铜绿山矿井下采场深孔爆破参数优化与安全控制技术数值模拟研究.pdf

中图分类号 U D C T D 2 3 5 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 3 3 密级公珏 铜绿山矿井下采场深孔爆破参数优化与 安全控制技术数值模拟研究 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nR e s e a r c ho f D e e p - - H o l eB l a s t i n g P a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o na n dS a f e t yC o n t r o li n T o n g l u s h a nM i n eU n d e r g r o u n dS t o p e s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 论文答辩日期塑j ；} 陈震 采矿工程 采矿工艺、爆破 资源与安全工程学院 胡建华副教授 史秀志教授 ‘7 答辩委员会主 中南大学 二零一三年五月 一令一二，牛血月 厂 专 俐 ＼ y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名璐、囊 日期巫年』月卑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名歪缸整 导师签名 吼蚣血声 铜绿山矿井下采场深孑L 爆破参数优化与安全控制技术 数值模拟研究 摘要本文以铜绿山矿井下深孔精细化爆破技术研究课题为依托，以 数值模拟为研究手段，对其深孔爆破采场爆破参数和安全控制方面存 在的关键技术难题进行研究。研究的主要内容和取得的研究成果如 下 1 根据铜绿山矿深孔爆破采场岩石的物理力学参数和爆破参数，采 用A N S Y S ／L S ．D Y N A 模拟不同孔径和装药结构矿岩爆破裂纹扩展的过 程，分析岩体爆破裂纹生长的机理，得到岩体粉碎区和裂隙区的范围。 研究表明，不耦合装药结构能够减少爆炸能量在粉碎区的过度消耗，减 小粉碎区的半径大小，并且对裂隙区的扩展有着积极的作用；小孔径爆 破与大孔径相比质点峰值振速衰减曲线的拐点趋于明显。工程应用当 中，建议采用小孔径不耦合装药结构以控制爆破振动。 2 采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 对2 6 种爆破模型进行数值模拟，确定采场 的最佳孔网参数。模拟结果表明，采用3 条药卷不耦合装药结构时， 1 6 5 m m 、1 2 7 m m 、l1 0 m m 直径炮孔爆破的最佳孔网参数分别为3 ．0 m X 2 ．6 m 、2 ．6 m X 2 ．6 m 、2 ．4 m X 2 ．2 m 。采用2 条药卷不耦合装药结构时，1 6 5 r a m 直径炮孔爆破的最佳孔网参数为3 ．0 m X2 ．6 m 。 3 采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 对1O 种不同起爆方式爆破模型进行模 拟，用以确定爆破的最大段药量。结果表明，在总药量不变的情况下， 采用微差起爆方式减小爆破的最大段药量可以有效的减小爆炸产生的 振动；通过对爆破数值模拟监测数据进行一元线性回归，得到不同影响 因素下的萨道夫斯基公式，进而研究地下深孔爆破振动的传播规律，并 求出了不同爆心距的爆破最大段药量，对于地下深孔爆破振动控制以及 相关类似的工程有一定的参考价值。 4 采用U D E C 离散元软件进行不同围岩发育程度的凿岩硐室在加 载不同爆破振动载荷工况下硐室围岩失稳的数值模拟，分析爆破振动对 地下硐室结构稳定性影响。结果表明，导致硐室围岩开始破坏的节理间 距、内聚力和内摩擦角的临界折减系数分别为初始设置值的1 ．6 7 、1 ．8 3 和1 ．3 6 倍；导致硐室围岩开始破坏的爆破地震波峰值振速和持续时间 的临界折减系数分别为初始设置值的O ．5 和5 ．O 倍；采用喷锚联合支护 T T 能够有效提高围岩节理裂隙发育的地下硐室的自身承载能力和抗震防 爆能力。 图8 8 幅，表4 0 个，参考文献8 3 篇 关键词地下矿山；深孔爆破；爆破参数；安全控制；A N S Y S ／L S ．D Y N A ； U D E C 分类号T D 2 3 5 ．3 3 ；T D 2 3 5 ．4 7 I I I N u m e r i c a lS i m u l a t i o nR e s e a r c ho fD e e p - H o l eB l a s t i n g P a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o na n dS a f e t yCo n t r o l i nT o n g l u s h a nM i n eU n d e r g r o u n dS t o p e s A b s t r a c t T h ep a p e rb a s e do nt h er e s e a r c h p r o g r a mo fu n d e r g r o u n d d e e p - h o l ee l a b o r a t eb l a s t i n gt e c h n o l o g yi nT o n g l u s h a nm i n e ．I ta d o p t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf o rr e s e a r c hm e t h o d ，m a d es t u d yo nt h e k e yb l a s t i n gt e c h n o l o g i e si nb l a s t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n ds a f e t y c o n t r o lt h a td e 印- h o l eb l a s t i n gs t o p ee x i s t i n g ．H e r ew e r et h em a i nc o n t e n to f t h ep a p e ra n di t sr e s e a r c hr e s u l t s 1 B a s e do np r o p e r t i e so f r o c km a s sa n dp a r a m e t e r so fe x p l o s i v e ，a u t h o r u s e dA N S Y S ／L S - D Y N At os i m u l a t et h ep r o c e s so fr o c kb l a s t i n gc r a c k p r o p a g a t i o nu n d e rd i f f e r e n tp o r es i z e a n dc h a r g i n gc o n s t r u c t i o n ，a n d a n a l y s e st h em e c h a n i s m o fr o c kc r a c kg e n e r a t i n g ．I ti so b t a i n e dt h er a d i u so f r o c k c r u s h i n g z o n ea n df r a c t u r e dz o n e ．T h er e s u l ti n d i c a t e d t h a t ， N o n c o u p l i n gc h a r g i n gc o n s t r u c t i o nc a nr e d u c et h ee x c e s s i v ec o n s u m p t i o n o fb l a s t i n ge n e r g yi nt h ec r u s h i n gz o n ea n dr e d u c et h es i z eo ft h ec r u s h i n g z o n e ．I na d d i t i o n ，i th a sap o s i t i v ee f f e c to nt h ee x t e n s i o no ff r a c t u r ez o n e ． C o m p a r i n gW i t hl a r g e h o l eb l a s t i n g ，S m a l l h o l eb l a s t i n g ’Si n f l e c t i o np o i n t o ft h eP P Vc u r v eb e c o m e sm o r eo b v i o u s ．I ti sr e c o m m e n d e dt h a tu s e s m a l l - h o l e n o n - - c o u p l i n gc h a r g e c o n s t r u c t i o nt oc o n t r o lt h e b l a s t i n g v i b r a t i o ni ne n g i n e e r i n gf i e l d s ． 2 I tu s e dA N S Y S ／L S - D Y N At os i m u l a t e2 6t y p e sb l a s t i n gn u m e r i c a l m o d e l s ，i no r d e rt od e t e r m i n et h eb e s tn e t w o r kp a r a m e t e r so fd e e p h o l e b l a s t i n gs t o p e ．S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，u s i n g3c a r t r i d g en o n c o u p l i n g c h a r g ec o n s t r u c t i o n ，w h e nb l a s th o l ea r e16 5 m m ，1 2 7 m ma n d110 m mi n d i a m e t e r ，t h eb e s tn e t w o r kp a r a m e t e r sa r e3 ．0 m 2 ．6 m 、2 ．6 m 2 ．6 ma n d 2 ．4 mX 2 ．2 m ．u s i n g2c a r t r i d g en o n c o u p l i n gc h a r g ec o n s t r u c t i o n ，w h e n b l a s th o l ea r e16 5 m mi nd i a m e t e r ，t h eb e s tn e t w o r kp a r a m e t e r sa r e3 ．0 m 2 ．6 m ． 3 I tu s e dA N S Y S ／L S D Y N At os i m u l a t e10t y p e sb l a s t i n gn u m e r i c a l I V m o d e l si nd i f f e r e n tw a y so fi n i t i a t i o n ，i no r d e rt oc o n t r o lm a x i m u m e x p l o s i v ec h a r g ef i r e da tt h es a m et i m e ．T h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t ，w h e n t h et o t a le x p l o s i v ec h a r g ei sk e p tc o n s t a n t ，u s i n gt h es h o r t - d e l a yb l a s t i n g m e t h o dc a nr e d u c et h ee x p l o s i v ev i b r a t i o ne f f i c a c i o u s l y ．T h r o u g ha n a l y s e s t h em o n i t o r i n gd a t ao fb l a s t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yt h eu n a r yl i n e a r r e g r e s s i o nm e t h o d ，t h eS a d a o v s kf o r m u l aw a sd e f i n e dw i t hc o n s i d e r a t i o no n d i f f e r e n tf a c t o r s ．A n dt h e nt h ep r o p a g a t i o nl a wo fu n d e r g r o u n dd e e p h o l e b l a s t i n gv i b r a t i o nw a sr e s e a r c h e d ．F i n a l l y ，t h em a x i m u me x p l o s i v ec h a r g e f i r e da tt h es a m et i m ew h i c hc o r r e s p o n d st ot h eb l a s tc e n t e rd i s t a n c eW a s f i g u r e do u t ．I th a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rb l a s t i n gv i b r a t i o nc o n t r o lo f u n d e r g r o u n dd e e p h o l ea n dt h es i m i l a rp r o j e c t s ． 4 I tu s e dt h eD E M s i m u l a t i o ns o f t w a r eU D E Ct os i m u l a t et h ep r o c e s so f d r i l l i n gc h a m b e r ’Sw a l lr o c kc o l l a p s ea n df a l l ．T h r o u g hd e f i n i n gw a l lr o c ki n d i f f e r e n td e v e l o p m e n td e g r e ea n dl o a d i n gd i f f e r e n tb l a s t i n gv i b r a t i o n ，w e c a na n a l y s et h ei n f l u e n c eo fb l a s t i n gv i b r a t i o no nu n d e r g r o u n dc h a m b e r s ． T h er e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nc r i t i c a lr e d u c t i o nf a c t o ro ft h es p a c eo f j o i n t s ， i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e sa n dc o h e s i v es t r e n g t h sw e r e1 ．6 7 ，1 ．8 3a n d1 ．3 6 t i m e so fi n i t i a lv a l u e sr e s p e c t i v e l y ，d r i l l i n gc h a m b e r ’Sw a l lr o c kb e g a nt o c o l l a p s e ．W h e nc r i t i c a lr e d u c t i o nf a c t o ro fp e a kp a r t i c a lv e l o c i t y P P V a n d d u r a t i o no fb l a s t i n gs e i s m i cw a v e sw e r e0 ．5a n d5 ．0t i m e so fi n i t i a lv a l u e s r e s p e c t i v e l y ，d r i l l i n gc h a m b e r ’Sw a l lr o c kb e g a nt oc o l l a p s e ．C o m b i n a t i o no f a n c h o r a g ea n ds h o t c r e t es u p p o r t c a n i m p r o v ew e i g h t l e s s r o c km a s s u n d e r g r o u n dc h a m b e r s ’s a f e t yl o a d c a r r y i n ga b i l i t y a n d e x p l o s i o n p r o t e c t i o na b i l i t ye f f i c i e n c y ． K e y w o r d s u n d e r g r o u n dm i n e ，D e e p h o l eb l a s t i n g ，n e t w o r kp a r a m e t e r s ， s a l t yc o n t r o l ，A N S Y S ／L S - D Y N A ，U D E C C l a s s i f i c a t i o n T D 2 3 5 ．3 3 ；T D 2 3 5 ．4 7 V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 回采爆破工艺简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 井下深孔孔径优选及装药结构优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．2 大直径深孔采场孔网参数优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．3 深孔爆破最大段药量控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．4 爆破振动对地下硐室结构稳定性影响研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．5 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 深孔孔径优选及装药结构优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 ．1 常用深孔爆破炮孔直径确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 最佳不耦合系数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 深孔爆破破岩理论及破坏范围计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 破岩过程数值建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．4 ．1 建模及网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．2 模拟算法的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．4 ．3 本构模型及材料参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 ．4 材料失效准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．5 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．5 ．1 粉碎区、裂隙区的范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．5 ．2 爆炸冲击波应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．6 ．3 振速分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 2 ．6 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 大直径深孔采场孔网参数优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．1 孔网参数选取范围计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 孔网参数数值建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．3 爆炸数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 V I 3 ．3 ．11 6 5 m m 炮孔的最佳孔网参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．3 ．21 2 7 m m 炮孔的最佳孔网参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．3 ．31l O m m 炮孔的最佳孔网参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．3 ．41 6 5 m m 炮孔减少药量比对试验的最佳孔网参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 深孔爆破最大段药量控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．1 建模及参数赋值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．2 爆炸数值模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．2 ．1 确定监测的物理量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．2 ．2 确定测点的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．2 ．3 模拟爆破振动监测数据整理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 爆破峰值振动速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．4 爆破振动传播规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．4 ．1 回归分析原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．4 ．2 深孔爆破振动回归分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4 ．3 最大段药量控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 4 ．5 本章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 爆破振动对地下硐室结构稳定性影响的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 离散元软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．2 ．1 初期开挖地下硐室静力平衡计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．2 ．2 添加初始动载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．3 破碎围岩地下硐室在动载荷下失效机理的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 ．1 节理间距对动载荷下围岩稳固性的敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 ．2 节理内聚力对动载荷下围岩稳固性的敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．3 ．3 节理内摩擦角对动载荷下围岩稳固性的敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．3 ．4 围岩破碎程度同步弱化时围岩稳固性的机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 5 ．4 爆破振动导致地下硐室围岩失稳机理的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．4 ．1 爆破振动峰值振速对围岩稳固性的敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．4 ．2 爆破振动频率对围岩稳固性的敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．4 ．3 爆破振动对持续时间围岩稳固性的敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 5 ．5 动载荷下地下硐室围岩的加固和支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 6 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 ⅥI 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 9 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 7 V I I I 中南大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 V C R 采矿法是地下大直径深孔采矿方法的一种，其最大优点的是单个采场 生产能力大、作业相对安全，可以满足矿山较大的生产任务，在国内外矿山得到 了广泛的应用【l 捌。但是该方法也存在大块率高、爆破振动大等缺点，尤其是矿 岩节理裂隙发育的情况下，V C R 法采场经常出现冒顶、片帮等现象，严重时导 致临近采场全部垮落，更有甚者导致上部中段充填体垮落，从而导致生产事故【3 】。 为了从根本上解决V C R 采矿方法存在的问题，本文以铜绿山矿井下深孔精细化 爆破技术研究课题为依托，利用数值模拟为手段，对现有的V C R 采矿方法在爆 破参数和安全控制方面进行工艺上的改进。 1 ．1 研究背景、研究目的及意义 铜绿山铜铁矿是大冶有色金属公司下属的大型主体铜金属矿山，其矿床是多 种金属矿床，以铜、铁金属为主，伴生金、银、钴、钼、镓、铟等稀有贵金属。 矿产资源储量大、品位高、远景好，是我国大型铜金属生产基地之一。 直到上世纪8 0 年代，铜绿山铜铁矿井下任然采用留点条柱的上向水平分层水 砂充填采矿方法，该采矿方法适用于厚度薄、形态复杂的矿体，而对于急倾斜厚 大矿体需要一种高效、生产成本低、生产能力大的采矿方法。从1 9 9 0 年1 月开始， 该矿进行V C R 采矿方法试验【4 ，5 1 ，于1 9 9 5 年取得初步成功，并且得到广泛的推广。 随后V C R 采矿法一直成为铜绿山矿供矿的主力，取得了较好的经济效益。目前铜 绿山铜铁矿回采的矿体主要是Ⅲ号与Ⅳ号矿体，Ⅲ号与Ⅳ号矿体回采主要是在 ．3 0 5 m 中段、3 6 5 m 中段和．4 2 5 m 中段进行。其中Ⅲ号矿体走向约6 0 0 多米，矿体厚 度在7 m 至8 0 m 之间，随着采深的不断增加，矿体逐渐变薄，尤其到了．4 2 5 m 中段， Ⅲ号矿体厚度骤减，平均约为3 0 m ，并且矿体节理发育，岩性复杂属中等稳固至 不稳固岩体，开采难度日益加大。 经历了近二十年的生产实践，铜绿山矿V C R 采矿方法在工艺上获得了不少的 改进和完善，取得了一定的经验，但是依然存在着许多问题。由于近年来铜绿山 矿矿岩稳固性变差，节理裂隙发育，导致部分V C R 采场出现冒顶、片帮、垮塌等 现象，致使采矿作业被迫中止，严重影响正常的生产任务。例如，7 3 1 2 采场凿岩 硐室在回采开始阶段就出现了局部垮塌，破顶后向下冒落，导致上部6 3 0 7 采场垮 塌。7 3 1 5 采场凿岩硐室出现局部片帮塌落。7 3 2 0 采场在上采2 0 m 后采场和硐室垮 塌。6 3 2 1 采场两侧充填体垮塌，采三分之二后放弃回采。5 3 0 9 采场凿岩硐室拉开 中南大学硕士学位论文1 绪论 后出现垮塌，最终放弃回采等。为了提高V C R f i 采场作业的安全性，避免出现生 产事故，提高采矿作业效率，保证矿山生产任务的顺利进行，铜绿山铜铁矿与中 南大学合作，对现有的V C R f ；采矿工艺进行改进，并提供- 4 2 5 中段的8 3 4 1 采场作 为试验采场进行现场爆破试验，为矿山优化出合理的深孔爆破参数以及制定安全 控制措施。 1 ．2 回采爆破工艺简介 1 铜绿山矿V C R 法采场矿石回采工艺 以- 4 2 5 中段的8 3 4 1 试验采场为例，该采场位于- 4 2 5 m 中段Ⅲ号矿体。该区域 围岩上盘有矽卡岩、斜长石、大理岩，主体为大理岩；下盘有大理岩、矽卡岩， 主体为矽卡岩，属于中等稳固岩体；矿体主要是含铜铁矽卡岩，采场内节理中等 发育。本实验采场为矿房采场，垂直走向布置，采场宽1 0 m ，长5 8 m 。上部硐室 布置在四分段，底板标高．3 7 8 m ，沿采场轴线方向平行布置两条凿岩硐室，断面 尺寸为4 m x 3 ．5 m ，硐室之间留2 m 宽的条柱，并每隔8 ～1 0 m 用联络道贯通，顶柱高 8 m 。下部堑沟布置在一分段，采用脉外斗出矿，底板标高- 4 1 7 m ，底柱高8 m 。 该采场的结构布置适用于绝大多数铜绿山矿V C R 法采场，因此，本课题研究的深 孔爆破参数也适用于该矿山绝大多数的V C R 法采场。铜绿山矿V C R 采场采矿工艺 如下图1 ．1 所示。 本文主要侧重于对铜绿山矿V C R 采矿方法爆破参数进行优化设计，通过前期 的考察，了解其采场目前采用的主要爆破工艺为 ①矿山现用S i m b a 2 6 1 潜孔钻机在凿岩硐室内钻凿下向平行深孔，钻孔直径 1 6 5 m m ，沿采场走向布置四排炮孔，孔网参数2 ．5 m X3 ．0 m ； ②利用V C R 法在采场端头超前形成小断面切割槽，切割槽面积为6 m x l o m ， 孔距和排距为2 ．0 3 ．0 m ，采用高威力乳化油炸药球状药包耦合装药结构爆破； ③回采爆破以切割槽为自由面和补偿空间，采用柱状药包侧向崩矿方式落 矿； ④采场底部矿石采用电动铲运机出矿，出矿作业与爆破作业平行进行。 2 铜绿山矿V C R 采矿方法爆破工艺存在的关键技术难题 ①目前铜绿山矿V C R 爆破落矿采用的炮孔直径是1 6 5 m m ，为了降低爆破振 动，改善爆破效果，有必要减小炮孔直径，但是炮孔直径太小会导致装药扫孔困 难，从而降低了生产效率，因此需要优化拟定合理的炮孔直径。 ②由于不耦合条件下炸药爆炸应力脉冲幅值要比耦合时小很多，因此爆破振 动幅值下降很多；岩石爆破振动幅值大约和不耦合系数的1 ．5 次方成比例。 铜绿山矿目前没有采用不耦合装药，可对不耦合装药条件下炸药破岩作用进 2 中南大学硕士学位论文 绪论 行研究分析，在不影响爆破效果的前提下，确定最佳的装药结构。 图1 - 18 3 4 1 采场V C R 采矿方法示意图 I 凿岩硐室2 炮孔3 堑沟底郜结构4 装矿进路5 运输平巷6 溜井7 通风人秆短井 孔网参数，尤其是最小抵抗线，对爆破振动影响很大。最小抵抗线的大小 不但影响爆破振动峰值质点速度，而且影响爆破振动频率，随着最小抵抗线的增 大，爆破振动频率有减小的趋势，而低频振动造成的破坏更大。 铜绿山矿目前孔网参数是2o 也5 m 30 m ，需要在保证爆炸破岩效果的条件 下，对其进行优化调整，得出爆破振动低、经济合理的孔网参数。 ④众多研究表明，最大单段药量越大爆破振动峰值质点速度越大，药量与振 幅之间符合相似定律。因此通过控制爆破规模。可以达到控制爆破振动的目的。 在微差爆破中质点振动速度峰值则是随虽大段药量的增大而增大。 铜绿山矿V C R 爆破落矿目前没有设定最大单段药量，需确定既满足生产要求 又满足爆破振动控制要求的单段药量。 V C R 法采场凿岩硐室是回采过程中人员与机械设备作业的场所，其稳定性 关乎作业人员和设备的安全，是整个矿石回采过程中最重要的部分。影响V C R 法采场硐室稳定性的因素有很多，包括采场所在处矿岩质量、地下水、采场结构 尺寸、支护条件以及爆破振动的影响等【6 ，”。其中，矿岩质量、地下水等地质因 中南大学硕士学位论文1 绪论 素是天然形成的，不可改变，但采场支护条件和震源因素可以通过优化施工设计， 人为地进行控制。若采场硐室矿岩节理裂隙发育，顶板、边帮暴露面积大，未采 用合理的支护措施会增加了冒顶、片帮的风险；而且，在井下采矿生产过程中， 大规模或频繁的爆破作业产生的爆破振动可能会导致采场顶板、边帮处高应力集 中或内部损伤，为矿石的回采带来一定的安全隐患，甚或造成岩体灾变失稳的后 果。 因此，预测矿岩节理裂隙发育程度和爆破振动对采场硐室稳定性的影响，降 低爆破地震效应，采取合理的支护方法来控制冒顶、片帮的风险是目前铜绿山矿 V C R 法采场迫切需要解决的难题。 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 井下深孔孔径优选及装药结构优化研究现状 从国内外V C R 法矿山爆破参数实例可知，井下深孔爆破炮孔直径一般采用 1 6 0 , - , 1 6 5 m m ，个别为11 0 ～1 5 0 m m 。加拿大L e v a c k 矿和桦树矿V C R 法深孔孔径均 为1 6 5 m m ，金川二矿区V C R 法回采采用R O C 3 0 6 潜孔钻机下向钻凿1 6 5 m m 长 1 6 ．5 ～2 2 ．0 m 的钻孔，凡口铅锌矿选用铜陵有色集团生产的T 1 0 0 型潜孔钻机钻孔孔 径为11 0 m m 的深孔。高f l a t 8 】认为采用小孑L 径爆破时，质点振动速度衰减有明显的 拐点，大孔径爆破时，质点振动速度衰减没有明显拐点；小孔径爆破质点振动速 度随等效距离衰减较快，大孔径爆破质点振动速度随等效距离衰减较慢。李占炎 【9 】通过优化胡家峪铜矿生产爆破参数进行现场试验，得出小孔径爆破与大孔径爆 破相比能够显著降低炸药单耗，改善爆破效果。王淑亮【1 0 】通过对比9 0 m m 和 1 4 5 m m 孔径中深孔爆破效果，得出小孔径爆破爆堆集中，大块率低，适用于节理 发育、裂隙和溶洞伴生的地质构造的矿山。 在工程实践中，为了实现预期的爆破效果，炮孔往往采用非传统方式的装药 结构用以调节炸药能量的分布和控制爆破振动。学者们认为空气间隔不耦合装药 结构能够有效的改善破岩块度，提高爆破效率，降低爆破成本，控制采场超采、 跨帮现象，可将爆破振动降至低点。 上世界四十年代，前苏联学者M e l n i o k o v 和M a r c h e n k o v t l l 】率先提出通过在炮 孔中间隔空气的装药方式来控制炮孔近区岩体的过度粉碎，减小炸药能量在粉碎 区的过度消耗，这种技术称为空气间隔装药爆破技术。保证爆破质量的前提下， M e l n i o k o v 重点对空气