋯, an是导出量,由此可见相似 准则有 n - k个,也可以将其转换为无因次的相似 准则方程 F π1,π2,⋯⋯,πn- k 0。 212 基于量纲分析法的相似准则 根据 П定量,整个抛掷爆破相似系统主要参数 可用下述函数表示 FB , H , Hc,α,β,b, a,ρm,σm, Cp,ρ, D ,Qe, q, g, t,L , v 0 式中几何参数包括采宽B、 台阶高度H、 煤层厚度 Hc、 台阶坡面角α、 自然安息角β 、 炮孔排距或抵抗线 长度 bW 、 孔距a;炸药性能参数主要包括炸药的 密度 ρ 、炸药爆速D、炸 药单 耗q、炸 药 爆 热 QeJ/ kg ; 介质参数主要包括矿岩的密度ρm、 矿岩 的强度抗拉、 抗压、 抗剪σm、 矿岩的纵波传播速度 Cp;时间参数包括延时间隔时间t、 加速度g;待求量 包括抛掷速度v和矿岩” 抛掷距离L。 可以用力系统基本量纲即长度量纲L、 力量纲 F以及时间量纲T来表示各参数的量纲如q F1L - 4 T2 , 则相互独立的基本量纲数目为3,所以利 用量纲矩阵分析法对18个参数可建立15个独立的 相似准则。 设a1、a2、 ⋯⋯、a18分别表示B、H、 ⋯⋯、L指 数,将各参数和力学系统基本量纲及其对应的指数 用量纲矩阵表示,如表1所示。 表1 量纲矩阵 Table 1 Dimensional Matrix 基本量纲a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11a12a13a14a15a16a17a18 BHHcαβbaρmσCpρDQeqgtvL F000000011010010000 L1110011- 4- 21- 412- 41011 T000000020- 12- 1- 22- 21- 10 据此矩阵,可得3个线性代数方程 a6 - a1- a2- a3- a7 a15- a16- a18 a10 -2a9- a12-2a13-2a15 a16- a17 a11 - a8- a9- a14 将方程组转化 П 矩阵,继而得到独立形式准则,即 П 项π1 B/ b,π2 H/ b,π3 Hc/ b,π41,π51,π6 a/ b,π7ρm/ρ,π8σm / ρC2p , π9D/ Cp, π10 Qe/ C 2 p,π11 q/ρ,π12 gb/ C 2 p,π13 Cpt/ b, π14 v/ Cp,π15 L/ b。 其中π14、π15为非定性准则,其他均 为定性准则,转化为相似准则方程为 F π1,π2,⋯,π13,π14, π15 0。 213 相似常数的确定 根据量纲分析原理和 П定理,在模型试验中, k 个基本量纲可以选择k个相似常数,本试验中k 3,即可以取3个相似常数。 由深孔高台阶抛掷爆破 的模型律,模型的相似性可归结为模型的材料相似、 几何相似和爆破动力相似,因而相似常数选取材料 相似常数、 几何相似常数和爆破动力相似常数。 1模型试验的材料相似从材料相似性角度 来看,采用混凝土沙浆材料制作深孔台阶抛掷爆破 模型进行爆破模拟,在技术上是完全可行的。 考虑试 验材料的单轴抗压强度σm与矿岩的单轴抗压强度 σ0为相似指标,材料相似比取σm 与σ 0的比值,即材 料相似比ησm/σ0110/3916≈1/40。 2模型试验的几何相似试验所用雷管的外径 为6mm ,为了试验实施时能顺利装药,模型的炮孔 直径的最小值应为8mm ,由此可初步确定模型尺寸 与现场尺寸的几何比例为1∶50 ,即几何相似比k bm/ b0 1/50。 3模型试验的爆破动力相似炸药相似比由相 似常数e确定,并采用不耦合装药来调整材料要求, 使动力相似条件得到近似满足。模型起爆采用导爆 索,药芯为黑索金,其爆力值A1为520mL ,抛掷爆 破现场使用的铵油炸药的爆力值A2为300～ 315mL ,其换算系数nA2/ A1 0158。综合考虑试 验模型材料相似性、 炸药材料相似性,爆破动力相似 常数 e qm/ q0 nη/ k 0158η/ k 0172 式中 qm为模型炸药单耗; q0为原型炸药单耗。 3 相似台阶模型设计与制作 311 试验模型的设计与制作 将现场模拟条件简化如下两层,即本相似模拟 试验只考虑采用抛掷爆破方法剥离的6 煤层上方 45m厚的砂岩覆层和近30m厚的煤层进行模拟。 采用配比方式砂 ∶ 石膏 ∶ 石灰 12∶1∶ 1 来模拟 12汪义龙等露天煤矿高台阶抛掷爆破相似模型试验研究 煤层,采用配比方式砂 ∶ 石膏 ∶ 石灰 12∶3∶ 3 来模拟台阶上部岩层。 模型制作时依据现场条件,露天矿现场6 煤层 上方砂岩覆层厚45m ,煤层厚度30m。几何尺寸按 照1/ 50的缩小比例浇注。炮孔参数最小抵抗线、 孔距、 孔深等具体布置,根据现场设计使用的数值 按照几何相似原则,转换为模型设计参数确定。为 了减小边界影响,模型周边距模型炮孔的最小尺寸 至少保证115倍的最小抵抗线大小。为了方便监 测,将模型分层着色,整个模型分成6层进行着色处 理,自下而上依次编号为A1～A6 ,除去炮孔填塞和 模拟煤层部分,其他的岩体部分大致是按照与抵抗 线成倍数关系进行分层。模型尺寸大小和分层情况 如图1所示。 图1 模型设计尺寸 Fig11 Design measure of model 模具采用3mm厚钢板加肋制成活动的组合式 结构,要求方便拆卸和能有效施加侧向约束力,保证 模具的钢板紧贴在模型周围,以满足相似边界条件。 模型浇灌相似材料过程中要求边浇灌边振动、 捣固, 以减少模型中的气泡,确保模型的强度。 将浇筑好的两个试验模型风干养护28天。浇 灌前,取直径为10mm的塑料管,在设计位置预留 炮孔。 312 相似模型参数设计 本次试验使用黑索金,根据相似准则推导的模 型试验炸药单耗与爆破现场实际炸药单耗间的关 系,如表2所示。 表2 爆破参数 Table 2 Blasting parameters 类别 孔排距 b/ m 孔距 a/ m 填塞长度 Lt/ m 保护层厚 Lb/ m 装药长度 Le/ m 原型6158127152153616 模型0113001164011501050174 qmeq0 01720175 0154kg/ m3,则相似模 型药量QmqmambmHm 1014g ,式中Hm为模型台 阶高度019m。 本次试验取现场炮孔密集系数m 1125 ,则孔 距am 01164m、 排距bm 01130m。同时,为了保 护底部煤层不受破坏,选用底部预留保护层厚Lbm 0105m。则装药参数指标LemLek 3616/ 50 0174m ,qLQm/Lem 1014/ 0174 1410g/ m。 查导爆索参数可知药芯为RDX的导爆索,炸 药密度1120g/ cm3、 爆速 ≥6500m/ s ,导爆索线装药 密度为12～14g/ m、 药芯直径约为317mm、 导爆索 外径约为515mm。本试验要求线装药密 度为 1410g/ m左右,正处于导爆索线装药密度范围内, 所以试验用炸药选导爆索比较合适。为了避免普通 雷管引起的装药集中和两孔起爆时差过大而造成的 试验失真,采用013gDDNP自行制备起爆弹起爆。 313 模型测试系统 抛掷爆破模型试验起爆后模型的鼓包运动采用 视频摄像头来监测,从侧面和正面的不同角度来布 置观测。视频格式设为AVI格式,帧率为30帧/ s。 数据处理时将所监测的视频按照帧数用分幅软件分 成一幅一幅的图片,然后置于AU TOCAD软件中 进行对比描绘,观察统计不同层在爆炸作用下的鼓 包运动情况。 4 台阶爆破试验结果统计分析 411 宏观抛掷漏斗形状和堆积形态分析 炸药引爆结束后,模型中部形成一个上口较大 下口较小的爆破漏斗,并且在相似模拟材料中沿着 炮孔轴线有一直径Φ17mm的半圆柱形爆炸空腔, 大小约为导爆索直径的3倍。爆破抛掷的材料堆积 形态呈山坡状,后高前低,主要分布在长112m、 宽 110m左右的区域内。在超出1倍台阶高度以外的 水平区域看不到明显的爆堆,爆碴已被扬弃。爆堆 最前部主要堆积的模拟材料为处于药包中部的A3 红层、A4黑层和A5白层,而处于药包下部的层位 主要集中堆积在靠近台阶根部。 412 抛掷爆破速度规律分析 模型爆破抛掷时的速度轮廓按台阶高度沿坡面 呈椭圆形分布,且自装药位置由台阶上部到台阶上 部逐渐变化。两次观测不同高度的岩层抛掷速度变 化结果趋于一致,抛掷的速度按台阶高度自装药底 部到柱状药包中心部分由小变大,而后在台阶上部 又有逐渐减小的趋势。模拟煤层的部分几乎没有产 22工 程 爆 破 生破坏抛掷。这些现象都表明柱状装药时,由于其 端部效应而导致两端应力不均匀,容易在台阶上部 产生大块而下部产生根底现象。 为了研究相似试验模型爆破后不同位置随时间 变化的过程,选取不同模拟材料层位中间的标志点 进行追踪。依据观测数据描绘出的不同台阶高度处 标志点的时间历程曲线,如图2所示。 图2 不同层不同时刻运动速度 Fig12 The velocities of different layers according to time duration 监测点的运动过程曲线,较为准确地反映了台 阶面不同位置的介质的运动规律。台阶各层材料在 爆破作用后产生的抛掷速度分布随时间变化趋势一 致,在起爆后介质经过1/ 30s加速后,各层抛掷速度 都加速到峰值,而后完全脱离台阶后在重力场作用 下继续运动。台阶不同位置抛掷速度峰值相差较为 明显,在台阶的中部,爆炸后应力场分布均匀,介质 加速后峰值分布均比较接近,大致在415cm/ ms速 度值波动;台阶上、 下部分的岩体,由于位于柱状药 包的端头部位,应力场较弱,介质速度上升曲线较 缓,加速度较小,速度峰值也较小。 5 结 论 根据露天煤矿高台阶抛掷爆破现场工况和模型 试验相似,建立了露天煤矿高台阶相似爆破的试验 模型,在实验室进行了单孔抛掷爆破试验,观测了台 阶爆破漏斗形成过程,分析了抛掷速度及分布规律, 取得了如下结论 1依据露天矿高台阶现场条件和爆破相似比 常数,建立起能够模拟高台阶抛掷爆破现场的相似 试验模型。通过对模型的分色分层处理和布置有效 的监测监控系统,在实验室成功地模拟并记录了高 台阶抛掷爆破运动全过程,观测到了高台阶受爆炸 冲击作用下不同时刻的鼓包运动规律及抛掷运动全 过程。 2依据高台阶抛掷爆破模型试验结果,分析统 计台阶不同高度处的介质的抛掷运动规律,观测统 计出高台阶不同位置模拟材料的抛掷运动规律,总 结出了高台阶抛掷爆破速度场的运动特征。试验观 测发现模拟煤层部分几乎没有产生破坏抛掷,试验 结果证实了爆破设计中采用欠深预留保护层来保护 底部煤层不受抛掷损害作用的有效性。 参考文献 〔1〕 龙源,林学圣,许连坡,条形装药途中爆炸空腔发展过程 的试验研究[J ]1 爆炸与冲击,1988 ,83 227 - 2341 〔2〕 周传波1 现场小台阶模型试验的相似理论分析[J ]1 爆 破,2001 ,184 4 - 61 〔3〕 何晓光,张敢生1 台阶深孔爆破岩体移动速度的高速摄 影研究[J ]1 爆破,2005 ,221 38 - 401 〔4〕 刘殿中1 工程爆破实用手册[M]1 北京冶金工业出版 社,20031 〔5〕 顾大钊1 相似材料和相似模型[M]1 江苏徐州中国矿业 大学出版社,19951 〔6〕 李鸿昌1 矿山压力的相似模型试验[M]1 北京中国矿业 大学出版社,19881 〔7〕 徐挺1 相似方法及其应用[M]1 北京机械工业出版社, 19951 3 3 3 32汪义龙等露天煤矿高台阶抛掷爆破相似模型试验研究