露天礦臺(tái)階垂直中深孔爆破設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

露天礦臺(tái)階垂直中深孔爆破設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

1爆破設(shè)計(jì)與模擬在露天開采過程中，爆炸設(shè)計(jì)的具體方法和方法是影響設(shè)計(jì)結(jié)果和最終爆炸效果的重要因素。因此,爆破設(shè)計(jì)的方式與方法不僅為現(xiàn)場爆破技術(shù)工作者所關(guān)注,也是多年來國內(nèi)外爆破研究領(lǐng)域里的一項(xiàng)重要研究課題。在絕大多數(shù)情況下,采用依個(gè)人經(jīng)驗(yàn)選取爆破參數(shù)的方法,難以對復(fù)雜的爆區(qū)地形條件、爆區(qū)內(nèi)礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、炸藥爆炸性能三類對爆破效果具有直接影響的關(guān)鍵因素進(jìn)行準(zhǔn)確的綜合定量分析,無法保證爆破設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性,不利于有效地控制爆破效果和鉆爆生產(chǎn)成本。近二十多年來,國內(nèi)外一些爆破研究者將工程爆破專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合,先后提出了工程爆破計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和爆破模擬的概念,以取代工程爆破傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)方式與方法,并為此進(jìn)行了不少具有積極意義的嘗試和探索。但是,使用計(jì)算機(jī)爆破設(shè)計(jì)與模擬軟件進(jìn)行爆破設(shè)計(jì),至關(guān)重要的是如何提高其實(shí)用性和有效性,使之適應(yīng)現(xiàn)場地質(zhì)與地形條件的復(fù)雜性和不規(guī)則性,并能獲得預(yù)期的爆破效果。Blast-Code模型則較好地解決了這方面的問題。爆破設(shè)計(jì)與模擬Blast-Code模型的基本功能是:對露天礦臺(tái)階垂直炮孔爆破條件下的爆區(qū)地形、爆區(qū)內(nèi)礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造特征、炸藥爆炸性能三類對爆破效果具有直接影響的關(guān)鍵因素進(jìn)行綜合分析,在此基礎(chǔ)上以礦巖可爆性指數(shù)為主要依據(jù),同時(shí)充分考慮爆區(qū)的形狀以及臺(tái)階自由面條件(包括臺(tái)階自由面的性質(zhì),如清碴或壓碴),由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行完整的爆破設(shè)計(jì),并可對礦巖的破碎效果和爆堆形狀進(jìn)行定量的模擬和預(yù)測。Blast-Code模型同時(shí)提供了爆破參數(shù)選取的人工干預(yù)和鉆孔爆破成本計(jì)算功能,可對多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比和分析,對于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化爆破具有重要意義。2爆破設(shè)計(jì)的量化分析在爆破工藝一定的情況下,爆破設(shè)計(jì)的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基于對爆區(qū)條件的了解以及這種條件對爆破效果的影響的認(rèn)識和判斷,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。顯然,這種了解是否準(zhǔn)確和全面,以及這種認(rèn)識和判斷是否與實(shí)際相符,將直接影響到設(shè)計(jì)的結(jié)果和最終爆破效果。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(shí)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(jì)參數(shù)合理性的兩個(gè)關(guān)鍵,也是所有計(jì)算機(jī)爆破設(shè)計(jì)與模擬軟件系統(tǒng)所必須具有的兩個(gè)基本內(nèi)容。Blast-Code模型的基本構(gòu)成如圖1。在Blast-Code模型中,采場地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫按屬性以圖形和數(shù)值數(shù)據(jù)描述了水廠鐵礦各采場的地質(zhì)地形狀況,從而可為計(jì)算機(jī)爆破設(shè)計(jì)等后續(xù)工作迅速提供關(guān)于爆區(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)的選擇提供可靠的依據(jù)。爆破設(shè)計(jì)的任務(wù)包括:根據(jù)設(shè)計(jì)者選定的炮孔直徑和炸藥種類以及炸藥的基本性能指標(biāo),同時(shí)基于采場地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫自動(dòng)提供的地質(zhì)地形信息和爆區(qū)內(nèi)礦巖可爆性分級結(jié)果,自動(dòng)進(jìn)行孔網(wǎng)參數(shù)與孔位設(shè)計(jì)、炮孔裝藥量和孔口填塞高度設(shè)計(jì)以及炮孔起爆順序和微差時(shí)間設(shè)計(jì)。爆破模擬的內(nèi)容則包括爆破作用范圍分析與預(yù)測、爆堆三維形態(tài)模擬、爆堆礦巖松散系數(shù)與平均塊度(可包括塊度均勻指數(shù))計(jì)算、爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(包括炸藥單位消耗量、炮孔延米爆破量以及鉆爆生產(chǎn)成本)統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。爆破數(shù)據(jù)庫包括炸藥數(shù)據(jù)庫和爆破設(shè)計(jì)文件存檔兩方面的內(nèi)容,前者用于輸入和存儲(chǔ)可選炸藥的名稱與爆炸性能基本參數(shù),后者用于存儲(chǔ)歷次爆破設(shè)計(jì)文件,以供事后查詢和調(diào)用。3自動(dòng)地質(zhì)實(shí)時(shí)識別水廠鐵礦采場地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫是采用VC6.0計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言、并以O(shè)bjectARX為二次開發(fā)工具對AutoCADR14進(jìn)行二次開發(fā)建立起來的。根據(jù)實(shí)測地形地質(zhì)原始數(shù)據(jù),該系統(tǒng)可即時(shí)地自動(dòng)生成采場臺(tái)階坡頂線和坡底線、實(shí)測點(diǎn)坐標(biāo)以及地質(zhì)構(gòu)造界線和礦巖分界線,并按屬性劃分礦巖種類。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除具有目前一般礦山數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)圖形的輸入與輸出等基本功能外,其突出特點(diǎn)是能對采場任意區(qū)域內(nèi)的礦巖分布及礦巖物理力學(xué)性質(zhì)等屬性自動(dòng)查詢和識別,對區(qū)域內(nèi)各類礦巖的體積與質(zhì)量自動(dòng)計(jì)算,為實(shí)現(xiàn)臺(tái)階爆破計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì),同時(shí)保證參數(shù)選擇的科學(xué)性,提供了更為全面和可靠的數(shù)據(jù)條件和技術(shù)基礎(chǔ)。其主要內(nèi)容及功能如下。3.1地質(zhì)構(gòu)造及可爆性分區(qū)信息(1)三維坐標(biāo)系統(tǒng)(2)地質(zhì)信息、數(shù)據(jù):①礦巖分界線及礦巖分布區(qū)域;②礦巖種類及其物理力學(xué)等基本參數(shù)(如礦巖普氏系數(shù)f、密度ρ等);③地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及原巖(按礦巖種類)節(jié)理裂隙發(fā)育特性參數(shù);④基于可爆性分級數(shù)學(xué)模型的礦巖可爆性分區(qū)。(3)地形信息、數(shù)據(jù):采場實(shí)測點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z);臺(tái)階坡頂線與坡底線。3.2主要功能(1)地質(zhì)地形分析線的識別根據(jù)原始實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)按屬性生成、儲(chǔ)存和輸出各種地質(zhì)地形數(shù)據(jù)與圖線,并可在必要時(shí)以自動(dòng)或手工方式對其進(jìn)行修正。圖2為數(shù)據(jù)庫自動(dòng)生成的水廠鐵礦南采場的地質(zhì)地形平面圖。(2)礦巖的圖形處理及礦巖數(shù)量統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)計(jì)算可根據(jù)系統(tǒng)各功能模塊發(fā)出的指令自動(dòng)查詢、識別圖形目標(biāo)(包括圖線和圖形等)和任一給定區(qū)域內(nèi)各類礦巖的性質(zhì)參數(shù),并自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的圖形處理以及與圖形屬性有關(guān)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算(如對任一給定區(qū)域內(nèi)礦巖分布范圍的自動(dòng)確定及對礦(巖)量的計(jì)算等)。(3)數(shù)據(jù)庫地形內(nèi)容更新當(dāng)爆破設(shè)計(jì)得到確認(rèn)和實(shí)施時(shí),計(jì)算機(jī)可根據(jù)爆破破碎范圍的預(yù)測結(jié)果或現(xiàn)場地形變化的實(shí)測結(jié)果,自動(dòng)對數(shù)據(jù)庫地形內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的更新。地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫所具有的上述功能特點(diǎn),對于提高爆破設(shè)計(jì)等各種后續(xù)工程應(yīng)用軟件的集成程度、自動(dòng)化程度和運(yùn)行速度,最大限度地減少手工工作量以及各種可能的人為因素的不利影響,保證計(jì)算與處理結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,都具有極為重要的意義。4孔網(wǎng)參數(shù)和炸藥單位消耗量的確定根據(jù)礦巖可爆性指數(shù)對水廠鐵礦各采區(qū)進(jìn)行了礦巖可爆性分級與分區(qū)。礦巖的可爆性指數(shù)是綜合反映礦巖爆破難易程度的一個(gè)專項(xiàng)指標(biāo),也是確定孔網(wǎng)參數(shù)和炸藥單位消耗量的主要依據(jù)。從實(shí)質(zhì)上講,分級和分區(qū)是礦巖可爆性指數(shù)的另外兩種具體的表達(dá)形式,其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的可視化,從而增進(jìn)人對設(shè)計(jì)過程的了解和判斷。因此,在采場地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上確定采場礦巖的可爆性指數(shù),同時(shí)進(jìn)行可爆性分級與分區(qū),是Blast-Code模型的另一重要內(nèi)容。4.1礦巖可爆性研究大量的研究和經(jīng)驗(yàn)均表明,巖體爆破的難易程度主要取決于巖石的密度和普氏系數(shù)以及巖體內(nèi)節(jié)理裂隙等地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育程度。在一般情況下,巖石的密度越大,普氏系數(shù)越高,巖石的破壞和位移所需要的能量就越多;但僅僅用巖石的密度和普氏系數(shù)等物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)還不能對巖體的可爆性進(jìn)行足夠準(zhǔn)確和可靠地描述。就露天礦山的炮孔爆破而言,巖體的破碎絕大多數(shù)是沿著原巖中的節(jié)理裂隙等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面發(fā)生的,即礦巖的破碎效果在很大程度上取決于原巖地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育程度。觀察爆堆巖塊的表面特征也可得出類似的結(jié)論。根據(jù)以上分析,同時(shí)也基于可行、實(shí)用和有效的原則,Blast-Code模型采用巖石的密度ρ、普氏系數(shù)f以及巖體的節(jié)理裂隙平均間距d三項(xiàng)指標(biāo)作為衡量礦巖可爆性的標(biāo)準(zhǔn)。水廠鐵礦主要礦巖的有關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)列于表1。4.2可爆性指數(shù)根據(jù)上述三項(xiàng)指標(biāo)的測定和統(tǒng)計(jì)結(jié)果,水廠鐵礦礦巖可爆破性指數(shù)由下式表示:ξ=F(A,B,ρ,f,d,α,β)(1)ξ=F(A,B,ρ,f,d,α,β)(1)式中:ξ為礦巖可爆性指數(shù);ρ為巖石密度,g/cm3;f為巖石普氏系數(shù);d為巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)面平均間距,cm;A、B、α、β為常數(shù)。當(dāng)爆區(qū)的位置一定時(shí),地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫將對爆區(qū)內(nèi)礦巖的種類及其分布區(qū)域自動(dòng)進(jìn)行識別,同時(shí)按礦巖種類對ρ、f以及d三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)查詢,最終求出爆區(qū)內(nèi)各類礦巖的ξ值。5爆破區(qū)計(jì)算機(jī)破乳爆破設(shè)計(jì)與模擬模塊是Blast-Code模型的核心,其任務(wù)是在爆區(qū)地質(zhì)與地形等給定條件下,由計(jì)算機(jī)做出完整的爆破設(shè)計(jì),且能保證以較低的鉆爆生產(chǎn)成本獲得良好的爆破破碎效果。5.1爆破質(zhì)量趨勢預(yù)測(1)打開地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫,用鼠標(biāo)指定爆破地點(diǎn)并圈定爆破范圍;(2)給定鉆機(jī)號、炮孔直徑和(設(shè)計(jì)文件用)爆區(qū)上、下水平名義標(biāo)高(下水平名義標(biāo)高同下水平設(shè)計(jì)標(biāo)高);(3)人工選擇炮孔裝藥種類及輸入炸藥爆炸性能參數(shù);(4)爆區(qū)礦巖可爆性計(jì)算機(jī)自動(dòng)分級或分區(qū)(如圖3所示);(5)炮孔位置與深度的計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì);(6)炮孔裝藥量、孔口填塞高度和炮孔起爆順序及雷管段別自動(dòng)設(shè)計(jì);(7)爆破破碎有效作用范圍自動(dòng)預(yù)測;(8)爆堆三維形狀模擬;(9)爆堆礦巖松散系數(shù)、平均塊度、塊度均勻性指數(shù)自動(dòng)計(jì)算;(10)爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(如炸藥單耗和炮孔延米爆破量及鉆爆成本)計(jì)算;(11)生成設(shè)計(jì)文件(如爆破指令書、穿孔任務(wù)書、爆破參數(shù)計(jì)算表和炮孔坐標(biāo)清單)。5.2炮孔起爆技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對于臺(tái)階垂直中深孔微差爆破而言,主要的爆破參數(shù)包括炮孔間距(孔距)a、排距b、單孔負(fù)擔(dān)面積S(m2)、孔深(含超深)H(m)、炮孔裝藥量Q(kg)和孔口填塞高度H′(m)以及決定炮孔起爆微差間隔時(shí)間t的雷管段別。具體設(shè)計(jì)方法如下:S=f1(Ce,ξ,η);a=(S·m)1/2;b=S/a;H=(Hkou-Hdi)+h;q=f2(Ce,ξ,η);Q=qS(Hkou-Hdi)ρ;H′=H-4000Q/(π?2ρe)。式中:?為炮孔直徑,mm;η為以?=250mm為基準(zhǔn)的炮孔直徑系數(shù),η=?/250;ξ為炮孔所在位置礦巖可爆性指數(shù);m為炮孔鄰近系數(shù),m=a/b;q為炮孔所在位置礦巖的炸藥單位消耗量,kg/t;ρe為炸藥密度,g/cm3;Ce為與炸藥爆炸性能有關(guān)的系數(shù);Hkou、Hdi、h分別為孔口標(biāo)高、臺(tái)階下水平設(shè)計(jì)標(biāo)高和炮孔超深,m;ρ為礦(巖)體容重,g/cm3。雷管段別決定了炮孔的起爆順序和起爆微差間隔時(shí)間。在炮孔起爆方式一定的前提下,綜合考慮炮孔起爆瞬間抵抗線單位長度的最佳微差間隔時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)雷管產(chǎn)品的微差時(shí)間設(shè)計(jì)值兩方面因素的影響,是炮孔雷管段別設(shè)計(jì)的基本原則。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,各個(gè)炮孔的位置與深度、裝藥參數(shù)、填塞高度和微差雷管段別的設(shè)計(jì)結(jié)果以及爆破設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均詳列于穿孔任務(wù)書(含如圖4所示的炮孔布置平面圖)、爆破參數(shù)計(jì)算表及炮孔坐標(biāo)一覽表(限于篇幅,本文從略)。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出的是,在采用Blast-Code模型進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)的過程中,為同一爆區(qū)內(nèi)的各種礦巖所選定的爆破參數(shù)(如炮孔間距a、排距b以及炸藥單耗等),取決于該炮孔所在位置礦巖的可爆性指數(shù)值的大小,而且只是確定炮孔位置和炮孔裝藥量的基本依據(jù)之一,具體的孔位和炮孔裝藥量設(shè)計(jì)還需要計(jì)算機(jī)根據(jù)對各炮孔起爆瞬間的自由面條件而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。圖3所示的爆區(qū)之炮孔孔位與起爆順序計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。該爆破設(shè)計(jì)的基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為:炮孔直徑250mm;炮孔47個(gè);礦巖總量97792.76t(其中磁鐵礦32889.60t、片麻巖58850.52t、斷層6052.64t);炸藥總消耗量19935kg(其中銨油炸藥12280kg、乳化炸藥7655kg);延米爆破量126t/m;綜合炸藥單耗0.204kg/t。5.3爆破參數(shù)結(jié)果分析Blast-Code模型的爆破效果預(yù)測與模擬部分的數(shù)學(xué)模型在實(shí)質(zhì)上是一個(gè)以最小抵抗線理論為指導(dǎo),同時(shí)基于爆堆輪廓線具有Weibul分布特征假設(shè)的工程統(tǒng)計(jì)模型。它認(rèn)為炮孔起爆瞬間的自由面條件、炮孔周圍礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造特征以及炸藥爆炸性能與炮孔裝藥量是影響爆破效果(具體包括爆破破碎有效作用范圍、爆堆形狀及爆堆礦巖破碎塊度和松散系數(shù))的關(guān)鍵因素,并采用統(tǒng)計(jì)分析的手段建立和驗(yàn)證這種影響因素與實(shí)際效果之間的數(shù)量關(guān)系。對圖3和圖4所示的爆區(qū)進(jìn)行爆破效果預(yù)測和模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比如圖5所示,具體數(shù)據(jù)為:爆堆礦巖松散系數(shù)1.27,平均塊度24.96cm,爆堆隆起最大高度4.74m,爆堆前沖最大距離(自炮孔中心所在位置算起)25.8m,后沖破壞最大距離5.32m。對于礦巖破碎效果的預(yù)測以及對爆堆形狀的模擬,可為設(shè)計(jì)者改進(jìn)設(shè)計(jì)、修正爆破設(shè)計(jì)參數(shù)提供較為全面的參考依據(jù),以取得較為理想的爆破效果。這包括:(1)適當(dāng)?shù)谋崖∑鸶叨群颓皼_距離以及由之決定的爆堆礦巖松散系數(shù),以提高電鏟挖掘效率;(2)控制礦巖塊度,同時(shí)避免因孔深設(shè)計(jì)的偏差可能導(dǎo)致的電鏟超挖或欠挖現(xiàn)象;(3)控制爆堆礦巖的最大前沖距離,以保證爆區(qū)外圍設(shè)備與人員的安全。6自動(dòng)計(jì)算爆破成本成本爆破設(shè)計(jì)的優(yōu)化就是在保證爆破效果滿足要求的前提下使鉆爆成本最小。采用Blast-Code模型,根據(jù)設(shè)計(jì)過程中輸入的鉆孔及炸藥與起爆器材的單價(jià),可以自動(dòng)計(jì)算出每次爆破的鉆爆總成本(元)和單位成本(元/m3或元/t)。因此,對同一爆區(qū)選用不同的炸藥和(或)修改爆破設(shè)計(jì)參數(shù),可以按成本和預(yù)測的爆破效果對不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較,并從中做出選擇,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化爆破。7地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫(1)Blast-Code模型綜合考慮了爆區(qū)地形及臺(tái)階自由面條件、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造特征、炸藥爆炸性能三類對爆破效果具有直接影響的關(guān)鍵因素,并據(jù)此確定爆破設(shè)計(jì)參數(shù),為臺(tái)階垂直中深孔爆破的設(shè)計(jì)工作提供了一種有效、實(shí)用的新手段。(2)采用露天礦采場地質(zhì)地形數(shù)據(jù)庫技術(shù),實(shí)現(xiàn)了采場地質(zhì)地形和礦巖物理力學(xué)性質(zhì)等基本條件數(shù)據(jù)的即時(shí)輸入和分析,為爆破設(shè)計(jì)以及對爆破破碎效果預(yù)測和爆堆形狀模擬提供了必要的前提條件。(3)在爆破設(shè)計(jì)過程中對爆區(qū)平面形狀和臺(tái)階坡頂線的不規(guī)則性、臺(tái)階自由面條