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。

轻轨结构在隧洞掘进爆破下的响应数值模拟

依托深圳大芬水分洪箱涵暗挖隧洞工程,采用动力有限元软件建立了三维数值模型,研究了轻轨结构在隧洞爆破开挖下的响应特性。结果表明:随着爆心距增加,同一高程的轻轨结构峰值应力、位移和峰值振速逐渐减小;随着高程增加,同一立柱峰值应力逐渐减小,而峰值位移和峰值振速具有高程放大效应;隧洞已开挖区形成的空腔使上部轻轨结构的振速响应存在空腔放大效应和空腔阻尼效应。在此基础上,基于萨道夫斯基公式回归预测和仿真计算对隧洞掘进爆破单响药量进行优化,结果为:轻轨结构位于掌子面前面和后面,两种工况条件下的爆心距均为20.52、28.65 m,则在允许振速条件下的最大单响药量分别为1.8、6.0 kg和2.1、6.3 kg。

冲击荷载下石墨矿石破碎能耗特征

为了研究晶质石墨矿石试样在冲击荷载作用下的破碎能耗特征,采用∅50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,设置气压间隔为0.1 MPa,0.2~0.6 MPa共5组冲击气压,进行不同加载速率条件下石墨矿石试样冲击压缩试验,并分析石墨矿石试样破碎能耗规律。试验结果表明:在冲击荷载作用下,石墨矿石试样的动态抗压强度与平均应变率具有较强的三阶多项式关系,且石墨矿石在冲击荷载作用下具有动态硬化作用,其动态抗压强度随着应变率的增大呈非线性增大,呈现明显的应变率效应;石墨矿石试样破碎耗能与入射能具有显著的对数关系,随着入射能增大,试样破碎耗能也随之增大,但其试样破碎耗能所占比例随应变率增大逐渐由0.38下降至0.11;随着平均应变率增大,石墨矿石试样破碎耗能密度呈非线性增长,具有较强的应变率效应;石墨矿石试样的破碎平均粒径与破碎耗能密度具有显著的三阶多项式相关关系,随着石墨矿石试样耗能密度增加,石墨矿石试样破碎程度加剧,可以采用石墨矿石试样破碎块度平均粒径实现对石墨矿石试样破碎程度进行定量描述。

不同品位石墨矿岩冲击破坏模式与能耗特性研究

爆破作用下,不同品位石墨矿存在破碎块度离散大和能量利用低的难题。利用ϕ50 mm的SHPB试验装置开展了不同应变率作用下5种品位石墨矿岩试样的动态压缩试验,并结合高速摄影和微观结构来分析不同品位石墨矿岩的冲击破坏模式与能量耗散特性。研究表明:随着品位的增加,石墨矿岩试样的破坏模式从张拉破坏转变为张拉—剪切破坏;石墨矿岩的能耗特性具有很明显的应变率效应,入射能随着应变率增加呈指数增长,吸收能呈线性增长趋势;品位高低对能量吸收率也有较大影响,不同品位石墨矿的能量吸收率随着应变率的变化特征具有明显差异;石墨试样的平均破碎尺寸与吸收能存在较好的对应关系,石墨品位为18.97%时,其平均破碎尺寸最小。通过显微镜观察破碎试样的微观结构,发现石墨片状结构会在矿岩内部产生结构界面,降低矿岩强度。

裂隙岩体精细化数值模型构建与爆破模拟

裂隙岩体爆破数值模拟过程中,裂隙分布模型的真实性,是影响数值模拟结果的关键因素之一,现有节理裂隙构建方法难以实现三维分布上的复杂表征或是实现操作过于繁杂。为探索在LS-DYNA软件中构建三维分布上真实、复杂表征的节理裂隙模型简单可行的操作方法,通过MATLAB软件对爆破数值模型K文件进行解析重组,按照节理裂隙三维分布规律进行勾勒并赋予节理裂隙材料本构,构建出符合节理裂隙分布规律的节理岩体三维精细化数值模型。以某露天石灰石矿山为实例,开展节理裂隙三维分布规律统计分析并在台阶爆破数值模型中进行还原,基于裂隙岩体精细化数值模型,开展露天台阶爆破数值模拟试验和现场爆破试验对比研究。结果表明:采用解析重组方法构建的数值节理模型与实际节理裂隙的误差小于13%;节理裂隙面使岩体内的损伤分布规律发生了变化,与完整岩体相比,损伤范围增加了12.04%,粒径处于0~100 mm的占比降低了8.11%;爆破模拟得到的损伤结果与现场破碎效果接近,统计粒径在0~100 mm之间的碎块的占比,误差为4.16%。解析重组法构建三维节理裂隙,可行、操作简便,数值模拟结果接近实际。

冲击载荷下石墨矿石动力学特性的层理效应及宏微观破坏机理

为探究冲击荷载作用下层理对石墨矿石动力学特性的影响规律,采用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)系统,对0°、 45°和90°层理角度的石墨矿石开展了不同冲击荷载(0.3、 0.4和0.5 MPa)下的动态压缩实验,并结合高速摄影和电子扫描技术分析了不同层理角度石墨矿石的动态力学特性和冲击破坏模式。研究结果表明:石墨矿石中矿物多呈同形粒状定向排列,接触界限不规则,白云母和石英含量较高,与石墨伴生,沿层理面富集;层理面的存在对石墨矿石的力学性质存在劣化作用,45°层理劣化作用最强;能耗特性随层理角度增大呈U形变化,与强度特征相似;同一应变率下,矿石破碎尺寸与能耗密度具有明显的相关性,0°层理破碎平均尺寸较小,能耗密度较大,45°层理破碎后块度最大,能耗密度最小;受外力作用时,石墨鳞片不仅从内部断裂,也易被伴生矿物撕裂,随层理角度的增大,试样破坏形式可归纳为张拉破坏—剪切破坏—张拉劈裂破坏的演化过程。冲击荷载作用下,石墨鳞片破坏程度主要受压力大小和作用方向控制,拉伸破坏可减少石墨鳞片内部断裂,低应变率可减少岩粉产生。因此,可通过调整冲击波传播方向、降低峰值应力和增大矿石拉应力破坏区域,以减少爆破冲击对石墨鳞片的破坏作用。

钢筋砼烟囱拆除爆破切口高度优选及效果分析

为进一步研究复杂环境下垃圾焚烧厂100 m钢筋砼烟囱的最佳爆破切口高度,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA分别对爆破切口高度为1.5、2.0和2.5 m 3种工况进行数值模拟,对比分析烟囱爆破倒塌姿态与最大水平位移,结合该烟囱自身结构与现场环境,采用上半部57 m拆除爆破、下半部43m机械拆除的方式。结果表明,爆破最优切口高度为2.0 m;通过对烟囱倒塌和解体过程图像分析可知,烟囱的爆破倒塌解体过程较为理想且符合工程实际,数值模拟结果与实际爆破效果高度吻合,可为同类拆除爆破提供经验。

基于连续-非连续模拟的台阶爆破抛掷堆积仿真实验研究

露天台阶爆破的现场试验爆炸时间短,且具有一定的危险性,难以实现爆破过程的细致观测。以某矿山台阶爆破为工程背景,建立颗粒流离散元模型,结合软件LS-DYNA与PFC,基于连续-非连续爆破模型模拟台阶爆破抛掷堆积过程。由于爆破过程中爆炸应力波与爆生气体的作用效果不同,故数值仿真中分别以速度与压力的形式模拟爆炸应力波与爆生气体,并分析爆破过程中岩体裂纹发展分布情况与爆破抛掷堆积效果。通过开展现场爆破实验,验证了模拟结果与现场爆破结果相吻合。

理论和实践结合型采矿工程专业课程线上教学模式的探索与实践——以“资源工程CAD”课程为例

疫情防控期间针对高校工科专业课程线上教学的迫切需要,以武汉理工大学采矿工程专业基础选修课“资源工程CAD”为例,分析理论知识与实践操作紧密结合型课程的特点,按照“课前预习、课堂教学、课后复习”3个阶段设计线上教学过程,形成闭环式教学路径,调整优化线上课程考核方法,将考查学生应试能力转化为考查学生实践和探索解决问题的能力,并以某一知识点为案例详细介绍“三模块”教学模式;最后针对存在的问题提出对策和建议,为理论和实践结合型工科专业课程线上教学提供借鉴。

不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩力学行为及损伤本构关系研究

不同固定碳含量石墨矿石力学性能和工业价值有所差异,研究石墨矿石力学性能与其固定碳含量之间的关系,对于深刻认识和科学利用石墨矿石具有重要意义。为此,综合运用石墨化学分析方法、岩石单轴压缩试验和岩石统计损伤理论,研究不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩荷载作用下的力学响应特性,揭示固定碳含量对石墨矿石力学性质及损伤本构关系的影响。试验结果表明:石墨矿石试样单轴抗压强度随固定碳含量增加呈负指数型函数递减趋势、弹性模量呈线性函数递减趋势、峰值应变呈指数型函数递增趋势;随固定碳含量增加,石墨矿石试样破坏模式由张拉破坏过渡到拉剪混合破坏,最后向剪切破坏转变。引入与固定碳含量相关的损伤因子,建立了反映固定碳含量影响的石墨矿石统计强度型损伤本构模型,并将理论曲线与试验曲线进行对比,验证了所建立的损伤本构模型的有效性与合理性。

“隧道工程”虚拟仿真实验教学平台的构建与实践

针对“隧道工程”课程在室内及现场难于对隧道施工过程开展实验教学的问题,借助虚拟仿真、多媒体、数据库和网络通信等技术,开展了隧道工程虚拟仿真实验教学平台的构建研究。该平台设置了施工准备、凿岩与爆破、装运、支护及量测5个模块,搭建了数据层、支撑层、通用服务层、仿真层及应用层5层构架,建立了涵盖隧道施工主要过程的虚拟仿真实验教学平台。教学实践表明,虚拟仿真实验教学平台的应用将虚拟隧道施工与实训有机结合,使教学过程与实验实践深度融合,改进了教学方式,丰富了教学手段,同时大大激发了学生的学习兴趣,增强了学生的实践能力,取得了良好的课程实验教学效果。

基于3Dmine的鄂西高磷赤铁矿凉水井矿区三维建模

借助于国内矿业软件3Dmine建立了鄂西高磷赤铁矿凉水井矿区的三维模型。在介绍三维建模理论,不规则三角网(TIN)原理,块段建模原理和基于块段建模的品位估值的基础上,建立了矿山的地质数据库,并且构建了矿区地表、断层、矿体、地质界线和品位块体模型。建立的模型形象逼真,具有一定的科学性和准确性,为矿产资源评估、开采设计和生产计划编制提供了基础。

岩体结构面对爆破地震波传播规律影响分析

为探索岩体结构面对爆破振动速度峰值、主频和信号中的能量分布等的影响,在钻沟石灰石露天矿爆破生产现场进行爆破振动测试。分别采用小波包分析和ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件对结构面影响下的爆破振动信号和爆破振动传播规律进行分析研究。小波包分析结果表明,当地震波穿过结构面时,爆破振动频率介于0~15.6 Hz之间的能量占爆破地震波能量比例随之增加,增幅达63.1%,而振动频率介于15.7~31.3 Hz之间的能量比例随之降低,降幅达56.9%。数值模拟结果表明,爆破地震波在未穿过结构面之前和穿过结构面后,振速峰值没有明显的衰减;而穿过结构面时,振速峰值衰减明显,其平均减震率为40.66%。此外,地震波在坡体内受高程和结构面双重作用,导致其放大系数呈先增大后减小的趋势。

节理裂隙岩体空气间隔装药爆破试验研究

为探索节理裂隙岩体空气间隔装药爆破技术的可行性,在贵州某土石方工程爆破施工现场选取岩体节理裂隙发育和岩体相对完整的2种地质区域,分别选取空气层的比例为5%、10%、15%、20%、25%、30%等工况进行混装铵油炸药孔口与孔底空气间隔装药爆破试验,利用Split—Desktop 3.0软件对爆破块度和爆破开挖后根底进行统计分析,得出了不同区域相同空气层位置、比例以及相同区域不同空气层位置、比例下的爆破效果。结果表明:节理裂隙发育区域采用空气间隔装药容易产生根底;岩体完整性对空气间隔装药参数取值有显著影响;岩体节理裂隙发育区域,应当选用较小的空气间隔比例;该试验区域的节理岩体可采用间隔比例为10%～15%的孔口空气间隔装药进行爆破。

基于FLAC^(3D)的采场结构参数优化

房柱采矿法适合于开采水平或近似水平的矿体,在确保采场安全的前提下,获得较高的矿石回收率和降低矿石损失与贫化的重要途径是选取合理的采场结构参数。利用有限差分软件FLAC3D,建立了开采水平矿体时的采场结构力学模型并进行了数值模拟,分析了采场结构参数对房柱法采场稳定性的影响。然后,针对鄂西缓薄高磷赤铁矿,通过数值模拟,得到了不同深度下的采场最优结构参数,并计算得到了矿石回收率,进而通过线性回归得到回收率随深度变化的函数关系。

层状倾斜矿体矿柱稳定性特征及矿房参数优化

湖北某磷矿开采过程中矿柱浅层岩体剥落破坏特征突出,严重影响了矿柱稳定性及采场围岩安全。采用极限强度理论和数值模拟方法,结合层状矿体倾斜赋存条件,研究了矿柱埋深、矿柱尺寸、矿柱间距等因素对矿柱安全系数和稳定性的影响规律,并给出了该矿房柱法开采的指导参数。研究表明:(1)对于埋深变化显著的层状倾斜磷矿床而言,当采深小于500 m时,选取5 m×5 m矿柱、9 m矿柱间距的采场布置参数,可保证矿柱和矿房顶板安全,当采深超过500 m后需进行参数优化。(2)矿柱尺寸是决定矿柱稳定性的主要因素,却是控制矿房顶板下沉的次要因素。当采用9 m矿柱间距时,将矿柱尺寸设计为6 m×6 m可有效减小矿柱变形量。(3)矿柱间距是决定矿房顶板围岩稳定性和矿柱变形程度的主要因素。工程实践表明,开采深度达到500 m后,采用5 m×5 m的矿柱尺寸,并且将矿柱间距减小至7 m,可显著减小矿柱和矿房围岩变形,有效降低矿柱荷载,使其处于稳定状态。

时序控制预裂爆破参数优化及应用

针对白鹤滩水电站地下厂房的爆破开挖,为降低爆破对岩体的损伤,采用数值模拟与现场试验研究小孔径时序控制预裂爆破中,后爆孔孔间延期时间及后爆孔孔距对时序控制预裂爆破成缝的影响,从而获取合理的延期时间和最佳的后爆孔孔距。研究结果表明,孔径为42mm的时序控制预裂爆破,先爆孔孔距为35cm时,合理的起爆延期时间为75~100μs;综合考虑炸药爆炸能量利用率和成缝效果,最佳的后爆孔孔距为70cm。科学地采用时序控制预裂爆破不仅可以减小钻孔工作量与炸药用量,还能降低对岩体的损伤,可为地下厂房爆破开挖安全、高效的进行提供一条有效的途径。

爆破工程虚拟仿真实验系统及教学实践研究

针对爆破工程课程实验存在较高危险性的难题,开展爆破虚拟仿真实验系统的研究与构建。采用数值模拟方法模拟炸药爆破作用,并通过动画模拟爆破对象的破坏过程,达到爆破过程再现的演示功能。开发爆破工程虚拟仿真实验系统平台,设置爆破破岩机理、台阶爆破、隧道掘进爆破、拆除爆破四个仿真实验模块。通过本仿真实验系统,学习者可清楚地了解炸药爆破作用机理,掌握炸药性能和爆破参数等对爆破效果的影响,直观真实;同时,大大降低了爆破工程课程实践教学危险性和实验成本,为改善课程教学效果提供保障。

矿山短期生产计划优化的多目标遗传粒子群算法

针对露天矿山生产的基本特征及短期生产计划的编制要求,从露天矿山的品位及经济成本最小化的角度出发,构建了露天矿短期生产作业计划优化模型。以MATLAB软件为平台,采用遗传粒子群混合智能算法对模型进行求解。以某石灰石露天矿为工程背景进行研究,将研究结果与露天矿实际生产指标进行对比验证。结果表明:该模型适用于露天矿短期采掘作业生产计划的编制,优化结果保证了矿山生产作业出矿品位、出矿量及生产利润三者之间的平衡,有利于提高矿山的经济效益。

金堆城露天矿生产爆破合理微差时间的探讨

基于金堆城钼业公司现场的爆破振动试验的实测数据,利用小波分析技术,对不同微差间隔以及相同微差间隔不同爆心距的振动信号进行能量分析,获得了2种情况下爆破振动信号频带的能量分布规律,从能量的角度探索了适合金堆城露天矿生产爆破的合理微差时间,达到降低爆破振动的目的。