江西化工稿件信息
基于结构面对露天矿山台阶爆破大块率影响研究*
李杰1，2,张力1
（1.保利新联爆破工程集团有限公司，贵州省 贵阳市 550002；2.贵州贵安新联爆破工程有限公司，贵州省 贵阳市 550002）
摘要：针对新疆别斯库都克露天矿岩石进行物理力学性质测定，建立岩层倾向与台阶面不同夹角模型，对岩层倾向与台阶面夹角在不同角度下爆炸应力波的数值模拟，结合现场不同角度下台阶爆破试验，得出岩层倾向与台阶面夹角小于30°在台阶自由面处，台阶爆破爆炸等效应力初始峰值变化不明显，夹角大于30°随着角度增加，等效应力初始峰值呈增大趋势。通过现场台阶爆破试验，可以得出在岩层倾向与台阶面夹角增大时，台阶爆破大块率随着夹角增加有减小的趋势，对岩层倾向与台阶面不同夹角提供相应参数优化调整指导。
关键词：结构面；物理力学性质；数值模拟
中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：
Study on the influence of structure surface on the block rate of bench blasting in open pit mine*
LI Jie1,2，ZHANG Li1
（1.Poly Xianlian Blasting Engineer Limited Corp, Guizhou Guiyang 550002，China；2.Guizhou Guian Xinlian Blasting Engineering Co., Ltd., Guizhou Guiyang 550002，China）
Abstract：The physical and mechanical properties of rock in Beishkuduke Open-pit Coal Mine in Xinjiang were measured, and the model of rock stratum inclination and different angle between bench surface was established. The numerical simulation of explosion stress wave at different angle between rock stratum inclination and bench surface was carried out. Combining with bench blasting test at different angle in site, it was concluded that the angle between rock stratum inclination and bench surface was less than 30 degrees at bench free surface and bench blasting exploded. The change of initial peak value of equivalent stress is not obvious. With the increase of angle, the initial peak value of equivalent stress increases. Through on-site bench blasting test, it can be concluded that when the angle between rock stratum tendency and bench surface increases, the block rate of bench blasting decreases with the increase of the angle, which provides guidance for optimizing and adjusting the parameters of rock stratum tendency and different angle between bench surface.
Key words：Structural plane; Physical and mechanical properties; Numerical simulation
1、工程概况
新疆别斯库都克露天矿矿区位于哈密地区巴里坤县大红柳峡乡，距乌鲁木齐市约560km，距巴里坤县150km，系保利能源旗下哈密市和翔工贸公司在疆两个露天矿之一。2011年11月开工建设，2013年8月正式投产，目前开采深度为126m，共11个剥离台阶，2个采煤台阶。露天矿地表境界东西长0.5~3.8km，南北宽1.0~3.8km，面积15.02km2。别斯库都克露天矿，设计产量3Mt/a,核定产能2Mt/a，岩石剥离量1350万方/年。
图1 别斯库都克矿坑
2、矿区岩石物理力学测定
2.1实验试件制备
实验岩块取自矿坑，如图2所示，并做好标记，然后钻取岩芯，将岩芯切割打磨，制作成尺寸约为100mm×50mm标准岩柱，如图3所示。对岩柱测量记录，如表1所示。
图2 实验岩块 图3 制备成型的岩柱
表1.岩石试件记录表
|
编号 |
高度/mm |
平均值/mm |
直径/mm |
平均值/mm |
质量/kg |
|||
|
A1 |
98.34 |
98.30 |
98.32 |
48.44 |
48.32 |
48.24 |
48.33 |
0.45 |
|
A2 |
97.96 |
97.86 |
97.91 |
48.10 |
48.00 |
48.24 |
48.11 |
0.44 |
|
A3 |
100.10 |
100.12 |
100.11 |
48.22 |
48.18 |
48.14 |
48.18 |
0.46 |
|
A4 |
100.00 |
100.00 |
100.00 |
48.20 |
48.24 |
48.14 |
48.19 |
0.45 |
|
A5 |
98.94 |
98.94 |
98.94 |
48.10 |
47.96 |
48.00 |
48.02 |
0.45 |
|
A6 |
100.02 |
100.22 |
100.12 |
47.84 |
48.06 |
48.10 |
48.00 |
0.45 |
2.2 岩石力学性质测定
对岩石密度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比进行测定[1-3]。抗压强度实验如图4所示。
图4 岩石抗压强度实验图
实验后，岩石试验呈现斜劈裂状破坏，如图5所示。
图5 破坏后岩石试件
实验数据记录如表2所示。
表2 实验记录表
|
编号 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
A6 |
平均值 |
|
破坏荷载（KN） |
75.60 |
71.55 |
70.30 |
79.15 |
83.15 |
85.7 |
77.58 |
2.3实验结果及分析
将实验数据进行整理计算，得出矿坑岩石力学相关参数如表3所示。
表3 岩石力学参数结果表
|
密度(Kg/M3) |
单轴抗 压强度/MPa |
抗拉强 度/MPa |
弹性模量/GPa |
泊松比 |
|
2563 |
45.50 |
6.23 |
35.1 |
0.25 |
3、数值模拟
根据测定岩石物理力学性质，建立模型进行数值模拟分析。模型尺寸以别斯库都克露天煤矿台阶真实尺寸为原型，台阶高度12m，超深1.5m，装药长度9.5m，堵塞长度4m，炮孔为垂直炮孔，炮孔直径为140mm。模型总高17m，模型顶面长度13m、宽度5m，模型底面长度13m、宽度10m，台阶坡面倾角为75 。模型尺寸如图6所示，对模型底面、背面、左面、右面分别施加无反射临界条件，使模型置于岩体内；对于台阶底盘、坡面、顶面处给予自由面条件，即不对波的发射与位移进行约束，使空气和岩体直接接触。[4-5]
图6 模型尺寸图
模型岩层层厚度均为2m，岩层间隙距离1cm，设置两个炮孔，炮孔位置如图7中a所示，模型共分为五组，设置一组没有岩层层理的模型作为参照，岩层倾向与台阶面的夹角分别为0 （如图7中c），30 （如图7中b），60 （如图7中d），90 （如图7中e）。
a.模型及炮孔位置图 b.无岩层层理的参照组
c.岩层倾向与台阶面夹角为0 d.岩层倾向与台阶面夹角为30
e.岩层倾向与台阶面夹角为60 f.岩层倾向与台阶面夹角为90
图7 台阶模型图
在实际台阶爆破中，炸药爆炸后，爆轰波达到峰值后，岩石以不具备其原生状态，峰值后，爆轰应力曲线已消失，在数值模拟中为了观测其等效应力，岩石始终处于原生状态，爆轰波达到应力峰值后，其等效应力初始峰值后，仍有应力曲线，但此处不考虑初始峰值后的应力曲线。在模型自由面中上部选取一个等效应力观测点，观测点在方格H71315位置处，如图7中a所示，两个炮孔同时起爆，起爆方式采用孔底起爆，炸药起爆后，爆轰从孔底往孔口方向传播，得出观测点的等效应力曲线图，如图8所示，炸药起爆后，孔内压力迅速上升，等效应力迅速达到峰值，由等效应力曲线图可以看出，夹角在0°和30°工况下，与没有岩层层理的对照组相比，三者的初始应力峰值差距较小；但在夹角为30°、60°和90°的情况初始应力峰值变依次升高。由此可得出，当岩层倾向与台阶面夹角小于30°时，岩层层理对爆炸应力波的影响较小，当岩层倾向与台阶面夹角大于30°度时，随着夹角的增大，岩层层理的存在使爆炸应力波初始峰值程增大趋势。
图8 爆炸等效应力曲线图
4、现场试验
选取四个台阶为试验对象，台阶岩层倾向与台阶面间夹角分别为12 、14 、57 、84 。台阶岩层情况如图9所示，台阶高度为12m，孔深在13-14m之间，超深1.5m，钻孔直径为120mm，孔网参数为3.5×6.5m，每次爆破布置四排炮孔，爆破前对台阶面岩层情况进行拍照并分析。爆破后采用数字图片块度分析软件Split-Desktop3.0对爆堆块度进行统计分析[6-7]，得出爆堆块度分布统计表，如表4所示。
a.岩层倾角与台阶面夹角12 b.岩层倾角与台阶面夹角14°
c.岩层倾角与台阶面夹角57 d.岩层倾角与台阶面夹角84°
图9 四个不同台阶岩层情况
图10 爆堆原始图片和软件初始处理后的图片
表4 爆堆块度分布表
|
孔排距(m×m) |
倾向与台阶面夹角(°) |
单耗(kg/M3) |
各种块度岩石所占体积分数/％ |
||||||
|
<20cm |
<30cm |
<50cm |
<75cm |
<100cm |
<120cm |
<150cm |
|||
|
3.5×6.5 |
12 |
0.46 |
38.66 |
54.34 |
66.80 |
80.87 |
89.67 |
94.78 |
98.17 |
|
14 |
0.47 |
39.78 |
55.26 |
66.39 |
80..86 |
92.09 |
95.32 |
97.56 |
|
|
57 |
0.46 |
38.09 |
56.78 |
68.56 |
82.95 |
93.89 |
97.77 |
99.38 |
|
|
84 |
0.47 |
38.66 |
50.43 |
69.63 |
85.46 |
96.19 |
99.93 |
100.00 |
|
通过对爆堆块度的统计得出，岩层倾向与台阶面夹角在12°和14°时，各尺寸块度所占百分比较均衡，块度大于1m所占的百分比均小于夹角在57°和84°情况下块度所占百分比，由此可得，夹角在12°和14°情况下大块率大于夹角在57°和84°情况下。
5、结论
通过对岩层倾向与台阶面夹角在不同角度下爆炸应力波的数值模拟，结合现场不同角度下台阶爆破试验，可得出岩层倾向与台阶面夹角在0°和30°范围内，在台阶自由面处，台阶爆破爆炸等效应力初始峰值变化不明显；在30°、60°、90°时，随着角度增加，等效应力初始峰值呈增大趋势，通过现场台阶爆破试验，可以得出在岩层倾向与台阶面夹角增大时，台阶爆破大块率随着夹角增加有减小的趋势。由于岩层间的厚度没有考虑在内，试验具有一定的局限性，但是从施工现场爆破情况来看，岩层倾向与台阶表面夹角较大，爆破后大块度率较高，说明岩层倾向与台阶表面夹角增大时，采用相同的孔网参数，倾角大时爆破大块率偏低。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准编写组．DY-94岩石物理力学性质试验规程[S]．北京：地质出版社，1994．
[2] 吴姜.岩石力学实验指导[M].贵阳：贵州大学出版社，2015
[3] 黄书岭，冯夏庭，张传庆．脆性岩石广义多轴应变能强度准则及试验验证[J]．岩石力学与工程学报，2008，27(1)：124-134.
[4] 李秀虎,郭连军,潘博,胡银林.节理岩体爆破数值模拟研究[J].辽宁科技大学学报,2017,40(05):390-395.
[5] 李明杰,张红军,秦鹏渊,王嘉慧,李江华.白云鄂博铁矿中深孔爆破数值模拟及应用[J].金属矿山,2018(10):24-30.
[6] 璩世杰.爆堆矿岩块度分布的计算机图像自动处理系统 [J].金属矿山，2013，6（5）：1-4.
[7] 郭强，车爱兰等，黄醒春，等.用摄影测量方法研究岩体破碎区域分布规律[J].地下空间与工程学报，2012，（2）：318-322.
