周边孔聚能装置间隔装药在光面爆破中的应用研究

隧道光面爆破工程的周边孔需要采用间隔装药方式,而大部分间隔装药方式采用“导爆索+雷管”联合起爆技术,此技术具有一定的局限性且经常发生拒爆现象。如何在保证隧道掘进效率的前提下提高光面爆破效果成为目前亟待解决的难题,从现场试验方面开展相关研究,提出“聚能装置+数码电子雷管”新型联合起爆技术,将其应用于高原某隧道,通过与原始的“导爆索+数码电子雷管”联合起爆技术的爆破后效果进行对比分析。实验结果表明:对比原始技术,新技术炸药单耗降低了0.2 kg/m^(3),半孔留痕率提高了5%,平均装药时间由原来的1.3 h降为1.0 h,稳定循环进尺的同时极大降低了耗材费用,提高了隧道光面爆破效果。

基于K-Means聚类与熵权TOPSIS法的岩石可爆性评价研究

露天矿山的爆破块度分布,直接影响到后续的采装、运输和破碎工作。为了控制石墨矿山不同区域爆破块度分布,基于K-means无监督聚类学习法与熵权TOPSIS评价法建立了一种新的岩石可爆性评价模型,选取岩石密度、动力能量耗散率、动态抗压强度、平均应变率、脆性指数作为评价指标,通过熵权计算,发现岩石破碎程度受脆性指数影响最大,受平均应变率影响最小。将此模型应用于实际石墨矿山,可爆性分为10个等级,统计不同分级下的岩石平均破碎粒径,发现可爆性分级等级越高平均粒径越大,有明显的分级特征,验证了模型的有效性。从爆破石墨矿石岩体类型看,岩石可爆性从易到难排序为:片岩、片麻岩、变粒岩、混合岩。结合石墨矿石微观观测结果分析可知:岩性从片岩向混合岩转变,岩石内部石墨晶质呈下降趋势,石墨矿石可爆性等级也随之越来越高。岩石密度、能量耗散率、动态抗压强度之间呈线性正相关,岩石可爆性与平均应变率、脆性指数存在负相关性。研究成果为矿山矿岩可爆性评价提供了一条新思路,对露天矿山爆破块度优化具有一定的理论和实践指导意义。

深部破碎软岩巷道超前控顶加固及控制爆破技术

随着矿山开采深度逐渐增加,深部破碎围岩工程地质条件转为复杂多变,极大程度上影响巷道等工程施工过程及后续使用安全;为确保深部破碎软岩巷道施工过程中安全及质量,提出了软岩巷道超前控顶加固及控制爆破技术。针对钟九铁矿-550 m水平6号交岔点岩体裂隙极为发育、稳定性差等特点,拟采用超前控顶措施加固顶板围岩,提高深部破碎软岩巷道的承载力。为便于6号交岔点掘进施工,沿6号交岔点东北侧方向划分17个掘进区,并采用“四步”台阶法分段施工。针对同段起爆数码电子雷管,起爆器系统可随机设置单发雷管起爆间隔时间为3~5 ms,实现同段炮孔单孔单响,降低爆破振动对6号交岔点影响。根据不同掘进区总体岩性情况,优化支护方式(管棚支护、W型钢带及锚索支护等联合支护方式等),确保6号交岔点后续使用期安全。试验结果表明:采用超前控顶加固、控制分区爆破技术,降低破碎软岩巷道顶板偏帮、下沉,保证6号交岔点断面成型效果,削减其支护、后期维护等综合成本达8.7%,该技术可为类似巷道施工提供一定指导建议。

水电站边坡智能爆破设计与管控系统研究

水利工程爆破施工具有周期长、规模大的特点,传统爆破设计与施工管控方式难以满足当前水利工程的建设和发展要求,研究建立平台化、网络化、智能化的爆破设计与管控系统具有重大的工程意义。基于BIM、WebGIS和已开发的爆破设计软件,利用Angular框架和SpringBoot框架,采用前、后端分离式方法开发了智能爆破设计与管控系统,系统由智能爆破设计模块、三维可视化模块、数字化爆破管控模块以及智能安全评价及预测预警模块四个功能模块组成,实现了智能爆破设计与全流程爆破审核功能一体化,能够根据现场实际施工情况,采用模型参数化动态联合裁剪方法,选取开挖轮廓线上的控制点进行智能爆破设计,生成爆破设计方案,并将设计方案上传审查,有效地促进了爆破全流程的标准化、信息化、数字化管理,加强设计、施工、监理等单位的实时交互办公。该系统在叶巴滩水电站边坡爆破开挖工程的应用结果表明,系统能有效进行爆破设计,并提高管控效率,可为水电站边坡爆破设计开挖施工提供技术支持。

宽孔距爆破模型试验及近场动力学计算研究

针对宽孔距爆破破岩技术中炮孔密集系数合理取值的问题,在总结国内外宽孔距爆破破岩机理的基础上,开展了炮孔密集系数为1.7、2.5、3.5、4.5的有机玻璃板室内爆破试验,并基于常规态型近场动力学原理,开发了爆破计算模块,对宽孔距爆破破岩中裂纹扩展过程、介质位移响应规律进行了研究。结果表明:临空面一侧的径向裂纹受到临空面反射拉伸应力波的作用,表现出向临空面拐角分叉的特征,并逐渐向临空面扩展,最后形成主裂纹组成漏斗形状。在最小抵抗线固定不变条件下,随着炮孔密集系数的增加,应力降低区逐渐增大,同排炮孔间的径向贯通裂隙消失,过大的炮孔密集系数也进一步造成前后排孔间贯通裂纹消失,最后导致单孔爆破的情况发生。位移计算结果进一步证实了上述规律,并且当炮孔密集系数较小时,前排炮孔留下的岩埂刚好被后排炮孔爆破破碎,随着炮孔密集系数的增大,后排孔爆破对前排炮孔所留下的岩埂破碎作用效果逐渐降低。建议实际工程中根据岩体力学性质、地质条件以及爆破目的适当调整密集系数来降低炸药单耗与大块率。

爆破振动在岩质边坡坡面的放大机制研究

岩质边坡坡面的爆破振动放大现象,影响着边坡爆破振动监测及安全评价的准确性。采用数值模拟方法,研究了边坡坡面的振动放大现象,基于结构动力学原理,根据振型分析理论揭示了边坡坡面振动放大机制。数值模拟结果表明:边坡振动放大现象主要发生在台阶坡顶线附近区域,受台阶突出物几何尺寸及岩体物理力学参数的影响,随着平台宽度增大、台阶高度减小、台阶坡比减小以及岩体工程质量等级的降低,台阶坡顶线位置振动速度峰值相对于台阶坡底线位置的振动放大现象逐渐显著,但第一主应力分布与振动速度峰值分布规律相反,因此为了更准确地进行爆破振动安全评价,建议将监测点布置于台阶坡底线位置。振型分析结果表明:台阶突出物的低阶振型中坡底线位置与坡顶线位置的振动速度峰值之比随着台阶几何尺寸及物理力学参数的变化规律与数值模拟计算结果一致。由此可见:边坡坡面的振动放大效应主要由台阶突出物几何尺寸及岩体物理力学参数决定的低阶振型控制。

砂质泥岩巷道顶板定向爆破不耦合装药系数优化与应用

聚能爆破技术在沿空留巷工程项目中有着重要的作用,装药结构问题一直是目前讨论的热点及难点。对于目前沿空留巷顶板超前预裂装药长度尚没有明确的指标情况下,以孟津煤矿二_2-11031工作面轨道顺槽为研究背景,提出了等长装药顶板预裂技术,为明确最优装药结构,本文通过LS-DYNA数值模拟软件建立了三维定向聚能爆破模型,改变轴向药柱的长度,以裂纹扩展长度和应力衰减速率为分析指标,通过数值模拟可知,轴向不耦合系数在1.25~1.7之间径向切缝距离约为40 cm,轴向切缝距离约为80 cm,相比轴向不耦合系数在2~3之间,切缝距离分别提高了25%和12.5%;轴向不耦合系数在1.25~3之间,应力衰减速度均小于1,能量利用最为合理;将轴向不耦合系数α=1.25~2的装药结构在孟津煤矿二_2-11031工作面轨道顺槽进行顶板定向爆破实验,对预裂爆破后的两炮孔中线进行钻孔窥视,观察到4种爆破方案,两炮孔之间沿切缝方向裂纹均已经完全贯通,裂纹光滑平整,现场应用效果良好,结合经济性、安全性两方面考虑,不耦合系数α=1.7为最优;研究结果表明等长装药结构可以代替传统的三段式装药结构。研究结果可以为今后类似的项目提供参考。

基于GDEM-BlockDyna的不同装药结构对爆堆形态影响研究

论文以某石灰石矿山为背景,针对矿山开采过程中存在的问题,以装药结构对爆堆形态分布的影响为主线,采用理论分析、GDEM-BlockDyna数值模拟及现场优化试验相结合的方法,展开了台阶爆破爆堆形态分布研究,分析了爆堆形态随装药结构的变化规律。爆堆松散度和抛掷距离会随着间隔段上部装药比例的增加先上升后下降,而爆堆高度总体呈下降趋势,但在空气间隔比例较大时会先减小后增加,爆堆坡面角会随着间隔段上部装药比例的增加而增加,但比例过高时则会下降。研究成果表明:爆堆形态随装药结构呈现出一定的变化规律,通过数值模拟方法,有效优化了装药结构,改善了现场爆堆形态,提升了矿山经济效益,可以为类似矿山生产提供指导。

基于根底控制的深孔台阶爆破超深优选方法

在露天台阶爆破中,根底是衡量爆破效果的一个重要指标,其中爆破参数钻孔超深对根底的形成有着最为直接的影响。为探究深孔台阶爆破中钻孔超深对爆后台阶面平整度的影响,基于岩石损伤力学等基本理论,通过对工程中岩体损伤变量与波速间关系的统计分析,定义岩体发生损伤的临界损伤变量阈值D_(d)为0.2,临界破碎状态岩体的损伤阈值D_(t)为0.8。在综合考虑拉压损伤效应的岩石动力学损伤模型的基础上,利用LS-DYNA动力有限元软件,模拟不同钻孔超深条件下的台阶爆破损伤范围;基于岩体临界破碎状态的损伤变量阈值,绘制爆后台阶面的起伏分布图像,并利用图像进行量化分析,通过比较确定最优的钻孔超深,保证上台阶岩体充分破坏的同时,不影响下台阶面的施工。最后,结合鄂州机场土石方深孔台阶爆破的实际情况,验证了钻孔超深对爆破根底的影响机制,总结得到一种确定深孔台阶爆破最佳超深取值的优选方法,通过优化超深取值改善爆后新台阶面的平整度。

静态爆破剂水化速率对矿体力学及损伤作用机制研究

为了研究静态爆破剂水化速率对矿体力学及损伤作用机制,利用应力-损伤耦合模型进行了不同水化速率下矿体力学损伤数值模拟,分析了水化速率对矿体应力场及损伤区演化规律影响,揭示了钻孔布置模型对水化速率作用的机制。研究结果表明:静态爆破损伤区发育可以分为压实阶段、微损伤形成阶段、损伤区发育阶段、损伤区贯通阶段等4个阶段,其中损伤区发育、贯通阶段应力作用最为显著;矿体应力场及损伤区随着水化速率的增大而增加,并且在快速释能初期水化速率对应力场及损伤区影响差异性较小,快速释能后期水化速率对应力场及损伤区影响差异性显著;钻孔布置模型影响水化速率作用机制,其中单孔力学模型下水化速率促进膨胀压差异性,双孔力学模型下水化速率促进应力叠加,导向孔布置模型最为显著,初期水化速率加快应力运移,后期水化速率促进应力叠加,在时间维度和应力维度的共同作用下造成损伤区扩展、贯通;本次数值模拟和现场测试方案中,静态爆破剂水化速率1.8 MPa/min,钻孔直径113 mm,钻孔间距1000 mm,合理的孔间距与钻孔直径比η=9,导向孔布置模型可有效地致裂矿体、产生大量损伤区。该研究为提高静态爆破技术的致裂效果及施工布置提供了参考依据。

磷矿地下爆破随钻参数与岩体可爆性关系模型研究

岩体可爆性分级是确定劳动定额、爆破方案设计和控制炸药单耗的先决条件。为实现岩体可爆性的实时分级,针对宜昌磷矿目前采用的钻爆法施工,以宜昌树崆坪磷矿作为研究背景,基于KJ212-1型全液压掘进钻车,开展了对树崆坪磷矿Ph_(1)^(3)矿体及巷道掘进过程中的含碳泥质白云岩原位随钻参数的测量。结合室内单轴抗压强度试验,建立了单轴抗压强度R_(c)与钻进速度V、钻孔孔径D和回转压力M的关系模型,并对关系模型进行了验证。最后,将该模型代入坚固性系数f关系式中,得出爆破钻孔随钻参数与岩体可爆性分级关系模型。研究结果表明:通过该关系模型计算得出的单轴抗压强度与室内单轴压缩试验结果平均差异率为5.5%,说明其应用于实时预测岩体可爆性的合理性,该模型为岩体可爆性实时分级预测提供了一种更为方便、快捷的方法。岩体可爆性分级结果为白云质条带磷块岩、泥质条带磷块岩和致密条带磷块岩为中等可爆,含碳泥质白云岩为难爆,分级结果可为爆破技术参数选择提供重要依据。

约束条件下聚能装置对乳化炸药引爆距离影响的研究

为研究“聚能装置+乳化炸药”在隧道光面爆破中实现周边孔空气间隔装药的可行性以及聚能装置对炸药引爆距离的改良效果,在高原某地区开展了实地试验。采用无缝钢管模拟隧道周边孔进行两节及多节“乳化炸药+聚能装置”的引爆及2#岩石乳化炸药的殉爆试验研究,通过多组实验得出最大稳定引爆及殉爆距离。试验结果表明:在无缝钢管内,长度15 cm的聚能炸药和2#岩石乳化炸药的最大稳定引爆和殉爆距离分别为230 cm和115 cm,多节聚能炸药最大稳定引爆距离达到80 cm。由于聚能装置对爆轰波的径向约束作用,同时前端的圆锥形金属药型罩爆炸所形成的聚能射流大大增加了轴向上的冲击波能量,使得乳化炸药在无缝钢管中的引爆距离显著增加,应用于隧道周边孔可代替导爆索实现空气间隔装药,增强光面爆破效果,节约成本节省时间。

复杂岩性隧道超前切割爆破方法研究

针对复杂岩性隧道传统爆破开挖效果差的问题,基于传统光面爆破与预裂爆破的研究,在隧道周边局部存在软弱围岩情况下,将软弱围岩区周边孔的爆破提前至掏槽孔爆破之后进行,提出一种超前切割控制爆破方法。建立了准三维模型,使用流固耦合(ALE)算法和ANSYS/Ls-dyna有限元分析软件,对超前切割爆破方法与传统预裂、光面爆破方法进行了数值模拟对比研究,结果表明:相较于光面爆破与预裂爆破,对超前切割爆破在隧道轮廓周边损伤深度分别降低了6.85%与10.08%。结合仿真结果设计了现场爆破试验方案,并开展了光面爆破及超前切割爆破方法的现场对比试验,爆破结果表明:采用超前切割的爆破方法后,隧道的轮廓面成型效果好且软弱围岩区无掉块、坍塌情况,同时超欠挖得到有效控制。对爆破后的断面进行三维断面扫描数据及统计结果表明:相较于效果较好的光面爆破,超前切割爆破的最大超挖降低了35.98%、平均超挖降低了25.60%,混凝土消耗数量降低了26.3%,其平整度标准差提高了24.29%。该方法经过现场实践验证,在降低超挖的同时还可以减弱复杂岩性区内的爆破损伤,提升隧道保留围岩平整度。

节理倾角对深部凝灰岩动力学特性与能量传递的影响

为探究含节理深部凝灰岩在一维动载作用下的力学特性和能量传递规律,采用SHPB试验装置对7种指定天然节理倾角的凝灰岩试件进行冲击试验;试验过程中通过高速摄影仪对动态过程实时记录。从动态强度、能量耗散和宏观破坏等方面系统地分析节理倾角对深部凝灰岩动态响应特征的影响规律,结果表明:凝灰岩在节理倾角为45°时,动强度最小,动态抗压强度和峰值应变在节理倾角从0°增加到90°的范围内呈现出先降低到后上升的趋势。试件的最终破坏模式受节理倾角的控制,不同节理倾角的凝灰岩试件的最终破坏模式可分为拉伸破坏、拉伸–剪切复合型破坏、剪切破坏。在入射能量大致相同的情况下,凝灰岩的反射能比与透射能比随着天然节理倾角的增加呈现先下降后上升的趋势,在45°时最低,耗散能比则相反。能时密度随节理倾角的增大为先增大后减小,荷载作用方向与节理在45°~60°时吸收的能量较多并用于自身裂纹扩展。

超深竖井爆破掘进围岩损伤规律数值模拟研究

为了分析爆破荷载作用下超深竖井围岩损伤演化规律,基于三山岛金矿西岭副井爆破施工实践,采用数值模拟的方法,基于ANSYS/LS-DYNA重启动技术,根据爆破设计方案,利用等效爆炸荷载方法,分别对四种地应力(15 MPa、30 MPa、45 MPa和60 MPa)和四种侧压系数(1.0、1.25、1.5和2.0)条件下超深竖井爆破掘进围岩损伤进行数值计算;分析竖井围岩损伤效应,研究地应力与侧压系数对竖井围岩损伤范围的影响。数值计算结果表明:随着地应力的增大,损伤区域受到明显抑制作用,地应力从15 MPa增加到60 MPa,损伤区域的半径从5.75 m减小到3.4 m;随着侧压系数的增大,爆破损伤区域体现出各向异性,损伤区域向较大地应力方向集中。研究成果为控制竖井围岩爆破损伤提供理论基础。

屯宝煤矿井下爆破作业有毒有害气体管控方法研究

针对煤矿井下爆破作业有毒有害气体管控难的问题,以屯宝煤矿绞车硐室及瓦斯抽放硐室施工为工程背景,通过利用矿井瓦斯抽放系统、配合设置隔离和搭建气室等措施调整优化施工工艺,采用全新的技术方法,使爆破作业期间气体管控良好,在满足国家规定的基础上,有效对有毒有害气体进行管控,同时极大减少了作业时间,保障了施工安全,增加了工作效率,施工期间未发生气体超限和伤人事故,安全高效解决了炮烟问题,证明该方法安全有效。

冲击荷载下夹层复合岩石能量演化及断裂特征研究

为研究冲击荷载下夹层复合岩石能量演化及断裂特征,选用砂岩、大理岩和花岗岩3种材料制成6组不同的夹层复合岩石试件,利用霍普金森压杆系统进行动态断裂冲击试验,研究不同复合岩石试件的裂纹扩展形态、应力波波形特征、裂纹尖端应力场和能量损耗关系,同时结合DLSM模拟结果,分析动态断裂过程中的应力波传播规律以及动能演化过程。结果表明:高速相机拍摄的动态断裂过程与DLSM模拟裂纹扩展过程具有良好的拟合度;裂纹的产生情况取决于层理弱面的破坏情况,相同冲击条件下,仅层理弱面不同的试件,层理弱面强度越低,裂纹扩展的时间越短且越靠前,夹层材料硬度越小,用于裂纹扩展的能量越多;在相同入射能量条件下,硬度较大的试件作为冲击端材料时,试件的反射作用较强,反射能量较大,透射作用较弱,透射能量较小,试件的能量耗散较大;层理面对应力波传播具有明显的阻碍作用,产生的透射波在尖端积蓄能量直至切缝起裂,试件综合硬度增大后,透射波明显减弱,并且传播速度减缓。

水下爆炸冲击下箱型隧道结构破坏试验及数值模拟

针对水下爆炸荷载作用下混凝土隧道结构的动态响应、损伤演化及其破坏问题,本文采取室内模型试验与数值计算相结合的方法,根据东湖水下隧道设计了比尺为40∶1的试件,开展了水下箱型混凝土隧道缩比模型的爆炸试验,通过监测应变信号,比较了不同乳化炸药当量下混凝土隧道试件的动态响应规律,通过测量破坏范围的大小、裂缝扩展的长度,调查了箱型隧道缩比模型试件在水下爆破荷载作用下的破坏形式;采用ANSYS/LSDYNA中S-ALE算法对试验进行了1∶1建模仿真分析,对照试验数据及破坏形态,发现模拟结果与试验结果基本一致,同时对仿真结果进一步分析得到了水下爆炸冲击波的传播完整过程和试件结构的变形规律,通过对测点应变、位移数据的统计分析,揭示了箱型隧道试件在爆炸荷载下的动态响应机理。结果表明:箱型混凝土隧道结构在横向上的应变远大于纵向上应变;隧道破坏位置主要集中在爆源附近区域以及结构转角位置,验证了S-ALE算法能够较为准确的模拟出水下爆炸下结构的动态响应及损伤演化。

梅蓄电站二期上引水洞爆破开挖诱发空气超压对上库事故闸门的影响分析

爆破开挖过程中产生的空气超压可能会影响周边建构筑物的安全。梅州抽水蓄能电站二期引水平洞的爆破作业区,距离在一期工程中已建好并投入运行的二期工程引水上平洞上库钢质事故闸门仅81 m,爆破作业可能会影响事故闸门的稳定运行。为此,以梅州抽水蓄能电站二期引水上平洞的爆破开挖为对象,开展了爆破空气超压现场监测工作,分析了爆破空气超压的分布规律及其对梅州抽水蓄能电站上库事故闸门的安全影响,为分析爆破空气超压对上库事故闸门的安全影响提供了支撑。现场的爆破空气超压监测数据表明:距离爆破掌子面约80 m的事故闸门前的空气超压水平分布在0.63~3.46 kPa,远小于建议的相应的爆破安全控制标准100 kPa;闸门前使用胶帘等防护设施可以有效减小闸门位置的空气超压,实测的第4次和第5次爆破空气超压减小了55%以上;单段装药量及总装药量得到有效控制时,实测的空气超压值远低于建议的控制标准;现场宏观调查及其他检测数据也未见异常,爆破施工未影响上库事故闸门的安全运行。

基于Aegis的无底柱分段崩落法中深孔爆破过程模拟与应用

无底柱分段崩落法因其回采效率高、结构简单、安全性高等优势被广泛应用于地下金属矿开采,其落矿方式常采用中深孔爆破。针对传统无底柱分段崩落法中深孔爆破设计过程繁琐、模拟效果不够直观等问题,开展了基于爆破设计与分析软件Aegis的中深孔爆破过程模拟与应用研究。首先介绍了该软件的模块构成和功能,并梳理和总结了模拟分析流程;其次研究了利用模型边界限制爆破空间以及利用爆炸能量的交错状态校验孔网参数的两项关键技术;最后基于该软件对某地下矿山无底柱分段崩落法中深孔爆破进行了数值模拟。研究结果表明:单排炮孔内爆炸能量集中且充盈了整个爆腔,连续耦合的装药结构以及0.3 kg/t的炸药单耗设计较为合理;临排炮孔间爆腔壁呈相切的状态,可能存在排间能量不足以完全破碎岩体的情况,2.2 m的炮孔排距稍大;预测的多条进路爆破块度质量分布结果均出现大块占比偏高的情况,与现场的工程实践结果一致,并以其中一次爆破后的爆堆照片为例进行说明,其大块率达到了18.03%。结合Aegis软件的模拟结果,分析炮孔排距偏大可能是导致大块率偏高的主要原因。此外还对实验分段的6个开采进路进行了12次爆破试验并加以模拟验证,得到了基本一致的爆破块度质量占比结果,有效佐证了该软件的现场应用效能。