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露天礦深孔爆破優化的研究

2014-07-31 19:28:13 責任編輯:崔瑋娜

 
 

完成時間19835

完成單位:冶金部馬鞍山礦山研究院

項目主持人及參加人員:馬柏令、曾世奇、鄒定祥、郭初吉

撰稿人:馬柏令

1   歷史背景

“露天礦深孔爆破優化”是利用當今爆破破巖理論的研究成果,抓住對爆破效果產生主要影響的巖石、炸藥和爆破等參量,建立起諸參量之間的一系列的數學表達式——爆破數學模型。并借助電子計算機對爆破破巖復雜過程進行解算、取得爆破參量與衡量爆破效果特征指標的對應關系。當選用了使礦山生產綜合成本最低的爆破效果所對應的爆破參量時,就可實現露天礦山的爆破優化。

馬鞍山礦山研究院是國內從事爆破優化研究最早的研究單位之一。從1980年開始,在分析和消化國外有關文獻資料,掌握了當時國外兩個主要數學模型(加拿大懷里爾和澳大利亞的哈里斯)的基本觀點、計算原則和方法的基礎上,對研究工作進行不斷探索和創新,提出了“露天礦臺階爆破礦巖破碎過程的三維數學模型”和“露天礦臺階爆破巖石塊度組成的計算數學模型”。然后,以露天小臺階爆破試驗進行驗證,兩者符合較好。

另外,利用露天小臺階試驗方法所取得的大量數據進行了數理統計分析,獲得了試驗條件下的巖塊重量分布、塊數分布及爆破參數對塊度分布的規律性影響。

2   露天深孔爆破優化研究內容

臺階深孔爆破效果(指爆堆的松散、堆積集中情況,特別是指爆后塊度組成)直接影響裝載、運輸和初破等后續工序的效率和采礦生產總成本。一般情況下,穿爆費用總是隨爆破塊度減小而提高,而裝、運、初破等工序所需費用則隨幡塊度的減小而降低。從理論上講存在一個使采礦。生產總成本最低的“最佳塊度組成”(1)。由于涉及到裝載、運輸等其他工藝條件和生產成本,問題較復雜。因此,本課題主要研究炸藥、爆破參數與已定礦巖性質之間的最優匹配,以獲得最佳爆破效果(主要指爆破塊度組成)

 

我們進行爆破優化研究的第一步是解決均質、各向同性、彈性介質的爆破數模問題,而回避了現場爆破常見的復雜地質因素(如節理、裂隙、構造等)。爆破數模的驗證可通過小臺階爆破試驗來解決。

3   露天礦臺階爆破礦巖破碎的三維數學模型

此模型基本點是:炸藥爆炸在巖體中產生的彈性應力波對巖石的破壞作用是一種主要的和基本的作用,巖石在爆炸應力波作用處于彈性狀態并發生脆性破壞。根據巖體中某個部位所獲得的應力波能量密度和巖石破碎的單位表現能,即可求得爆破破碎產生新表面積的分布密度,從而可計算出破碎塊度組成情況。

為求得深孔柱狀藥包爆破時應力波三維能量分布,將粒狀藥包看作一系列球狀藥包爆破,每個單元藥包的高度小于直徑34倍,巖體中每點的應力波能量為所有單元藥包的迭加作用結果(2)

巖體每個部分接受的應力波能力包括下列三部分:

(1)直接來自各單元藥包的入射縱波能量;

(2)各單位藥包發出的經各自由面(臺階頂面和坡面)反射后抵達該單元體的縱波能量;

(3)各單元藥包發出的經各自由面反射后抵達該單元體的橫波能量。

 運用伊藤一郎等應力波理論和懷里爾關于炮孔壓力計算公式,可計算得到巖體內每點的能量密度UP

      

式中tP—應力波周期;

U0(t)—在£時間內到達某點的動能和應變能。

根據上述數模所計算出的塊度與小臺階爆破試驗所測得的塊度分布數據見表1

 

用數理統計方法對電算塊度分布與小臺階試驗平均實測值進行柯爾莫哥夫檢驗,結論為可接受。

4   露天礦臺階爆破礦巖塊度組成計算的數學模型

哈里斯爆破數模是一個二維模據,它將計算出的某一平面的塊度組成代替臺階整體的塊度組成。

本數模是將它改進為三維數模,其基本原理為:將柱狀藥包改成高度等于藥包直徑的若干個單元藥包,然后沿臺階高度從上至下把巖體切成厚度等于單元藥包高度的若干水平條帶,其形狀為一矩形,等于炮孔的負擔面積。以炮孔中心沿徑向等間隔將水平條帶圈成若干圓形帶。每個環帶上的切向應變值為各個單元藥包對此環帶上所產生的切向應變值的總和。根據哈里斯計算原則即可計算出各環帶的裂縫條數,并算出該環帶內的最大塊尺寸,將巖塊按尺寸進行分級,屬于同一等級尺寸的各環帶所對應的體積之和,對一個炮孔擔負的總體積之比,即為爆破后該等級尺寸的巖塊所占百分數。計算結果與小臺階爆破巖塊組成實測值符合較好。

某一爆破參數條件下的小臺階爆破巖塊組成實測值與電算巖塊組成預測值對比見表2。用數理統計y檢驗,結論為可接受。

5  破巖準則

在優化計算中,必然涉及到強度準則和能量準則(這兩個準則已分別在上面兩個數模中采用)

強度準則是指爆破破巖時的動態抗拉、抗剪極限。由于爆破是一種復雜的動態破壞作用,至今無法用實驗方法直接測得。為解決此問題,我們采用了間接法。采用同種巖石的小臺階爆破試驗,測得實際結果。然后,假設一系列強度極限,找出計算與實際爆破相吻合的強度值,用此值即可計算其他爆破條件的效果。

能量準則是指爆破破巖產生單位新表面積所需能量,可用專用爆熱彈直接量測,鑒于目前條件尚不具備,所以也采用了間接法,方法同前。

6   爆破巖塊分布規律

 在優化研究中,我們進行了小臺階爆破試驗,將爆下的巖塊收集起來,先手工將每個巖塊按最大線性尺寸分成ll(見表3),然后統計每級巖塊的塊數(小于100mm巖塊不統計)和稱取每級巖塊的重量。最終得到各級尺寸巖塊的塊數以及重量百分數。

 

分別對各塊度等級的巖塊重量和塊數的實驗數據進行統計分析,巖塊重量符合羅森.萊墨勒分布(R-R分布)和杰茨-高丁-舒曼分布(G-G-s)分布。巖塊塊數符合指數分布規律。

7  結語

爆破優化工作理論性很強,難度很大,對我們來說還是一項新領域的開拓工作。以上兩個數模與小臺階爆破試驗驗證,效果符合較好,為我國爆破優化研究創造了一個良好的開端。

摘自《中國典型爆破工程與技術》