不耦合装药条件下煤层爆破效应数值模拟研究.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月如今露天开采作业中，尽管开采的设备早已更新换代，提高了矿山开采的工作效率，但在爆破工作中，爆破的质量却依旧不理想，炮孔周围过度粉碎，煤层爆破末煤率高，无法为矿山带来更大的经济效益。对同一种煤，末煤与块煤之间的价格有很大差距，以某矿远 圆园园大卡煤炭价格举例，圆园圆圆年员员月圆怨日，远 圆园园大卡末煤价格为员 员猿园元/贼，块煤价格为圆 园源园元/贼，两者相差近1倍。所以如何改善爆破质量，增加块煤率，是提高矿山经济效益的1个方向。研究发现，不耦合装药结构可以起到缓冲爆炸冲击力的作用，有效降低爆轰波对炮孔及其周围岩体的破坏1。传统爆破优化研究需要前往现场进行试验，得出结论。但是现场操作复杂、不确定因素多、无法近距离观察爆破过程，同时也会妨碍矿山正常作业，这些因素限制着爆破机理的深入研究。随着科技发展，数值模拟渐渐运用到了各项研究中，诸多学者运用数值模拟对爆破问题进行研究。丁小华等1分析并模拟了不耦合装药对预裂爆破的影响；史维生2探究了不耦合装药条件下爆破的机理；杨文敬等3探究不同填充物对爆破质量的影响；崔年生4通过设置不同的不耦合系数，探究其对爆破质量的影响，找出最佳的收稿日期：2023原01-05责任编辑：张东旭基金项目：国家自然科学基金资助项目（52174131）作者简介：杨日（1997），男，河北石家庄人，技术员，硕士，2021 年毕业于中国矿业大学，主要从事露天矿山生产技术及边坡管理方面的工作。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.05.011杨日，邢博康，丁小华，等.不耦合装药条件下煤层爆破效应数值模拟研究 J.露天采矿技术，2023，38（5）：44原47.YANG Ri,XING Bokang,DING Xiaohua,et al.Study on numerical simulation of coal seam blasting effectunder decoupling charge 允.Opencast Mining Technology,2023,38（5）:44原47.移动扫码阅读不耦合装药条件下煤层爆破效应数值模拟研究杨日1，邢博康2，丁小华2，黄月军1，聂守虎2，秦浩2（1.国能北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026015；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）摘要：为了解决露天矿煤层爆破所带来的末煤率高的问题，提高矿山的经济效益，研究了采用不耦合装药代替连续装药结构；通过ANSYS/LS-DYNA软件构建了不耦合系数为1.0、1.2、1.4、1.6、1.8这5个模型进行分析。结果表明：随着不耦合系数的增大，炮孔底部压应力逐渐减小，且减小的速率呈现先增大，后减小，再增大的趋势；采用不耦合装药方法，可解决煤层爆破过度破坏的问题。关键词：台阶爆破；不耦合系数；数值模拟；ANSYS/LS-DYNA；爆破参数优化中图分类号：TD824.2文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）05-0044-04Study on numerical simulation of coal seam blasting effect under decoupling chargeYANG Ri1,XING Bokang2,DING Xiaohua2,HUANG Yuejun1,NIE Shouhu2,QIN Hao2（1.Guoneng Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinguole 026015,China;2.China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China）Abstract:In order to solve the problem of high final coal rate caused by coal seam blasting and improve the economic benefit ofmine,the article studies the use of decoupled charge instead of continuous charge structure,constructs five models with decouplingcoefficients of 1.0,1.2,1.4,1.6 and 1.8 by ANSYS/LS-DYNA software for analysis.The results show that with the increase of theuncoupling coefficient,the compressive stress at the bottom of the hole gradually decreases,and the decreasing rate first increases,then decreases and then increases.The problem of excessive damage during coal seam blasting is solved using decoupling charge.Key words:step blasting；decoupling coefficient；numerical simulation；ANSYS/LS-DYNA；blasting parameter optimization44露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月如图圆，爆炸产生后，爆轰波由上下两端产生，传播至药柱中间处，汇集后沿药柱两侧方向传播，药柱周围的应力明显大于两侧，并且可以明显看出，随着炮孔装药的不耦合系数的逐渐增大，炮孔周围岩石对爆炸应力响应范围4和强度均有减小的趋势。距离炮孔较近的高应力区变化最明显，距离炮孔较远的低应力区变化较微弱。即不耦合系数为员援园耀员援愿，不耦合系数越大，炮孔周围煤层应力最高处应力越小，炮孔周围容易产生末煤的分布范围也越小。因此可以认为，适当地增大不耦合系数，可以在一定程度上降低爆炸对炮孔内壁的冲击强度，减少过强爆炸带来的大量末煤生成，优化台阶爆破效果，提高图 2员缘园 滋泽 时各模型的受力云图图 员模型具体参数图爆破参数；洪欢等5改变不耦合系数，探究其对岩石损伤过程的影响；再UAN等6设置不同不耦合系数，探究其对低渗透砂岩爆破增强渗透率的影响机理；程平等7提出不耦合装药和逐孔毫秒延时起爆技术相结合，解决破碎矿体开采出现的问题；陈亚军等8研究单侧或双侧自由面不耦合分段装药，配合分区、分间段爆破方法，并采用非电导爆管引爆，解决干旱地区露天矿山大块率高的问题。但是，学者在不耦合装药的优化研究中，只是固定炮孔直径，改变药包直径，这样同时会改变装药量这一因素。为此，运用粤晕杂再杂/蕴杂原阅再晕粤软件进行数值模拟，固定药包直径，改变炮孔直径，深入研究不耦合系数变化对爆破质量的影响。员材料模型选择内蒙古锡林浩特胜利露天煤矿作为工程研究案例，模拟使用铵油炸药进行爆破，在蕴杂原阅再晕粤软件中采用元酝粤栽赃匀陨郧匀赃耘载孕蕴韵杂陨灾耘赃月哉砸晕高能炸药模型。台阶采用元酝粤栽赃砸匀栽模型进行模拟，砸匀栽模型共计包含猿源个参数，其中部分参数可以通过试验和理论计算获得，部分参数为模型给定值10。本次模拟采用的材料参数来自胜利露天煤矿，煤的参数密度为员 圆远园 噪早/皂猿，弹性模量为缘援猿，泊松比为园援猿远怨，抗压强度为缘援圆园 酝孕葬，抗拉强度为园援愿远 酝孕葬。模型的具体参数、布孔位置及装药结构如图员。圆数值模拟圆援员爆炸应力云图运用蕴杂原阅再晕粤求解器对模型进行计算，模拟采用员援园、员援圆、员援源、员援远、员援愿 缘种不耦合系数。各个不耦合系数模型在员缘园 滋泽时的应力云图如图圆。45露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月图 源底部单元压应力变化图爆破生产的块煤率。圆援圆炮孔底部单元压应力为了进一步了解不耦合装药对爆破效果的影响，在各个模型的炮孔底部选取单元进行分析。底部单元压应力图如图猿，底部单元压应力变化图如图4。如图3，底部单元压应力在爆炸开始后快速上升至顶峰后快速下降，最后趋于平稳。在未采用不耦合装药时，压应力最大值为缘圆援苑源圆 员缘 酝孕葬，远超其通过单轴抗压试验测得的抗压强度缘援圆园 酝孕葬，对煤造成了巨大损伤。在采用不耦合装药时，该单元的最大压应力从不耦合系数员援园的缘圆援苑源圆 员缘 酝孕葬降低为不耦合系数员援愿的圆园援圆苑圆 源苑 酝孕葬，降幅为远员援缘远猿豫，这是由于炮孔内壁和药柱之间存在空气间隙，在炸药爆炸后，爆炸产生的爆生气体与间隙之中的空气存在很大的温差，两者之间出现了热传递现象，这种现象导致爆炸产生的能量大量损失，从而爆生气体对孔壁的做功减小，峰值压应力下降。除此之外，由于空气具有良好的压缩性能，所以在爆炸发生时，产生的冲击波并不是立刻作用在炮孔内壁上，而是先压缩间隙间的空气，之后作用在炮孔内壁，虽然空气压缩的时间很短，但是因为爆炸产生的能量巨大，即使很短暂的时间也能导致结果的差异较大。由此可见，间隙内的气体起到了很好的缓冲作用，极大程度地降低了爆炸对煤的损伤，不让其过度破坏，从而提高爆后的块煤率。如图源，不耦合系数从员援园增加到员援圆时，最大压应力减小了圆员援怨怨源 豫；不耦合系数从员援圆增加到员援源时，最大压应力减小了员源援圆园猿豫；不耦合系数从员援源增加到员援远时，最大压应力减小了员员援猿员员豫；不耦合系数从员援远增加到员援愿时，最大压应力减小了猿缘援圆源源 豫。可见随着不耦合系数的增大，最大压应力不断减小，减小的速率呈现出先增大，后减小，再增大的趋势。圆援猿模型损伤在蕴杂原孕则藻责燥泽贼后处理软件上，将模式调整为澡蚤泽贼燥则赠增葬则裕源，将可视范围调整为园耀园援员，园代表没有受到损伤的部分，园援员代表受到轻微损伤的部分，变相地观察爆破效果的区别，模型最终损伤图如图缘。在图缘（葬）中爆破台阶的坡顶部分，坡面部分以及台阶的中间部分可见单元稀疏，表明在炮孔装药结构为耦合装药的情况下，爆炸冲击对煤层台阶产图 猿底部单元压应力图46露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月生了过度破坏，生成了大量的低质量末煤。图5（遭）图5（藻）与图5（葬）对比可以发现：随着不耦合系数的逐渐增大，图中蓝色单元数量逐渐增多，在台阶坡面部分与坡顶部分，蓝色单元的增加尤为明显。而且，随着不耦合系数的逐渐增大，台阶边缘的煤层破碎块度没有过度增大。这说明，在一定的范围内，适当的增大不耦合系数，可以一定程度上降低爆炸对煤层的冲击强度，减少过强爆炸带来的大量末煤生成，优化台阶爆破效果，提高爆破生产的块煤率。猿结语员）从数值模拟的受力云图可得，随着不耦合系数的增大，爆炸应力响应逐渐减小；且距离炮孔较近的高应力区变化最明显，距离炮孔较远的低应力区变化较微弱；炮孔周围煤层应力最高处应力越小，炮孔周围容易产生末煤的过高应力区分布范围也越小。圆）从各不耦合系数底部单元压应力图可得，在采用不耦合装药之后，该单元的最大压应力减小了远员援缘远猿豫，随着不耦合系数的增大，最大压应力不断减小，减小的速率呈现出先增大，后减小，再增大的趋势。猿）增大不耦合系数可以改善爆破质量，降低末煤率，增大块煤率。参考文献：员丁小华，李克民，任占营，等援露天矿高台阶预裂爆破技术的发展及应用 允 援矿业研究与开发，圆园员员，猿员（圆）：怨源原怨苑援圆 史维升援不耦合装药条件下岩石爆破的理论研究和数值模拟 阅 援武汉：武汉科技大学，圆园园缘援猿 杨文敬，王志亮援岩体中 耘孕杂 泡沫不耦合爆破响应数值研究 允 援煤炭学报，圆园员员，猿远（杂圆）：源圆缘原源猿园援源 崔年生援不耦合装药系数对预裂爆破效果影响的数值模拟研究 允 援矿业研究与开发，圆园员愿，猿愿（源）：员园原员猿援缘 洪欢，池恩安，赵明生，等援高岘二号桥边坡径向不耦合装药爆破数值模拟研究 允 援矿业研究与开发，圆园员缘，猿缘（远）：员园愿原员员园援远 再UAN 宰,宰ANG 宰,蕴I 在,藻贼 葬造援 晕怎皂藻则蚤糟葬造 泽贼怎凿赠 燥枣贼澡藻蚤皂责葬糟贼皂藻糟澡葬灶蚤泽皂燥枣凿藻糟燥怎责造蚤灶早糟澡葬则早藻燥灶遭造葬泽贼蚤灶早 原藻灶澡葬灶糟藻凿 责藻则皂藻葬遭蚤造蚤贼赠 蚤灶 造燥憎-责藻则皂藻葬遭蚤造蚤贼赠泽葬灶凿泽贼燥灶藻泽 允 援 陨灶贼藻则灶葬贼蚤燥灶葬造 允燥怎则灶葬造 燥枣 砸燥糟噪 酝藻糟澡葬灶蚤糟泽葬灶凿 酝蚤灶蚤灶早 杂糟蚤藻灶糟藻泽,圆园员愿,员园远：猿园园原猿员园援苑 程平，郭进平，孙锋刚援破碎矿体水平深孔落矿爆破试验研究 允 援爆破，圆园圆园，猿苑（猿）：远愿原苑猿援愿 陈亚军，常治国，赵斐援干旱区露天矿爆破作用线理论与实践研究 允 援采矿与安全工程学报，圆园员怨，猿远（圆）：猿缘苑原猿远猿援怨 曲艳东，吴敏，孔祥清，等援深孔连续与间隔装药爆破数值模拟研究 允 援爆破，圆园员源，猿员（源）：员远原圆员援员园 李洪超，陈勇，刘殿书，等援岩石 砸匀栽 模型主要参数敏感性及确定方法研究 允 援北京理工大学学报，圆园员愿，猿愿（愿）：苑苑怨原苑愿缘援图 5模型最终损伤图47