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116 价值工程 深部采场爆破参数数值模拟设计优化研究 Numerical Simulation and Study on the Parameters Optimization of Deep Stope Blasting 石 晨 晨淤 SHI Chen-chen;刘 雅 楠于 LIU Ya-nan;黄 伟 强淤 HUANG Wei-qiang; 李 祥 龙淤LI Xiang-long ①昆明理工大学国土资源工程学院， 昆明650093;②山西大学数学科学学院， 太原030006 ① Faculty o f Land Resources Engineering, K unm ing U niversity o f Science and Technology，K unm ing 650093, China; ② School o f M athem atical Sciences，Shanxi U niversity，Taiyuan 030006，C hina 摘要 随着矿山开采进入深部阶段， 为了解决现有爆破参数在深部开采时存在爆破效果不理想等问题， 保障矿山安全高效的生 产， 本文基于理论分析和工程经验,对爆破参数进行了设计优化， 并通过有限元软件A N SYS/LS-DYNA进行多种方案的数值模拟， 对 不同参数下的爆破应力场进行分析验证。模拟计算结果表明 当孔排距为3.0X2.7与3.0X2.8时， 炮孔间特定单元有效应力值大于岩 石的动态抗拉强度， 岩石能够被破碎， 且破碎效果较好， 从而确定了最优的爆破参数设计。 Abstract W ith the m ining enters the deep stage, in order to im prove the production efficiency o f m ine and ensure production safety and aim ing at the unsatisfying blasting effects, this paper designs and optim izes blasting param eters o f deep stope based on the blasting m echanism and engineering practical experience. U tilizing the num erical sim ulation o f finite elem ent softw are w ith A N SYS/LS-DYNA various schem es, analysis validations on the blasting stress field under different param eters are conducted. The sim ulation results sh ow that W hen the holes and row s spacing are 3.0 x2.7 and 3.0 x2.8, the effective stress o f discrete cells betw een blast holes is bigger than the dynam ic tensile strength that rocks can be broken and the blasting effects is better, then confirm ed the best blasting param eter design. 关键词 深部开采;爆破参数;数值模拟 Key words deep stope； blasting param eters； num erical sim ulation 中图分类号TD23 文献标识码A 文章编号 1006-4311201714-0116-05 〇 引言 随着国民经济及相关技术的快速发展， 工程爆破技术 已广泛应用于矿山开采， 水利水电， 公路隧道以及城市拆 除等众多领域。 爆破技术的应用极大地提高了矿山企业挖 掘和开采作业的劳动效率， 降低了劳动强度， 而且在一定 程度上提高了我国矿产生产能力[ | ] 。但是随着国民经济对 于矿产资源的需求量日益增大以及地层浅部矿产资源的 逐渐减少， 采矿向深部发展已成必然趋势1 2 ] 。 而深部岩体处 于复杂高地应力的力学环境， 其具有不同于浅部岩体的特 性[ 3 ] ， 使得爆破施工不仅面临着许多挑战， 而且爆破效果也 影响后续出矿等工序的顺利进行， 矿山生产效率以及开采 人员的人身安全1 4 ] 。 因此， 优化深部工程爆破设计已成为亟 待解决的问题[ 5 ] 。 目前， 爆破参数优化常用的方法主要有现场实验、BP 神经网络，遗传算法、数值模拟等[67。基于ANSYS/LS- DYNA非线性动力分析的数值模拟计算具有经济，快速， 方便等优势1 8 ] ， 而且能够直观再现爆破过程， 且模拟效果较 好[ 9 ] ， 因此本文通过理论分析和工程实践经验选定不同的 爆破参数， 并运用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟分 析 ， 对矿山深部采场爆破参数进行设计优化。 1 爆破参数确定 1.1工程概况 目前狮子山铜矿生产工程主要包括狮子山铜矿三期 工程中的十五中段和四期工程。 四期工程中的十六中段为 主采中段， 十七中段和十八中段处于开拓掘进阶段； 现在 作者简介石晨晨（1992- 男，山西运城人，硕士研究生，主要从 事采矿和工程爆破的研究。 主要生产区域在十五中段和十六中段“ 西飘” 矿带。 而本文 研究的矿体位于十六中段， 标高为1187m， 距离山顶垂直 距离在7 0 0 m以上， 按照目前国内学术界对深部的定义1]， 本文研究的矿体已属于深部矿体。 十六中段矿体赋存于青灰色、 灰白色白云岩地层和紫 色板岩夹白云岩地层中，矿体总体走向为N45。 耀6 5 E，倾 向S E，倾角65毅 耀85毅之间； 矿体围岩下盘为青灰色白云岩、 紫色板岩夹白云岩和因民组紫色板岩， 上盘为灰白色白云 岩和紫色板岩， 岩体物理力学参数见表1所示， 岩石条件 如图1所示。 表1 岩体力学性质表 岩 性 平均容重 g/cm3 抗拉强度/ M Pa 弹 性 模量 x104 M Pa泊 松 比 粘 聚 力 c/ M Pa 内 摩 擦 角 渍 （ 青灰色白云岩2.832.95620.010.2692.61141.99 灰白色白云岩2.762.79613.060.2802.55034.05 紫 色 板岩2.634.524.340.2841.57131.68 1.2爆破参数的设计 孔底距和最小抵抗线是爆破设计中最基本也是最重 要的两个参数。目前， 该矿山爆破施工主要运用的爆破参 数有两种 ① 普通法 最小抵抗线W2.5m、 孔底距a3.0m、 密集 系数m1.2。 ② 大密集系数法最小抵抗线W1.5m、孔底距a 5.0m、密集系数m3.3。如今矿山的生产爆破单耗在 1.60kg/m3 左右。 爆破参数中的最小抵抗线依据工程中积累的经验公 式与矿山现有炮孔孔径进行选择 当单位炸药消耗量一定 时， 最小抵抗线和孔径成正比， 最小抵抗线根据被爆岩石 Value Engineering 117 图1 岩石条件现场示意图 情况按照下列公式1 1 | ] 选取 坚硬岩石W25耀 30d 1 中等坚硬岩石W30耀 35d 2 软弱岩石W35耀 40d 3 式中W为最小抵抗线，单位m，d为炮孔直径， 单 位m。 在狮子山矿岩石的坚固性系数为68，属于坚硬岩 石， 故根据上式W取值范围为2.5m3m。考虑到矿岩大多 为白云岩， 因此把W值尽量取小值为2.5m2.8m。扇形孔 孔底密集系数为0.91.5， 以1.01.3较多； 孔□密集系数 为0.40.7。选取密集系数时， 当矿石愈坚固， 要求的块度 愈小时， 应取较小值； 反之， 应取较大值[ 1 2 ] 。矿山中以前运 用的爆破参数孔， 底距3m， 最小抵抗线为2.5m， 这种爆破 参数单耗太大， 不适合使用， 因此本文把孔底密集系数m 3/2.5方案不与考虑。考虑矿山生产要求与岩石硬度， 取孔 底密集系数为1.0m1.2。 通过对矿山现有爆破参数的分析， 结合原有参数下得 爆破效果， 初步确定爆破参数设计方案如下 （ 1 a2.9， W2.6； 2a3.0,bW2.7； 3a3.0,bW2.8 4a3.1， bW2.7; 5 a3.1，bW2.8。其中 a 为孔底距， 单位 m;b 为排距， 单位m;W为最小抵抗线， 单位m。 2数值模拟模型的建立 2.1数值计算几何模型 数值模拟计算模型单元采用3D s〇lidl6 4 单元类型。 模型中设置5 个炮孔， 呈三角形布置， 炮孔内顶部自由面 至底部的材料分别为 孔 深 10m， 炮泥填塞、 药柱和预留 2m的岩石底部， 孔□起爆。模型尺寸、 形状和炮孔布置如 表 2 和图2 所示。 表2 模型尺寸 孔 径 /m m 模 型 高 度/m 模型长 度 /m 模 型 宽 度 /m 孔 深 /m 炮 孔 编 号 炸 药 高 度 /m 填 塞 高 度 /m 182 25.64.4 100121081035.64.4 482 55.64.4 2.2岩石材料模型 因岩石材料具有复杂性、 非均质性以及各向异性等特 性 ， 所以当炸药在岩石中爆炸时， 会引起炮孔附近岩体发 生非常复杂的应力变化， 应变率效应尤为突出[ 1 3 ] 。因此岩 石材料应选用与应变率相关的塑性随动硬化材料模型 *M AT_PLASTIC_KINEMATIC。由于狮子山铜矿的矿床中 主要的岩石为青灰色白云岩、 褪色白云岩， 为了保证所有 岩石在爆破都能破碎， 因此选用坚固性系数最大的青灰色 白云岩作为研究对象。通过参考相关文献， 结合现有的现 场资料， 选定岩石具有参数见表3。 表3 岩石材料物理力学参数 名 称 密 度 籽 / 103 、kg.m- 3 弹性模量E /101 0 P a 泊 松 比 / 姿 静 抗 拉 强 度/M P a 动 抗 拉 强 度/M P a 粘 聚 力 c/M Pa 内 摩 擦 角 渍 （ 毅 青 灰 色 白 云 岩 2.8320.010.269 2.95629.562.61141.99 2.3炸药材料模型 狮子山矿地下回采爆破中均采用2 岩石乳化炸药， 因此对炸药采用M AT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型。 目前在炸药的数值模拟方面，人们普遍认为JWL方程对 描述炸药的爆轰状态比较适合， 并且在许多的科学研究工 作中被采用， 并取得了很好的效果。本文同样采用这一状 态方程。炸药爆炸压力P计算采用JWL状态方程 式中P爆轰气体产物爆炸的压力，Pa; 棕一格林艾森参数， 即定容条件下， 压力相对于内能 的变化率； A, B材料常数;R1，R 2无量纲常数； V爆轰产物的相对体积； E〇 初始比内能。 通过数值模拟2 号岩石乳化炸药（ 密度为1180kg/m3, 爆速为4000m/s，k3， 初始比内能ElF3.14 得出其JWL状 态方程参数见表4。 表4 岩石乳化炸药参数及JWL状态方程参数 密 度 k g /m3 爆 速 m /s P C - J G Pa V0 A G Pa B G Pa R 1R 2棕 E0 G Pa 1.18伊 103 4.0伊 103 5.151.0 293.9 21.73 6.366 2.152 0.207 3.14 3 数值计算结果与分析 3.1 模拟计算方案 118 价值工程 文章运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件建立爆 破模型， 按 照 1.2节设计的5 种不同的爆破孔网参数进行 数值模拟， 预测爆破破碎效果， 模拟爆破参数如表5 所示。 本次数值计算采用ALE算法，网格划分选用映射划分方 式进行渐变划分， 岩体和炸药之间进行耦合分析1 7 ] ， 模型网 格示意图如图3 所示， 数值模拟的模型方案如表5 所示。 表5 数值模拟方案 模型编号孔深/m孔底距/m孔□距/m排距/m 12.90.72.6 23.00.72.7 3103.00.72.8 43.10.72.7 53.10.72.8 图3 模型网格划分图 3.2有效应力波传播过程分析 由于本次模拟目的在于研究分析爆破后岩石的破碎 情况， 因此对于在不同时刻各个模型中有效应力分布情况 不是研究重点， 在此仅以2模型作为分析对象， 展示模型 不同时刻的应力波传播分布情况。如图4 所示。 为了观察应力云图方便， 在LS-Prepost后处理程序中 将模型内部有效应力值超过其动态抗拉强度（ 29.56M Pa 的区域设置为红色显示。从图4 可以看出， 炮孔起爆后应 力波由炮孔出呈现圆形向外传播;35ms，药柱轴向中心部 位处首先产生了应力集中； 在 50ms时， 临近炮孔间产生应 力集中，说明该部分岩石已达到压缩破坏的条件；到了 73ms时，炮孔周围的岩石有效应力都超过了动态抗拉强 度;95ms时，炮□部分与孔内部分的有效应力均大于岩石 的动态抗拉强度， 爆破漏斗形状基本形成。应力云图中红 色区域， 该部分岩石被压缩破坏； 介于蓝色与红色区域间 的岩石有效应力未超过岩石的动态抗拉强度， 表明该部分 岩石发生了拉伸破坏， 表现为裂隙发展； 蓝色区域内的有 效应力最小，表明该区域未进入塑性状态，未发生破坏。 3.3特定单元应力分析 由于扇形孔是不平行的， 两个炮孔之间最大距离处于 炮孔的底部， 因此只要两炮孔底部之间的岩石能够得到良 好的破碎， 那么其余部分的岩石自然也可以达到良好的破 碎效果。本文主要模拟分析在不同孔底距、 排距下爆破作 用对岩石的破坏情况， 以孔间典型单元的应力情况来判别 t10m st22m s t35m st50m s t61 m st73m s t82m s_t95m s_ 图4 2模型爆破应力波传播过程 岩石是否发生破坏。 为了判断矿体岩石在不同的孔网参数 下能否发生破坏， 本文在模型中选取5 个典型的单元（ 如 图5 所示） ，通过分析炮孔间典型单元在不同时刻的有效 应力曲线图， 并与岩石的动态抗压强度做比较来表示该单 元处岩石的破坏程度， 如果该单元处的应力峰值达到或超 过该矿山的深部岩石的动态抗拉强度， 那么表示该单元处 岩石能够被破坏；反之则表示该单元处岩石不能被破坏。 通过判断典型单元是否被破坏及破碎程度以确定最优的 爆破参数方案。 限于文章篇幅， 本文仅列出2模型中典型 单元应力时程曲线图， 如图6,其他各组模型特定单元的 应力峰值如表6 所示。 由表6 模型特定单元有效应力值与图6 应力时程曲 线图可以看出 ①当炮孔孔底距与排距为2.9X2.6时，此时的密集系 数m抑1.11。在炮孔底部的孔间应力较大， 各个特定单元 中的的应力单元的有效应力值大于岩石的动态抗拉强度， Value Engineering 119 图5 特定单元应力记录点 这表明该区域岩石能被破碎， 且破碎程度较大， 但是单元 有效应力值过大， 存在着过度破碎现象， 不符合生产要求。 ②当炮孔孔底距与排距为3.0 x2.7、 3.0 x2.8时， 此时的 密集系数分别为m抑1.11与m抑1.07。从特定单元的有效 应力值得分析表中可以看到这两个模型炮孔底部的特定 单元A点、B点以及F点处的单元有效应力值都大于岩石 的动态抗拉强度， 说明模型中该区域岩石能够被破碎。而 且与炮孔孔距排距为2.9x2.6时的孔间单元处应力相比， 可知在一定范围内， 当孔距相同时， 随着排距的增大时， L 间的单元应力会随之减小。模型的排间特定单元C点、D 表6 模型特定单元有效应力值 模型爆破特定单元有效应力最大值/M P a 模 型 编 号 孔 深 / m 孔 距 / m 排 距 / m A点B点C点D点E点F点 12.92.6 33.025836.596436.813236.276735.038235.1230 23.02.7 31.033634.696834.362835.199831.271031.1615 3103.02.8 30.889734.482034.165734.916931.006230.9164 43.12.7 29.069533.639433.289433.779729.268528.9365 53.12.8 28.859933.258233.029633.555928.925428.3468 点、E点处的单元效应力值也都大于岩石的动态抗拉强 度， 这表明该区域岩石能被破碎， 且破碎程度较佳。 ③当炮孔孔距排距为3.1x2.7、 3.1x2.8时，密集系数为 m抑1.15、m抑1.11。从上表中可以看出这个模型炮孔底部 的特定单元A点、B点以及F点处的单元有效应力值在岩 石的动态抗拉强度附近， 有大有小， 说明模型中该区域岩 石不能够完全被破碎， 可能产生的大块较多， 不利于矿山 的连续生产。 模型的排间特定单元C点、D点、E点处的单 元有效应力值大于岩石的动态抗拉强度， 这表明该区域岩 石能被破碎。 综上所述，经过对设计方案的数值模拟计算可知 根 据各个方案模型爆破模拟的特定单元的有效应力与狮子 山矿米场的矿岩动态抗拉强度对比，最终确定3.0 x2.7与 l〇 LS-DYNA user 0 g -1 0 W - 20 -30 -40 A A AA nr .丨 1 . n 020 LS-DYNA user 0 -5 -10 m -15 -20 -25 -30 -35 -40 ， .* .. AA ■ i； 1 --1-- 0 A点单元应力时程曲线图B点单元应力时程曲线图 10 0 1-10 I -20 -30 -40 LS-D YN A user A A 1 LS-DYNA user 40 60 Time -20 L l丨i■丨 . . i_ A i c点单元应力时程曲线图D点单元应力时程曲线图 10 0 -10 | -20 -3 0 -40 LS-DYNA user A ■ AA i LS-DYNA user 0 20 40 60 Time 0 导-10 -20 -30 -40 1 A A r - A i / L A I / 丨 丨 ■ 040 60 Time E点单元应力时程曲线图F点单元应力时程曲线图 3.0 x2.8这种爆破设计方 案用于指导现场的爆破 生产。 4结论 ① 结合矿山现有的 爆破参数及在深部采场 的爆破效果情况， 文章通 过理论分析给出了 5 种 不同的爆破参数。 ② 通过有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 对设计 的爆破参数进行数值模 拟， 分析炮孔间特定单元 应力值表征岩石的破坏 程度，得到了孔排距为 3.0 x2.7 与 3.0 x2.8 两组 合适的爆破参数。 ③ 数值模拟技术可 以 有 效 的 模 拟 爆 炸 过 程 ，并对不同的参数进 行分析比较，但是由于 现 场 条 件 的 复 杂 性 ， 因 此还应根据现场爆破条 件及爆破效果，及时的 调整相关参数，以获得 更好的爆破参数。 参考文献 「 11葛德志.爆破技术在 采矿工程中的应用探析「J1 . 黑龙江科技信息，201329. 图6 2模型特定单元应力时程曲线图 「2]何满潮.深部软岩工 120 价值工程 拱管混凝土顶升施工控制技术研究 Study on Control Technology of Jacking Construction of Arch Pipe Concrete 潘 国 安PAN Guo-an 中铁二十三局集团第一工程有限公司， 日照276800 China Railw-ay 23rd Bureau Group No.1 Engineering Co., Ltd., Rizhao 276800, China 摘要拱管混凝土的浇筑是钢管混凝土系杆拱桥的关健控制工序， 混凝土的配合比设计、 膨胀系数等性能及耐久性参数、 拱管混 凝土的顶升浇筑施工工艺为钢管混凝土系杆拱技术研究的重点内容之一。 结合通过对以上几方面的研究， 得出相关技术参数及工艺， 通过实践验证满足施工需要， 可为类似工程施工提供依据。 Abstract The pouring of arch pipe concrete is the key control process of concrete-filled steel tubular tie-arch bridge. The concrete mix design, the expansion coefficient and the durability parameters, and the pouring construction technology of the concrete pipe are the key content of the technical research of concrete-filled steel pipe arch. Through study of the above aspects, the relevant technical parameters and technology are obtained, and practice has verified that it meet the construction needs, and can provide a basis for similar construction. 关键词钢管拱;混凝土;顶升技术;线形及应力监控 Key words steel pipe arch； concrete； jacking technology； linear and stress monitoring 中图分类号U445.57 文献标识码A 文章编号1006-4311201714-0120-04 〇 引言 拱管混凝土的浇筑是钢管混凝土系杆拱桥的关键控制 工序， 除混凝土质量控制外， 施工过程中需保证拱肋线形准 确， 不致产生附加应力， 影响结构安全。因此， 拱管混凝土的 配合比设计、膨胀系数等性能参数控制及顶升工艺是钢管 拱技术研究的重点内容之一。青连铁路牟家村跨同三高速 公路特大桥有1 孔 64m双线简支系杆拱桥， 技术标准高、 施 工难度较大， 拱管施工时针对以上三个关键点进行了研究。 1 工程概况 青连铁路牟家村跨同三高速公路特大桥64m双线简 支系杆拱拱梁全长66.5m， 顶 宽 14.8m， 底 宽 12.4m， 梁高 2.2m， 拱轴线采用二次抛物线， 矢跨比f/L1/5， 拱肋平面内 矢高f12.8m， 理论计算跨度L64m。 拱肋截面为哑铃形钢 管砼等截面， 截面高度2.2m， 钢管直径0.9m， 每根拱肋分 上下弦钢管， 钢管之间采用腹板连接， 拱管内灌注C50补 偿收缩混凝土。横桥向两道拱肋中心间距11m， 拱肋之间 设一字撑和K形撑， 横向风撑钢管内不填充砼。（ 图 1 2 拱管混凝土施工方案 钢管混凝土系杆拱采用先梁后拱的施工方法， 钢管拱 作者简介 潘国安（1 9 8 4 - 男， 山东潍坊人， 研究方向为道路与 __________桥梁。_________________________________________________ 程的研究进展与挑战「J1.煤炭学报，2014,398 1409-1417. [3]王汉军， 杨仁树， 李清. 深部岩巷爆破机理分析和爆破参数 设计[J1.煤炭学报,2007,32 4 373-376. [41兰小平.矿山开采中工程爆破技术的应用探讨[J1. 科技创新 与应用，2 01520 122. [5] 陈秋宇， 李海波， 夏祥， 等.爆炸荷载下空孔效应的研究与 应用[J1.煤炭学报，2016,41 11 2749-2755. [6] 杨建华， 卢文波， 陈明， 等.岩石爆破开挖诱发振动的等效 模拟方法[J1.爆炸与冲击，2012,3202 157-163. [71汪海波， 宗琦， 赵要才.立井大直径中空孔直眼掏槽爆炸应 力场数值模拟分析与应用[J1.岩石力学与工程学报,2015,岩石力 学与工程学报，2015,34s1 3223-3229S1 3223-3229. 肋在系梁及支架上拼装合龙， 上、 下弦管内C50补偿收缩 混凝土采用顶升压注，由两套设备分别从两端拱脚向拱顶 一次性对称完成。 3 C5 0 补偿收缩自密实混凝土配合比设计 3.1设计要求 砼强度等级C50掺加HCSA膨胀剂）限制膨胀率逸 0.015;扩展度 550耀 655mm;扩展时间T500S逸2;集 料公称最大粒径20mm。 3.2原材料选定 水泥P，O42.5 ; 碎石 5耀 10mm、10耀 20mm两种规格碎 石， 掺配比例为30、 7 0 ;砂 中砂； 外加剂 高性能减水 剂;粉煤灰F类I级粉煤灰;膨胀剂TY-10A。 3.3 砼配合比设计 ① 确定砼配制强度fcu， 0fcu，k1.645滓501.645伊 6.059.9M Pa ② 确定基准水胶比 根据相关规范规程， 设计使用年限100年、 碳化环 境T2 等级时，最大水胶比为0.45，最小胶凝材料为 400kg/m3,最大胶凝材料为550kg/m3。 根据经验水胶比取 值 0.33。 ③ 每立方米混凝土中材料含量 每m3混凝土中粗骨料体积选值范围见表1。 [81徐帅，彭建宇，李元辉，等.急倾斜薄矿脉中深孔落矿爆破 参数优化[J1 .爆炸与冲击，2015,35 5 682-688. [91潘淼昌， 武永猛， 史秀志， 等.凡口铅锌矿扇形中深孔爆破 参数数值模拟研究[J1 .采矿技术,2013 5 87-89. [101谢和平，周宏伟，薛东杰，等.煤炭深部开采与极限开采深 度的研究与思考[J1 .煤炭学报，2012,374 535-542. [111汪旭光主编.爆破设计与施工[M1 .北京 冶金工业出版社， 2012. [121朱为民.马坑铁矿中矿段爆破振动影响下采空区稳定性 研究[D1 .江西理工大学，2012. [131李夕兵， 古德生著.岩石冲击动力学[M1 .长沙 中南工业大 学出版社，1994.