残矿回采挤压爆破参数优化的数值模拟.pdf

DOI:10.11858/gywlxb.20220694残矿回采挤压爆破参数优化的数值模拟周朝兰1，刘志祥1，杨小聪2,3，刘立顺2,3，张双侠1，马泗洲1（1.中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083；2.矿冶科技集团有限公司,北京102628；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心,北京102628）摘要：为减少回采过程中残留顶底柱资源浪费，以赤峰柴胡栏子金矿为研究对象，基于LS-DYNA有限元软件，建立挤压爆破崩落放矿回采底柱数值模型，根据 0.7、0.8、1.0m3 种最小抵抗线和0.8、0.9、1.0m3 种孔距设计 9 种方案，通过分析炮孔爆破过程中爆炸裂纹扩展与压力演化、有效应力和有效塑性应变时程曲线以及矿石的损伤情况，获取各方案的评判指标。采用模糊层次分析法构建目标相对优属度矩阵和模糊判断矩阵，通过综合评判选出最佳的爆破方案。结果表明：最小抵抗线取 0.7m、孔间距取 0.9m 为挤压爆破崩落放矿回采底柱的最佳爆破参数。现场试验结果表明，使用优化后的爆破参数获得的爆破效果更好。关键词：残矿回采；挤压爆破；爆破参数优化；模糊层次分析法中图分类号：O383;TD862文献标识码：A挤压爆破崩落放矿具有爆破能量利用率高、矿岩破碎质量好的特点，在矿山开采中得到了广泛应用15。采用挤压爆破回采底柱时，由于自由面较少，相较于一般爆破，挤压爆破产生的爆破振动会影响周围更多的围岩或充填体，可能造成矿石破碎不完全、上部充填体陷落等问题，从而影响矿山的回采效率和安全施工。因此，为了实现矿残留底柱的安全高效回采，有必要对挤压爆破参数进行优化。国内外学者对爆破参数优化开展了大量研究。传统研究方法主要包括理论计算法、相似试验法、室内试验法、现场工程试验法等。例如：张万志等6采用理论分析、现场试验等方法，针对寨山隧道洞身级硬岩全断面开挖，从扩展掏槽体积、爆破破岩负担体积等角度对掏槽爆破参数进行了优化；李祥龙等7采用正交试验法，开展了预裂孔爆破成缝过程的相似模型试验，以有效半孔率、预裂缝宽度和原岩损伤率为评价指标，通过极差与方差计算，分析了各因素对评价指标的敏感度，确定了模型试验的不耦合系数、延期时间和最大单响药量；余永强等8通过相似材料配比试验得到煤体相似材料，从而制作煤体模型，并开展了爆破漏斗试验，对爆破漏斗的半径、深度和体积等试验数据进行分析，得到了不同药量和埋深下煤体爆破漏斗特性曲线及其关系式；文兴等9基于阿舍勒铜矿深部大直径深孔爆破，在井下开展了单孔系列爆破、宽孔距同段爆破和斜面台阶爆破试验，得出了当前矿岩条件下药包的最佳埋深、最佳爆破漏斗体积、最佳炸药单耗以及最小抵抗线的合理范围。通过以上传统方法，在爆破参数优化方面获得了丰硕成果，但也存在着效率低、研究成本高等问题。随着计算机等现代科学技术的发展和数值软件的开发，数值模拟方法已广泛应用于岩土动力学问题分析。例如：Zhu 等10为了研究爆炸引起的炮孔破裂和裂纹扩展的动态断裂机制，使用 AUTODYN2D 程序对圆形岩石模型进行数值模拟，分析了边界条件、耦合介质、孔径、节理等因素对岩石断裂的影响；黄尘等11基于 PFC2D建立铜*收稿日期：2022-11-18；修回日期：2023-01-07 基金项目：国家“十四五”科技攻关项目（2022YFC2904101）；国家自然科学基金（51974359）作者简介：周朝兰（1998），女，硕士研究生，主要从事采矿工程与岩石力学研究.E-mail： 通信作者：刘志祥（1967），男，博士，教授，主要从事采矿与岩石力学研究.E-mail：第37卷第3期高压物理学报Vol.37,No.32023年6月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSJun.,2023035301-1陵冬瓜山铜矿采场爆破数值模型，通过分析不同参数下爆破后大块率、超/欠挖程度以及监测点的应力值，得出最优排距和孔距；殷锦训等12为了解决三鑫金铜矿扇形中深孔爆破后大块率高、缩口严重的问题，采用 LS-DYNA 数值模拟软件建立了不同孔网参数的中深孔爆破计算模型，确定出中深孔爆破的最优孔底距和排间距；霍晓峰等13运用 LS-DYNA 数值模拟软件，对铜绿山矿井下分段凿岩嗣后充填采场掏槽爆破的炮孔布置方案进行模拟，对各方案的掏槽爆破效果进行分析，得出最优孔径组合。上述研究结果表明，最小抵抗线、孔间距以及炸药单耗是最主要的爆破参数，这些参数的选取直接影响爆破效果的好坏。同时，可运用数值模拟手段进行爆破参数的初步确定，从而降低矿山爆破危险，减少人力和物力的消耗。以往研究大多针对掏槽爆破、预裂爆破、光面爆破等，对挤压爆破参数的模型试验研究相对较少。为此，本研究基于爆破破岩理论，采用 LS-DYNA 数值模拟软件，对不同最小抵抗线和孔间距条件下的挤压爆破崩落放矿方案进行爆破模拟；通过对炮孔爆破过程中爆炸裂纹扩展与压力演化、有效应力和有效塑性应变时程曲线以及各方案中矿石的损伤情况进行分析，获取各方案的评判指标；采用模糊层次分析法（fuzzyanalytichierarchyprocess，F-AHP）进行综合评判优选，确定最佳爆破参数；根据优选出的爆破参数，在柴胡栏子 2 号井 4 中段开展现场试验，验证优化结果，从而为金属矿残矿底柱回收挤压爆破参数选取提供参考。1 工程概况与方案设计 1.1 工程概况以赤峰柴胡栏子 2 号井 4 中段为例，其矿体为盲矿体，均产于原生带内。矿体和围岩都属于坚硬岩组，岩石强度较高，稳固性较好。矿床工程地质勘探类型以块状岩类为主，工程地质条件属于中等型矿床。矿区内没有地表水体，主要含水层为角闪斜长片麻岩中的裂隙水，靠近分水岭，地下水补给主要依赖大气降水。矿体含水层的富水性弱，矿区水文地质条件属于简单型。矿区内地质灾害不发育，仅对土地资源造成小范围损毁，未对耕地造成破坏，矿山地质环境良好。挤压爆破崩落放矿回采底柱如图 1 所示，底柱沿矿体走向的长度为 32.0m，平均高度为 2.4m，矿体厚度为 3.0m，底柱漏斗间距为 5.0m，漏斗尺寸为 1.8m1.8m（长宽），运输巷道的高度为 2.8m，通过提前施工 40cm 的充填垫层来达到 2.4m 的控顶高度。从运输巷尽头向矿石溜井一侧后退式回采，一次爆破两排炮孔，崩矿步距控制在 23m，并根据漏斗的位置灵活调整爆破参数，确保安全施工和出矿便利。A-A-3.0 m2.0 m4.0 m32.0 m2.5 m2.8 m1.8 m2.4 m0.4 m81.8 m7691112101234512.Funnel closure.11.Support bolt;10.Ore pass;9.Funnel;8.Pass connecting way;7.Ore loose;6.Man-made slope;4.Intra-venous transport lane;3.Concrete cushion;2.Concrete cement;1.Waste rock filling;5.Bottom pillar;图1挤压爆破崩落放矿回采底柱Fig.1Cavinganddrawingoreofbottompillarbyextrusionblasting第37卷周朝兰等：残矿回采挤压爆破参数优化的数值模拟第3期035301-2 1.2 爆破模拟方案设计根据赤峰柴胡栏子金矿及相似矿山以往的生产实践经验，初步确定挤压爆破崩落放矿回采底柱的最小抵抗线范围为 0.71.0m，炮孔间距范围为 0.81.0m。考虑到最小抵抗线取值太大会导致崩落矿石的大块率较高，取值太小会使爆破时产生较多飞石，为获得最佳的爆破效果，在上述取值范围的基础上确定最小抵抗线分别为 0.7、0.8、1.0m，孔间距分别取 0.8、0.9、1.0m，排距均取 1.0m。根据正交试验法，设计 9 种挤压爆破回采底柱模拟方案，见表 1。2 数值模拟运用 LS-DYNA 软件，采用任意拉格朗日-欧拉算法进行爆破模拟，该算法结合了拉格朗日算法和欧拉算法的优点，适合解决多孔爆破这种大变形问题14。2.1 数值模型挤压爆破数值模型长 240cm，宽 300cm，为了节约计算资源，厚度取 1cm。方案 2 的炮孔布局如图 2 所示，其余方案的炮孔布局与方案 2 相同，但参数不同。模型上、下表面为自由面，其他面设置无反射边界，采用关键字*Boundary-Non-Reflection 定义，旨在减少边界对应力波的反射，使模拟与实际情况接近。该模型单元尺寸为 0.5cm，炸药与空气之间共节点连接，空气半径为炸药半径的 10 倍，共计82800 个单元、1225323 个节点。表 1 挤压爆破回采底柱模拟方案Table 1 Simulation case of bottom pillar by extrusion blastingCaseNo.Minimumburden/mHolespacing/mRowspacing/mCaseNo.Minimumburden/mHolespacing/mRowspacing/m10.70.81.060.81.01.020.70.91.071.00.81.030.71.01.081.00.91.040.80.81.091.01.01.050.80.91.0240 cm15 cm15 cm90 cm90 cm90 cm124ABC68573Non reflecting boundaryMonitoring pointsNon reflecting boundary70 cm70 cm100 cmNon reflecting boundaryNon reflecting boundary300 cmExplosive图2挤压爆破数值模型（方案 2）Fig.2Numericalmodelofextrusionblasting(Case2)第37卷周朝兰等：残矿回采挤压爆破参数优化的数值模拟第3期035301-3 2.2 材料模型及参数 2.2.1 矿体材料模型选用适于双孔或多孔爆破的 Riedel-Hiermaier-Thoma（RHT）模型进行数值模拟15，主要模型参数如表 2 所示，其中：剪切模量由弹性模量和泊松比计算得到，弹性模量、泊松比以及单轴抗压强度均由室内压缩实验获得，D1和 D2为损伤因子。2.2.2 空气材料模型空气采用空物质材料模型描述，该模型没有屈服强度和剪切刚度，关键字为*Mat-Null。采用*EOS-Linear-Polynomial 状态方程表征材料的动力学性质，其线性多项式状态方程为pa=C0+C1a+C22a+C33a+(C4+C5a+C62a)Ee0(1)a=/e01式中：pa为空气压力；a为比体积，其中 和 e0分别为材料的当前密度和初始密度；Ee0为单位体积内能；C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6为空气材料参数。相关参数取值见表 35。2.2.3 炸药材料模型赤峰柴胡栏子矿挤压爆破回收底柱采用 2 号岩石乳化炸药，炮孔直径为 40mm，药卷直径为32mm，采用不耦合装药方式。选取高能炸药材料模型（*Mat-High-Explosive-Burn），结合 Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程模拟炸药爆炸过程中压力与体积的关系，即p=A(1R1V)eR1V+B(1R2V)eR2V+E0V(2)式中：p 为压力，V 为爆轰产物的相对体积，E0为初始比内能，A、B、R1、R2和为 JWL 方程的独立常数。炸药的材料参数见表 410，其中 D 为炸药爆速，pCJ为炸药爆压。3 数值模拟结果分析运用 LS-DYNA 对不同最小抵抗线和孔距的计算模型进行数值求解，分析炮孔爆炸过程中爆炸裂纹扩展与压力演化过程、有效应力和有效塑性应变时程曲线以及矿石损伤程度。3.1 损伤演化分析以方案 2 为例，对爆炸裂纹扩展与压力演化过程进行分析，如图 3 所示。从图 3 中可以看出，当表 2 岩石 RHT 模型的主要参数Table 2 Main parameters of RHT