CN116050138A - 一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法 - Google Patents

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CN116050138A CN202310045678.0A CN202310045678A CN116050138A CN 116050138 A CN116050138 A CN 116050138A CN 202310045678 A CN202310045678 A CN 202310045678A CN 116050138 A CN116050138 A CN 116050138A
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黄其冲
常剑
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王旭耀
王正煜
樊攀峰
高亭
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Abstract

本发明属于工程爆破技术领域，公开了一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，包括如下步骤：获取待爆破区域的待爆破介质的物理力学性质参数，即岩性参数；构建二维离散元模型，获取块体的初始运动速度数据；构建坡面块体运动速度函数关系；获取坡面上所有块体的质心速度；获取到二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的初始抛掷角度；获取整个台阶的坡面上所有块体在三维情况下各个方向的初始抛掷速度和抛掷后不同时刻的坐标，即坡面运动参数。本发明解决了现有技术存在的形式简单、参数单一，无法考虑装药结构、自由面等影响因素存在的复杂工程项目，误差较大，灵活应用性差，计算效率低以及经济效益差的问题。

Description

一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法
技术领域
本发明属于工程爆破技术领域，具体涉及一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法。
背景技术
炸药爆炸时，人类利用其化学能转变成机械功完成一些人工或机械不能或难以完成的工作，工程爆破是利用炸药做功能力的典型案例。但是在岩石中炸药爆炸做功的同时还会产生爆破振动、空气冲击波、噪音、个别飞石和毒气等有害效应，这些有害效应目前难以避免。台阶爆破中爆破飞石如果控制不善会造成人员伤亡、设备损坏和建筑物受损等爆破失误，产生爆破飞石的原因有地质条件多变、爆破设计存在缺陷和施工管理不到位等因素，其中爆破设计存在的缺陷可通过调整设计方案进行避免。随着爆破难度增大和爆破成本的增加，爆堆形态成为越来越受到关注，其不仅是衡量爆破效果的重要参数，又反映了爆破参数、装药设计的合理性，而且直接影响铲装、运输效率和经济效益。台阶爆破中，获取坡面岩块运动参数可用以预测最远抛掷距离和角度，并且根据弹道理论计算爆堆分布，进而可避免由于爆破设计缺陷导致的爆破飞石事故同时提高铲装效率和经济效益。
爆破飞石的距离与爆破参数、堵塞质量、地质地形条件密切相关，理论和实践中都很难计算，硐室爆破中个别飞石距离常用公式计算，公式中飞石距离是安全系数、爆破作用指数和最小抵抗线的函数，深孔爆破的飞石距离一般也用相同的公式估算。爆堆形态分布目前应用较多的是weibull分布模型，基于统计学获得二维爆堆形态。爆破飞石和爆堆三维模拟也可采用大型商业软件通过力学分析获取相应数据。
现有技术中，基于经验公式和基于统计原理的weibull模型的爆破飞石距离计算，其形式简单、参数单一，无法考虑装药结构、自由面等影响因素存在的复杂工程项目，而且获得可信的相关系数需要大量的现场试验和测量，测量方法与统计方法的误差使得这种手段误差较大，灵活应用性差；使用大型商业软件算效率低，特别是三维条件下，所需计算资源呈指数增长。
发明内容
为了解决现有技术存在的形式简单、参数单一，无法考虑装药结构、自由面等影响因素存在的复杂工程项目，误差较大，灵活应用性差，计算效率低以及经济效益差的问题，本发明目的在于提供一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，包括如下步骤：
提取待爆破区域内的矿石试件，并对矿石试件进行物理力学性能试验，得到待爆破区域的待爆破介质的物理力学性质参数，即岩性参数；
根据待爆破介质的岩性参数和预定采用的炸药的炸药参数，构建在待爆破区域内设置的单个药柱的负担体积的二维离散元模型，并基于二维离散元模型得到爆破台阶的坡面上块体的初始运动速度数据；
获取二维离散元模型的特征抵抗线和炸药能量，并将特征抵抗线和炸药能量与块体的初始运动速度数据进行函数拟合，构建坡面块体运动速度函数关系；
基于二维离散元模型，根据坡面块体运动速度函数关系，得到二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的质心速度；
将二维离散元模型中的单个药柱等效为若干球药包，获取二维离散元模型的坡面块体质心坐标，并根据每个球药包与每个坡面块体质心坐标的相对位置，得到二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的初始抛掷角度；
根据二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的初始抛掷角度和对应块体的质心速度，获取整个台阶的坡面上所有块体在三维情况下各个方向的初始抛掷速度和抛掷后不同时刻的坐标，各个方向的初始抛掷速度和抛掷后不同时刻的坐标构成块体的坡面运动参数
进一步地，矿石试件包括钻孔岩芯，坑/槽探中采取的岩块。
进一步地，岩性参数包括待爆破介质的密度、抗压强度、抗拉强度、杨氏模量以及纵波波速的参数。
进一步地，二维离散元模型基于开源离散元仿真工具建立，开源离散元仿真工具包括Yade工具和ESyS-Particle工具。
进一步地，坡面块体运动速度函数关系的公式为：
V＝f(E,W)＝0.116Q1.4W-0.7
式中，V为坡面块体运动速度；f(*)为拟合函数；E为炸药能量参数；W为目标点的特征抵抗线参数；Q为炸药能量计算因子。
进一步地，目标点的特征抵抗线的公式为：
Figure BDA0004055310680000031
式中，W为目标点的特征抵抗线参数；wi为第i个等效球药包质心到目标点的坡面块体质心坐标的距离；i为等效球药包指示量；I为等效球药包总数；n为坡面块体总数；
炸药能量计算因子的公式为：
Q＝0.25πD2ρE
式中，Q为炸药能量计算因子；D为钻孔直径；ρE为炸药密度。
进一步地，二维情况下块体的初始抛掷角度的公式为：
Figure BDA0004055310680000041
式中，α为二维情况下块体的初始抛掷角度；αij为特征抵抗线Wij的方向角；Wij为第i个等效球药包到台阶坡面第j个块体的特征抵抗线，根据每个球药包质心与坡面块体质心的相对位置得到；n为坡面块体总数；i为等效球药包指示量；j为块体指示量。
进一步地，二维情况下，设置有XOZ二维平面，块体(x0,z0)的质心速度为V0，在XOZ平面上的初始抛掷角度为α，三维情况下，设置有与XOZ二维平面垂直设置有YOZ二维平面，增加Y方向，块体(x0,y0,z0)的各个方向的初始抛掷速度为：
Figure BDA0004055310680000042
式中，V0x为X方向的初始抛掷速度分量；V0y为Y方向的初始抛掷速度分量；V0z为Z方向的初始抛掷速度分量；α为在XOZ平面上的初始抛掷角度；V0为二维情况下块体(x0,y0,z0)的质心速度；
与块体(x0,y0,z0)同一水平高度的块体(x0,y1,z0)的各个方向的初始抛掷速度为：
Figure BDA0004055310680000043
式中，V1x为X方向的初始抛掷速度分量；V1y为Y方向的初始抛掷速度分量；V1z为Z方向的初始抛掷速度分量；α为在XOZ平面上的初始抛掷角度；β为在XOY平面上的偏离角；V1为三维情况下块体(x0,y1,z0)的质心速度。
进一步地，偏离角的公式为：
Figure BDA0004055310680000051
式中，β为在XOY平面上的偏离角；y1为块体(x0,y1,z0)在Y方向的坐标；y0为块体(x0,y0,z0)在Y方向的坐标；W0为块体(x0,y0,z0)的特征抵抗线；W为目标点的特征抵抗线参数；
三维情况下块体(x0,y1,z0)的质心速度的公式为：
V1＝(W0/W)3V0
式中，V1为三维情况下块体(x0,y1,z0)的质心速度；W0为块体(x0,y0,z0)的特征抵抗线；W为目标点的特征抵抗线参数；V0为二维情况下块体(x0,y0,z0)的质心速度。
进一步地，块体抛掷后不同时刻的坐标的公式为：
Figure BDA0004055310680000052
式中，(x′,y′,z′)为块体抛掷后不同时刻的坐标；(xoriginal,yoriginal,zoriginal)为块体抛掷前的初始坐标，其中，xoriginal＝0；Vx、Vy、Vz分别为块体各个方向的初始抛掷速度；g为重力加速度；t为时刻指示量。
本发明的有益效果为：
本发明提供的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，采用二维数值计算可考虑起爆方式、装药结构和自由面等因素对运动参数的影响，同时相比大型商业软件的三维力学计算方法具有更好的计算效率，节约计算资源，且计算方法简单，易于程序实现。同时高效和高精度的坡面运动参数的预测，能够更好优化爆破设计，降低爆破飞石带来的爆破事故，提高爆破效率和爆破经济效益。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进一步进行说明。
附图说明
图1是实施例1的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，包括如下步骤：
提取待爆破区域内的矿石试件，并对矿石试件进行物理力学性能试验，得到待爆破区域的待爆破介质的物理力学性质参数，即岩性参数；岩性参数包括待爆破介质的密度、抗压强度、抗拉强度、杨氏模量以及纵波波速的参数；采用比重瓶法得到的试样密度为2400kg/m3，采用单轴抗压强度试验获得的岩石抗压强度为21.1MPa，使用巴西劈裂法测量岩石的抗拉强度为1.7MPa，使用声发射系统测定岩石纵波波速为1100m/s，爆破设计参数为：柱装药直径0.31m，装药长度10m，最小抵抗线4m，孔距3m，台阶高度10m；
根据待爆破介质的岩性参数和预定采用的铵油炸药的炸药参数，构建在待爆破区域内设置的单个药柱的负担体积的二维离散元模型，负担体积为3*4*10立方米的计算区域，坡面边界条件设定为自由面，相邻负担体积接触面设置为透射边界，并基于二维离散元模型得到爆破台阶的坡面上块体的初始运动速度数据；
获取二维离散元模型的特征抵抗线和炸药能量，并将特征抵抗线和炸药能量与块体的初始运动速度数据进行函数拟合，炸药能量的量度参数选择单位长度装药质量，单位为kg/m，构建坡面块体运动速度函数关系；炮孔直径0.31m，则等效球药包半径为
Figure BDA0004055310680000071
药柱长10m，等效的球药包的个数为26个，所以单个柱装药可以等效为I＝26个半径为0.1898m的球药包的叠加；
基于二维离散元模型，根据坡面块体运动速度函数关系，得到二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的质心速度；
将二维离散元模型中的单个药柱等效为若干球药包，获取二维离散元模型的坡面块体质心坐标，并根据每个球药包与每个坡面块体质心坐标的相对位置，得到二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的初始抛掷角度；
根据二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的初始抛掷角度和对应块体的质心速度，获取整个台阶的坡面上所有块体在三维情况下各个方向的初始抛掷速度和抛掷后不同时刻的坐标，各个方向的初始抛掷速度和抛掷后不同时刻的坐标构成块体的坡面运动参数。
本实施例中，坡面上岩块获得初始运动参数的能量来源是炸药爆炸产生的高温高压气体，因此，岩石爆破过程分为两个阶段，第一阶段就是炸药爆炸产生的冲击波、应力波和膨胀压力作用下使药柱负担体积内的岩体破裂成块；第二阶段是破裂成块的岩体被爆生气体推动加速，直到速度获得最大，这时的速度就是初始抛掷参数，从物理过程知道，坡面运动参数仅仅与爆生气体压力和抵抗线有关，与岩石的物理力学性质无关(因为破破裂成块过程结束后由于爆生气体推动作用形成)，据此建立坡面块体运动速度函数关系，由于爆生气体推动坡面岩块的加速过程是一个动态过程，无法获得解析解，利用离散元程序计算二维条件下最小抵抗线对应岩块的速度，并根据特征抵抗线的不同推广到三维条件，以获取块体的坡面运动参数。
作为优选，矿石试件包括钻孔岩芯，坑/槽探中采取的岩块，试件制备中不允许有人为裂隙出现，按规程要求制作标准柱体试件。
作为优选，二维离散元模型基于开源离散元仿真工具建立，开源离散元仿真工具包括Yade工具和ESyS-Particle工具，以及大型商用软件。
作为优选，坡面块体运动速度函数关系的公式为：
V＝f(E,W)＝0.116Q1.4W-0.7
式中，V为坡面块体运动速度；f(*)为拟合函数；E为炸药能量参数；W为目标点的特征抵抗线参数；Q为炸药能量计算因子。
作为优选，目标点的特征抵抗线选择所有等效球药包质心到目标点距离的平均值，其公式为：
Figure BDA0004055310680000081
式中，W为目标点的特征抵抗线参数；wi为第i个等效球药包质心到目标点的坡面块体质心坐标的距离；i为等效球药包指示量；I为等效球药包总数；n为坡面块体总数；沿台阶高度方向，将坡面均匀分成100个立方块，单个立方块的尺寸为0.1m，所以沿着孔距方向能构成的列数为(3/2-0.05)/0.1＝14.5，取整14，单侧14列，加上中间列和另一侧列，共计29列块体，合计n＝2900块；
炸药能量计算因子的公式为：
Q＝0.25πD2ρE
式中，Q为炸药能量计算因子；D为钻孔直径；ρE为炸药密度。
作为优选，二维情况下块体的初始抛掷角度的公式为：
Figure BDA0004055310680000091
式中，α为二维情况下块体的初始抛掷角度；αij为特征抵抗线Wij的方向角；Wij为第i个等效球药包到台阶坡面第j个块体的特征抵抗线，根据每个球药包质心与坡面块体质心的相对位置得到；n为坡面块体总数；i为等效球药包指示量；j为块体指示量。
作为优选，二维情况下，设置有XOZ二维平面，块体(x0,z0)的质心速度为V0，在XOZ平面上的初始抛掷角度为α，三维情况下，设置有与XOZ二维平面垂直设置有YOZ二维平面，增加Y方向，块体(x0,y0,z0)的各个方向的初始抛掷速度为：
Figure BDA0004055310680000092
式中，V0x为X方向的初始抛掷速度分量；V0y为Y方向的初始抛掷速度分量；V0z为Z方向的初始抛掷速度分量；α为在XOZ平面上的初始抛掷角度；V0为二维情况下块体(x0,y0,z0)的质心速度；
与块体(x0,y0,z0)同一水平高度的块体(x0,y1,z0)的各个方向的初始抛掷速度为：
Figure BDA0004055310680000093
式中，V1x为X方向的初始抛掷速度分量；V1y为Y方向的初始抛掷速度分量；V1z为Z方向的初始抛掷速度分量；α为在XOZ平面上的初始抛掷角度；β为在XOY平面上的偏离角；V1为三维情况下块体(x0,y1,z0)的质心速度。
作为优选，偏离角的公式为：
Figure BDA0004055310680000101
式中，β为在XOY平面上的偏离角；y1为块体(x0,y1,z0)在Y方向的坐标；y0为块体(x0,y0,z0)在Y方向的坐标；W0为块体(x0,y0,z0)的特征抵抗线；W为目标点的特征抵抗线参数；
三维情况下块体(x0,y1,z0)的质心速度的公式为：
V1＝(W0/W)3V0
式中，V1为三维情况下块体(x0,y1,z0)的质心速度；W0为块体(x0,y0,z0)的特征抵抗线；W为目标点的特征抵抗线参数；V0为二维情况下块体(x0,y0,z0)的质心速度。
作为优选，块体抛掷后不同时刻的坐标的公式为：
Figure BDA0004055310680000102
式中，(x′,y′,z′)为块体抛掷后不同时刻的坐标；(xoriginal,yoriginal,zoriginal)为块体抛掷前的初始坐标，其中，xoriginal＝0；Vx、Vy、Vz分别为块体各个方向的初始抛掷速度；g为重力加速度；t为时刻指示量。
本发明提供的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，采用二维数值计算可考虑起爆方式、装药结构和自由面等因素对运动参数的影响，同时相比大型商业软件的三维力学计算方法具有更好的计算效率，节约计算资源，且计算方法简单，易于程序实现。同时高效和高精度的坡面运动参数的预测，能够更好优化爆破设计，降低爆破飞石带来的爆破事故，提高爆破效率和爆破经济效益。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：包括如下步骤：
提取待爆破区域内的矿石试件，并对矿石试件进行物理力学性能试验，得到待爆破区域的待爆破介质的物理力学性质参数，即岩性参数；
根据待爆破介质的岩性参数和预定采用的炸药的炸药参数，构建在待爆破区域内设置的单个药柱的负担体积的二维离散元模型，并基于二维离散元模型得到爆破台阶的坡面上块体的初始运动速度数据；
获取二维离散元模型的特征抵抗线和炸药能量，并将特征抵抗线和炸药能量与块体的初始运动速度数据进行函数拟合，构建坡面块体运动速度函数关系；
基于二维离散元模型，根据坡面块体运动速度函数关系，得到二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的质心速度；
将二维离散元模型中的单个药柱等效为若干球药包，获取二维离散元模型的坡面块体质心坐标，并根据每个球药包与每个坡面块体质心坐标的相对位置，得到二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的初始抛掷角度；
根据二维情况下整个台阶的坡面上所有块体的初始抛掷角度和对应块体的质心速度，获取整个台阶的坡面上所有块体在三维情况下各个方向的初始抛掷速度和抛掷后不同时刻的坐标，各个方向的初始抛掷速度和抛掷后不同时刻的坐标构成块体的坡面运动参数。
2.根据权利要求1所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的矿石试件包括钻孔岩芯，坑/槽探中采取的岩块。
3.根据权利要求2所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的岩性参数包括待爆破介质的密度、抗压强度、抗拉强度、杨氏模量以及纵波波速的参数。
4.根据权利要求3所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的二维离散元模型基于开源离散元仿真工具建立，所述的开源离散元仿真工具包括Yade工具和ESyS-Particle工具。
5.根据权利要求4所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的坡面块体运动速度函数关系的公式为：
V＝f(E，W)＝0.116Q1.4W-0.7
式中，V为坡面块体运动速度；f(*)为拟合函数；E为炸药能量参数；W为目标点的特征抵抗线参数；Q为炸药能量计算因子。
6.根据权利要求5所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的目标点的特征抵抗线的公式为：
Figure FDA0004055310670000021
式中，W为目标点的特征抵抗线参数；wi为第i个等效球药包质心到目标点的坡面块体质心坐标的距离；i为等效球药包指示量；I为等效球药包总数；n为坡面块体总数；
所述的炸药能量计算因子的公式为：
Q＝0.25πD2ρE
式中，Q为炸药能量计算因子；D为钻孔直径；ρE为炸药密度。
7.根据权利要求6所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的二维情况下块体的初始抛掷角度的公式为：
Figure FDA0004055310670000031
式中，α为二维情况下块体的初始抛掷角度；αij为特征抵抗线Wij的方向角；Wij为第i个等效球药包到台阶坡面第j个块体的特征抵抗线，根据每个球药包质心与坡面块体质心的相对位置得到；n为坡面块体总数；i为等效球药包指示量；j为块体指示量。
8.根据权利要求7所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：二维情况下，设置有XOZ二维平面，块体(x0，z0)的质心速度为V0，在XOZ平面上的初始抛掷角度为α，三维情况下，设置有与XOZ二维平面垂直设置有YOZ二维平面，增加Y方向，块体(x0，y0，z0)的各个方向的初始抛掷速度为：
Figure FDA0004055310670000032
式中，V0x为X方向的初始抛掷速度分量；V0y为Y方向的初始抛掷速度分量；V0z为Z方向的初始抛掷速度分量；α为在XOZ平面上的初始抛掷角度；V0为二维情况下块体(x0，y0，z0)的质心速度；
与块体(x0，y0，z0)同一水平高度的块体(x0，y1，z0)的各个方向的初始抛掷速度为：
Figure FDA0004055310670000033
式中，V1x为X方向的初始抛掷速度分量；V1y为Y方向的初始抛掷速度分量；V1z为Z方向的初始抛掷速度分量；α为在XOZ平面上的初始抛掷角度；β为在XOY平面上的偏离角；V1为三维情况下块体(x0，y1，z0)的质心速度。
9.根据权利要求8所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的偏离角的公式为：
Figure FDA0004055310670000041
式中，β为在XOY平面上的偏离角；y1为块体(x0，y1，z0)在Y方向的坐标；y0为块体(x0，y0，z0)在Y方向的坐标；W0为块体(x0，y0，z0)的特征抵抗线；W为目标点的特征抵抗线参数；
所述的三维情况下块体(x0，y1，z0)的质心速度的公式为：
V1＝(W0/W)3V0
式中，V1为三维情况下块体(x0，y1，z0)的质心速度；W0为块体(x0，y0，z0)的特征抵抗线；W为目标点的特征抵抗线参数；V0为二维情况下块体(x0，y0，z0)的质心速度。
10.根据权利要求9所述的应用于露天爆破的台阶坡面运动参数获取方法，其特征在于：所述的块体抛掷后不同时刻的坐标的公式为：
Figure FDA0004055310670000042
式中，(x’，y’，z’)为块体抛掷后不同时刻的坐标；(xoriginal，yoriginal，zoriginal)为块体抛掷前的初始坐标，其中，xoriginal＝0；Vx、Vy、Vz分别为块体各个方向的初始抛掷速度；g为重力加速度；t为时刻指示量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117291060A (zh) * 2023-11-23 2023-12-26 成都理工大学 一种考虑动力碎裂效应的岩崩运动过程三维模拟预测方法

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CN117291060B (zh) * 2023-11-23 2024-02-27 成都理工大学 一种考虑动力碎裂效应的岩崩运动过程三维模拟预测方法

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