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兰坪架崖山露天矿水压爆破试验研究

作　者: 马春华
导　师: 穆大耀
学　校: 昆明理工大学
专　业: 采矿工程
关键词: 深孔水压爆破节理裂隙岩体数值模拟
分类号: TD235
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在露天采矿中,目前广泛采用凿岩爆破法,而应用最多的是深孔爆破。一般而言,深孔爆破有着诸多优点：爆后块度比较均匀,不合格大块率较低,解炮几率大为减小；爆破负面效应：爆破震动、个别飞散物、空气冲击波相对较小,爆破的安全性大为提高,爆破现场数据也便于收集；施工工序简单,机械化程度较高,除爆破的短时间内需要设置警戒,撤离人员、机械外,其他时间都可以利用露天采场点多面广的特点同时进行各工序间的平行或交叉作业,使施工速度异常迅速；炸药单耗较低,采矿综合成本相对较低等等。但爆破多节理裂隙岩体时,深孔爆破却存在着炮孔上部大块偏多,孔底又容易出现根底等问题,一般矿山为解决此类问题,往往采取减小孔网参数,缩短孔口填塞长度等措施。这样以来,钻孔总延米就要增加很多,炸药用量也随之增加,从而使钻爆成本居高不下,爆破对周边环境的影响也显得更加突出。在多节理裂隙矿岩中施工时,兰坪架崖山露天深孔爆破便存在上述爆破大块、根底较多的问题,而采取传统的调整孔网参数、增加炸药量等措施在经济上既不合算又会产生爆破震动、空气冲击波等环境问题。为解决在多节理裂隙露天矿深孔爆破中存在的以上这种“两难”问题,本文从岩体爆破理论分析入手,对岩体爆破损伤的基本原理、节理裂隙岩体爆破特性、水压爆破作用原理、深孔水压爆破装药结构等几方面进行了深入研究。利用ANSYS/LS-DYNA显式非线性动力分析软件对炮孔上部、中部、底部、上部和底部同时水袋间隔装药的深孔水压爆破与常规深孔爆破进行了数值模拟。在理论分析与数值模拟的基础上,在兰坪架崖山露天采场中进行了多组不同装药结构的深孔水压爆破试验,充分利用水介质不可压缩的特性来达到破碎岩石的作用。通过理论分析、模拟和试验研究得出以下结论：(1)深孔水压爆破可以降低炮孔的峰值压力和准静态压力,避免或很大程度上减小爆破粉碎区的存在,大大减少炸药用在使岩石过度破碎上所做的无用功。在常规爆破中,炸药破碎岩石的能量仅占炸药能量的10%—20%,水压爆破使炸药的能量更充分的用于破岩,炸药能量利用率可得到提高；(2)基于水的微可压缩性,在深孔水压爆破中,间隔水具有很好的传能作用,可以均匀、无损的将爆炸压力与能量传递给周围岩石,破岩效率大为提高；(3)在多节理裂隙岩体爆破中,炮孔中的间隔水对爆炸高压气体起到了暂时的“密封”作用,使爆生气体不致过早的从裂隙中泄漏,加之水的密度比空气的密度大很多,与岩体的摩擦阻力也比空气更大。所以,水的存在,一方面大大延长了压力对炮孔周围岩石的作用时间,另一方面,在高压下水被挤进节理裂隙中,因阻力作用水会向节理面或裂隙面施加强大的压力,并在裂隙尖端产生应力的集中,起到“水楔”的作用。这种压力,对于裂隙来说则是一种使裂隙张开、扩展的力,具有撕裂岩石的效用；(4)通过ANSYS/LS-DYNA软件室内模拟情况来看,在深孔水压爆破的四种装药结构中,在炮孔中部设置水袋间隔段和在炮孔底部与上部同时设置水袋间隔段两种装药结构都能取得更加良好的爆破效果。结合现场试验结果,这种结论在节理裂隙岩体的深孔水压爆破中依然成立,都在很大程度上降低了炸药单耗,爆破块度的均匀性得到很大改善,爆破噪音、个别飞散物、震动得到了更好的控制。但从经济与施工方面看,在炮孔底部与上部设置水间隔段更经济适用,只需在炮孔中装一段炸药,操作简单便捷。综上所述,深孔水压爆破在架崖山铅锌矿多节理裂隙岩体爆破中取得了良好的爆破效果：间隔水段缩短了孔口炮泥填塞长度,使炮孔中炸药重心上移,改善了炮孔上部周围岩石的破碎质量与均匀性；间隔水段既缩短了装药长度,又无损的将爆炸能量均匀的传递给孔壁；挤入裂隙中的水使节理面张开、撕裂和分岔。兰坪架崖山露天采场研究实践表明,深孔水压爆破是一种节能环保、高效适用的爆破新方法。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-18
  1.1 研究背景与意义  10-11
    1.1.1 研究背景  10
    1.1.2 研究意义  10-11
  1.2 国内外研究状况  11-16
    1.2.1 国外研究状况  11-12
      1.2.1.1 节理岩体爆破理论研究  11-12
      1.2.1.2 水压爆破研究  12
    1.2.2 国内研究历史及现状  12-15
      1.2.2.1 节理岩体爆破理论研究  12-13
      1.2.2.2 水压爆破研究  13-15
    1.2.3 存在的问题  15-16
  1.3 研究内容及技术路线  16-17
    1.3.1 研究内容  16
    1.3.2 技术路线  16-17
  1.4 论文的创新点  17-18
第二章水压爆破基本理论  18-41
  2.1 岩石爆破作用的一般原理  18-20
    2.1.1 岩石爆破破岩过程  18
    2.1.2 岩石爆破破岩一般理论  18-20
  2.2 岩体爆破累积损伤效应  20-22
  2.3 节理裂隙岩体性质及爆破中远区损伤机制  22-31
    2.3.1 节理裂隙岩体要素、性质间的关系  22-25
    2.3.2 节理裂隙岩体爆破中远区岩体损伤机制  25-31
  2.4 水压爆破作用原理  31-37
    2.4.1 水间隔装药炮孔爆炸现象  31-33
    2.4.2 水间隔段冲击波参数及基本关系  33-36
    2.4.3 水在岩体破碎中的作用  36-37
      2.4.3.1 水的储能、缓冲作用  36
      2.4.3.2 水对孔壁裂隙的扩展、撕裂作用  36-37
  2.5 深孔水压爆破装药结构研究  37-39
  2.6 本章小结  39-41
第三章深孔水压爆破数值模拟  41-62
  3.1 ANSYS/LS-DYNA模拟软件  41-42
    3.1.1 软件概述  41
    3.1.2 算法  41-42
  3.2 建模方案与分析步骤  42-48
    3.2.1 建模方案  42-43
    3.2.2 建模参数说明  43-46
      3.2.2.1 建模基本假定  43-44
      3.2.2.2 单位制的确定  44
      3.2.2.3 材料参数与状态方程  44-46
    3.2.3 分析步骤  46-48
      3.2.3.1 有限元模型的建立  46-48
      3.2.3.2 施加载荷与求解  48
  3.3 模拟结果及分析  48-60
    3.3.1 有效应力峰值分析  48-54
    3.3.2 炮孔周围有效应力的分布情况  54-57
    3.3.3 孔壁压应力分析  57-60
  3.4 本章小结  60-62
第四章现场试验及结果分析  62-80
  4.1 兰坪架崖山露天矿概况  62-63
  4.2 兰坪架崖山露天矿爆破现状及存在的问题  63-65
  4.3 乳化炸药及岩石波阻抗的现场测算  65-67
  4.4 深孔水压爆破现场试验  67-79
    4.4.1 试验材料及设备  67
    4.4.2 试验方案及结果  67-79
      4.4.2.1 装药结构的选择与确定  68-75
      4.4.2.2 降低单孔药量的试验  75-77
      4.4.2.3 不同高度台阶的应用试验  77-79
  4.5 本章小结  79-80
第五章结论与展望  80-82
  5.1 结论  80
  5.2 展望  80-82
致谢  82-83
参考文献  83-87
附录  87-89

兰坪架崖山露天矿水压爆破试验研究

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