露天矿地下采空区爆破崩落法治理效果的数值模拟研究

爆破崩落法是治理露天矿地下采空区的主要手段,数值模拟是研究爆破崩落效果的有效工具。基于连续-非连续数值模拟方法(CDEM),利用朗道点火爆炸模型实现了炸药起爆过程的描述,利用考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb模型及最大拉应力模型实现了围岩损伤破裂过程的模拟。以弓长岭铁矿何家采场采空区为研究对象,重点探讨了炮孔间排距、起爆延时等对该采空区上覆岩层损伤破裂程度、空区填充程度及空区内大块率的影响规律。计算结果表明:炮孔间排距对爆破效果的影响较大,随着间排距的增大,塌落至空区的大块率逐渐增大,且塌落范围逐渐减小。当间排距为17 m时,仅空区顶板附近出现局部塌落,地表岩层依然处于稳定状态。起爆延时对爆破效果的影响较小,当起爆延时大于42 ms以后,塌落至空区的岩体块度分布基本一致,仅大块率有所区别。为了确保爆破崩落法的治理效果,建议炮孔的间排距不大于7m,炮孔排间延时不小于42 ms。     

牙轮钻工作参数与岩体强度对应关系的理论分析与实验研究

以露天矿开采为背景,基于牙轮钻单齿冲击压入破岩的机理,借助理论分析及现场实验,建立了牙轮钻的工作参数(进尺速度、钻杆轴压、转速)与岩体强度(黏聚力、内摩擦角)的对应关系。理论分析时,基于布西内斯科问题弹性力学解和Drucker-Prager塑性准则,给出了单齿压入破碎区域的几何形态,建立了单齿破岩体积与钻杆轴压、黏聚力、内摩擦角间的函数关系;并根据钻杆旋转一周单齿破岩体积的累积量和宏观破岩体积相等,建立了进尺速度、转速与单齿破岩体积的对应关系。理论分析的结果表明,单齿作用下,破碎区域基本呈椭球形,并在压入点附近的表层出现薄层破碎;进尺速度与转速呈线性关系,进尺速度与钻杆轴压呈3/2次方的关系,进尺速度与黏聚力呈-3/2次方的关系,内摩擦角对进尺速度的影响可以忽略。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻钻进规律的现场实验,研究了进尺速度与钻杆轴压、转速、黏聚力间的对应关系,得到了与理论分析一致的结果。研究成果可以为牙轮钻工作参数的优化设计及岩体强度的动态测试提供依据。     

节理特性对应力波传播及爆破效果的影响规律研究

建立节理岩体一维分析模型并进行量纲分析,探讨节理特性对应力波传播规律的影响。单节理时,应力波通过节理后出现了明显的延时和振幅衰减,但主频无明显变化;多节理时,随着节理间距及节理数量的增加,透射应力波幅值均有所降低,且节理岩体等效波速随着节理数量的增加而线性减小。采用连续–非连续单元方法(CDEM),探讨节理强度、节理刚度、节理刚度/强度、节理间距、节理倾角等参数对爆破效果的影响规律,并通过平均破碎尺寸、极限破碎尺寸、大块率、系统破裂度及等效损伤因子等指标进行综合评价。计算结果表明:爆破效果随着节理强度(刚度)的降低而逐渐变差,当节理的强度(刚度)达到岩块强度的1/1 000后,更低的节理强度(刚度)对爆破效果的影响不大;当节理强度和刚度取为岩块的1/1 000时,节理间距越密集,爆破效果越差,但节理倾角对爆破效果的影响不大。节理岩体中爆破时,爆破能量被圈闭在炮孔与附近的节理面之间,导致炮孔附近区域过于破碎,而远离炮孔的区域破碎较少;因此,爆区内节理的发育程度与爆破效果之间存在负相关关系。     

利用锤击试验及数值反演获取岩体平行结构面接触刚度的可行性研究

针对相对均匀的平行结构面,基于结构面的线性接触假设,提出了一种利用锤击试验及数值反演获得结构面接触刚度的方法。该方法实施时,在结构面两侧分别布设若干支振动传感器,在远处利用激震锤进行激震,通过结构面两侧垂直于结构面方向和平行于结构面方向振动传感器的起跳时间,计算出纵波和横波通过结构面的耗时,而后利用数值计算进行反分析,通过不断调整结构面的法向和切向接触刚度,实现与现场实测相同的耗时,从而获得该结构面的法向和切向接触刚度特性。对该测试方法的可行性进行了理论、数值方面的论证,结果表明纵波过缝耗时仅受法向接触刚度控制,横波过缝耗时仅受切向接触刚度控制,并存在一一对应的关系。而后,通过对花岗岩岩块的试验及数值分析,证明了通过锤击试验快速测试岩体结构面接触刚度的方法是可行的,且具有较好的稳定性。     

露天金属矿采选联合优化的研究进展

对采选联合优化的科学内涵及发展历程进行了论述,指出采选联合优化的理念是将采矿与选矿进行综合考虑,达到总成本最优。阐述了计算机模拟分析技术在采选联合优化中所发挥的关键作用,并分项论述了各类模拟分析技术的用途及特点。总结了爆破参数对下游破磨效率的影响规律,发现炸药单耗起着决定性的作用,而台阶高度、炸药爆速等也对机械破磨效率存在一定的影响。展望了采选联合优化的发展趋势,指出了物联网技术及海量数据深度分析技术将在未来采选联合优化设计中发挥重要作用。     

露天矿边坡安全管理SEA模式及其应用研究

提出了工程科学研究者（S）、现场工程师（E）及矿山管理者（A）相互结合,借助信息技术共同进行露天矿边坡安全管理的新模式。工程科学研究者主要负责矿区边坡灾害隐患点的排查、监测方案的制定、边坡稳定性的评价及边坡工程治理方案的确定,现场工程师负责矿区边坡的安全巡视、爆破震害的观测、边坡监测仪器的布设及各类现场数据的汇总,矿山管理人员负责组织协调、监督决策及应急抢险工作。基于SEA管理模式,形成了“监测为主、概率分级、状态跟踪、条件预测及成灾模拟”的露天边坡安全防治新理念,并详细阐述了上述理念的科学内涵。在鞍千矿进行了SEA模式的初步尝试,通过现场工程师、科研人员及矿山管理人员的密切配合及无间合作,提升了鞍千矿在边坡安全管理、灾害预测预警及科学防护方面的能力。     

爆破开采诱发周边岩体损伤破裂的数值模拟研究

基于连续-非连续单元方法（CDEM）中的朗道点火爆炸模型及拉剪复合应变软化模型,探讨了爆破开采与炮孔周边岩体损伤破裂程度的对应关系。通过量纲分析,确定了爆破诱发岩体损伤破裂的主要影响因素;通过应变软化的Mohr-Coulomb模型及最大拉应力模型,详细探讨了不同黏聚力及抗拉强度下,炮孔周边岩体的损伤因子随爆破距离的变化规律。数值计算结果表明：炮孔附近以压剪破坏为主,岩体处于完全损伤状态,出现具有一定半径的密集破碎带;在远离炮孔的区域,以张拉破坏为主,出现若干条贯通性的张拉裂缝;损伤因子随爆破距离的增加呈指数型衰减,并拟合获得了损伤因子与无量纲爆破距离、无量纲黏聚力及无量纲抗拉强度间的函数关系;强损伤区（损伤因子大于0.9的区域）的临界半径一般在2.5~5.5 m,仅受黏聚力控制;弱损伤区（损伤因子小于0.1的区域）的临界半径一般大于8 m,受黏聚力及抗拉强度的联合控制。     

炸药单耗对赤铁矿爆破块度的影响规律数值模拟研究

通过在连续-非连续单元方法(CDEM)中引入朗道点火爆炸模型及岩体塑性-损伤-断裂模型,实现了赤铁矿爆破破碎过程的模拟。提出了5个评价爆破后块度分布特征的指标,分别为平均破碎尺寸(d50)、极限破碎尺寸(d90)、块体不均匀系数(d90/d50)、系统破裂度(Fr)及大块率(Br)。基于CDEM方法及上述5个评价指标,分析了改变炮孔直径、改变间排距等两种改变炸药单耗的方式对赤铁矿爆破块度的影响规律。数值计算结果表明:随着炸药单耗的增大,赤铁矿的破碎尺寸逐渐减小;相同炸药单耗情况下,改变炮孔直径的破碎效果略优于改变间排距的破碎效果。在双对数坐标下,随着炸药单耗的增大,平均破碎尺寸(d50)及极限破碎尺寸(d90)均线性减小;采用衰减型幂函数进行了拟合,给出了平均破碎尺寸(d50)及极限破碎尺寸(d90)与炸药单耗间的函数关系。随着炸药单耗的增加,块体不均匀系数(d90/d50)及系统破裂度(Fr)均逐渐增大,而大块率(Br)则迅速减小。当炸药单耗大于0.25 kg/t时,大块率(Br)已经小于0.5%;当炸药单耗超过0.6 kg/t时,大块率(Br)为0.0%。     

炮孔密集系数对破碎效果的影响

对逐孔起爆和排间顺序起爆2种方式下,炮孔密集系数对爆破块度和块内损伤度的影响进行了数值模拟。计算中炮孔密集系数从1.00逐渐增大变化至1.92,块度以平均破碎尺寸d50、极限破碎尺寸d90和大块率Br为评价指标,块内损伤度以系统破裂度Fr为评价指标。数值计算表明,当采用逐孔起爆时,由于每孔只有2个自由面,炮孔密集系数的变化影响不明显;当采用排间顺序起爆时,密集系数较大时,爆区内岩体的破碎较为均匀,随着密集系数的减小,由各炮孔包围的矩形区域中部出现大块分布,且密集系数越小,大块分布越明显。所以,在采用排间顺序起爆时,适当增大孔间距及缩小孔排距可以明显改善爆破效果。