CN114676604A - 一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其包括以下步骤：试验地点选择：试验地点为大红山铜矿，掏槽孔和中空孔孔径的选择：中空孔直径需要大于掏槽孔直径，掏槽孔和中空孔孔距的选择：掏槽孔分为首爆孔、第二段起爆孔和第三段起爆孔，首爆孔和中空孔之间的距离受到补偿空间、炸药破碎范围和装药孔偏斜三方面的影响，中空孔模型设计：中空孔位于模型正中心，方案设计和模拟，将通过理论分析与数值模拟得到的掏槽爆破布孔方案运用于现场实践中，最终得到的掏槽槽腔截面面积、宽度与高度和模拟结果的误差均在6％以内，说明通过理论计算与数值模拟结合以确定爆破布孔参数是可行的。
Description
技术领域
本发明涉及巷道掘进爆破领域，尤其涉及基于数值模拟技术，确定掏槽孔及中空孔位置以提高爆破效果的方法。
背景技术
爆破是利用炸药在空气、水、土石介质或物体中爆炸所产生的压缩、松动、破坏、抛掷及杀伤作用，达到预期目的的一门技术，药包或装药在土石介质或结构物中爆炸时，使土石介质或结构物产生压缩、变形、破坏、松散和抛掷的现象，主要用于土石方工程，以及建(构)筑物的拆除等。研究的范围包括：炸药、起爆器材的性质和使用方法，装药(药包)在各种介质中的爆炸作用，装药对目标的接触爆破和非接触爆破，各类爆破作业的组织与实施，而爆破的方式也有多种，其中一种就是巷道掘进爆破。
然而掏槽爆破是巷道掘进爆破的关键，掏槽孔爆出新的自由面，为其他炮孔创造更有利的爆破条件，巷道掘进爆破效果主要取决于掏槽爆破的效果，由于掘进时只有掘进面一个自由面，四周岩石具有极大的夹制性，爆破条件困难，通过在掏槽区域布置大直径中空孔，为掏槽爆破创造更加有利的条件，掏槽爆破的中空孔不仅为槽腔岩石碎胀提供了初始补偿空间，更重要的是改变了空孔附近岩石中的应力分布及邻近槽孔的爆破作用，这种现象称为掏槽爆破的空孔效应，空孔效应对直眼掏槽岩石的破碎、抛掷以及槽腔的形成具有重要的促进作用，然而现有的掏槽孔及中空孔布置方式仍未达到最理想的爆破效果。
发明内容
(一)发明目的
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，以实现通过掏槽孔及中空孔的合理布置方式来提高巷道爆破效果。
(二)技术方案
为达到上述技术目的，本发明提供了一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法：
其包括以下步骤：
S1、试验地点选择:试验地点为大红山铜矿，所述大红山铜矿的矿岩主要为大理岩，所述数值模拟参数与大理岩的岩石力学参数一致。
S2、掏槽孔和中空孔孔径的选择：掏槽孔孔径为50mm，所述掏槽孔为用于装放炸药的装药孔，所述中空孔直径需要大于掏槽孔直径，且中空孔直径与掏槽孔直径比值需要大于1.7。
S3、掏槽孔和中空孔孔距的选择：所述掏槽孔分为首爆孔、第二段起爆孔和第三段起爆孔，所述首爆孔和中空孔之间的距离受到补偿空间、炸药破碎范围和装药孔偏斜三方面的影响，所述首爆孔爆破形成槽腔，所述槽腔为后爆孔穿凿出自由面，所述自由面宽度由首爆孔爆破后的爆破漏斗确定。
S4、中空孔模型设计：运用ANSYS/LSDYNA建立有限元二维模型，所述模型的尺寸为4000mm×4000mm，边界定义为无反射边界，装药孔直径为50mm，装药方式为耦合装药，中空孔位于模型正中心。
S5、方案设计和模拟：
方案一：设置中空孔直径，再沿模型横向分别设置装药孔中心距中空孔中心距离20cm，选取中空孔直径分别为70mm、75mm、80mm、90mm、100mm与 125mm，两装药孔同时起爆。
方案二：设置首爆孔与中空孔间距，根据方案一确定的中空孔孔径，以首爆孔与中空孔水平布置，设置间距分别为：20cm、25cm、30cm，两炮孔设置同时起爆。
模拟一：设置第二段起爆孔距中空孔间距为41cm，选取不同的孔间距进行模拟，距离中空孔的孔间距分别设置为：35cm、40cm、45cm，模型沿横向布置首爆孔与中空孔，首爆孔与中空孔间距取方案二结果，沿纵向布置第二段起爆孔，两个首爆孔先同时起爆，待无岩石单元失效后两个第二段起爆孔再起爆。
模拟二：设置确定第三段起爆孔距中空孔间距为59.1cm，将第三段起爆孔与中空孔的水平方向、垂直方向间距分别设置有为40cm、40cm，45cm、45cm， 50cm、50cm三种方案，四个第三段起爆孔在第一段与第二段起爆孔起爆后，且无岩石单元继续失效之后同时起爆。
优选的S2中，掏槽孔和中空孔孔径的选择满足以下公式：
其中：D为中空孔直径；d为装药孔直径，α为岩石爆破破碎角，D≥85mm，采用垂直掏槽时，要求α>30°。
需要说明的是，当中空孔直径大于装药孔直径，且满足式(1)时，不仅能使中空孔与装药孔之间岩石破碎，而且能形成破碎漏斗。
优选的S3中，所述补偿空间满足矿岩碎胀后所需要的体积，装药孔与中空孔的距离应满足如下关系式：
其中：L为中空孔与装药孔的距离；K为岩石的碎胀系数，系数K＝1.5，将参数带入公式，计算得到L<327mm。
优选的S3中，所述炸药破碎范围包括炸药爆炸后形成的粉碎圈和裂隙圈，所述装药孔的间距大于粉碎圈半径且小于裂隙圈的半径，结合公式(2)的计算，可得：123.5mm<L<388.6mm。
优选的S3中，所述装药孔偏斜是为了防止装药孔之间的贯通，需要满足：
其中：H为装药孔深度，a为装药孔偏斜角度，装药孔偏斜角度控制在1°以内，结合公式(3)的计算，可得：L>189mm。
优选的补偿空间、炸药破碎范围和装药孔偏斜三方面计算的L取交集，计算的：189mm<L<327mm。
值得一提的是，当装药孔与中空孔的距离小于粉碎圈半径时，可能会因岩石破碎过度使槽腔“挤死”或是破坏相邻装药孔中的装药结构，导致拒爆现象的发生。而当装药孔与中空孔的距离大于裂隙圈半径时，则可能会导致岩石破碎不充分，无法形成完整的爆腔。
所述第二段起爆孔和第三段起爆孔的最小抵抗线需要满足以下公式：
其中：c＝1.7，B0＝0.8，B取首爆孔距空孔孔间距，W表示装药的最小抵抗线，解得W＝414mm。
优选的S5中，所述模拟一和模拟二中的第二段起爆孔和第三段起爆孔的位置均通过公式(4)计算所得。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下有益效果：
将通过理论分析与数值模拟得到的掏槽爆破布孔方案运用于现场实践中，最终得到的掏槽槽腔截面面积、宽度与高度和模拟结果的误差均在6％以内，说明通过理论计算与数值模拟结合以确定爆破布孔参数是可行的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的方案一中装药孔布置图。
图2为本发明提供的不同中空孔直径时中空孔壁压力时程曲线示意图。
图3为本发明提供的中空孔直径与峰值拉应力拟合曲线示意图。
图4为本发明提供的不同首爆孔间距下岩石破坏范围示意图。
图5为本发明提供的不同首爆孔与中空孔距离下岩石破坏范围示意图。
图6为本发明提供的第三段起爆孔与中空孔距离下岩石破坏范围示意图。
图7为本发明提供的爆破效果及其对比示意图。
图8为本发明提供的单一中空孔垂直掏槽布置位置示意图。
具体实施方式
下文的描述本质上仅是示例性的而并非意图限制本公开、应用及用途。应当理解，在所有这些附图中，相同或相似的附图标记指示相同的或相似的零件及特征。各个附图仅示意性地表示了本公开的实施方式的构思和原理，并不一定示出了本公开各个实施方式的具体尺寸及其比例。在特定的附图中的特定部分可能采用夸张的方式来图示本公开的实施方式的相关细节或结构。
参照图1-8：
实施例一
一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，包括以下步骤：
S1、试验地点选择:试验地点为大红山铜矿,大红山铜矿的矿岩主要为大理岩，大理岩的岩石力学参数与数值模拟使用岩石参数接近。
S2、掏槽孔和中空孔孔径的选择：掏槽孔孔径为50mm，掏槽孔为用于装放炸药的装药孔，中空孔直径需要大于掏槽孔直径，且中空孔直径与掏槽孔直径比值需要大于1.7。
S3、掏槽孔和中空孔孔距的选择：掏槽孔分为首爆孔、第二段起爆孔和第三段起爆孔，首爆孔和中空孔之间的距离受到补偿空间、炸药破碎范围和装药孔偏斜三方面的影响，首爆孔爆破形成槽腔，槽腔为后爆孔穿凿出自由面，自由面宽度由首爆孔爆破后的爆破漏斗确定。
S4、中空孔模型设计：运用ANSYS/LSDYNA建立有限元二维模型，模型的尺寸为4000mm×4000mm，边缘定义为无反射边界，装药孔直径为50mm，装药方式为耦合装药，中空孔位于模型正中心。
S5、方案设计和模拟：
方案一：设置中空孔直径，再沿模型横向分别设置装药孔中心距中空孔中心距离20cm，选取中空孔直径分别为70mm、75mm、80mm、90mm、100mm与 125mm，两装药孔同时起爆。装药孔位置如图1(a)所示。
方案二：设置首爆孔与中空孔间距，根据方案一确定的中空孔孔径，以首爆孔与中空孔水平布置，设置间距分别为：20cm、25cm、30cm，两炮孔设置同时起爆。装药孔位置如图1(b)所示
模拟一：设置第二段起爆孔距中空孔间距为41cm，选取不同的孔间距进行模拟，距离中空孔的孔间距分别设置为：35cm、40cm、45cm，模型沿横向布置首爆孔与中空孔，首爆孔与中空孔间距取方案二结果，沿纵向布置第二段起爆孔，两个首爆孔先同时起爆，待无岩石单元失效后两个第二段起爆孔再起爆。装药孔位置如图1(c)所示。
模拟二：设置确定第三段起爆孔距中空孔间距为59.1cm，将第三段起爆孔与中空孔的水平方向、垂直方向间距分别设置有为40cm、40cm，45cm、45cm， 50cm、50cm三种方案，四个第三段起爆孔在第一段与第二段起爆孔起爆后，且无岩石单元继续失效之后同时起爆。装药孔位置如图1(d)所示。
其中，炸药为1号岩石乳化炸药，选用模型 *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，状态方程通过关键字*EOS_JWL进行定义，用于描述爆炸过程中产物的体积、压力以及能量特性，炸药材料及状态方程参数见下表：
另外，根据大红山铜矿现有资料可以得到大理岩材料模型各项参数如下表：
按照方案一模拟不同中空孔直径得到以下不同空孔壁压力时程曲线：见图 2。另外方案一中保持首爆孔直径为50mm与孔间距20cm的值不变，仅改变中空孔直径时，研究中空孔直径对爆破效果的影响。由图2可以得到中空孔壁岩石单元受到的峰值拉应力如下表所示：
对中空孔半径与中空孔壁受到拉应力峰值进行拟合，拟合曲线如图3所示，拟合方程为y＝35.03097+2.58924x-0.00788x2，R2为0.95561，拟合度很高。
由图3说明中空孔壁处岩石单元受到的拉应力随空孔直径的增大而增大，空孔直径越大其附近岩石越容易受拉破坏，有助于槽腔的形成。但是随着空孔直径的增加，空孔壁峰值拉应力的增量会下降，所以需要从凿岩成本考虑确定合适的空孔大小。考虑大红山铜矿现有凿岩设备与凿岩成本，选取空孔直径为100mm。
根据方案二，对于不同首爆孔与中空孔的距离，模拟后岩石破坏范围如图4 所示，可以看出：首爆孔与中空孔间距30cm时，首爆孔起爆后形成的岩石破碎区域宽度和岩石破碎区域面积最大，因此选取首爆孔与中空孔的距离为30cm。
根据模拟一，两个首爆孔起爆后，25ms后第二段起爆孔起爆，模拟后岩石破坏范围如图5所示，可以看出当第二段起爆孔距空孔距离为40cm时，爆破后形成的岩石破碎区域宽88.7cm，高118.1cm，岩石破碎区域截面积为0.6728m2，形成的岩石破碎区域截面积最大。
根据模拟二，首先两个首爆孔起爆后，然后25ms后第二段起爆孔起爆，最后25ms后第三段起爆孔起爆，模拟后岩石破坏范围如图6所示，当第三段起爆孔距中空孔由水平距离40cm垂直距离40cm变为水平距离45cm垂直距离45cm 时，第三段起爆孔周围岩石单元在起爆前受到的压应力峰值下降了62.8％，岩石破碎区域面积增大了16.8％。当第三段起爆孔距中空孔由水平距离45cm垂直距离45cm变为水平距离50cm垂直距离50cm时，第三段起爆孔周围岩石单元在起爆前受到的压应力峰值下降30.1％，但是形成的岩石破碎区域不佳。
实施例二
一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其在实施例一的基础上，S2中，掏槽孔和中空孔孔径的选择满足以下公式：
其中：D为中空孔直径；d为装药孔直径，α为岩石爆破破碎角，D≥85mm，采用垂直掏槽时，要求α>30°。
需要说明的是，当中空孔直径大于装药孔直径，且满足式(1)时，不仅能使中空孔与装药孔之间岩石破碎，而且能形成破碎漏斗。
S2中，选用大直径的中空孔作为自由面，且中空孔在自由面内平行于装药孔能够形成足够的补偿空间。
S3中，补偿空间满足矿岩碎胀后所需要的体积，装药孔与中空孔的距离应满足如下关系式：
其中：L为中空孔与装药孔的距离；K为岩石的碎胀系数，系数K＝1.5，将参数带入公式，计算得到L<327mm。
S3中，炸药破碎范围包括炸药爆炸后形成的粉碎圈和裂隙圈，装药孔的间距大于粉碎圈半径且小于裂隙圈的半径，结合公式(2)的计算，可得： 123.5mm<L<388.6mm。
值得一提的是，当装药孔与中空孔的距离小于粉碎圈半径时，可能会因岩石破碎过度使槽腔“挤死”或是破坏相邻装药孔中的装药结构，导致拒爆现象的发生。而当装药孔与中空孔的距离大于裂隙圈半径时，则可能会导致岩石破碎不充分，无法形成完整的爆腔。
S3中，装药孔偏斜是为了防止装药孔之间的贯通，需要满足：
其中：H为装药孔深度，a为装药孔偏斜角度，装药孔偏斜角度控制在1°以内，结合公式(3)的计算，可得：L>189mm。
补偿空间、炸药破碎范围和装药孔偏斜三方面计算的L取交集，计算的： 189mm<L<327mm。
第二段起爆孔和第三段起爆孔的最小抵抗线需要满足以下公式：
其中：c＝1.7，B0＝0.8，B取首爆孔距空孔孔间距，W表示装药的最小抵抗线，解得W＝414mm。
S5中，模拟一和模拟二中的第二段起爆孔和第三段起爆孔的位置均通过公式(4)计算所得。
试验验证：本次试验装药孔直径为50mm，中空孔直径为100mm，炮孔深度为3.2m。此次爆破试验断面尺寸为3.5m宽，3.3m高。掏槽区域位于断面中间，最下一排掏槽孔距离断面底部1.1m，位置如图7(b)所示。使用炸药为1号岩石乳化炸药，根据现场实际情况，装药系数为0.8，采用耦合装药形式，所有炮孔均使用炮泥进行填塞，炮泥长度为0.2倍炮孔长度。本次试验验证单中空孔掏槽方案需要3个段别的25ms等间隔延期雷管，跳段使用雷管使炮孔分多段起爆。两个第一起爆孔使用2段雷管起爆，两个第二段起爆孔使用4段雷管起爆，四个第三起爆孔使用6段雷管起爆，所有25ms等间隔延期雷管由一发磁电雷管统一起爆。
爆破后形成槽腔如图7(a)所示，测量统计槽腔截面宽度与高度，利用CAD 对爆腔轮廓按照1:1绘制槽腔截面轮廓，如图7(b)所示，并计算槽腔面积，并与模拟结果相对比，如图7(c)所示，爆破数据统计如下表。
单一大直径中空孔垂直掏槽方案现场试验槽腔截面积与模拟结果的槽腔面积相差5.3％，现场试验槽腔宽度与模拟结果槽腔宽度相差3.3％，现场试验槽腔高度与模拟结果槽腔高度相差3.5％；可以看到现场试验得到槽腔数据与数值模拟结果相比，相差均在6％以内。单一中空孔垂直掏槽布置位置见图8。
试验结论：
(1)对中空孔半径与空孔壁受到拉应力峰值进行拟合，拟合方程为 y＝35.03097+2.58924x-0.00788x2，从拟合曲线可以看出空孔壁处岩石单元受到的拉应力随空孔直径的增大而增大，但是随着空孔直径的增加，空孔壁峰值拉应力的增量会下降，所以需要从凿岩成本考虑确定合适的空孔直径大小。
(2)通过理论计算与ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟，在大直径中空孔为 100mm时，延期时间为25ms，其余掏槽孔的布置方式分别为两个首爆孔距中空孔水平布置且间距为30cm，两个第二段起爆孔与中空孔垂直布置且间距为 40cm，四个第三段起爆孔距离中空孔水平距离45cm垂直距离45cm。
(3)将通过理论分析与数值模拟得到的掏槽爆破布孔方案运用于现场实践中，最终得到的掏槽槽腔截面面积、宽度与高度和模拟结果的误差均在6％以内，说明通过理论计算与数值模拟结合以确定爆破布孔参数是可行的。
上文中参照优选的实施例详细描述了本公开所提出的方案的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本公开理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本公开提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。
Claims (9)
1.一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、试验地点选择:试验地点为大红山铜矿,所述大红山铜矿的矿岩主要为大理岩，所述大理岩的岩石力学参数与数值模拟使用岩石参数接近。
S2、掏槽孔和中空孔孔径的选择：掏槽孔孔径为50mm，所述掏槽孔为用于装放炸药的装药孔，所述中空孔直径需要大于掏槽孔直径，且中空孔直径与掏槽孔直径比值需要大于1.7。
S3、掏槽孔和中空孔孔距的选择：所述掏槽孔分为首爆孔、第二段起爆孔和第三段起爆孔，所述首爆孔和中空孔之间的距离受到补偿空间、炸药破碎范围和装药孔偏斜角度三方面的影响，所述首爆孔爆破形成槽腔，所述槽腔为后爆孔穿凿出自由面，所述自由面宽度由首爆孔爆破后的爆破漏斗确定。
S4、中空孔模型设计：运用ANSYS/LSDYNA建立有限元二维模型，所述模型的尺寸为4000mm×4000mm，边界定义为无反射边界，装药孔直径为50mm，装药方式为耦合装药，中空孔位于模型正中心。
S5、方案设计和模拟：
方案一：设置中空孔直径，再沿模型横向分别设置装药孔中心距中空孔中心距离20cm，选取中空孔直径分别为70mm、75mm、80mm、90mm、100mm与125mm，两装药孔同时起爆。
方案二：设置首爆孔与中空孔间距，根据方案一确定的中空孔孔径，以首爆孔与中空孔水平布置，设置间距分别为：20cm、25cm、30cm，两炮孔设置同时起爆。
模拟一：设置第二段起爆孔距中空孔间距为41cm，选取不同的孔间距进行模拟，距离中空孔的孔间距分别设置为：35cm、40cm、45cm，模型沿横向布置首爆孔与中空孔，首爆孔与中空孔间距取方案二结果，沿纵向布置第二段起爆孔，两个首爆孔先同时起爆，待无岩石单元失效后两个第二段起爆孔再起爆。
模拟二：设置确定第三段起爆孔距中空孔间距为59.1cm，将第三段起爆孔与中空孔的水平方向、垂直方向间距分别设置有为40cm、40cm，45cm、45cm，50cm、50cm三种方案，四个第三段起爆孔在第一段与第二段起爆孔起爆后，且无岩石单元继续失效之后同时起爆。
2.根据权利要求1所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，S2中，掏槽孔和中空孔孔径的选择满足以下公式：
其中：D为中空孔直径；d为装药孔直径，α为岩石爆破破碎角，D≥85mm，采用垂直掏槽时，要求α>30°。
3.根据权利要求1所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，S2中，选用大直径的中空孔作为自由面，且中空孔在自由面内平行于装药孔能够形成足够的补偿空间。
4.根据权利要求1所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，S3中，所述补偿空间满足矿岩碎胀后所需要的体积，装药孔与中空孔的距离应满足如下关系式：
其中：L为中空孔与装药孔的距离；K为岩石的碎胀系数，系数K＝1.5，将参数带入公式，计算得到L<327mm。
5.根据权利要求4所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，S3中，所述炸药破碎范围包括炸药爆炸后形成的粉碎圈和裂隙圈，所述装药孔的间距大于粉碎圈半径且小于裂隙圈的半径，结合公式(2)的计算，可得：123.5mm<L<388.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，S3中，所述装药孔偏斜是为了防止装药孔之间的贯通，需要满足：
其中：H为装药孔深度，a为装药孔偏斜角度，装药孔偏斜角度控制在1°以内，结合公式(3)的计算，可得：L>189mm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，所述补偿空间、炸药破碎范围和装药孔偏斜三方面计算的L取交集，计算的：189mm<L<327mm。
8.根据权利要求1所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，所述第二段起爆孔和第三段起爆孔的最小抵抗线需要满足以下公式：
其中：c＝1.7，B0＝0.8，B取首爆孔距空孔孔间距，W表示装药的最小抵抗线，解得W＝414mm。
9.根据权利要求8所述的一种优化掏槽孔及空孔位置以提高爆破掘进进尺的方法，其特征在于，S5中，所述模拟一和模拟二中的第二段起爆孔和第三段起爆孔的位置均通过公式(4)计算所得。
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