孔间不同毫秒延时深孔台阶爆破模拟研究与块度分析.pdf
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1、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 W
2、ipFrag 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
3、-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 hole
4、sYANG 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-DYN
5、A 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
6、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
7、 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 f
8、or 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 analysis
9、82Vol.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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、 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 tB
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