臺階炮孔爆破爆堆形狀計算機(jī)模擬數(shù)學(xué)模型

臺階炮孔爆破爆堆形狀計算機(jī)模擬數(shù)學(xué)模型

1爆堆形狀預(yù)測技術(shù)研究進(jìn)展爆炸波的三維幾何結(jié)構(gòu)和大小是反映爆炸效果的重要因素。在爆破設(shè)計工作中,如何對爆堆形狀進(jìn)行基本準(zhǔn)確和可靠的預(yù)測,對于優(yōu)化爆破設(shè)計、控制爆破質(zhì)量、降低鉆孔和爆破作業(yè)的成本,都具有重要的意義。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,以計算機(jī)爆破模擬為手段的爆破優(yōu)化技術(shù)研究得到了爆破界的普遍關(guān)注,但涉及爆堆形狀預(yù)測的研究還較少。目前國內(nèi)外爆堆形狀預(yù)測技術(shù)研究中具代表性的研究成果有HARRIES模型、BLASPA模型、SABREX模型。HARRIES模型通過高速攝影測定前排孔的“鼓包”速度,依鼓包運(yùn)動的初速度按彈道理論計算爆堆范圍對爆堆形態(tài)進(jìn)行模擬;BLASPA模型是一種建立在爆炸應(yīng)力波理論基礎(chǔ)上的爆破數(shù)學(xué)模型,可以對爆堆礦巖膨脹量及其分布進(jìn)行預(yù)測;SA-BREX模型是在采用高速攝影法測定臺階表面質(zhì)點(diǎn)速度的基礎(chǔ)上,找出臺階坡面上不同位置在爆堆形成過程中的初速度與爆堆最終形狀的統(tǒng)計關(guān)系,對爆堆形態(tài)進(jìn)行預(yù)測。這些研究所采用的方法對于同類研究都具有積極的參考價值。鑒于目前的各種爆破理論分析方法尚不能對爆破破碎與拋移的過程與結(jié)果給出有效的解析解,本項(xiàng)研究在建模過程中采用理論分析與工程統(tǒng)計相結(jié)合的方法,以反映爆堆形狀影響因素與爆堆形狀參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系。試驗(yàn)應(yīng)用的結(jié)果表明,采用此模型,爆堆隆起高度和前沖距離預(yù)測的精度一般可達(dá)90%以上,表明該項(xiàng)研究取得了較好的效果,對于優(yōu)化爆破設(shè)計參數(shù)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。2爆炸層設(shè)計的影響因素分析2.1可爆性指標(biāo)選取巖體的可爆性指巖體對爆破破壞作用的抵抗能力。從爆堆形狀的角度考慮,巖石在爆破過程中產(chǎn)生的破壞是爆堆隆起與膨脹的一個必要條件。所以,巖體的可爆性是決定爆堆形狀的重要因素之一。巖體的可爆性主要取決于巖石的力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。實(shí)踐和大量的研究結(jié)果表明:密度和普氏系數(shù)是反映巖石爆破難易程度的2個主要參數(shù)。巖石的密度越大,產(chǎn)生破壞和位移所消耗的能量就越多;普氏系數(shù)是直接反映巖石強(qiáng)度的一個指標(biāo),巖石的可爆性隨著其普氏系數(shù)值的升高而降低。此外,觀察實(shí)際爆堆可發(fā)現(xiàn)巖石的破碎基本上是沿著裂隙、微裂隙和弱面發(fā)生的。因此巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征如節(jié)理、裂隙以及層理和斷層等,是影響巖體可爆性的另一重要因素。基于以上的考慮,采用了巖石的密度γ、普氏系數(shù)f、巖體中節(jié)理裂隙平均間距S三項(xiàng)指標(biāo)作為衡量巖體可爆性的標(biāo)準(zhǔn)。并對某露天鐵礦礦巖的這三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計見表1。2.2自由面條件在露天礦臺階炮孔爆破中,炮孔起爆瞬間具有良好的自由面條件,是使抵抗線內(nèi)礦巖得到良好的破碎、松動和拋移,同時使爆堆得到充分隆起和膨脹的另一重要條件。2.3對爆破能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的影響巖體在爆破作用下產(chǎn)生破壞和位移最終形成爆堆的過程,實(shí)質(zhì)上是炸藥能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的一個物理過程。因此,炸藥的爆炸性能必然是影響爆堆隆起、拋移狀態(tài)和最終結(jié)果的一個關(guān)鍵因素。一般采用炸藥的密度和爆速來衡量炸藥的爆炸性能。2.4炮孔起爆順序與微差時間爆破技術(shù)參數(shù)主要指孔網(wǎng)參數(shù)、孔深、炮孔裝藥種類與質(zhì)量、炮孔起爆順序與微差時間。在上述三因素(即巖體的可爆性、自由面條件以及炸藥的爆炸性能)已經(jīng)確定時,這些參數(shù)是決定爆破破碎質(zhì)量和爆堆最終形狀的唯一因素。3爆破參數(shù)的決策。在確定爆破條件后,選擇合適的爆破參數(shù)下進(jìn)行決策在爆破工藝一定的情況下,爆破設(shè)計的過程是一個基于對爆區(qū)條件的了解及其對爆破效果的影響的認(rèn)識和判斷的情況下,為獲得一定的爆破效果而對所有的爆破參數(shù)進(jìn)行決策的過程。因此,對各種可能影響爆破效果的條件因素進(jìn)行分類,同時對這些因素與爆破效果之間的關(guān)系進(jìn)行量化分析和表述,是確保設(shè)計參數(shù)合理性的2個關(guān)鍵,也是所有計算機(jī)爆破設(shè)計與模擬軟件系統(tǒng)所必須具有的2個基本內(nèi)容。3.1礦巖可爆性分級模型如圖2所示,爆堆形狀預(yù)測模型裝藥由地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫、礦巖可爆性分級模型、爆破設(shè)計與模擬以及爆破數(shù)據(jù)庫4個部分構(gòu)成。地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫按屬性以圖形和數(shù)值數(shù)據(jù)的形式對礦山現(xiàn)場地質(zhì)地形狀況進(jìn)行描述,提供有關(guān)爆區(qū)地質(zhì)與地形條件的準(zhǔn)確信息;礦巖可爆性分級模型的作用是對所確定爆區(qū)范圍內(nèi)不同礦巖的爆破難易程度進(jìn)行定量分析,確定礦巖可爆性指數(shù),從而為爆破參數(shù)的選取提供可靠的依據(jù);在完成爆破設(shè)計后,即可對爆破作用范圍和爆堆三維形態(tài)進(jìn)行模擬預(yù)測,并計算出爆堆礦巖的松散系數(shù)等;爆破數(shù)據(jù)庫則為處理爆破設(shè)計文件而設(shè)。3.2礦巖可爆性指數(shù)量化確定巖體的可爆性是預(yù)測爆堆形狀的前提條件之一。基于表1,礦巖可爆性指數(shù)ξ可表示為式中,ξ為礦巖可爆性指數(shù);γ為巖石密度(g/cm3);f為巖石普氏系數(shù);S為巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)面平均間距(cm);A、B為系數(shù);η、β為指數(shù)。3.3爆堆形狀參數(shù)由大量的現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),在大多數(shù)的臺階炮孔爆破條件下,自炮孔至臺階自由面方向上的爆堆剖面線具有Weibull概率分布曲線的基本特征。因此,假如在爆破設(shè)計參數(shù)、臺階幾何參數(shù)、量化的巖體可爆性指數(shù)和Weibull曲線特征參數(shù)之間在數(shù)量上存在著一定的對應(yīng)關(guān)系,對爆堆形狀進(jìn)行基本準(zhǔn)確地預(yù)測就成為可能。基于爆堆礦巖沿其拋擲方向服從Weibull分布的假設(shè),同時采用多元回歸分析方法對爆破生產(chǎn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,清渣爆破條件下沿巖石拋擲方向爆堆表面輪廓線的基本方程為式中,C為Weibull曲線特性參數(shù)k和α的函數(shù);z為自臺階底板水平算起的爆堆高度,m;、b為炮孔直徑與炮孔排距,mm;H為臺階設(shè)計高度,m;ζ為礦巖松散系數(shù),且式中,E為模型常數(shù);q為炸藥單耗,kg/t;ρ為炸藥密度,g/cm3;D為炸藥爆速,m/s;Lexp為炮孔裝藥長度與炮孔長度之比;F為排間微差時間Δt的影響系數(shù),且F=f(Δt,b);α1～α6為指數(shù);P1～P3為系數(shù)。4爆堆模擬預(yù)測模型應(yīng)用試驗(yàn)爆區(qū)之一(如圖2所示)。爆區(qū)巖石主要包括混合花崗巖和磁鐵石英巖。炮孔直徑為310mm,臺階高度一般為12m,孔間距見炮孔布置圖(圖3)中相鄰炮孔間的數(shù)字,單孔負(fù)擔(dān)面積按巖石種類分別為54m2、72m2和80m2,平均孔深15.5m。炮孔采用連續(xù)耦合裝藥,孔口填塞長度在5.8～7.2m之間。部分炮孔使用露天乳化炸藥,其余炮孔使用多孔粒狀銨油炸藥,炸藥單耗0.254kg/t。爆堆模擬預(yù)測結(jié)果見圖4和圖5。預(yù)測爆堆松散系數(shù)為1.28。由圖5可知,采用該模型,在該次爆破條件下對爆堆形狀的預(yù)測基本準(zhǔn)確。5建立數(shù)學(xué)模型研究基于沿巖石拋擲方向爆堆剖面輪廓線具有Weibull分布函數(shù)曲線特征的假設(shè),并綜合考慮炸藥爆炸性能與爆破設(shè)計參數(shù)、巖石(體)性質(zhì)以及臺階自由面條件等因素的影響,采用理論分析和工程統(tǒng)計檢驗(yàn)