小断面急倾斜天井VCR法一次爆破成井数值模拟研究.pdf

第3 3 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 3N o ．3 2 0 1 6 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 3 ．0 1 3 小断面急倾斜天井V C R 法一次爆破 成井数值模拟研究 费鸿禄1 ，徐易1 ，张龙飞2 ，杨智广1 1 ．辽宁工程技术大学爆破技术研究院，阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．内蒙古宏大爆破工程有限责任公司，包头0 1 4 0 0 0 摘要 为研究小断面急倾斜天井V C R 法一次爆破成井中的岩石夹制性问题，采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 3 D 非线性动力学有限元软件进行了小断面V C R 法爆破成井的数值模拟。根据C W 利文斯顿球状药包理论， 采用5 孔布置、单孔中心掏槽、同分层中心孔与边孔不等高装药间隔起爆进行研究。通过对压力等值面云图 和塑性应变场等值面分布云图的分析，得到药包起爆后应力传播规律和材料破坏特征。结合现场小断面急 倾斜天井一次爆破成井试验，验证了同分层中心孔与边孔不等高装药间隔起爆对解决小断面急倾斜天井 V C R 法一次爆破成井所面临的岩石夹制性问题的可行性。 关键词天井；球状药包；岩石夹制性；V C R 法爆破；数值模拟 中图分类号0 3 8 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 3 0 0 6 8 0 7 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nO n eT i m eB l a s tS h a f t - f o r m i r go fV C R M e t h o d 埘t hS m a l lS e c t i o nS t e e p l yD i p p i n gC o u r t y a r d F E IH o n g ．1 u 1 ，X UY i l ，Z H A N GL o n g - f e i 2 ，Y A N GZ h i ．g u a n 9 1 1 ．I n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n12 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．I n n e rM o n g o l i aH o n g d aB l a s t i n gE n g i n e e r i n gC oL t d ，B a o t o u0 1 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h es t u d yo fr o c kc l a m p i n gp r o b l e mo fs m a l ls e c t i o ns t e e p l yd i p p i n gc o u r t y a r do nV C Rm e t h o d w i t ho n et i m eb l a s ts h a f t - f o r m i r g ，t h en o n l i n e a rd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ／L S - D Y N A 3Dw a su s e dt o c o n d u c tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ns h a f t f o r m i r gw i t hV C Rm e t h o d ．A c c o r d i n gt ot h eC WL i v i n g s t o ns p h e r i e M c h a r g et h e o r y ，s o m ep a r a m e t e r sw e r ec o n s i d e r e d ，i n c l u d i n g5h o l e sl a y o u t ，s i n g l ec e n t e rh o l es l o t t i n g ，i n t e r v a li n i t i a - t i o na n dh i i g hc h a r g eo ft h es a m es t r a t i f i c a t i o nc e n t r a lh o l ea n ds i d eh o l e s ．O nt h ep r e s s u r ec o n t o u rn e p h o g r a ma n d p l a s t i cs t r a i nf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ee q u i v a l e n ts u r f a c e ，t h ee x p l o s i o ns t r e s sp r o p a g a t i o na n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so f m a t e r i a l sw e r eo b t a i n e d ．B a s e do nt h et e s to fo n et i m es h a f t f o r m i r gw i t hs m a l ls e c t i o ns t e e p l yd i p p i n gc o u r t y a r d ，t h e s c h e m ew i t hi n t e r v a li n i t i a t i o na n dh i g hc h a r g eo ft h es a n l es t r a t i f i c a t i o nc e n t r a lh o l ea n ds i d eh o l e ss o l v e dt h er o c k c l a m p i n gp r o b l e mw e l l ．F i n a l l y ，t h es p e c i f i cV C Rm e t h o di nd e e p h o l eb l a s t i n gW a sv e r i f i e d ． K e yw o r d s c o u r t y a r d ；s p h e r i c a lc h a r g e ；r o c kc l a m p i n g ；V C Rb l a s t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 现有天井掘进技术主要是内部施工法和钻井 收稿日期2 0 1 6 0 8 0 4 作者简介费鸿禄 1 9 6 3 一 ，男，教授、博士、博士生导师，从事工程 爆破和地下工程方面的教学与科研工作， E m a i l f e i h o n g l u 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者徐易 1 9 8 8 一 ，男，辽宁工程技术大学土木与交通学院 硕士研究生，主要从事爆破工程方向研究， E m a i l 9 7 1 1 1 7 5 7 1 q q ．c o r n 。 法J ，内部施工法包括普通法、吊罐法和爬罐法。 内部施工法工作环境恶劣、安全性差、成本高、效率 低，钻井法工作环境好，安全性也较高，但施工机械 庞大，设备购置费用高，施工准备时间长，尤其是施 工机械还有待完善，因而其应用受到限制。2 0 世纪 5 0 年代开始研究的深孔爆破掘进法具有很大的优 势旧J ，其成本为普通法法的4 0 ％、钻井法的3 0 ％；效 万方数据 第3 3 卷第3 期费鸿禄，徐易，张龙飞，等小断面急倾斜天井V C R 法一次爆破成井数值模拟研究 6 9 率是普通法的1 4 1 ％、钻井法的1 2 8 ％。但是，深孔 爆破法在应用时所选用的爆破参数和掘进的天井模 式主要是基于经验和工程类比，具有很大的盲目性； 同时，分段爆破是天井掘进的主要模式，而深孔分段 爆破成井所固有的堵孔、塌孔、反冲井口、岩石夹制 性等作用严重影响着成井效果，阻碍着该法在天井 掘进工作中的应用。 在过去的六十多年中，很多研究人员对深孔爆 破法一次成井技术进行了研究，李启月等对直眼掏 槽破岩过程与空孔效应进行了理论研究口o ；林从谋 和陈士海建立了直眼掏槽爆破排碴过程的物理模 型【4J ，研究了直孔掏槽爆破的排渣规律；周传波等 对深孔爆破一次成井的掏槽方式进行了数值模 拟∞1 ；张奇等运用x 射线摄影设备研究了岩石碎块 在槽腔内部的运动规律∞o ；罗勇和沈兆武分析了炮 孔堵塞物的作用机制和受力情况J ，推导了炮孔堵 塞长度的计算公式；加拿大N o r n a d a 技术中心在希 思斯蒂成功进行了深孑L 爆破一次成井2 8i n 试验旧1 ； 桃林铅锌矿等在湖南桃林铅锌矿进行了规格为 2 ．5x2 ．5m 2 的盲天井深孔爆破一次成井的应用研 究一J ，共掘天井6 4 个，成井总进尺7 0 7i n ，一次成井 高度稳定在1 2I n ，最高达1 6i n ；李启月，李夕兵等通 过圆形布孔、不等高分层、设置中间分层、分层同响、 多分层上下依序起爆和分层间隔合理延时爆破等技 术措施解决多孔球状药包一次爆破成井岩石夹制性 问题0 | ，成功实现了直径为6m 、断面面积为2 8I n 2 、 深3 2I n 天井的一次爆破成井。 从上述讨论中可以看出，在众多的研究中，深孔 掏槽方式的研究者较多，且大断面天井深孔爆破一 次成井岩石夹制性问题也找到了有效的解决办法， 而小断面 断面面积在4I l l 2 以下 天井深孔爆破中 存在的岩石夹制性问题还没形成有效的解决方法。 同时，岩石夹制性是小断面天井深孔爆破一次成井 能否成功的关键，在成井过程中，若上分层爆破后形 成的补偿空间减小，就会使下分层爆破时所受岩石 夹制性增大继而使该分层爆破后产生更小的补偿空 间，恶性向更高分层传递，使得成井断面逐渐减小甚 至出现堵死现象。因此，保证每个分层爆破后产生 的补偿空间不减少成为控制岩石夹制性问题的关 键。为解决这个问题，提出采用5 孔布置、分层爆破 且同分层中心孔与边孔不等高装药间隔起爆的方 法，以期解决小段面天井深孔爆破一次成井面临的 岩石夹制性问题。根据这个思路，结合某金矿急倾 斜通风天井的工程实践，采用L S - D Y N A 3 D 非线性 动力有限元分析软件对小断面急倾斜天井V C R 法 爆破一次成井进行数值模拟研究1 ’1 2J ，通过分析炸 药爆炸在岩石中的应力传播规律、塑性应变场的分 布情况观察此种成井方式下岩石夹制性的影响。 1 急倾斜天井V C R 法深孔爆破成井 分析 1 ．1 成井机理 在以往的深孔爆破一次成井研究过程中，研究 者们多数采用多分段一次爆破成井，而每一分段各 孔同时起爆。采用这种成井方式时，第一分层药包 起爆以无限空间为自由面，形成的倒置爆破漏斗底 端宽，顶端较窄。当第二分层药包起爆时，由于自由 面受限，岩石的夹制性增大，在药量不改变的情况下 爆破形成的漏斗体积相对第一分层减少。继续起爆 下一分层时，由于自由面进一步变小，岩石的夹制性 再一次增大，所形成的爆破漏斗体积会进一步变小。 爆破分层数的不断增大，受限自由面不断减小，岩石 夹制性连续增大，爆破漏斗体积逐次减小，对分层数 较多的深孔爆破，使得中间分层堵死，这种现象在小 断面深孔爆破一次成井过程中表现尤为突出。为解 决小断面天井深孔爆破一次成井过程中的岩石夹制 性问题，根据利文斯顿球状药包理论，采用同分层中 心孔与边孔不等高装药间隔起爆来研究天井成井过 程中岩石的夹制性问题。其成井机理如图1 所示。 ] 9 分 刍 分 层 3 I ⋯3I ㈩呈II】 剡必麟划幽燃 1 - - B l a s t i n gc r a t e r ；2 - - C e n t e rh o l eo h a r g e 3 一S i d eh o l ec h a r g e 图1V C R 法爆破成井机理图 F i g ．1 M e c h a n i s mo fV C Rb yb l a s t i n g 第一分层球形药包起爆后，爆炸应力波向外传 播，药包周围岩体发生破碎形成破碎圈，然后岩体在 爆生气体作用下向自由面抛渣，形成倒置爆破漏斗， 如图1 a 所示；倒置爆破漏斗形成后，周边孔起爆， 由于前者球形药包已经爆破形成了漏斗，且破碎岩 石在重力和爆生气体作用下已经抛出，因此前者形 成的漏斗面作为边孔药包爆破的临空面即自由面， 使得边孔药包爆炸后形成了倾斜漏斗，如图1 b 所 示；当边孔爆破抛出岩石后起爆第二分层中心孔球 万方数据 7 0爆破2 0 1 6 年9 月 形药包，在球形药包爆炸作用下形成第二分层倒置 爆破漏斗，如图1 c 所示。通过依次间隔起爆中心 孔药包和边孑L 药包，每次起爆后都能为下一次起爆 提供足够自由面，实现一次成井。 1 ．2 岩石夹制性的影响因素 深孔爆破一次成井过程中影响岩石夹制性的因 素很多，主要包括微差时间、装药结构、孔网布置、 岩石性质、断面尺寸、炸药单耗及钻孔精度等。当其 他条件不变时，对小断面天井深孔爆破而言，岩石夹 制性影响最为关键的因素是微差时间和装药结构。 同时，急倾斜天井与垂直井深孔爆破一次成井的区 别在于，垂直井深孔爆破一次成井时，各分层爆破后 岩石在自重作用和爆生气体作用下向自由面落下或 抛出，而急倾斜井爆破时，由于倾角的存在各分层岩 石与井壁有摩擦作用，致使岩石落下或抛出速率降 低。虽然存在上述问题，但采用5 孔布置，中心孑L 与 边孔不等高装药间隔起爆的这种装药结构和起爆方 式时，微差时间主要考虑先起爆药包爆破漏斗的形 成和漏斗内岩石抛出的时间，倾角的存在对微差时 间的控制并无实质性影响。根据自由面假说和补偿 空间假说引，微差时间丁主要包括爆轰波或导爆索 传播时间t 。、岩石充分破碎时间t 和漏斗内岩石移 出时间t ，。即 T t l t 2 t 3 1 ，．． 式中㈡ 署，L 。指孑L 内单段装药长度，m ；D 为孔内炸 药平均爆速或导爆索爆速，m ／s ；￡z 5 石i 赢w 万万，f z - 为岩石充分破碎时间，且t 。 竽，B 为药包中心到 乙P 自由面的最大距离，C 。为应力波传播速度，t 为刚 好形成爆破漏斗的时间，且￡z z2 百i 面W 万西，叫为 爆破漏斗深度；J B 是岩石破碎角；C ，为裂隙扩展平均 速度且C ， o ．1 C p 汔 詈，屹为平均抛渣速度。 y 2 数值模型与计算参数 2 ．1 数值模型 以某金矿拟开掘的急倾斜通风天井为例，天井 规格为1 ．8X 1 ．6m 2 ，长4 2m 。由于是井下工程，若 直接进行天井深孔爆破成井试验，不仅试验费用昂 贵，而且还只能了解爆破的初始状态和最终状态，中 间过程无法得知，然而爆破过程中岩石的破坏特征， 爆炸应力波的传播规律以及鼓包运动的产生、形成 对成井的研究相当重要，因此选用数值模拟的方式 对成井过程进行研究，这样可随时连续动态地、重复 地显示成井过程、观察爆破过程中应力传播规律和 材料的屈服情况，了解其细致过程。 考虑模拟对象的实际情况，若以实际对象建立 模型，在进行网格划分时所得单元数目庞大，计算时 间冗长。为此，在进行模拟时，只取三个分层研究爆 破成井过程，分析其爆破成井机理。模拟时采用流 固耦合算法，模型中炸药采用E u l e r 网格，岩体和炮 泥采用L a g r a n g e 网格，而岩石材料、炸药材料和炮泥 材料间进行耦合分析。 模拟所需的材料模型包括岩石、炸药和充填物 3 种，其中炸药采用2 8 岩石乳化炸药，充填物为岩 粉。钻孔布置的平面图和装药剖面图分别如图2 、 图3 所示。 图2 钻孑L 布置平面罔 单位n l f l l F i g ．2 B l a s t h o l el a y o u tp l a n u n i t m m V 1V 1 0 1 0 1 0 1 一_ 一i 韧 C 一．_ 卜 l_ 一 o 一 I F - - _ 一 ． 卜 e I ，、J 0 1 一 。一 一i I 詈l o I 充填物 一 一1 t n 。c o 一 ＼■ 卜 _ 一 ． 卜， o I n o 0 1 一 _ 一 o 。。 ＼I 一 o ■ ∞ _ 一 C L n 0 1 边孔中心孔边孔 图3 钻孔分段装药剖面图 单位m F i g ．3 B o r e h o l es e c t i o nc h a r g ep r o f i l e u n i t m m 模型中的3 种材料都采用S o l i d l 6 4 三维实体单 元离散，每个单元都定义为A L E 多物质单元，这能 使所有材料都可以在网格内相互流动。数值模型如 图4 所示，有限元网格划分如图5 所示，模型一共划 分为7 3 5 0 0 个单元，7 5 9 3 9 个节点。 万方数据 第3 3 卷第3 期费鸿禄，徐易，张龙飞，等小断面急倾斜天井V C R 法一次爆破成井数值模拟研究 7 1 图4 数值模型 F i g ．4 N u m e r i c a lm o d e ㈥5M 格划分 F l g ．5 G r i dd i v i s i o n 2 ．2 材料模型 岩石材料模型采用术M A T P L A S T I C K I N E M A T I C ，它可模拟各向同性弹塑性材料，同时可实现 等向硬化，随动硬化和混合硬化，对考虑应变率影响 本构非常有效；炮泥材料模型选用木M A T J O H N - S O N H O L M Q U I S T C O N C R E T E ，该模型可用于模拟 混凝土承受大压力，高应变率和高压力。炸药材料 模型选用木M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N ，此模型 为高能炸药的建模，但应用时需要添加一个状态方 程，其状态方程采用J W L J o n e s - W i l k e n s L e e ，表达 式为 P A 一南 e 呐” B 一南 e 啦” 可t o E 式中P 为炸药起爆后炸药单元体内的压力；A 、B 、 尺。、R 、∞为试验确定的材料常量；V 为相对体积；E 为初始内能。以上参数的取值参考L S D Y N A 软件 手册‘1 4 , 1 5 ] 。 2 ．3 计算参数的选取 为了使得模拟的效果能更加接近工程实际，在 待开掘天井处取得符合要求的新鲜岩样若干，进行 物理力学性质测试，所得参数如表l 所示。在有钻 机工作且岩体与待掘天井位置岩体相似的地方提取 岩粉，在实验室进行一系列实验。根据量积法测得 岩石密度，采用T A W - 2 0 0 0 单轴．三轴试验仪测得岩 石的单轴、三轴抗压强度，利用Y A W - 2 0 0 0 液压伺服 压力机测试了岩石的抗拉强度，并用非金属超声检 测分析仪测试了岩石的纵波速度。 岩石的密度试验分天然密度和饱和密度，共分 3 组，每组5 个试件；三轴抗压试验分围压5M P a 、 1 0M P a 、1 5M P a 和2 0M P a 四组，每组3 个试件；单 轴分普通单轴和饱和单轴，每组5 个试件；单轴和三 轴所用试件均为直径5 0m m ，高1 0 0m m 的圆柱试 件；抗拉强度采用直径5 0m m ，高2 0m m 的圆柱试 件，选用了3 0 个试件。根据试验测得的数据，利用 计算机分析，最后测得岩石和炮泥和的力学参数如 表1 、表2 所示，2 8 岩石乳化炸药的参数参照文献 [ 1 6 ] 所得，如表3 所示。 表1 岩石力学参数 T a b l e1R o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s 弹性模量／ ⋯⋯． 密度／ 单轴抗压抗拉强度／ 纵波速度／ 粘聚力／内摩擦角／ M P a 川1 “。 k g ．m 一3 强度／M P a M P a m ．s 一1 M P a 。 3 9 ．9 90 ．3 32 6 6 38 0 ．5 66 ．2 75 4 6 1 ．9 01 8 ．2 52 5 ．1 6 表2 充填物力学参数 T a b l e2M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ff i l l i n gm a t e r i a l 表32 。岩石乳化炸药的材料参数 T a b l e3M a t e r i a lp a r a m e t e r so f2 ’R o c kE m u l s i o nE x p l o s i v e s 万方数据 爆破 2 0 1 6 年9 月 2 ．4 边界条件 由于建立的模型只考虑了对象的一部分，为使 模拟更接近实际情况，需要对模型的边界进行控制。 因为研究对象处于无限岩体的夹制作用下，故对模 型的各面采用无反射控制，这就与它们周围是无限 长实体岩石情况相符合。 3 模拟结果及分析 3 ．1 压力等值面分析 为研究同分层及分层间中心孔与边孔间隔起爆 的应力传播规律，选择4 个不同时刻进行应力分析。 0 ．0 0 2 0 5 时刻为第一分层中心孔及边孔已经起爆， L S D T i m e l s o s u T i m e 0 ．0 0 3 6 5 J S o g u r f a C e go fP r e s r a i n - 1 7 ．6 9 6 7 ．a t m a x 4 3 ．8 5 4 5 ．a te 第二分层中心孔起爆后的压应力等值面云图，可以 看出，中心孔药包起爆后，应力呈椭球状向边孔和自 由面方向扩展，而由于岩石夹制性的作用使得边孔 起爆后应力集中向中心孔方向传播；0 ．0 0 3 时刻为 第二分层边孑L 起爆后的压应力等值面云图，此时第 一分层所处区域处于塑性状态，第二分层中心孔爆 炸产生的压应力向第一分层方向传播并交汇 0 ．0 0 3 6 5 和0 ．0 4 7 时刻分别为第三分层中心孔和边 孔起爆时的压应力等值面云图，可以看出，这两个时 刻的压应力等值面分布规律与前两个时刻一致，且 第三分层中心孑L 和边孔爆破后的应力影响区域没有 因为分层增加而受到影响。见图6 。 T i m e 0 ．0 0 3 I s o s u r f a e e so fP r e s m i n 一1 6 ．7 9 5 8 ，a t m a x 4 16 3 2 3 ．a te 图6 不同时刻压力等值面图 F i g ．6 P r e s s u r ec o n t o u rm a po fd i f f e r e n tt i m e 3 ．2 V C R 法爆破成井过程塑性应变场分布 任何物体在外力作用下都会发生形变，撤走外 力之后，所引起的形变并不完全消失，而有剩余形变 称为塑性形变。利用S p l t w 功能按钮，对塑性应变 场进行多窗口显示，以便比较不同时刻的塑性应变 分布情况。图7 为不同时刻塑性应变场分布，采用 有效塑性应变等值面的形式进行显示。 取四个不同时刻塑性应变场分布情况进行分 析，可以看出，在0 ．0 0 0 7 5 时刻第一分层中心孔药包 起爆后，塑性应变场同压应力扩散规律一致，呈椭球 状扩散；0 ．0 0 2 0 5 时刻为第二分层中心孔药包起爆， 此时第一分层已经完全进入塑性状态，对第二分层 药包的起爆没有约束作用，相当于给第二分层提供 了足够的自由面及补偿空间；0 ．0 0 3 0 5 时刻为第二 分层边孔起爆，此时第二分层中心孔药包已经起爆 F r i n g eL e v e l s 1 ．9 8 8 e 0 1 1 ．6 1 7 e 0 1 ● 1 ．2 4 5 e 0 1 ■ 8 ．7 4 0 e 0 0 5 ．0 2 7 e 0 0 1 ．3 1 4 e 0 0 I 2 ．3 9 9 e 0 0 _ 6 ．1 1 2 e 0 0 - 9 ．8 2 5 e 0 0 - 1 ．3 5 4 e 0 1 ■ 17 2 5 P o I ■ 并形成了一个类似漏斗的塑性区域，这个区域的材 料不会对边孔起爆药包产生力的作用，使得边孔药 包爆炸后产生的应力向中心方向扩展；0 ．0 0 5 时刻 为第三分层边孑L 起爆，此时第一、第二分层及第三分 层中心孔作用范围已经完全进人塑性状态，而且此 时第三分层与第二分层之间的塑性应变场分布情况 与0 ．0 0 3 0 5 时刻第二分层与第一分层之间的塑性应 变场分布情况一致，说明随着分层的增加，岩石的夹 制作用并没有增强。 从不同时刻的压力等值面图和不同时刻塑性应 变场分布图可以看出，每分层各药包起爆后压应力 等值面云图和塑性应变场分布规律几乎一致且与 图1 同分层中心孑L 与边孔不等高装药V C R 法爆破 成井机理图 一致。这就从数值模拟的方面验证了 采用5 孔布置、分层爆破且同分层中心孔与边孔不 _景■■一■■■■- v O l 0 1 1 一O 0 O 0 0 0 0 O O 0 OL一 e e P e P e P e e e e e 目3 9 5 0 6 2 5 6 0 5 0 n 6 7 9 ●2 4 7 2 ●9 8 j ●5 9 4 8 2 5 3 l 0 6 兆■■P■■■■- V ll●●ll 0 0 O l l e O O O 0 O O 0 0 O 0 0 L十十 e e P e e e P e e e e e 目9 ，3 5 7 9 9 9●3● n 8 9 9 9 9 9 0 2 5 9 9 j 2 6 0 4 8 2 O 0 9 0 6 F 4 3 3 2 l l 7 l 4 l l 一 一 一 兆●■一■■■■■■■■ v 111111 O 0 0 1 1 P O O O O O 0 O O O O OL一十 e e e e e e e e e e e e 目5 O 4 9 3 8 4 7 6 4 0 n 8 7 5 3 2 0 2 8 8 5 7 ；3 7 1 5 9 3 9 6 3 ●7 万方数据 第3 3 卷第3 期 费鸿禄，徐易，张龙飞，等小断面急倾斜天井V C R 法一次爆破成井数值模拟研究 7 3 等高装药间隔起爆的这种成井方式可解决一次成井 过程中的岩石夹制性问题。 Time一0诫．00074999sosurfaces o fE f f e c _ tv eP l a s t i c S t r a i n r a i n 09 7 0 0 8 7a t elem24767紧／0／／max0 6 52 7 5a te l e a l 6 6 0 6 4 ／／ Ii ，，＼、。1 一．，， ．、．si 瞄彩 L S - D Y N Au s e ri n p u t r i n g eL e 5 1 3 e - O ．8 9 l e 一0 2 4 0 e 一0 6 4 9 e 一0 7 3 1 e 一0 ．5 9 4 e - 0 ．2 1 5 e - 0 8 3 7 e 一0 ．4 5 8 e - 0 0 8 0 e 一0 7 0 l e - 0 L S D Y N Au s e ri n p u t T i m e 0 ．0 0 2 0 5 ，c ≯ I s o s u r f a c e so fE f f e c t i v eP l a s t i cS t r a 正／ m i n 一1 ．7 8 1 3 1 ．a te l e m 4 2 5 7 ／， m a x o ．7 6 7 4 4 4 ．a le l e m 2 4 9 5 3 ／／． | f ， 。鳓’ L S - D Y N Au s e ri n p u t t ．、 戮s o s u r f a e e s 0 5 0 f E f i e e t i v eP螨lastic S t r d 矗j r a i n 29 6 4 5a t e l e m 1 6 2 7 2 1 3 1 0 6 7a te l e m 2 4 9 5 ／ I弋≯7 一．． } 囊缱乳{ m a x ． ， l ，7 y x 矗飞、渤 图7 小间时刻塑性应变场分布 F i g ．7 P l a s t i cs t r a i nf i e l dd i s t r i b u t i o na td i f f e r e n tt i m e 3 ．3 工程实例分析 某金矿为解决8 3 3m 中段 1 5 平 南沿通风问 题，拟开掘一条通风天井。此天井工程开口坐标 X 4 5 0 7 3 3 4 ．9 8 4 6 ，Y 3 7 3 8 4 2 7 0 ．1 8 5 8 ，Z 8 3 5 ．5 5 6 ；工程出口坐标X 4 5 0 7 3 3 4 ．9 8 4 6 ，Y 3 7 3 8 4 3 0 3 ．9 3 8 7 ，Z 8 6 6 ．0 6 3 。工程方位9 0 0 ，坡度 4 lo ，规格 宽高 1 ．8Z1 ．6m 2 。 试验时先采用普通法钻凿天井，最后留取5m 做V C R 法成井试验，从工程上验证本次数值模拟所 得结果的可靠性。当下部天井掘完之后，从1 4 水平 通风巷道倾斜向下钻凿钻孔，按图2 布置钻孔，每个 钻孔一次钻穿，与之前形成的天井相通。本次试验 装药时，采用2 。岩石乳化炸药，分三个分层，装药结 构图与图3 炮孔分段装药剖面图 一致，第一分层 中心炮孔下部填塞0 ．5m ，边孔填塞深度高于中心 孑L0 ．3m ，中心孔装药长度为lm ，边孑L 装药长度为 0 ．8m ；第二、三分层中心孔装药长度均为1m ，边孔 装药长度分别为0 ．8m 和0 ．7m ，各孔上部填塞均 为0 ．5m 。利用毫秒非电导爆管雷管进行微差起 爆，其中第一分层中心孑L 采用1 段，周边孔用3 段； 第二分层中心孑L 用5 段，周边孔用7 段，第三分层中 心孔用9 段，周边孔用1 1 段。 试验达到了预期效果，实现了5m 长小断面急 倾斜天井V C R 法一次爆破成井，从成井效果来看， 采用V C R 法成井的5m 天井整体成型较好，且在距 上部井口0 ．5 一1 ．4m ，2 ．0 2 ．9m ，3 ．3 4 ．4m 位 置的井壁有轻微的超挖现象，而这几个区间正是边 孔装药的位置，这说明上分层边孔药包起爆后能充 分破碎岩石，为下一分层中心孔起爆提供足够的补 偿空间，保证了受限自由面的范围，这与数值模拟结 果一致。该试验从工程上验证了采用5 孔布置、分 层爆破且同分层中心孔与边孔不等高装药间隔起爆 的这种成井方式可解决一次成井过程中的岩石夹制 性问题。 4 结语 1 通过使用A N S Y s ／L S ．D Y N A 3 D 非线性动力 学有限元软件对V C R 法分层爆破一次成井过程进 行三维模拟，比较形象直观地反映了岩石中爆炸有 效应力场和塑性应变场的产生、形成和相互叠加过 程，其模拟结果与现场工程实践基本相符。 2 通过对V C R 法成井机理的分析、现场取样 测试岩石物理力学参数、数值模拟和现场工程实例 对比分析可以得出采用5 孔布置，分层爆破且同分 层中心孔与边孔不等高装药间隔起爆可有效解决小 断面天井深孔爆破一次成井过程中所面临的岩石夹 制性问题。 3 所阐述的小断面天井深孔V C R 法分层爆 破一次成井法 5 孔布置，分层爆破且同分层中心孔 与边孑L 不等高装药间隔起爆一次成井 是基于常规 如■_一■■■■■■_ v 1，●3l●l 0 O 0 O 七0 O O 0 O 0 O 0 0 O OL一一一一一一一 e e e e e e e e e e e e 目4 6 7 8 ●9 8 7 2 6 ● n 7 2 7 ●2 6 ●，7 2 8 j 6 ●5 8 5 O 6 O 2 5 7 F 7 5，-2，-5 7i1 一 一 一 一 一 一 一 哪_一H■H 一 ．熹■■■一■■■■■■● v O●●2，●O O O O 0 e O 0 O O O O O O 0 O 0 L 一 一 一 一 一 e e e e e e e e e e e e 目●2 6 2 4 9 4 2 9 7 5 n l 3 5 1 9 6 5 8 0 3 6 i 3 8 5 8 9 2 2 6 ●5 9 F l 8 4 2 3 8 l ●2 2 2 一 一 一 一 一 一 一 如●_一■■■■■■■■ V O●●2●●0 0 0 O O P O O 0 0 0 O O 0 0 0 0 L 一 一 一 一 一 ，， ■』 ■ ■ ■ ● l{{f 静9 2 2 5 9 9 9 7 5 3 ● m 7 ●3 ●2 O 0 5 O 5 O ．引O 3 8 5 ●6 O 3 7 0 4 F l 7 3 3 3 6 1 1 l 2 2 万方数据 7 4 爆破 2 0 1 6 年9 月 深孔爆破一次成井 分层各孑L 等高装药同时起爆 的基础上提出的，该法主要为解决小断面天井深孔 爆破时岩石夹制性问题。 参考文献 R e f e r e n c e s 王长贵，王聚勇，孟中华．地下矿山天溜井施工方法的 探讨[ J ] ．采矿技术，2 0 0 8 ，8 5 1 9 - 2 1 ． W A N GC h a n g g u i ，W A N GJ u y o n g ，M E N GZ h o n g - h u a ． D i s c u s s i o no nc o n s t r u c t i o nm e t h o do fu n d e r g r o u n dm i n e [ J ] ．M i n i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ，8 5 1 9 - 2 1 ． i nC h i n e s e S T E R KPV ．D e v e l o p m e n to fd r o pr a i s eb l a s t i n ga tH o m e s t a k em i n e [ C ] f fP r o c e e d i n go ft h e1 7 t hA n n u a lC o n f e r ． e n c eo nE x p l o d i v e sa n dB l a s t i n gT e c h n i q u e [ s ．1 ．] [ S ． n ．] ，1 9 9 1 2 3 9 - 2 5 0 ． 李启月，徐敏，范作鹏，等．直眼掏槽破岩过程模拟 与空孔效应分析[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 4 2 3 - 2 6 ． UQ i - y u e ，X UM i n ，F A NZ u o p e n g ，e ta 1 ．S i m u l a t i o no f r o c kf a