台阶炮孔爆破爆堆形状计算机模拟数学模型

台阶炮孔爆破爆堆形状计算机模拟数学模型

1爆堆形状预测技术研究进展爆炸波的三维几何结构和大小是反映爆炸效果的重要因素。在爆破设计工作中,如何对爆堆形状进行基本准确和可靠的预测,对于优化爆破设计、控制爆破质量、降低钻孔和爆破作业的成本,都具有重要的意义。随着计算机技术的迅速发展,以计算机爆破模拟为手段的爆破优化技术研究得到了爆破界的普遍关注,但涉及爆堆形状预测的研究还较少。目前国内外爆堆形状预测技术研究中具代表性的研究成果有HARRIES模型、BLASPA模型、SABREX模型。HARRIES模型通过高速摄影测定前排孔的“鼓包”速度,依鼓包运动的初速度按弹道理论计算爆堆范围对爆堆形态进行模拟;BLASPA模型是一种建立在爆炸应力波理论基础上的爆破数学模型,可以对爆堆矿岩膨胀量及其分布进行预测;SA-BREX模型是在采用高速摄影法测定台阶表面质点速度的基础上,找出台阶坡面上不同位置在爆堆形成过程中的初速度与爆堆最终形状的统计关系,对爆堆形态进行预测。这些研究所采用的方法对于同类研究都具有积极的参考价值。鉴于目前的各种爆破理论分析方法尚不能对爆破破碎与抛移的过程与结果给出有效的解析解,本项研究在建模过程中采用理论分析与工程统计相结合的方法,以反映爆堆形状影响因素与爆堆形状参数之间的数量关系。试验应用的结果表明,采用此模型,爆堆隆起高度和前冲距离预测的精度一般可达90%以上,表明该项研究取得了较好的效果,对于优化爆破设计参数具有一定的实际指导意义。2爆炸层设计的影响因素分析2.1可爆性指标选取岩体的可爆性指岩体对爆破破坏作用的抵抗能力。从爆堆形状的角度考虑,岩石在爆破过程中产生的破坏是爆堆隆起与膨胀的一个必要条件。所以,岩体的可爆性是决定爆堆形状的重要因素之一。岩体的可爆性主要取决于岩石的力学性质和地质结构特征。实践和大量的研究结果表明:密度和普氏系数是反映岩石爆破难易程度的2个主要参数。岩石的密度越大,产生破坏和位移所消耗的能量就越多;普氏系数是直接反映岩石强度的一个指标,岩石的可爆性随着其普氏系数值的升高而降低。此外,观察实际爆堆可发现岩石的破碎基本上是沿着裂隙、微裂隙和弱面发生的。因此岩石地质结构特征如节理、裂隙以及层理和断层等,是影响岩体可爆性的另一重要因素。基于以上的考虑,采用了岩石的密度γ、普氏系数f、岩体中节理裂隙平均间距S三项指标作为衡量岩体可爆性的标准。并对某露天铁矿矿岩的这三项指标进行了统计见表1。2.2自由面条件在露天矿台阶炮孔爆破中,炮孔起爆瞬间具有良好的自由面条件,是使抵抗线内矿岩得到良好的破碎、松动和抛移,同时使爆堆得到充分隆起和膨胀的另一重要条件。2.3对爆破能量转化为机械功的影响岩体在爆破作用下产生破坏和位移最终形成爆堆的过程,实质上是炸药能量转化为机械功的一个物理过程。因此,炸药的爆炸性能必然是影响爆堆隆起、抛移状态和最终结果的一个关键因素。一般采用炸药的密度和爆速来衡量炸药的爆炸性能。2.4炮孔起爆顺序与微差时间爆破技术参数主要指孔网参数、孔深、炮孔装药种类与质量、炮孔起爆顺序与微差时间。在上述三因素(即岩体的可爆性、自由面条件以及炸药的爆炸性能)已经确定时,这些参数是决定爆破破碎质量和爆堆最终形状的唯一因素。3爆破参数的决策。在确定爆破条件后,选择合适的爆破参数下进行决策在爆破工艺一定的情况下,爆破设计的过程是一个基于对爆区条件的了解及其对爆破效果的影响的认识和判断的情况下,为获得一定的爆破效果而对所有的爆破参数进行决策的过程。因此,对各种可能影响爆破效果的条件因素进行分类,同时对这些因素与爆破效果之间的关系进行量化分析和表述,是确保设计参数合理性的2个关键,也是所有计算机爆破设计与模拟软件系统所必须具有的2个基本内容。3.1矿岩可爆性分级模型如图2所示,爆堆形状预测模型装药由地质地形数据库、矿岩可爆性分级模型、爆破设计与模拟以及爆破数据库4个部分构成。地质地形数据库按属性以图形和数值数据的形式对矿山现场地质地形状况进行描述,提供有关爆区地质与地形条件的准确信息;矿岩可爆性分级模型的作用是对所确定爆区范围内不同矿岩的爆破难易程度进行定量分析,确定矿岩可爆性指数,从而为爆破参数的选取提供可靠的依据;在完成爆破设计后,即可对爆破作用范围和爆堆三维形态进行模拟预测,并计算出爆堆矿岩的松散系数等;爆破数据库则为处理爆破设计文件而设。3.2矿岩可爆性指数量化确定岩体的可爆性是预测爆堆形状的前提条件之一。基于表1,矿岩可爆性指数ξ可表示为式中,ξ为矿岩可爆性指数;γ为岩石密度(g/cm3);f为岩石普氏系数;S为岩体地质结构面平均间距(cm);A、B为系数;η、β为指数。3.3爆堆形状参数由大量的现场观察发现,在大多数的台阶炮孔爆破条件下,自炮孔至台阶自由面方向上的爆堆剖面线具有Weibull概率分布曲线的基本特征。因此,假如在爆破设计参数、台阶几何参数、量化的岩体可爆性指数和Weibull曲线特征参数之间在数量上存在着一定的对应关系,对爆堆形状进行基本准确地预测就成为可能。基于爆堆矿岩沿其抛掷方向服从Weibull分布的假设,同时采用多元回归分析方法对爆破生产与试验数据进行统计分析,清渣爆破条件下沿岩石抛掷方向爆堆表面轮廓线的基本方程为式中,C为Weibull曲线特性参数k和α的函数;z为自台阶底板水平算起的爆堆高度,m;、b为炮孔直径与炮孔排距,mm;H为台阶设计高度,m;ζ为矿岩松散系数,且式中,E为模型常数;q为炸药单耗,kg/t;ρ为炸药密度,g/cm3;D为炸药爆速,m/s;Lexp为炮孔装药长度与炮孔长度之比;F为排间微差时间Δt的影响系数,且F=f(Δt,b);α1～α6为指数;P1～P3为系数。4爆堆模拟预测模型应用试验爆区之一(如图2所示)。爆区岩石主要包括混合花岗岩和磁铁石英岩。炮孔直径为310mm,台阶高度一般为12m,孔间距见炮孔布置图(图3)中相邻炮孔间的数字,单孔负担面积按岩石种类分别为54m2、72m2和80m2,平均孔深15.5m。炮孔采用连续耦合装药,孔口填塞长度在5.8～7.2m之间。部分炮孔使用露天乳化炸药,其余炮孔使用多孔粒状铵油炸药,炸药单耗0.254kg/t。爆堆模拟预测结果见图4和图5。预测爆堆松散系数为1.28。由图5可知,采用该模型,在该次爆破条件下对爆堆形状的预测基本准确。5建立数学模型研究基于沿岩石抛掷方向爆堆剖面轮廓线具有Weibull分布函数曲线特征的假设,并综合考虑炸药爆炸性能与爆破设计参数、岩石(体)性质以及台阶自由面条件等因素的影响,采用理论分析和工程统计检验