新橋硫鐵礦鑿巖爆破參數優化研究＊

何姣云,張電吉,任高峰,陳先鋒

(1.湖北水利水電職業技術學院,湖北武漢 430202;2.武漢工程大學,湖北武漢 430074;3.武漢理工大學,湖北武漢 430070)

新橋硫鐵礦鑿巖爆破參數優化研究＊

何姣云1,張電吉2,任高峰3,陳先鋒3

(1.湖北水利水電職業技術學院,湖北武漢 430202;2.武漢工程大學,湖北武漢 430074;3.武漢理工大學,湖北武漢 430070)

本文通過數值模擬并利用室內模型試驗研究,對新橋硫鐵礦水平分層充填采礦爆破孔網參數的進行優化,確定合理的微差延期時間為 25～50ms,梅花形布孔等爆破參數。認為目前在 -270m中段 E25采場二分層生產爆破的孔間距過小,造成礦巖爆破的平均炸藥單耗過大。通過數值模擬及試驗給出的建議平均炸藥單耗比現用的降低了近 50%,且孔間距比原來增大,使得鉆孔工作量大大降低,極大地降低了生產成本。

鑿巖爆破;參數優化;數值模擬

1 概述

新橋硫鐵礦是以硫為主,伴生銅、鐵、鉛、金、銀、鋅等多種金屬元素的大型化學礦山。已探明礦石儲量 1.75億 t,其中硫鐵礦礦石8711萬 t,鐵礦石2400萬 t,銅金屬 50萬 t,鉛鋅金屬 4萬 t,還有一小部分金銀等貴金屬礦石[1]。

目前新橋礦坑下開采采用了上向水平分層充填采礦法,采取礦房礦柱交替布置,即先采礦柱,礦柱回采完畢后,膠結充填形成人工礦柱,在人工礦柱的保護下,再回采礦房[2]。坑下整體采用鑿巖臺車、鏟運機等無軌設備配套開采。在井下生產爆破工作中,鑿巖爆破參數的合理與否,直接影響礦巖的爆破效果。不合理的爆破參數往往會造成懸頂、采場留頂、隔墻、大塊現象,甚至出現個別炮孔盲炮,不利于炸藥能量的充分利用;有時還會引起相臨炮孔破壞,影響鏟運機挖礦及下一次的裝藥爆破工序的工作,降低生產效率;有時還會影響礦石的回收與貧化指標。

鑿巖爆破參數包括最小抵抗線、炸藥單耗、炮孔直徑、炮孔深度、孔間距、炮孔密集系數、裝藥結構等。以上這些爆破參數及其他孔網參數是相互關聯的,并且與所用采礦方法及礦巖的物理力學性質有密切聯系。爆破參數的合理優化,可充分發揮采掘設備的潛力,有利于提高爆破效果和質量,有利于后續采礦工序的順利進行,并可大大降低采礦生產成本。本文采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DY NA,運用數值分析與室內模型相結合的方法,對新橋礦業公司井下上向水平分層充填采礦爆破孔網參數進行了優化研究。

2 目前鑿巖爆破參數及存在的主要問題

新橋公司經過多年的生產實踐,采用如下采場爆破技術及參數:

(1)為控制頂板安全,每排炮孔呈大拱形布置;(2)采場最大空頂高度 6.0～6.5m,每次充填高度3.5～4.0m,工作空間高度 2.5～3.0m,每次回采高度 4.0m。鑿巖時首先挑一層頂,然后鉆鑿傾斜炮孔(傾角 40～50°),爆破后再采用水平炮孔壓頂;(3)炮孔交錯布置,排距和孔間距均為 0.5～0.8m;(4)使用銨油炸藥,藥卷直徑 32mm,藥卷長度 200mm,裝藥密度 0.95 g/cm3,每卷質量 152.8g,近似相當于炸藥 150g;(5)孔內連續裝藥,裝藥系數 (裝藥長度與炮孔長度之比)0.91,即 3.5m深炮孔裝藥長度為 3.2m,每個炮孔裝入 16個藥卷,裝藥線密度為: Q線 =16×150 g/3.5m=0.685kg/m;(6)工作面導爆管布置原則是:同排同段,隔排分段,秒延期塑料導爆管聯結。

存在的主要問題:(1)鑿巖爆破材料消耗量大。由于鑿巖爆破參數未通過優化試驗研究,仍然沿用以前普通鑿巖機鑿巖時的參數,因此鑿巖爆破材料消耗量大。(2)由于爆破材料消耗偏高,致使采場鑿巖爆破礦石成本較高;(3)炮孔直徑與藥卷直徑不匹配。鑿巖臺車鉆鑿炮孔直徑為 48mm,而藥卷直徑僅為 32mm,其裝藥不耦合系數為 1.5。(4)由于炮孔直徑與藥卷直徑不匹配,致使采場爆破礦石大塊率偏高,約為 25%～30%。(5)鑿巖爆破工藝復雜,無軌設備移動頻繁,使用效率較低。

3 數值模型的建立

數值模擬的可靠性在很大程度上取決于所選取的計算模型及物理力學的正確選取。由于新橋礦坑下工程地質條件比較復雜,巖體的類型較多,為了滿足計算的需要,必須將礦體的基本情況加以簡化和標準化。

3.1 力學參數的選取

根據地質報告提供的巖石力學參數,用于爆破計算的巖石的具體參數如表 3-1所示,動力參數僅彈性模量增加 30%,其余不變。

表 3-1 巖石數值模擬參數

3.2 計算模型及參數

水平炮孔爆破計算模型及網格見圖 3-1,圖中單位尺寸為 cm,采用映射網格劃分技術劃分模型的網格,由于該模型只是半無限巖體的一部分,出現了人為邊界,為了減少計算量和消除人為邊界處的反射波對結構動力響應的影響,計算過程中將模型四周設定為非反射邊界[3]。對于孔網參數為1.0×0.8的水平孔,其爆破計算模型共有單元136992個。水平炮孔采用兩種不同的孔網參數進行計算,考慮起爆點和延時的情況,水平孔爆破數值模擬具體的爆破參數見表 3-2。

表 3-2 水平孔爆破數值模擬采用的爆破參數表

圖 3-1 水平炮孔爆破計算模型及網絡

3.3 爆炸載荷的處理

由于在爆炸場的數值模擬中,炸藥的爆轟產物的壓力波動范圍很大,從幾十萬個大氣壓到低于一個大氣壓,很難找到一個適合所有范圍的狀態方程。JWL狀態方程能精確描述凝聚炸藥圓桶實驗過程,且具有明確的物理意義,因而在爆炸數值模擬中得到了廣泛應用。對高能炸藥的爆轟產物采用 JWL狀態方程,其狀態方程的一般形式為:

式中:A、B、R1、R2、ω為炸藥特性參數;P為壓力;E、V分別表示爆轟產物的內能和相對體積。本文計算中銨油炸藥的具體參數為:炸藥密度 ;炸藥爆轟速度 。對于空氣,近似采用理想氣體狀態方程[4]。

3.4 計算和分析

不同孔網參數的水平爆孔,分別以孔間和孔底兩種不同起爆方式起爆,起爆后不同時間有效應力分布情況見圖 3-2至圖 3-4。

從圖中我們可以看到:對圖 3-3與圖 3-4進行比較可以看到,對于水平爆孔 (孔距 1.0m,排距0.8m),當采用孔間起爆時,孔間齊發起爆與孔間延時 25ms起爆,起爆后不同時間應力波的傳播發展及疊加情況無明顯區別,這說明要采用微差延時起爆時,孔間的微差間隔時間應大于 25ms。因此在下一步現場實驗時,孔間微差間隔時間初選 50ms,即采用 1、3、5、7跳段微差起爆。

VonMises有效應力是表征介質應力特征的一個重要參數。炸藥爆炸后在巖體中產生應力波,應力波從藥包處向外傳播。在相鄰兩孔同時起爆的情況下,炮孔間存在應力波的疊加作用。同時起爆兩個炮孔時,炸藥既要繼續爆轟傳播,同時又要作用周圍的巖石介質形成應力波,起初在每個炮孔附近都形成膨脹波,此時兩個炮孔的動態斷裂過程是相互獨立的,由于爆轟波的傳播速度與介質應力波的傳播速度不一致,最初應力場的形狀是“紡錘形”。隨著兩個炮孔產生的應力波的相互作用,在孔間連線方向上有一個連通兩個炮孔的斷裂最終控制了這個動態過程。隨著沖擊波陣面遠離藥包,其能量向外擴散,應力發生很大變化。當藥包爆轟完畢后,由于沿徑向離藥包中心越近能流密度越大,應力波向外傳播速度越快,“紡錘形”越來越不明顯,同時在軸向端部出現“孔穴”,后來發展為“缺口”,而且隨著時間的增加,“缺口”逐步擴大。同時計算發現,底部藥包以柱面波的形式向外擴展,同時炸藥爆轟由孔底向孔口傳播,因而波陣面與炮孔之間形成一定的角度,并以基本不變的角度向外傳播,直至爆轟結束。有效應力場的變化較好地反映了爆炸傳播規律[5]。

4 爆破參數室內模型試驗研究

目前用于爆破技術研究主要方法有三種:數值模擬、模型實驗和現場試驗。模型實驗的研究方法能克服現場試驗耗費大,影響正常工作秩序的缺點,所獲得的數據又可用于指導生產,實現爆破結果的定性與定量相結合的分析,因而具有很大的經濟和實踐意義。本文對合理微差間隔時間的進行了試驗研究。

微差爆破技術的應用,在國內外有較長的歷史,對于合理微差間隔時間的確定,前人也總結了不少經驗。根據一些經驗公式及前人的試驗數據得出當 f為8～14時最佳微差時間集中在 25～50ms的范圍內[6]。并且隨著 f值的降低,最佳微差間隔時間相應增大。

4.1 試驗方案

用水泥砂漿試抉進行模擬實驗,試塊的尺寸為600×600×100mm,中間有兩個澆鑄時預留的炮孔,孔間距為100mm,兩孔孔徑均為 8mm。水泥砂漿各成分的重量比為:水泥∶砂∶水 =1∶2.5∶0.72,水泥為普通硅酸鹽水泥,標號 500號,砂子是經篩分后的最大粒徑 3mm的河砂。每個孔裝黑索金炸藥 1.5g,用特制小型瞬發電雷管起爆,兩孔間的起爆時差用BS6-1型數字式微差起爆儀來實現。

4.2 試驗結果

試驗結果表明,以 20ms時差起爆時的破碎效果最佳,然后隨著微差間隔時間的增大,爆破破碎效果逐漸變差。在齊發起爆時,由于沒有新增自由面的產生,雖在兩孔爆后齊力推動下,可產生較大的爆破量,但是由于兩孔周圍的裂紋沒能夠得到充分擴張,便在爆轟產物的作用下,將兩孔間的漏斗巖石拋出,以致產生較多的大塊 (即大塊率較高),使得破碎效果較差。考慮到實際生產中礦巖節理裂隙較發育,以及實際應用中雷管的段數分布限制,建議現場試驗及實際生產中,微差間隔時間取 25～50 ms。

5 結論

通過數值模擬研究水平炮孔在不同起爆位置、不同延期時間的炸藥爆轟過程,并利用室內模型試驗研究對數值模擬研究的結論進行驗證,確定合理的微差延期時間為 25～50ms,炮孔布置方式為梅花形布孔,排間微差起爆網路等爆破參數;最后進行現場爆破試驗,與目前生產爆破的孔網參數比較,認為目前生產爆破的孔間距過小,造成礦巖爆破的平均炸藥單耗過大。通過試驗給出的建議值的平均炸藥單耗比現用的平均炸藥單耗降低了近 50%,并且孔間距比原來增大,使得鉆孔工作量大大降低,每米鉆孔破巖效率大幅度提高。

REFERENCES

[1] 王新民,張欽禮.深部礦體水平分層充填法高效機械化裝備與采出充配套工藝技術研究實施方案[D].長沙:中南大學,2004.

[2] 王新民,曹剛﹒新橋硫鐵礦機械化采場結構參數優化研究﹒工業安全與環保,2008,34(4).

[3] 唐巨鵬,李英杰.阜新五龍礦深部沖擊地壓ANSYS有限元數值模擬.防災減災工程學報,2005.(9).

[4] 方曉瑜,王成﹒中深孔掏槽爆破裝藥優化的數值模擬研究﹒煤礦開采,2006,11(4).

[5] 徐光彬﹒耦合裝藥情況下臺階深孔爆破的數值模擬﹒廣西水利水電,2007,(3).

[6] 東兆星,邵鵬﹒爆破工程﹒北京:中國建筑工業出版社,2005.

Research on Blasting ParametersOpti m ization of exploitation at Xinqiao PyriteM ine

HE Jiao-yun1,ZHANGDian-ji2,REN Gao-feng3,CHEN Xian-feng3
(1.HubeiWater Resources Technical College,Wuhan,Hubei 430202; 2.Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430074;3.Wuhan Institute of Technology,Wuhan,Hubei 430070)

By numerical simulation andmodel experi mentation atXinqiao PyriteMine,the optimal blastingparameter isobtained. The reasonable defer time is 25～50ms and the optimal hole pattern is staggered pattern.The unit explosive consumption of actual application is too big due to the s mall interval between holes.The proposed unit explosive consumption value is decreased by 50%now. The drillingwork and production cost are greatly reduced for the increased interval between holes.

drilling and blasting;parameters opti mized;numerical si mulation

book=5,ebook=165

TD23

A

1009-3842(2010)03-0005-04

2010-07-06

NSFC國家自然科學基金(50804038號)及高校博士點新教師基金([2008]04971055號)資助項目

何姣云(1975-),女,湖南邵東人,博士研究生,講師,主要從事水利水電建筑工程和爆破技術的研究和教學工作,E-mail: hjy950411@163.com