孔间不同毫秒延时深孔台阶爆破模拟研究与块度分析.pdf

孔间不同毫秒延时深孔台阶爆破模拟研究与块度分析杨 俊1,王凡繁1,马 亚1,段继超2,宗 琦2(1.芜湖海螺水泥有限公司,安徽 芜湖 241200;2.安徽理工大学,安徽 淮南 232001)摘要:为研究毫秒延时间隔对岩石破碎的影响,利用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 对露天矿山台阶爆破进行数值模拟研究。微差时间过小,无法形成有效自由面,微小裂纹提前产生导致爆生气体逸出,不利于岩石破碎;微差时间过大,相当于单炮孔起爆,不能够形成叠加的应力场,影响岩石破碎效果。当微差时间为 20 ms 时,所选介质单元应力达到最大,有利于岩石破碎,能够改变爆破效果。现场进行台阶深孔微差爆破试验,使用 WipFrag 图像分析软件分析评价爆破效果。统计结果表明,爆区岩石尺寸小于下料口筛网尺寸的岩石占整个爆区的 93.24%;爆区块度均匀度系数离散性很小,证明岩石破碎块度均匀、整体爆破效果较好。关键词:露天矿山;数值模拟;微差时间;块度分析 中图分类号:TD235 文献标志码:A 文章编号:1674-3970(2023)02-0028-07收稿日期:2022-09-27作者简介:杨俊(1973),男,安徽芜湖人,工程师,主要从事露天矿山研究和施工管理方面的工作。E-mail:。引用格式:杨俊,王凡繁,马亚,等.孔间不同毫秒延时深孔台阶爆破模拟研究与块度分析J.煤矿爆破,2023,41(2):28-34.YANG Jun,WANG Fanfan,MA Ya,et al.Simulation and lumpiness analysis of deep-hole bench blasting with different millisecond delay time between holesJ.Coal Mine Blasting,2023,41(2):28-34.Simulation and lumpiness analysis of deep-hole bench blasting with different millisecond delay time between holesYANG Jun1,WANG Fanfan1,MA Ya1,DUAN Jichao2,ZONG Qi2(1.Wuhu Conch Cement Co.,Ltd.,Wuhu 241200,China;2.Anhui University of Science&Technology,Huainan 232001,China)Abstract:In order to study the influence of millisecond delay time interval on rock fragmentation,the finite element software ANSYS/LS-DYNA is used to carry out numerical simulation of bench blasting in open-pit mine.If the millisecond delay time is too small to form an effective free surface,the early generation of micro-cracks leads to the escape of explosive gas,which is not conducive to rock fragmentation.If the millisecond delay time is too large,it is equivalent to a single borehole initiation,which cannot form a superimposed stress field and affect the rock crushing effect.When the millisecond delay time is 20 ms,the stress of the selected medium unit reaches the maximum,which is beneficial to rock breaking and can change the blasting effect.The bench deep-hole millisecond blasting test is carried out on site,and the blasting effect is analyzed and evaluated by WipFrag image analysis software.The statistical results show that the rock size of the blasting area is smaller than the size of the screen mesh,accounting for 93.24%of the whole blasting area.In addition,the dispersion of uniformity coefficient of blasting block is very small,which proves that the rock fragmentation is uniform and the overall blasting effect is ideal.Key words:open-pit mine;numerical simulation;millisecond delay time;lumpiness analysis82Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月0 引言爆破大块率是影响露天矿山生产效率的一个重要因素,大块岩石需要二次破碎不仅生产成本较高,还会对装车效率及矿山产量产生影响。因此,根据芜湖海螺桃花尖砂岩矿山实际情况,通过合理设置微差爆破间隔时间控制岩石破碎块度,对提高矿山经济效益具有重要意义。微差爆破是目前中深孔台阶式爆破的主要方法,合理的微差间隔时间对提高爆破质量和降低地震效应具有十分重要的作用1。国内外研究学者通过理论基础以及大量的实践给出合理的微差爆破间隔时间。冢本员久等2进行了不同微差时间的爆破试验,微差时间从 0 ms 开始,550 ms 之间以 10 ms 为间隔,得出微差时间为 10 ms 和 20 ms时,产生的大块数量少、爆破质量好。OTTERNESS等3通过大量的生产实践得出毫秒延时间隔 3.313.0 ms/m 时可以使大块率降低 12%20%。张志呈等4认为,微差间隔时间为 25 50 ms 时,先爆炮孔能够为后爆炮孔创造良好的起爆条件,后爆炮孔能够利用先爆炮孔所造成的应力场和爆生气体能量促进介质的破碎。王春华等5针对复杂环境山体爆破工程特点,参考微差时间经验公式和奥瑞凯微差时间经验数据,选择孔间微差时间 17 ms,排间微差时间 25 ms,降低了大块率,获得较好的爆破效果。综上所述,目前对于微差爆破对岩石破碎效果影响的本质关系和毫秒延时间隔设定都不是很明确。因此,本文从数值模拟角度出发,在 LS-DYNA中剔除损伤单元,进一步直观地揭示微差爆破间隔时间和岩石破碎形态之间的本质联系。1 理论分析确定合理的毫秒延时时间是保证微差爆破效果的关键。在露天爆破中,依据微差爆破作用原理、模型试验以及现场测试手段,建立了毫秒延时爆破时间间隔的理论计算公式。1.1 由自由面假说确定微差间隔时间毫秒微差爆破时,在先爆炮孔产生爆炸压缩波和反射拉伸波及爆生气体的作用下,岩石产生裂隙,然后贯穿最终形成破裂漏斗。为后爆炮孔创造了新的自由面,最小抵抗线的方向改变,后起爆炮孔产生的应力波在自由面的反射叠加作用下增强,增强破岩效果。根据自由面假说,合理的露天矿山微差爆破间隔时间6为:t=t1+t2+t3=2Wcp+Rvt+Sva(1)式中:t1为应力波传播到自由面并返回时间,s;t2为裂缝形成的时间,s;t3为破碎的岩石离开岩体距离 S 的时间,s;S 为靠近自由面岩石移动距离,m;W 为最小抵抗线,m;Cp为岩体中声波传播速度,m/s;R 为裂缝长度,m;vt为裂缝扩展速度,m/s;va为形成裂隙速度,m/s;1.2 由拉应力波叠加作用确定微差时间若相邻两装药间隔一定时间起爆,先爆炮孔产生压缩波,在自由面方向或炮孔附近的岩石产生拉应力,拉应力波从先爆破炮孔传播到起爆炮孔时,后爆破炮孔立即起爆,可取得较好的爆破效果,因此,微差间隔时间7为t=Wcp+tp(2)tp=510-4Q(3)式中:tP为深孔内爆炸应力波对孔壁的作用时间,ms;Q 为单个炮孔装药量。1.3 由爆生气体和应力波相互作用的理论确定微差时间先爆炮孔产生的爆生气体压力增大了爆破弹性震动区介质的应力、应变峰值和受力时间8,在后爆炮孔起爆后,产生的冲击应力波和爆生气体相遇并且相互作用,可增强岩石破碎,提高破碎效果9。所需微差间隔时间为:t=W2+L242Cg-9L216+W24Cp(4)式中:L 为孔间距,mm;Cg为爆生气体传播速度,m/s。2 数值模拟2.1 数值模拟模型数值模拟主要探究相邻两钻孔延时爆破间隔时92第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.2023间的变化对岩石破碎的影响。建立如图 1 所示的数值模拟计算模型。模型高度为 20.0 m,炮孔直径为210 mm,台阶顶部宽度为 6.0 m,台阶底部宽度为12.0 m,台阶高度为 17.0 m,台阶长为 19.0 m,装药高度为11.0 m,堵塞长度为6.0 m,两孔间距为9.5 m,台阶倾斜80,底盘抵抗线为 3.0 m,台阶坡顶和坡面为自由边界,其他面施加无反射边界。设定延时间隔时间分别为 0、5、10、15、20、25 ms 6 种情况,模拟结束时间为第二个炮孔炸药起爆后 10 ms。台阶高度1 7 m台阶宽度9 m台阶长度1 9 m间隔9.5 m堵塞6 m药柱1 1 m3 m8 0?图 1 装药结构模型2.2 数值模拟材料模型和参数对炸药的描述采用 JWL 状态方程,本文模拟使用 2 号岩石乳化炸药,爆轰压力的状态方程:P=A 1-R1V()e-R1V+B 1-R2V()e-R2V+EV(5)其中:P 为爆轰压力;E 为炸药内能;V 为当前相对体积;A、B、R1、R2、为 JWL 状态方程参数。2 号岩石乳化炸药的 JWL 参数见表 1。表 1 炸药状态方程参数密度/(kgm-3)爆速/(ms-1)A/GPa B/GPaR1R2EJ/GPa1 1803 5002.7623.30.28 5.25 1.68.56采用 RHT 模型描述岩石,基于弹性极限面、破坏面和损伤软化方程,将 RHT 本构模型分为弹性、线性硬化和损伤软化 3 个阶段。主要材料参数见表 210,其中 G 为 Gruneisen常数;B0、B1、T1、T2为状态方程参数;A1、A2、A3为Hagoniot 方程参数;A、N 为屈服面参数;Q0、B 为Lode 角参数;Gc为压缩屈服面参数;GT为拉伸屈服面参数;X1为剪切模量折减系数;D1、D2为损伤因子;Af、Nf为剩余面参数。表 2 岩石材料参数密度/(kgm-3)弹性模量/GPaFc/MPa侵蚀塑性应变拉伸应变率指数 tB0B10T1/GPaPlock2 60028.71540.6970.011 51.681.681.030.646.0FtFsA1/GPaA2/GPaA3/GPaQ0BEOC(S-1)EOT(S-1)A0.080.3830.6451.4731.460.680 550.010 53.010-53.010-62.92Pcrush/GPaGcGtX1D1D2CAfNfNp10.20.40.70.50.0410.008 31.620.63 空气采用MAT_NULL 空白材料模型,并同时使用 LINEAR_POLYNOMIAL 线性多项式描述其状态方程:P=C0+C1+C22+C33+(C4+C5+C62)E(6)=1v-1(7)式中:P 为爆轰压力;V 为相对体积;E 为单位体积内能;C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6为材料常数。炸药参数见表 3:表 3 空气材料参数R0/(kgm-3)E0C0C1C2C3C4C5C61.22.510500000.4 0.402.3 数值模拟结果通过剔除 LS-DYNA 中的损伤单元,得到台阶的破裂形态,图 2 显示了在不同微差时间间隔下台阶破碎情况。可以看出采用微差爆破的台阶爆破优于同步爆破台阶爆破11,在不同微差间隔条件下,台阶整体破碎形态呈现出不同的变化范围,尤03Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月其在台阶坡面中心区域。无论两个炮孔同时起爆还是微差起爆,在两孔中间炸药对应区域会形成连接的破碎裂纹,有助于岩石破碎形态的分割,减小岩石破碎块度。微差间隔时间为 0 ms 时,在两孔中间炸药对应区域形成几条贯通裂纹,在台阶的顶部以及根部,存在较大范围的未受损区域。随着微差时间的增加,破碎裂纹扩展的同时数量也增多,微差间隔时间在 15 ms 时,台阶中心区域裂纹贯通,并且台阶的顶部及根部区域岩石破碎块度逐渐减小。在延时间隔时间为 20 ms 时,破碎裂纹贯穿整个台阶斜面,此时岩石整体破碎效果最好。(a)0 ms(b)5 ms(c)10 ms(d)15 ms(e)20 ms(f)25 ms图 2 台阶整体破碎形态当两个炮孔微差时间为0 ms 或15 ms 时,如图3(a)所示,可以发现应力波在两个炮孔之间连线的中点处或中心点右侧相遇,发生干涉叠加,在两炮孔连接线垂直方向上,将产生拉应力叠加。应力波在图 3(b)所示两炮孔之间连线相遇的点发生断裂,产生微小裂隙,这些裂隙会沿着两炮孔之间的连接线扩展,最终形成一条贯穿两炮孔之间的长裂隙,这将导致爆炸产生的爆生气体提早逸出,缩短爆生气体在炮孔内作用的时间,不利于岩石破碎。(a)应力波传播(b)裂缝扩展图3 两炮孔微差间隔0 ms、15 ms 时应力波传播和裂纹扩展由于模拟结束时间在第二个炮孔炸药起爆后10 ms,微差时间增加意味着第一个炮孔爆炸产生的应力波作用时间增长,从图4 也可以看出,(b)的左炮孔产生爆腔范围大于(a),(b)的左炮孔对台阶扰动理应较大,在后续第二个炮孔起爆时,(b)对应台阶的损伤应大于(a)。但台阶整体破碎形态图反映出微差间隔时间 20 ms 较 25 ms 时台阶破碎效果更好。(a)20 ms(b)25 ms图 4 阶段爆腔形态图由图 5 可得,微差间隔时间为 25 ms 时,先爆药柱产生的应力波已经消失,后继药柱才开始起爆,相邻两炮孔炸药起爆后未形成应力波的叠加,不能形成加强的应力场。微差时间过长时相当于单孔爆破漏斗发挥作用,不利于岩石的破碎。(a)应力波传播(b)裂缝扩展图 5 两炮孔微差间隔 25 ms 时应力波传播和裂纹扩展按照图 6(a)选取岩石介质单元,分析不同位置介质单元所受应力随微差时间变化的规律。在A 点位置,时间应力曲线在前半段部分完全重合,这时第二个炮孔没有发生起爆,应力随时间变化在周围介质传播和衰减未受到干扰。观察(b)(c)可以发现,两个炮孔之间的介质单元在第一次波峰后,各单元受到的应力随时间呈现不同程度的波动,并不断衰减。此后均出现了第二次应力峰值,且该峰值比第一次峰值更加明显,第二次波峰的出现和微差间隔时间有关。从时间关系和各种现象上分析,第二个波峰显然由第二个炮孔起爆时对应的冲击波引起,从应力变化曲线上可以看出,后爆炮孔与先爆炮孔产生的应力场,均出现了叠加,使介质进一步破坏。13第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.20238.5 m2 m 2.7 5 mABC2 m(中心点）9.5 m(a)岩石介质单元选取点布置图(b)不同微差 A 点时间-应力曲线(c)不同微差 B 点时间-应力曲线(d)不同微差 C 点时间-应力曲线图 6 应力时程曲线对比 A、C 临近炮孔起爆后应力值发现,在 C 点不同微差时间下对应的应力值大于 A 点的应力值,说明先爆炮孔与后爆炮孔在 C 点同样存在应力的叠加过程。随着微差时间的增加,应力叠加的值也越大,当微差间隔时间为 20、25 ms 时应力值接近。综合不同位置介质单元所受应力情况,选取微差间隔时间为 20 ms 时,台阶整体岩石破碎效果最好。3 现场试验验证现场试验选择在芜湖海螺桃花尖砂岩矿山+184 m 平台,台阶高度 15 m,布孔方式选择三角布孔,炮孔直径 210 mm;起爆顺序采用逐孔起爆,使用数码电子雷管,微差间隔时间设置为 20 ms。3.1 爆堆块度分析在岩体爆破工程中,岩石破碎块度最能够直接反应破碎效果,传统的爆破矿堆块度分布统计通常采用人工抽样筛分的方式,该方式在效率和安全性上存在一定的问题11。而 WipFrag 图像分析软件可以对爆炸后收集到的数字图像进行即时 PSD 分析,对现场爆堆的岩矿进行拍照,粒度分析软件WipFrag 能够实现将矿岩的粒度数字化分析并以直观的图表形式展示出来,另外其具备自动透视补偿功能,安全性好、性价比高,是目前世界上较精确的影像分析工具。根据现场实际爆堆,采用 300 mm 钢尺作为参照物,为保证拍摄的准确性,对整体爆堆划分若干区域,见图 7(a)。对每一区域拍摄角度尽可能和爆堆剖面保证垂直,然后将拍摄的图像导入软件中,见图 7(b)。软件对导入图像进行识别并分析,软件得出切面爆堆块度占比分布,见图 7(c)。(a)整体爆堆形态(b)局部爆堆拍摄23Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月(c)块度分析结果图 7 软件块度分析 图 7(c)中,D50 代表爆区有 50%的颗粒粒径小于该粒径,D99 代表着爆区有 99%的颗粒粒径小于 336.88 mm,SPH 代表总的颗粒的平均球度或长宽比,B 表示曲线的起伏程度,N 表示均匀度系数,N 越大代表所测材料越均匀,PAR 表示分析处理的粒子数。由于芜湖海螺某砂岩矿山的下料口的尺寸为 250 mm,因此,岩石尺寸大于 250 mm 将进行二次破碎,增加了工作量,在 WipFrag 图像分析软件中将岩石尺寸大于250 mm 视为大块。爆区块度在 250 mm 以下的占比为 93.24%,(250,300 mm的 占 比 为 2.95%,(300,350 mm 的 占 比 为3.81%。颗粒的平均球度为 0.67,曲线的起伏程度和爆区矿岩块度的均匀度系数分别为 3.23 和 1.52,处理的颗粒粒子数为 6 014。对爆堆各区域拍摄的图像逐一导入软件进行分析,对分析结果进行统计,见表 4、图 8。表 4 爆区块度尺寸统计区域0,250 mm/%(250,350 mm/%(350,450 mm/%450 mm/%SPHBNPAR/个193.242.953.8100.683.231.526014272.3911.096.3410.180.663.321.761 07031000000.673.871.628 798463.6210.498.6217.230.672.421.57934576.2016.876.9300.683.391.881 058674.4414.076.195.30.673.031.671 323794.915.09000.663.641.903 334887.339.892.7800.673.181.623 76991000000.684.191.789 4861094.51005.490.663.311.502 6231183.608.977.4300.672.631.549611297.512.49000.673.351.485 46533第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.2023(a)爆区块度分析结果(b)爆堆均匀性分析图 8 爆堆块度分析通过表 4 和图 8 可以得出平均尺寸不大于250 mm 的爆堆占比为 86.48%;(250,350 mm 的爆堆占比为 6.83%;(350,450 mm 的爆堆占比为3.51%;大于 450 mm 的爆堆占比为 3.18%。爆区块度的占比影响着其对应爆区的粒子数量,不大于250 mm 占比越多,大块占比越少,对应爆区的粒子数增加。从图 8 中可以看出,SPH 曲线几乎和平均线重合,表示总的颗粒的平均球度或长宽比保持稳定;均匀性系数 N 的离散性很小,说明整体岩石破碎块度较均匀,爆破效果理想。4 结论1)合理的微差时间有利于岩石破碎,改变爆破效果。微差时间过短,无法形成有效自由面,使微小裂纹提前产生导致爆生气体逸出,不利于岩石破碎;微差时间过长相当于单炮孔起爆,不能够形成叠加的应力场,影响岩石破碎效果。2)随着微差间隔时间的延长,两个炮孔中心区域贯穿裂纹数量逐渐增多,台阶的顶部和根部未受损区域逐渐减小,当微差间隔时间为 20 ms 时,台阶的整体破碎效果最好。3)使用 WipFrag 对爆堆进行块度分析统计,得到较满意的效果,能够直接通过下料口筛网的岩石占整个爆区的 93.24%,二次破碎矿量减少;整体爆区块度均匀度系数为 1.52,爆破效果理想、岩石破碎块度均匀。参考文献 1 翟清翠.露天煤矿深孔台阶爆破降低大块率和根底率措施探讨 J.煤矿爆破 2019 37 4 31-35.2 冢本员久 朱旭安.利用毫秒微差爆破改善矿石块度 J.国外金属矿山 1996 10 43-47.3 OTTERNESS R E STAGG M S RHOLL S A.Correla-tion of shock design parameters to fragmentation C /Proceedings of the 7th ISEE Conference on Explosives and Blasting Research.Las Vegas Nevada 1991 179-181.4 张志呈 熊文 吝曼卿.浅谈逐孔起爆技术时间间隔的选取 J.爆破 2011 28 2 45-48.5 王春华 彭乐平.逐孔爆破技术在复杂环境山体爆破工程中的应用 J.现代矿业 2019 35 2 104-107.6 哈努卡耶夫.矿岩爆破物理过程 M.刘殿中 译.李国乔 校.北京 冶金工业出版社 1987.7 徐颖 孟益平 吴德义.爆破工程 M.武汉 武汉大学出版社 2014.8 杨仁树 丁晨曦 王雁冰 等.爆炸应力波与爆生气体对被爆介质作用效应研究 J.岩石力学与工程学报 2016 35 S2 3501-3506.9 WANG H C WANG Z L WANG J G et al.Effect of confining pressure on damage accumulation of rock under repeated blast loading J.International 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