爆破设计软件在爆破参数分析中的应用

爆破设计软件在爆破参数分析中的应用

影响楼梯压缩的效果的主要因素有三个。一是爆炸区矿岩的爆炸性，即矿岩爆炸的难度，二是爆炸区的地形（主要指爆炸区的自由面条件），三是人工确定的开孔、布置和包装等爆炸设计参数。歪头山铁矿原来的爆破设计工作依靠爆破设计人员的个人经验,难以实现对这些因素的综合量化分析,爆破参数(特别是孔位和药量)的合理性往往不能得到保证,爆破效果不符合要求的情况时有发生。为克服依赖个人经验的全人工爆破设计方法存在的上述缺陷,使工程爆破设计更为科学、可靠、高效,工程爆破计算机设计与模拟技术研究已经成为爆破研究领域里的一个主要趋势和方向。30余年来国内外已先后出现了BLASPA、SABREX、KUZ-RAM、HARRIES、BMMC等一系列比较成功的爆破模型和软件。这些爆破软件系统的研究方法、基本功能以及应用效果虽然各有不同,但都已经在矿山的爆破实践中发挥了一定的积极作用。自2005年以来,歪头山铁矿应用BLAST-CODE爆破设计软件进行爆破设计,基本取代了原来的全人工的爆破设计方法,为改善爆破效果和降低采矿生产成本,起到了显著的积极作用。1爆破设计计算机建立BLAST-CODE是采用爆破漏斗理论分析和爆破工程多元非线性回归分析相结合的方法建立起来的一种爆破设计软件,其模型的主要特点是综合考虑爆区地形及台阶自由面条件、矿岩物理力学性质与地质结构构造特征、炸药爆炸性能诸因素对爆破效果的影响,并据此进行台阶炮孔爆破的计算机自动/人机交互设计。软件模型由矿山地质地形图形数据库、台阶炮孔爆破计算机自动/人机交互设计、爆破效果综合模拟预测3个子系统构成(图1)。地质地形图形数据库以数字图形形式反映矿山采场的地质地形条件,构成爆破设计的数据处理平台;爆区矿岩可爆性分级和爆区自由面条件自动识别为爆破参数的计算机设计选取提供了具体依据;爆破效果模拟预测则为预测爆破破碎效果和爆堆形态,进而修改和优化爆破设计参数,提供了一种途径。爆破设计文件包括由计算机自动生成的爆破指令书、炮孔布置图、爆破参数计算表。爆破指令书包括爆区地点、炮孔个数、炸药种类与质量、起爆器材明细,以及预计爆破量(含分类矿岩量)。爆破参数计算表给出炮孔的序号、深度、装药种类与质量、地表和孔内起爆雷管段别以及炸药单耗和延米爆破量等技术经济指标,并可给出对爆破破碎质量和爆堆尺寸的预测结果数据。2爆破作用下产生破坏的难点矿岩可爆性分级是爆破参数选取的主要依据。可爆性是指矿岩在爆破作用下产生破坏的难易程度。确定影响矿岩可爆性的因素,并在此基础上找出对岩体的可爆性进行分级评估的科学方法,可为合理选择爆破技术参数提供有效和可行的参考依据。2.1可爆性聚类分析确定在目前国内外爆破实践中,一般采用岩石密度(或容重)和某些静载力学特性参数(如岩石的静载抗压强度)作为衡量岩石可爆性能的指标。其基本指导思想是:岩石的密度和强度越高,爆破所需要的炸药能量就越多。这类方法中应用最为普遍的是按岩石坚固性的普氏分级法。基于爆炸应力波破坏理论,也有不少研究者用岩石或岩体的声波速度或波阻抗(即岩石密度与纵波波速的乘积)描述岩石或岩体的可爆性。这类方法认为,岩石的可爆性随波速或波阻抗值的增高而下降。实践中台阶炮孔爆破的对象是岩体。采场岩(矿)体一般由多种岩石构成,而不同岩石的物理力学性质往往都存在着显著差别,故岩体是一种非均质固态介质。此外,由于地质构造运动的原因,岩体中不同程度的含有节理、层理、裂隙以及断层等地质不连续面。岩体的这种不连续特性对于爆破的作用过程及结果也都具有不可忽略的影响。但是,由于问题的复杂性,究竟岩石的哪些属性在何种程度上反映了它的可爆性能,以及用何种方法才能正确地反映岩石的属性与其可爆性之间的关系,迄今还缺乏一个公认的标准。根据岩体可爆性指标相关性分析的结果,采用岩石的容重、抗拉强度、冲击动载抗压强度以及岩体完整性系数作为衡量可爆性的指标,得出了岩体可爆性分级判据指标(表1)。在此基础上,采用聚类分析方法对歪头山铁矿各类矿岩的这4个指标进行聚类分析计算,确定了各类矿岩的可爆性可爆性分级(表2)。在表1中,岩体的完整性系数η定义为η=√CmassCrock‚(1)其中,Cmass和Crock分别为纵波在岩石和岩体中的传播速度。2.2多岩工质岩型岩歪头山铁矿地质条件较为复杂,主要有14种矿岩(表2)。根据上述,并采用聚类分析方法对岩石和岩体的相关物理力学特性参数测试的结果进行分析,歪头山铁矿矿岩可爆性分级的结果如表2。3选择中断参数的基本原则和方法爆破参数主要包括孔位与孔深设计、炮孔药量计算、起爆网络设计3个方面。3.1台阶底部抵抗线计算采用计算机进行炮孔孔位的自动设计,是由计算机代替人对炸药威力、炮孔直径和现场地质与地形等各种相关因素进行确认、计算与分析,最终确定爆区内各个炮孔的合理位置。在清渣爆破条件下,确定前排孔孔边距(即炮孔到台阶坡顶线的距离)的原则有两个,一是根据岩体可爆性和炮孔直径初步确定其大小,然后根据台阶坡面角计算台阶底部抵抗线的大小,按底部抵抗线调整并确定孔边距,确保炮孔既能最大限度地克服台阶底部抵抗线,同时使炮孔和炸药得到尽可能充分和有效的利用;二是它至少能够保证钻机安全作业的要求。孔间距的大小取决于两相邻炮孔之间岩体的可爆性指数和炸药威力的大小。如果两炮孔各自所在位置的岩体可爆性不同,则采用距离加权平均的方法计算孔距,即a=d1+(a1-d1)⋅a2a1,(2)式中,a为设计孔距;d1为炮孔1至两孔之间分类岩体分界线的距离;a1、a2分别按炮孔1和炮孔2所在位置岩体的可爆性确定的孔距。对给定的炮孔邻近系数m,有ai=√Si⋅m‚(3)式中,S为按炮孔i所在位置岩体可爆性指数计算的单孔负担面积(即炮孔爆破有效作用范围的水平面面积),且Si=Κs⋅Ρpower⋅ϕξrm.(4)排距b按炮孔邻近系数m或炮孔负担面积S与设计孔距a计算,即b=am‚(5)或b=Sa.(6)3.2爆破孔口实际标高的确定算法根据定义,炮孔深度应是孔口标高和台阶下水平(底板)设计标高之差与合理超深值的和。由此可见,如何确定孔口标高,对于炮孔设计深度的合理性具有重要的影响。爆破生产实践表明,爆区地形起伏越大,这种影响就越明显,从而会对爆破效果及爆破生产的技术经济指标带来十分不利的影响。因此,当炮孔合理超深值已知时,孔深设计是否合理,将主要取决于能否准确地确定孔口实际标高并将之应用于孔深的设计计算。在爆破设计过程中,计算机自动对孔口标高进行计算的原理是:爆区内实测点距炮孔越近,孔口标高与该实测点标高的差异就越小。因此,应用距离倒数加权法可以基本准确地判断出孔口位置的标高。具体算法与步骤如下:(1)从地质地形数据库中提取爆区内已有实测点i的三维坐标(xi,yi,zi);(2)在一定距离范围内,求炮孔中心点P(x,y)到爆区各实测点的距离di;(3)按距离权系数计算孔口标高:z=∑(zi/d2i)/∑(1/d2i).(7)如范围内实测点个数为零,则视孔口标高z与台阶上水平设计标高相等。3.3计算炮孔负担范围下岩体质量m炮孔装药量Q的设计计算原则是:首先根据炮孔抵抗线范围内岩体的可爆性指数ξrm和炸药爆炸威力指数Ppower确定炸药单耗q,然后根据炮孔负担范围内岩体质量Mr计算Q,即q=C⋅ξrmΡpower‚(8)Q=q⋅Μr‚(9)Μr=S⋅ˉΗ⋅ˉγ‚(10)式中,C为系数;S为炮孔负担范围(爆破漏斗)水平面面积,m2;ˉΗ为炮孔负担范围内的平均段高,m;ˉγ为炮孔负担范围内岩体平均容重,g/cm3。炮孔起爆药包位置可由人工选择指定,但从有效利用炸药能量和改善爆破效果考虑,一般推荐采用底部起爆。3.4人工指定出爆点及微差时间爆区起爆网络设计的内容包括孔内雷管段别与个数、地表起爆网络形式以及地表延期雷管的段别和个数。使各炮孔在起爆瞬间具有良好的自由面条件,是起爆网络设计的一个重要原则。在人工指定期望的岩体抛移方向后,即可以计算机自动/人机交互方式进行炮孔起爆顺序与微差时间的设计。基本步骤是:(1)指定起爆点(首先起爆的炮孔),该炮孔必须是前排孔;(2)前排孔起爆网络设计;(3)设计爆区其它部分炮孔的起爆网络;(4)如有必要,修改设计结果。4爆破参数预测应用BLAST-CODE软件对主采场116～128m水平一爆区进行爆破设计,爆区岩石种类包括混合岩(Mr)和磁铁矿(Fe2PL)2种。钻机钻孔直径为310mm。根据软件的可爆性分级计算,上述2种岩石分别属第IV级和第V级岩石。爆区共布置炮孔48个,炮孔装药全部为乳化炸药,炮孔装药量700～840kg,总药量39.62t,炸药单耗0.331kg/t,预计爆破量为141639t,其中混合岩64035t,矿石77604t。前排孔孔间地表延时为42ms,其它孔孔间地表延时65ms,孔内延时均为400ms。应用BLAST-CODE软件预测最大前冲距离40.97m,最大后(侧)冲5.2m,爆堆隆起最大高度3.48m,与实测结果相比,误差均不大于5%;预测爆堆矿岩平均块度为14.6cm,爆堆松散系数为1.31,但由于实测难度较大,未能确定这2个参数的准确性;实际爆堆矿岩的破碎质量较好,块度均匀,电铲挖掘作业正常,没有出现留根底现象。5爆破质量评价(1)BLAST-CODE软件以采场地质地形数据库为数据处理技术平台,使得爆破设计的计算机化成为可能。(